沖蝕研究現(xiàn)狀

1、沖蝕磨損是指液體或固體以松散的小顆粒按一定的速度或角度對材料表面進行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象或過程。它廣泛存在于機械、冶金、能源、建材、航空、航天等許多工業(yè)部門，已成為材料破壞或設備失效的重要原因之一6365。根據(jù)流動介質(zhì)和所攜帶相的特點，可以將沖蝕磨損分為六種不同的類型66:（1）噴砂型沖蝕，即氣體介質(zhì)攜帶固體顆粒對材料的沖蝕，其工程實例為煙氣輪機、鍋爐管道等出現(xiàn)的破壞；（2）水滴沖蝕（又稱雨蝕），即氣體介質(zhì)攜帶液滴對材料的沖蝕，其工程實例為高速飛行器、汽輪機葉片出現(xiàn)的破壞等；（3）泥漿（又稱料漿）沖蝕，即液體介質(zhì)攜帶固體顆粒對材料的沖蝕，其工程實例如水輪機葉片、泥漿泵葉輪出現(xiàn)的破壞；（

2、4）氣蝕（又稱空蝕），即液體介質(zhì)攜帶氣泡對材料的沖蝕，工程實例如船用螺旋槳、高壓閥門密封面出現(xiàn)的破壞；還有兩種類型為三相流沖蝕，即（5）氣體介質(zhì)同時攜帶液滴和固體顆粒對材料的沖蝕；（6）液體介質(zhì)同時攜帶氣泡和固體顆粒對材料的沖蝕。本文研究的沖蝕磨損主要是固液兩相，可以歸到上述的第3類。1958年，從Finnie.I第一個沖蝕理論微切削理論提出以來，許多研究者提出了一些關于沖蝕的模型6774,但到目前為止，人們?nèi)晕茨苋娼沂静牧蠜_蝕的內(nèi)在機理75。Finnie.I解釋了塑性材料在多角形磨粒、低沖擊角下的磨損規(guī)律，但對高沖擊角或脆性材料的沖蝕偏差較大；1963年，Bitter76提出變形磨損理論，

3、 該理論在單顆粒沖蝕磨損試驗機上得到驗證，合理地解釋了塑性材料的沖蝕現(xiàn)象，但缺乏物理模型的支持。Levy77在大量實驗的基礎上提出來的鍛壓擠壓理論：使用分步?jīng)_蝕試驗法和單顆粒尋跡法研究沖蝕磨損的動態(tài)過程。該理論較好地解釋了顯微切削模型難以解釋的現(xiàn)象。1979年，Evans等人提出的彈塑性壓痕破裂理論78。大量試驗證明，該理論很好地反映了靶材和磨粒對沖蝕磨損的影響，試驗值和理論值也較吻合，但不能解釋脆性粒子以及高溫下剛性粒子對脆性材料的沖蝕行為。Tilly79提出二次沖蝕理論，它用高速攝影術、篩分法和電子顯微鏡研究了粒子的破裂對塑性靶材沖擊的影響，較好地解釋了脆性粒子的大入射角沖蝕問題。Hutc

4、hing提出了絕熱剪切與變形局部化磨損理論，該理論第一次把變形臨界值作為材料性質(zhì)的衡量指標，由材料的微觀結構所決定。流體沖蝕理論目前已建立了兩個理論，一個是Springer理論，它用以解釋氣蝕及液滴沖蝕中存在孕育期、加速期、最大沖蝕及穩(wěn)定沖蝕區(qū)。另一個是Thiruvengadam理論， 它提出沖蝕強度的概念， 用簡單的圖解法估算特定條件下材料耐沖蝕壽命與沖蝕強度之間的關系，但與實際情況有較大的偏離。 影響沖蝕磨損包括材料內(nèi)在因素和環(huán)境因素， 這在國內(nèi)許多書籍和文獻80已做了大量論述，對材料的耐沖蝕性能與其內(nèi)在因素的關系，以及環(huán)境、沖擊角度、粒子大小、速度等因素對沖蝕的影響，研究人員持不同的觀點

5、8183。流速流態(tài)對沖刷磨損具有十分重要的影響，通過研究流體力學因素的影響程度，有助于深入認識沖刷磨損的機理84,85o在流態(tài)發(fā)生突然變化的部位（如突然擴充、收縮等），這種惡性循環(huán)會造成過流部件的過早失效。流體的流動狀態(tài)，不僅取決于流速，而且與流體的物性、設備的幾何形狀有關86。近幾十年人們試著尋找某些通用或關鍵的流體力學參數(shù)來解釋沖刷磨損速度，其中包括流速87、雷諾數(shù)88、傳質(zhì)系數(shù)89,近壁處的湍流強度（near-wallturbulence）90。在工程上或?qū)嶒炇已芯恐校魉偻俏ㄒ坏暮涂煽刂频牧W指標，人們借以提出臨界流速概念91,美國石油學會還制定出適合油氣開采過程的臨界流速計算公式

6、。但不同學者得出的臨界流速各不相同，這與每個學者采用的不同實驗方法有關，臨界流速本身是否存在也受到質(zhì)疑。流體及磨粒速度、沖擊角度、沖蝕時間、硬度等也是影響沖刷磨損的重要因素。沖擊角的影響與靶材類型有關，塑性材料在2030角沖擊時破壞最大97。文獻98認為，材料發(fā)生沖刷磨損存在一個沖擊速度的門檻值，低于這個數(shù)值不產(chǎn)生沖蝕磨損，只發(fā)生彈性變形。磨粒沖擊速度，由粒子性能和材料性質(zhì)決定。沖蝕磨損與其他磨損具有不同的特點，沖蝕磨損存在一個較長的潛伏期或孕育期。即磨料沖擊靶面后先是使表面粗糙、產(chǎn)生加工硬化而不使材料產(chǎn)生流失，經(jīng)過一段時間的損傷積累后才逐步產(chǎn)生沖蝕磨損99。N.J.Clem等人基于CFD理論

7、對高流量下的壓裂管柱內(nèi)流速，流線，沖蝕以及砂的濃度進行分析，并根據(jù)分析結果，確定系統(tǒng)內(nèi)需要優(yōu)化設計的部位100oJ.Li和S.Hamid等人采用CFD模型對水平井噴砂器周圍流態(tài)進行了研究101,并分析了流體對壁面的沖擊角度。綜上所述，固液兩相流動理論和計算流體動力學的發(fā)展，以及沖刷磨損研究中流體力學因素的引入，為本課題的研究提供了理論依據(jù)。隨著水力壓裂技術的不斷發(fā)展，壓裂井深、施工排量、加砂量、施工壓力不斷的提高，對壓裂管柱提出了更高的設計要求。而將計算流體力學理論和沖刷磨損研究方法引入壓裂管柱設計研究中已經(jīng)開始引起研究者的重視。壓裂管柱內(nèi)固液兩相流動特性及沖刷磨損機理研究，使整體管柱的設計及

8、優(yōu)化工作得到完善，必將是國內(nèi)外的研究動向和發(fā)展方向。63 AllenC,BallA.Areviewoftheperformanceofengineer-ingmaterialsunderprevalenttribologicalandwearsituationsinSouthAfricaindustriesJ.TriboInter,1996(29):105-116.64董剛，張九淵.固體粒子沖蝕磨損研究進展J.材料科學與工程報，2003,21(2):307312.65陳冠國，褚秀萍.關于沖蝕磨損問題J.河北理工學院學報，1997,19(4):2732.66劉家俊，李詩卓，周平安等.材料磨損原理

9、及其耐磨性M.北京：清華大學出版社，1993:172193.67 FinnieI,StevickGR,RidgelyJR.TheinfluenceofimpingementangleontheerosionofductilemetalsbyangularabrasiveparticlesJ.Wear,1992(152):91-98.68 FinnieI.SomeobservationsontheerosionofductilemetalsJ.Wear,1972(19):81-90.69M.Hutchings.Amodelfortheerosionofmetalsbysphericalparti

10、clesatnormalincidenceJ.Wear,1981(70):269-281.70 SundararajanG.,ShewmonPG.AnewmodelfortheerosionofmetalsatnormalincidenceJ.Wear,1983(84):237-258.71 JahamnirS.ThemechanicsofsubsurfacedamageinsolidparticleerosionJ.Wear,1981(61):309-324.72 BranchRM.ImpactdynamicswithapplicationstosolidparticleerosionJ.I

11、nternationalJournalofImpactEngineering,1988(7):37-53.73 SundararajanG,ShewmonPG.AnewmodelfortheerosionofmetalsatnormalincidenceJ.Wear,1983(84):237-258.74 WiederhornSM,LawnBR.Strengthdegradationofglassimpactedwithsharpparticles:I,AnnealedSurfacesJ.JournaloftheAmericanceramicsociety,1979(62):66-69.75馬

12、穎，任峻，李元東等.沖蝕磨損研究的進展J.蘭州理工大學學報，2005,31(1):2225.76 BitterJG.AstudyoferosionphenomenaJ.Wear,1983(6):5-21.77 LevyAV.Theerosionofstructurealloys,cerametsandinsituoxidescalesonsteelsJ.Wear,1988(127):31-52.78邵荷生，曲敬信.摩擦與磨損M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.79 TillyGP.AtwostagemechanismofductileerosionJ.Wear,1973(23):87-96.8

13、0李詩卓，董祥林.材料的沖蝕磨損與微動磨損M.北京：機械工業(yè)出版社，1987.81潘牧，羅志平.材料的沖蝕問題J.材料科學與工程，1999,3(17):9296.82 RogersM,HutchingsIM.Coatingsandsurfacetreatmentsforprotectionagainstlow-velocityerosion-corrosioninfluidizedbedsJ.Wear,1995,186-187:238-246.83 BryanPoulaon.ComplexitiesinpredictingerosioncorrosionJ.Wear,1999,233-235:

14、497-504.84林玉珍.在流動條件下磨損腐蝕的研究進展J.全面腐蝕控制，1996,10(4):13.85田興嶺，林玉珍等.碳鋼在液/固雙相管流中的磨損腐蝕機理研究J.北京化工大學學報，2003,30(5):4043.86鄭玉貴，姚治銘，柯偉.流體力學因素對沖刷腐蝕的影響機制J.腐蝕科學與防護技術，2000,12(1):3640.87 CopsonHR.EffectsofVelocityonCorrosionbyWaterJ.Ind.andEng.Chem.,1952,44:1745.88 ShemiltLW,ChaC丫,FiadzigbeE.Steelpipecorrosionunderf

15、lowconditions-III.EffectofsulphateionJ.CorrosionScience,1980,20:443-455.89 SyddergerT,LotzUJ.Electrochem.Soc.,1982,129(2):276.90 BlattW,HeitzE.Corrosion,1989,45(10):793.91 SyrettBC.Corrosion,1976,32(6):242.92 ZeiselH.Durst.Corrosion90,p29.93林玉珍.中國腐蝕與防護學報，1999,19(1):1.94 BrownNP,ShookCA,PotersJ,etal.

16、TheCanadianJourralofChemicalEngineering,1983,61(8):597.95 BlattW,HeitzE.HydromechanicalmeasurementsforerosioncorrosionJ.Corrosion90,NACE,1990:25.96鄭玉貴，閻永貴，龍康等.中國腐蝕與防護學報，1999,19(5):301.97劉英杰，成克強.磨損失效分析基礎M.北京：機械工業(yè)出版社，1991.98邵荷生，曲敬信.摩擦與磨損M.北京：煤炭工業(yè)出版社，1992.99何獎愛，王玉瑋.材料磨損與耐磨材料M.沈陽：東北大學出版社，2002.100 ClemNJ

17、,CoronadoMP,ModyR.K.UtilizingComputationalFluidDynamics(CFD)AnalysisasaDesignToolinFrac-PackingApplicationsToImproveErosionLifeC.SPEAnnualTechnicalConferenceandExhibition,2006,9:24-27.101 LiJ,HamidS,OnealD.PredictionofToolErosioninGravel-PackandFrac-PackApplicationsUsingComputationalFluidDynamics(CF

18、D)SimulationC.OffshoreTechnologyConference,2005,3:2-5.1張書進.壓裂管柱內(nèi)固液兩相流動特性及磨損機理研究D大慶石油學院，2010.沖蝕磨損的定義沖蝕磨損(erosionwear)是指材料受到小而松散的流動粒子沖擊時表面出現(xiàn)破壞的一類磨損現(xiàn)象。其定義可以描述為固體表面同含有固體粒子的流體接觸做相對運動其表面材料所發(fā)生的損耗。 攜帶固體粒子的流體可以是高速氣流，也可以是液流，前者產(chǎn)生噴砂型沖蝕，后者則稱為泥漿型沖蝕。沖蝕磨損是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中常見的一種磨損形式，是造成機器設備及其零部件損壞報廢的重要原因之一。沖蝕磨損的種類沖蝕磨損是由多相流動介質(zhì)

19、沖擊材料表面而造成的一類磨損。根據(jù)流動介質(zhì)的不同，可將沖蝕磨損分為兩大類：氣流噴砂型沖蝕及液流或水滴型沖蝕。流動介質(zhì)中攜帶的第二相可以是固體粒子、液滴或氣泡，它們有的直接沖擊材料表面，有的則在表面上泯滅從而對材料表面施加機械力。如果按流動介質(zhì)及第二相排列組合，則可把沖蝕分為如下四種類型。1 1、噴砂型噴嘴沖蝕：氣流攜帶固體粒子沖擊固體表面產(chǎn)生的沖蝕。這類沖蝕現(xiàn)象在工程中最常見，如入侵到直升機發(fā)動機的塵埃和沙粒對發(fā)動機的沖蝕。氣流運輸物料對管路彎頭的沖蝕，火力發(fā)電廠粉煤鍋爐燃燒尾氣對換熱器管路的沖蝕等。2 2、泥漿噴嘴沖蝕：油液體介質(zhì)攜帶固體粒子沖擊到材料表面產(chǎn)生的沖蝕。這類沖蝕表現(xiàn)在水輪機葉片

20、在多泥沙河流中受到的沖蝕，建筑行業(yè)，石油鉆探、煤礦開采、冶金礦山選礦場中及火力發(fā)電站中使用的泥漿泵，雜質(zhì)泵的過流部件受到的沖蝕，以及在煤的氣化、液化(煤油漿、煤水漿的制備)、輸送及燃燒中有關輸送管道、設備受到的沖蝕等。3 3、雨蝕、水滴沖蝕：高速液滴沖擊造成材料的表面損壞。如飛行器，導彈穿過大氣層及雨區(qū)時，迎風面上受到高速的單顆粒液滴沖擊出現(xiàn)的漆層剝落和蝕坑，在高溫過熱蒸汽中高速運行的蒸汽輪機葉片備受到水滴沖擊而出現(xiàn)小的沖蝕等。4 4、氣蝕性噴嘴沖蝕：由低壓流動液體中溶解的氣體或蒸發(fā)的氣泡形成和泯滅時造成的沖蝕。這類沖蝕主要出現(xiàn)在水利機械上，如船用螺旋槳，水泵葉輪、輸送液體的管線閥門，以及才有

21、機汽缸套外壁與冷卻水接觸部位過窄的流道等。沖蝕磨損的防護通常采用涂抹預保護涂層，根據(jù)磨損情況的不同選擇不同的保護層。主要有以下幾種：1 1 采用耐磨涂層膠，耐磨修補劑講行預保護,2 2 采用耐磨陶海膠粘貼特種耐磨陶瓷片進行預保護,3 3 采用聚氨酯彈性涂層20052005 年，馬穎，任峻等介紹了沖蝕磨損的實質(zhì)及其磨損理論，并探討了影響沖蝕磨損的主要因素.研究結果表明， 沖蝕磨損是液體或固體小顆粒以一定速度或角度對材料表面進行沖擊所造成的一種材料損耗現(xiàn)象，沖蝕量的衡量體系依據(jù)材料屬于塑性還是脆性具有不同的理論模型；影響沖蝕磨損的因素主要有粒子性能、環(huán)境因素和材料性能等方面.1馬穎，任峻，李元東，

22、陳體軍，李炳.沖蝕磨損研究的進展J.蘭州理工大學學報，2005,31(1):21-2520092009 年，李國美，王躍社等建立了考慮顆粒碰撞的顆粒沖蝕計算模型，該數(shù)學模型包括：在 EulerianEulerian 坐標系下求解連續(xù)相流場；在 129129 舊觀 1212 門坐標系下運用離散顆粒硬球模型求解顆粒碰撞；應用半實驗關聯(lián)式求解顆粒沖蝕速率。對水力加砂壓裂施工中節(jié)流器內(nèi)液-固兩相流的固體顆粒運動和沖蝕特性進行了數(shù)值模擬。 計算結果表明，固體顆粒密集于節(jié)流器入口到出口的一段狹長區(qū)域內(nèi)，沖蝕速率隨流體速度呈指數(shù)性變化。顆粒直徑越大，沖蝕速率也越大。1李國美，王躍社，孫虎，亢力強，王燕令，彳s仁洋.節(jié)流器內(nèi)液-固兩相流固體顆粒沖蝕數(shù)值模擬J.石油學報，2009,30(1):145-1482010年，王尊策，徐艷等針對深層氣井壓裂施工排量和加砂量