兩種涂層管材抗沖蝕性能對比

李義博 王治國

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

0 引言

在石油和海洋領(lǐng)域中，引起設(shè)備失效的最主要原因之一就是材料失效導(dǎo)致的腐蝕磨損[1-3]。其中就包括了石油輸送管道、水輪機、泵和用于輸送固體顆粒的管道。在這種情況下，固體顆粒與液體會發(fā)生結(jié)合，形成液固兩相流，導(dǎo)致表面受損，引發(fā)局部部件損壞，導(dǎo)致成本增加，工作效率降低，甚至可能引發(fā)安全事故[4,5]。

材料的硬度、韌性、脆性等表面特性顯著影響耐腐蝕性能。關(guān)于硬度和侵蝕速率的關(guān)系，普遍認(rèn)為當(dāng)侵蝕顆粒與材料表面的硬度比高于1.2時，塑性材料的侵蝕接近最大并達(dá)到飽和狀態(tài)，當(dāng)硬度比低于1.2時，侵蝕速率隨著硬度比的減小而減小[6]。塑性材料和脆性材料的沖蝕機理不同，導(dǎo)致它們的沖蝕速率也不相同。

1 沖蝕實驗設(shè)備與方法

1.1 沖蝕試驗設(shè)備

沖蝕實驗使用自制沖蝕試驗臺來完成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1（a）所示。首先配置液固兩相流流體，將硅砂顆粒與水按照1%比例進(jìn)行混合配置，硅砂顆粒形狀如圖1（b）所示。接著將試樣固定在試樣夾上，試樣與噴嘴之間的距離設(shè)為10.5mm，將混合流體倒入水箱中，隨后將試樣夾持器放在盛有混合流體的水箱中。啟動離心泵，攜砂液體會從管道中流出沖擊試樣。沖蝕實驗結(jié)束后，關(guān)閉實驗裝置，取下試樣并進(jìn)行表面清潔烘干處理，隨后連續(xù)稱重5次，取平均值，并測試砂含量，直至沖蝕實驗結(jié)束。

圖1 實驗裝置示示意圖和實驗所用砂粒的顯微形貌

1.2 沖蝕實驗方法

實驗完成后射流流速v采用連續(xù)性方程計算：

式中，Q為漿體流量，kg/s；ρ為漿體密度，kg/m3；A為噴嘴出口面積，m2。攜砂率W為漿體攜帶的磨料占總添加磨料的比值。

式中，mp為隨漿體攜帶出的磨料顆粒質(zhì)量，kg；mabrasive為磨料顆粒添加的總質(zhì)量，kg。

式中，ER為管材沖蝕速率，g/（m2·s）；m1為管材沖蝕前質(zhì)量，g；m2為試樣沖蝕后質(zhì)量，g；Aspec為試樣沖蝕面積，m2；t為沖蝕時間。

2 沖蝕實驗結(jié)果與分析

2.1 硬度分析

進(jìn)行沖蝕實驗前，需要測量材料的硬度。用夾角為136°的金剛石正四棱錐壓頭，對其設(shè)定規(guī)定的試驗力讓其壓入材料表面，等待規(guī)定時間后卸除試驗力，通過測量正四棱錐的壓痕面積來表示其硬度值。表1為1號和2號涂層的硬度值：

表1 材料硬度分析

對1號涂層和2號涂層的表面頂部的三個不同位置測量表面顯微硬度，并記錄平均值。由表1可知，2號涂層硬度遠(yuǎn)大于1號涂層。

2.2 沖蝕試驗結(jié)果及分析

在液固沖蝕實驗中，噴嘴直徑為7mm，噴嘴距離試樣距離為10.5mm。設(shè)定1號涂層和2號涂層的沖蝕時間為20min，由2.2章節(jié)計算公式可求出噴嘴平均流速為15m/s，平均含砂量為0.4954%。如圖2所示，1號涂層套管、2號涂層套管的沖蝕速率分別為0.002511g/（m2·s）、0.007179g/（m2·s）。

圖2 涂層材料在液固兩相流體中的沖蝕速率對比

對于1號樹脂涂層套管，由于1號樹脂涂層套管是粘貼在金屬表面，在10min1號涂層套管僅發(fā)生輕微剝落，而在20min時，涂層全部脫落且金屬受到?jīng)_蝕，由此可以推斷在1號涂層套管沖蝕20min后涂層膨脹粘貼性降低進(jìn)而導(dǎo)致涂層脫落。對比兩種涂層套管實驗，在20min時間內(nèi)，2號涂層損失的質(zhì)量為1號涂層套管的1.5倍，表明2號涂層在短時間液固沖蝕的情況下抗沖蝕方面較弱。可以得出相關(guān)結(jié)論：1號涂層套管在90°的角度下，抗沖蝕普遍較低，較薄的涂層在高速流動的攜砂液體中，塑性涂層通常會以脆性剝落或涂層鼓包脫落導(dǎo)致，2號涂層較薄，極其容易被沖沒。西北工業(yè)大學(xué)劉道新提到，涂層太薄或者太厚抗沖蝕能力都不太理想，需要將涂層材料控制在一定厚度抗沖蝕能力才能達(dá)到最佳[7]。因此，在較薄的涂層進(jìn)行液固環(huán)境下攜砂沖蝕，涂層的抗沖蝕性能極其不佳。

在氣固沖蝕實驗中，噴嘴直徑為7mm，噴嘴距離試樣距離為10.5mm。設(shè)定1號涂層套管、2號涂層套管試樣沖蝕時間為1h，由2.2章節(jié)計算公式可求出噴嘴平均流速為17.5m/s。如圖3所示，1號涂層套管、2號涂層套管的沖蝕速率分別為0.000994718g/（m2·s）、0.000117893g/（m2·s）。對比1號涂層套管和2號涂層套管可以得出2號涂層套管在氣固的環(huán)境中抗沖蝕能力很強，根據(jù)圖2和圖3可以得出2號金屬涂層套管在液固環(huán)境抗沖蝕能力一般，沒有在氣固環(huán)境下抗沖蝕性能強，1號涂層套管在進(jìn)行氣固沖蝕實驗中涂層雖然沒有被沖破，但是涂層的抗沖蝕性能還是較弱。

圖3 涂層套管材料在氣固兩相流體中的沖蝕速率對比

3 結(jié)語

（1）對比1號涂層套管在氣固和液固環(huán)境下的沖蝕速率，1號涂層套管在液固的環(huán)境下比在氣固的環(huán)境下沖蝕速率更大，涂層更容易剝落；

（2）試驗中發(fā)現(xiàn)，在液固兩相流環(huán)境中1號涂層套管10min后涂層就出現(xiàn)輕微剝落。而在氣固環(huán)境中，沖蝕1小時也沒有出現(xiàn)完全剝落；

（3）在20min的液固環(huán)境沖蝕試驗條件下，2號涂層損失的質(zhì)量為1號涂層套管的1.5倍，表明2號涂層在短時間沖蝕的情況下抗沖蝕方面較弱。而2號涂層在氣固實驗中損失質(zhì)量為1號涂層的0.12倍，表明2號涂層在短時間內(nèi)抗沖蝕能力極強。