冲蚀研究现状

冲蚀磨损基础知识

（参考信息，由 成都全息精密硬质合金 流体控制 提供）

冲蚀磨损是指液体或固体以松散的小颗粒按一定的速度或角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。它广泛存在于机械、冶金、能源、建材、航空、航天等许多工业部门，已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一[63~65]。

根据流动介质和所携带相的特点，可以将冲蚀磨损分为六种不同的类型[66]：(1)喷砂型冲蚀，即气体介质携带固体颗粒对材料的冲蚀，其工程实例为烟气轮机、锅炉管道等出现的破坏；(2)水滴冲蚀(又称雨蚀)，即气体介质携带液滴对材料的冲蚀，其工程实例为高速飞行器、汽轮机叶片出现的破坏等；(3)泥浆(又称料浆)冲蚀，即液体介质携带固体颗粒对材料的冲蚀，其工程实例如水轮机叶片、泥浆泵叶轮出现的破坏；(4)气蚀(又称空蚀)，即液体介质携带气泡对材料的冲蚀，工程实例如船用螺旋桨、高压阀门密封面出现的破坏；还有两种类型为三相流冲蚀，即(5)气体介质同时携带液滴和固体颗粒对材料的冲蚀；(6)液体介质同时携带气泡和固体颗粒对材料的冲蚀。本文研究的冲蚀磨损主要是固液两相，可以归到上述的第 3 类。

1958 年，从 Finnie. I 第一个冲蚀理论－微切削理论提出以来，许多研究者提出了一些关于冲蚀的模型[67~74]，但到目前为止，人们仍未能全面揭示材料冲蚀的内在机理[75]。Finnie. I 解释了塑性材料在多角形磨粒、低冲击角下的磨损规律，但对高冲击角或脆性材料的冲蚀偏差较大；1963 年，Bitter[76]提出变形磨损理论，该理论在单颗粒冲蚀磨损试验机上得到验证，合理地解释了塑性材料的冲蚀现象，但缺乏物理模型的支持。Levy[77]在大量实验的基础上提出来的锻压挤压理论：使用分步冲蚀试验法和单颗粒寻迹法研究冲蚀磨损的动态过程。该理论较好地解释了显微切削模型难以解释的现象。1979 年，Evans 等人提出的弹塑性压痕破裂理论[78]。大量试验证明，该理论很好地反映了靶材和磨粒对冲蚀磨损的影响，试验值和理论值也较吻合，但不能解释脆性粒子以及高温下刚性粒子对脆性材料的冲蚀行为。Tilly[79]提出二次冲蚀理论，它用高速摄影术、筛分法和电子显微镜研究了粒子的破裂对塑性靶材冲击的影响，较好地解释了脆性粒子的大入射角冲蚀问题。Hutching 提出了绝热剪切与变形局部化磨损理论，该理论第一次把变形临界值作为材料性质的衡量指标，由材料的微观结构所决定。流体冲蚀理论目前已建立了两个理论，一个是 Springer 理论，它用以解释气蚀及液滴冲蚀中存在孕育期、加速期、最大冲蚀及稳定冲蚀区。另一个是 Thiruvengadam 理论，它提出冲蚀强度的概念，用简单的图解法估算特定条件下材料耐冲蚀寿命与冲蚀强度之间的关系，但与实际情况有较大的偏离。影响冲蚀磨损包括材料内在因素和环境因素，这在国内许多书籍和文献[80]已做了大量论述，对材料的耐冲蚀性能与其内在因素的关系，以及环境、冲击角度、粒子大小、速度等因素对冲蚀的影响，研究人员持不同的观点[81~83]。

流速流态对冲刷磨损具有十分重要的影响，通过研究流体力学因素的影响程度，有助于深入认识冲刷磨损的机理[84,85]。在流态发生突然变化的部位（如突然扩充、收缩等），这种恶性循环会造成过流部件的过早失效。流体的流动状态，不仅取决于流速，而且与流体的物性、设备的几何形状有关[86]。

近几十年人们试着寻找某些通用或关键的流体力学参数来解释冲刷磨损速度, 其中包括流速[87]、雷诺数[88]、传质系数[89], 近壁处的湍流强度(near-wall turbulence)[90]。在工程上或实验室研究中, 流速往往是唯一的和可控制的力学指标, 人们借以提出临界流速概念[91], 美国石油学会还制定出适合油气开采过程的临界流速计算公式。但不同学者得出的临界流速各不相同, 这与每个学者采用的不同实验方法有关, 临界流速本身是否存 在也受到质疑。

流体及磨粒速度、冲击角度、冲蚀时间、硬度等也是影响冲刷磨损的重要因素。冲击角的影响与靶材类型有关，塑性材料在 20°～30°角冲击时破坏最大[97]。文献[98]认为，材料发生冲刷磨损存在一个冲击速度的门槛值，低于这个数值不产生冲蚀磨损，只发生弹性变形。磨粒冲击速度，由粒子性能和材料性质决定。冲蚀磨损与其他磨损具有不同的特点，冲蚀磨损存在一个较长的潜伏期或孕育期。即磨料冲击靶面后先是使表面粗糙、产生加工硬化而不使材料产生流失，经过一段时间的损伤积累后才逐步产生冲蚀磨损[99]。N. J. Clem 等人基于 CFD 理论对高流量下的压裂管柱内流速，流线，冲蚀以及砂的浓度进行分析，并根据分析结果，确定系统内需要优化设计的部位[100]。J. Li 和 S. Hamid等人采用 CFD 模型对水平井喷砂器周围流态进行了研究[101]，并分析了流体对壁面的冲击角度。

综上所述，固液两相流动理论和计算流体动力学的发展，以及冲刷磨损研究中流体力学因素的引入，为本课题的研究提供了理论依据。随着水力压裂技术的不断发展，压裂井深、施工排量、加砂量、施工压力不断的提高，对压裂管柱提出了更高的设计要求。而将计算流体力学理论和冲刷磨损研究方法引入压裂管柱设计研究中已经开始引起研究者的重视。压裂管柱内固液两相流动特性及冲刷磨损机理研究，使整体管柱的设计及优化工作得到完善，必将是国内外的研究动向和发展方向。

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冲蚀磨损的定义

冲蚀磨损（crosion wear）是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时表面出现破坏的一类磨损现象。其定义可以描述为固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动其表面材料所发生的损耗。携带固体粒子的流体可以是高速气流，也可以是液流，前者产生喷砂型冲蚀，后者则称为泥浆型冲蚀。冲蚀磨损是现代工业生产中常见的一种磨损形式，是造成机器设备及其零部件损坏报废的重要原因之一。 冲蚀磨损的种类

冲蚀磨损是由多相流动介质冲击材料表面而造成的一类磨损。根据流动介质的不同，可将冲蚀磨损分为两大类：气流喷砂型冲蚀及液流或水滴型冲蚀。流动介质中携带的第二相可以是固体粒子、液滴或气泡，它们有的直接冲击材料表面，有的则在表面上泯灭从而对材料表面施加机械力。如果按流动介质及第二相排列组合，则可把冲蚀分为如下四种类型。

1、喷砂型喷嘴冲蚀：气流携带固体粒子冲击固体表面产生的冲蚀。这类冲蚀现象在工程中最常见，如入侵到直升机发动机的尘埃和沙粒对发动机的冲蚀。气流运输物料对管路弯头的冲蚀，火力发电厂粉煤锅炉燃烧尾气对换热器管路的冲蚀等。

2、泥浆喷嘴冲蚀：油液体介质携带固体粒子冲击到材料表面产生的冲蚀。这类冲蚀表现在水轮机叶片在多泥沙河流中受到的冲蚀，建筑行业，石油钻探、煤矿开采、冶金矿山选矿场中及火力发电站中使用的泥浆泵，杂质泵的过流部件受到的冲蚀，以及在煤的气化、液化（煤油浆、煤水浆的制备）、输送及燃烧中有关输送管道、设备受到的冲蚀等。

3、雨蚀、水滴冲蚀：高速液滴冲击造成材料的表面损坏。如飞行器，导弹穿过大气层及雨区时，迎风面上受到高速的单颗粒液滴冲击出现的漆层剥落和蚀坑，在高温过热蒸汽中高速运行的蒸汽轮机叶片备受到水滴冲击而出现小的冲蚀等。

4、气蚀性喷嘴冲蚀：由低压流动液体中溶解的气体或蒸发的气泡形成和泯灭时造成的冲蚀。这类冲蚀主要出现在水利机械上，如船用螺旋桨，水泵叶轮、输送液体的管线阀门，以及才有机汽缸套外壁与冷却水接触部位过窄的流道等。 冲蚀磨损的防护

通常采用涂抹预保护涂层，根据磨损情况的不同选择不同的保护层。主要有以下几种：

1 采用耐磨涂层胶，耐磨修补剂进行预保护，

2 采用耐磨陶瓷胶粘贴特种耐磨陶瓷片进行预保护，

3 采用聚氨酯弹性涂层

2005年，马颖，任峻等介绍了冲蚀磨损的实质及其磨损理论,并探讨了影响冲蚀磨损的主要因素. 研究结果表明,冲蚀磨损是液体或固体小颗粒以一定速度或角度对材料表面进行冲击所造成的一种材料损耗现象,冲蚀量的衡量体系依据材料属于塑性还是脆性具有不同的理论模型;影响冲蚀磨损的因素主要有粒子性能、环境因素和材料性能等方面.

2009年，李国美，王跃社等建立了考虑颗粒碰撞的颗粒冲蚀计算模型,该数学模型包括:在Eulerian 坐标系下求解连续相流场;在Lagrangian 坐标系下运用离散颗粒硬球模型求解颗粒碰撞;应用半实验关联式求解颗粒冲蚀速率。对水力加砂压裂施工中节流器内液-固两相流的固体颗粒运动和冲蚀特性进行了数值模拟。计算结果表明,固体颗粒密集于节流器入口到出口的一段狭长区域内,冲蚀速率随流体速度呈指数性变化。颗粒直径越大,冲蚀速率也越大。

2010年，王尊策，徐艳等针对深层气井压裂施工排量和加砂量的不断增加，压裂管柱磨损日益严重，基于欧拉－欧拉双流体模型，结合携砂压裂液的冲刷磨损试验，建立半试验的冲刷磨损模型，对深层气井压裂管柱突扩结构的内流态和冲刷磨损规律进行数值模拟，得到速度分布、砂浓度分布、壁面冲击速度和冲击角度等流场特性，以及突扩管柱的冲刷磨损量．结果表明：在压裂管柱突扩结构后出现分离和再附，从而引起砂浓度的变化，对管柱内壁形成一定的冲刷磨损作用，

冲刷磨损量较大部位在突扩后台阶变截面处及再附点后５倍管径范围内，模拟得到的主要磨损部位与现场失效部位基本吻合。

2005年，刘娟,许洪元,齐龙浩等介绍了两相流流场中过流部件的冲蚀磨损规律试验研究、数值模拟和磨损预测，及水力机械机组的抗磨优化设计、抗磨材料和表面抗磨处理研究，提出了水力机械冲蚀磨损的研究发展方向和前景预测。

2010年，李 智，张光伟等分析了水力喷砂压裂工具喷嘴磨损的机理。水力喷砂射流对喷嘴的磨损主要是喷砂射流中砂粒对喷嘴内壁材料的冲蚀磨损。砂粒对喷嘴内壁面冲蚀磨损作用的形式包括微切削磨损、疲劳磨损、脆性断裂磨损及扩散磨损等。研究表明:喷嘴材料的微观组织结构及物理力学性能、喷嘴内流道结构形状及几何参数、喷嘴内表面粗糙度、喷砂射流中砂粒浓度、砂粒特性(硬度、粒度、形状等)及射流工作参数(射流压力等)对于喷嘴的磨损都有影响。

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