冲蚀磨损理论
冲蚀磨损
摘要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。
它广泛存在于多种工业生产之中，造成的设备损坏给生产带来了巨大损失。
由于我国电站锅炉和工业锅炉以燃煤为主，冲蚀磨损对锅炉管壁的磨损尤为严重。
为控制损失的产生及加剧，近年来国内外专家学者对此进行了多方面的研究。
热喷涂技术对锅炉管道进行表面强化处理已被广泛采用。
但是现有的涂层还不能满足需要，开发性能优良的涂层，需要更好测试方法来对其进行检测。
常温下冲蚀磨损的测试方法并不适用于高温环境，而在我国尚缺少一种科学的高温冲蚀磨损测试方法，从而严重影响了高性能耐磨蚀涂层的测试与研发。
本文的目的便是设计并制造出一种与燃煤锅炉工况相符的新型高温冲蚀磨损试验装置，并对其进行调试，以便用其对热喷涂涂层的耐高温冲蚀性能进行测试。
试验结果表明，自行研制的高温磨粒磨损试验装置操作方便，运行稳定，数据可靠；涂层高温磨粒磨损试验中，关键词高温冲蚀磨损；热喷涂涂层；离心式磨损试验机ABSTRACT Key words1. 绪论1.1课题背景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[1] 。
据有关资料统计：在所有发生事故的锅炉管道中约有1/3是由于冲蚀磨损造成的；在用管道输送物料的气动运输装置中, 弯头处的冲蚀磨损比直通部分的磨损大约严重50倍；泥浆泵、杂质泵的过流部件损坏约有50%以上是由冲蚀磨损引起的[2]。
我国电站锅炉和工业锅炉以燃煤为主。
动力用煤质量低劣，含灰量和含硫量均较高,特别是燃煤电厂的高温高压燃煤锅炉的水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管(简称锅炉“四管”)因受高温氧化、热腐蚀和冲蚀的影响，壁厚减薄严重，极易造成泄漏和爆管事故,给锅炉的运行带来了多方面的损失。
不同入射角、不同形状颗粒对去除材料的影响
不同入射角、不同形状颗粒对去除材料的影响1 冲蚀磨损概述冲蚀磨损指的是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，是由多相流动介质冲击材料表面而造成的。
冲蚀磨损已经成为许多工业部位中材料破坏的原因之一，英国科学家Eyre 认为冲蚀磨损占工业生产中经常出现的磨损破坏总数的8％。
根据介质可将冲蚀磨损分为两大类：气液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，有的则在表面上溃灭(气泡)，从而对材料表面施加机械力。
固体粒子冲蚀磨损的定义：固体粒子冲蚀磨损是指高速气体携带大量尺寸小于1000µm 的固体颗粒以一定的速度和角度对材料表面进行冲击，发生材料损耗的一种现象或过程，冲击速度一般在550m/s 内。
工程中存在的固体粒子冲蚀磨损现象随处可见，如空气中的尘埃和砂粒可使直升机发动机寿命降低90%；石油化工厂烟气发电设备中，烟气携带的破碎催化剂粉粒对回收过热气流能量的涡轮叶片会造成冲蚀；火力发电厂粉煤锅炉燃烧尾气对换热器管路的冲蚀而造成的破坏大致占管路破坏的1/3；压缩机叶片的导缘只要有极少量材料冲蚀出现，0.55mm 的缝隙便能引进局部失速。
2 微切削理论I ．Finnie 讨论了刚性粒子(有足够硬度，不发生变形)对塑性金属的冲蚀，提出了微切削理论，这是第一个定量描述的完整理论，其体积冲蚀率v 随入射角 α变化的综合表达式为:P f MU V α2=式中M 为粒子的质量，U 为粒子速度，P 为粒子与靶材间的弹性流动压力。
经实验验证，该模型较好地解释了低冲击角下塑性材料受刚性粒子冲蚀的规律，但对高冲击角或脆性材料的冲蚀偏差较大，特别是在冲击角为90°时，其相对冲蚀体积为零。
3单点冲蚀的切削模型Budinski将单点冲蚀划分为四类，主要针对多角粒子：a)点坑型冲蚀(Pitting)，类似于硬度压头的对称性菱锥体粒子正面冲击造成的；b)犁削(Plowing)，类似于犁铧对土地造成的沟，凹坑的长度大于宽度，材料被挤到沟侧面；c)铲削(Shoveling)，在凹坑出口端堆积材料而铲痕两侧几乎不出现变形；d)切片(Chipping)，凹坑浅，由粒子斜掠而造成的痕迹影响因素固体粒子冲到靶材表面上，除入射速度低于某一临界值外，一般都会造成靶材的冲蚀破坏。
冲蚀磨损理论
1、塑性材料的微切削理论1958 年Finnie I. 提出塑性材料的微切削理论。
他认为当尖锐的磨粒划过靶材表面时，会将材料切除而产生磨损。
同时第一个给出了较完整定量表达冲蚀率与冲蚀角和冲击速度之间的关系：材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方(即磨粒的动能)成正比，与靶材的流动应力成反比，与冲角成一定的函数关系。
切削模型非常适用于塑性材料小冲角、多角形磨粒的冲蚀磨损，而对于不很典型的延性材料(例如一般的工程材料)，冲角较大(特别是冲角α＝90°)、非多角形磨粒(如球形磨粒)的冲蚀磨损则存在较大的偏差。
并且，磨粒入射速度与靶材磨损体积之间的二次方关系也不是理想数值2，而为2.2-2.4，这已在Finnie I.的有关文献中得到修正。
2、基于单点冲蚀的切削模型（绝热剪切与变形局部化磨损理论、基于应变量的模型）Hutchings于1979 年在用钢球冲击低碳钢试验中对变形唇分析，认为在高应变率下材料将产生很高的温升，首先是使变形过程绝热化，其次是变形的局部化将形成绝热剪切带，他第一次把绝热剪切与变形局部化的概念引入冲蚀磨损过程。
3、变形磨损理论1963年，Bitter提出冲蚀磨损可分为变形磨损和切削磨损两部分，90°冲击角下的冲蚀磨损和粒子冲击时靶材的变形有关。
他认为反复冲击产生加工硬化，并提高材料的弹性极限，粒子冲击平面靶的冲击应力(σ)小于靶材屈服强度(σs)时，靶材只发生弹性变形；当σ＞σs时，形成裂纹，靶材产生弹性和塑性两种变形。
他从能量的观点出发，推导出变形磨损量W D和切削磨损量W C，粒子的速度v，冲击角度α，变形磨损系数ε和切削磨损系数Q之间的代数关系式，总磨损量为两者之和。
4、弹塑性压痕破裂理论70年代末，Evans等人提出了弹塑性压痕破裂理论，他们认为在压痕区域下形成了弹性变形区，而后在负荷的作用下，中间裂纹从弹性区向下扩展，形成径向裂纹。
同时，在最初的负荷超过中间裂纹的门槛值时，即使没有持续负荷，材料的残余应力也会导致横向裂纹的扩展。
冲蚀磨损
• 材料自身
• 硬度 韧性 微观组织（含碳量）
试验方法及设备
• 旋转实验
• 管流实验
协同作用
Δ WT=Δ WE+Δ WC+Δ WEC
Δ WT
Δ WE Δ WC Δ WEC
冲刷腐蚀的总失重量 仅冲刷引起的失重量 仅腐蚀引起的失重量 冲刷和腐蚀协同作用引起的失重量
控制措施
• 材料自身
• 硬度 组织
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影响因素温度冲击角度冲蚀时间冲蚀速度kv硬度形状粒度破碎性kh23硬度韧性微观组织含碳量试验方法及设备管流实验协同作用ec冲刷和腐蚀协同作用引起的失重量控制措施硬度组织固相颗粒度冲击角度加入缓蚀剂thankyou
冲刷腐蚀
目录
• • • • • • • 定义 冲蚀磨损理论 分类 影响因素 试验方法及设备 协同作用 控制措施
定义
• 冲刷腐蚀：金属表面与流体之间由于高速 相对运动而引起的金属损坏现象，是管道 受冲刷和腐蚀交互作用的结果，是一种危 害性较大的局部腐蚀
冲蚀磨损理论
• 塑形材料---微切削理论 • 高攻角冲蚀的锻造挤压理论
分类 单相流
按照介质分类
双相流
多相流
分类
按流动介质及第二相排列组合 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。
• 表面改性
• 镀 渗 激光
冲击角度
• 介质条件
• 固相颗粒度
• 控制流速、流态
• 临界流速
• 加入缓蚀剂Thank源自you！ 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。
雨蚀、水滴冲蚀：高速液滴冲击造成材 料的表面损坏。
冲蚀磨损
K1rav0b
• 对球形磨粒：
a3 m m2
• 对多角形磨粒： a 3.6 m m2
• 对任一形状磨粒：
b 2.4
m
m2
其中
K1
E
0.8
2 b
• E为靶材的弹性模量
• δb为材料的弯曲强度 • r为磨粒的尺寸
• v0为磨粒的速度 • m为材料缺陷分布常数
• 实验表明，几种脆性材料的a和b实验值与理论 值基本一致（如玻璃、Mg O、石墨等）
Q) (V sinα)1/2
M
2Q [V 2cos2α-K1(V sinα-K ) 3/2
Α＞α0
• W = WD + WC • M为冲击磨粒的质量
• V为磨粒的速度；α为冲击角；ε为变形磨损系 数；Q为切削磨损系数；α0为两式相等时的角
度；C、K、K1都为常数 • 该理论设想正确，并得到证实。
• 谢尔登和凯希尔，1972，第一台单颗粒冲蚀磨 损实验机，2.5mm，SiC磨料、钢球、玻璃球， 直接观察到磨痕形貌，冲击坑边缘的“挤出 唇”，并很容易被后冲击的磨粒打掉。
• 磨粒如一把微型刀具，当它划过靶材表面时，
变把材料切除而产生磨损。
• 公式表明：材料的磨损体积与磨粒的质量和速 度的平方（即磨粒的动能）成正比，与靶材的 流动应力成反比，与冲角α成函数关系。
• 实验研究表明：对于延性材料，多角形磨粒，
小冲角的冲蚀磨损，切削模型非常适用；
• 对于不很典型的延性材料（如一般的工程材 料），脆性材料，非多角形磨粒（如球形磨 粒），冲角比较大（特别是冲角=90°）的冲 蚀磨损偏差较大。
四、绝热剪切与变形局部化磨损理论
• 哈青斯，1979，9.5mm，钢球，Biblioteka 70m/s，冲击 低碳钢发现变形唇。
高压管汇三通冲蚀磨损特性研究
高压管汇三通冲蚀磨损特性研究摘要：随着页岩气等非常规油气成为开发的热门资源，分段压裂技术能够明显改善低渗致密储层的渗流环境，增加油气井产量，在各大油田使用广泛。
在压裂作业中，高压管汇是整个系统中的关键部件，工作环境十分恶劣：腐蚀流体冲刷和交变载荷，致使其在压裂作业中极易发生爆管、破裂、刺漏等事故，严重威胁着工作人员和井场设备的安全。
关键词：高压管汇;三通;冲蚀磨损;引言在页岩气井水力压裂作业中，需要并联多台压裂车同时作业，导致含有大量弯头的地面高压管汇布置安装复杂，再加上高压作业的特性与压裂液含有颗粒，导致高压弯头冲蚀磨损现象严重，极大地缩短了高压弯头的使用寿命。
弯头作为转折结构，存在非常普遍的冲蚀磨损的状况，因此弯头相比于直管、法兰、等其他水力压裂构件平均寿命较低，从而限制了全部压裂机组设备的可靠性和实用性。
所以研究高压弯头的冲蚀因素，得出各因素对弯头冲蚀磨损机理，总结各因素对弯头冲蚀磨损规律，提出改进措施，对提高高压管汇可靠性和寿命具有重要意义。
1三通管件为了满足压裂作业所需的压力和压裂液流量，需将多台压裂车并联，使从各车流出的压裂液汇流在一起后再注入井底，三通管在整个高压管汇中起到了至关重要的连接作用，它承受着高压流体带来的压力、高速固相颗粒的冲击、温度及压力波动作用，极易发生冲蚀和应力腐蚀等现象。
因此对三通管进行冲蚀行为研究具有重要的意义。
2冲蚀磨损理论模型2.1几何模型利用对高压管汇冲蚀结合模型的构建，可对数值进行仿真，以便对高压管汇内部冲蚀的磨损规律进行深入的分析。
其中，将90°弯曲的高压管汇当作分析的对象，构建的模型如图1所示。
其中，内径长度为45mm，曲率半径为90mm，直管段的实际长度为225mm.2.2控制方程压裂液在任何细微切应力的作用下都会发生永不间断的变形而显示出流动性。
压裂液流动遵循物理守恒定律，结合牛顿第二定律，可以得到三通管内压裂液流体的控制方程。
式中：U为流体速度矢量，m/s；eff为等效黏度，Pa s；P为修正压强，Pa；htot为总焓，J/mol；为导热系数，W/m K；T为绝对温度，K；为应力，Pa；SM为动量源，22kg/m S；SE为能量源，3W/m。
液_固两相流冲蚀磨损机理及材料应用现状
收稿日期:2005204227; 修订日期:2005205212作者简介:陈 茜(19772 ),四川中江人,助理工程师.从事技术管理工作1铸造技术FOUNDR Y TECHNOLO GY Vol.26No.6J un.2005液/固两相流冲蚀磨损机理及材料应用现状陈 茜1,鲍崇高2(1.甘肃省金川集团有限公司,甘肃金昌737104;2.西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安710049)摘要:冲蚀磨损存在的工况多,材料失效和工业工程破坏严重。
通过分析液/固双相流过流部件的材料应用及发展现状,冲蚀磨损机理研究现状等,对指导该工况下材料设计、性能研究,特别是新型抗冲蚀磨损材料的应用等至关重要。
关键词:冲蚀磨损;机理研究;材料应用中图分类号:T G174.1 文献标识码:A 文章编号:100028365(2005)0620548203Mechanism and Materials Application by Liquid 2Solid Du al PhaseE rosion Wear and Its R esearch AdvancesCH EN Qian 1,BAO Chong 2gao 2(1.Gansu Jinchuan Group Ltd.,Jinchuan 737104,China ;2.School of Material Sci.&Eng.,Xi ’an Jiaotong University ,Xi ’an 710049,China )Abstract :Erosion 2wear conditio n exist in many industry ,and materials failure and engineering dest royed are serious.In t his paper ,mechanism research and materials application by liquid 2solid dual p hase ero sion wear and it s research advances have been systematically st udied ,and it is very important to guidance materials design and performance st udy ,especially new materials application wit h resistant erosion wear.K ey w ords :Ero sion 2wear ;Mechanism research ;Materials application 1 工程背景冲刷腐蚀(Ero sion 2Corro sion )是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属损坏现象[1],是材料受冲刷和腐蚀协同作用的结果。
水力机械中冲蚀磨损规律及抗磨措施研究进展分析
水力机械中冲蚀磨损规律及抗磨措施研究进展分析摘要：由于水利水电工程机械在运行的过程中会受到一定程度的冲蚀磨损，给工程项目的施工质量造成严重影响，为了能够提高水利水电工程的施工效果，避免水利机械被冲蚀磨损而影响正常运行，必须要对水利水电机械抗磨损的相关策略进行研究，保证水利水电机械的整体运行质量全面提升。
关键词：水力机械；冲蚀磨损；抗磨措施；研究进展在水利水电工程机械运行的过程中，大量的过流部件受到冲蚀磨损，很容易引发工程危害和经济损失。
根据相关的数据资料统计显示，水利水电工程水利机械冲蚀磨损占据总破坏数的8%左右，在固液两相流工况的条件下冲蚀磨损，会导致机械材料损耗，也会影响水利水电机械部件的运行效果，由于我国的河流含沙量比较大，对水利水电机械磨损的情况非常严重。
一、水利机械冲蚀磨损的主要危害由于水利机械运行的环境非常的恶劣，各种密封过流部件很容易承受巨大的冲击力引发冲蚀磨损等问题，还存在着彼此交互作用的问题，严重影响了材料的使用效果。
从长期来看，在工况运行的过程中，如果没有对冲蚀磨损的机理以及抗腐蚀材料进行深入研究，很容易造成过流部件两相设计不够成熟完善，严重影响水利机械的使用寿命，引发巨大的经济损失[1]。
例如，严重的水利机械冲蚀磨损很容易导致材料结构受到破坏，引发洞穿、磨坑的情况，给水利机械的安全稳定运行造成了非常严重的影响，最终使得水利机械使用寿命缩短、出力减少，效率下降，必须要进行频繁的检修。
水泵机械在长时间的冲蚀磨损之下，很容易引发过流部件材料损失、扬程效率降低，导致过流部件之间的间隙增大，在运行时会产生大量的噪音和污染，水利输送矿浆的过程中由于矿浆的腐蚀性比较大，磨损问题非常显著，引起密封失效，轮转轴承漏油问题相当严重，给生态环境造成严重破坏。
二、固液两相流流场对使机械磨损的理论固液两相流流场中的颗粒浓度分布以及流体的速度都会对水利机械磨损造成不同程度的影响。
为了确保对固液两相流中的固体颗粒产生的模冲蚀磨损作用，必须要建立完整的实验模型，对不同工况下的冲蚀磨损性能进行合理预测。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1、塑性材料的微切削理论
1958 年Finnie I. 提出塑性材料的微切削理论。
他认为当尖锐的磨粒划过靶材表面时，会将材料切除而产生磨损。
同时第一个给出了较完整定量表达冲蚀率与冲蚀角和冲击速度之间的关系：材料的磨损体积与磨粒的质量和速度的平方(即磨粒的动能)成正比，与靶材的流动应力成反比，与冲角成一定的函数关系。
切削模型非常适用于塑性材料小冲角、多角形磨粒的冲蚀磨损，而对于不很典型的延性材料(例如一般的工程材料)，冲角较大(特别是冲角α＝90°)、非多角形磨粒(如球形磨粒)的冲蚀磨损则存在较大的偏差。
并且，磨粒入射速度与靶材磨损体积之间的二次方关系也不是理想数值2，而为2.2-2.4，这已在Finnie I.的有关文献中得到修正。
2、基于单点冲蚀的切削模型（绝热剪切与变形局部化磨损理论、基于应变量的模型）
Hutchings于1979 年在用钢球冲击低碳钢试验中对变形唇分析，认为在高应变率下材料将产生很高的温升，首先是使变形过程绝热化，其次是变形的局部化将形成绝热剪切带，他第一次把绝热剪切与变形局部化的概念引入冲蚀磨损过程。
3、变形磨损理论
1963年，Bitter提出冲蚀磨损可分为变形磨损和切削磨损两部分，90°冲击角下的冲蚀磨损和粒子冲击时靶材的变形有关。
他认为反复冲击产生加工硬化，并提高材料的弹性极限，粒子冲击平面靶的冲击应力(σ)小于靶材屈服强度(σs)时，靶材只发生弹性变形；当σ＞σs时，形成裂纹，靶材产生弹性和塑性两种变形。
他从能量的观点出发，推导出变形磨损量W D和切削磨损量W C，粒子的速度v，冲击角度α，变形磨损系数ε和切削磨损系数Q之间的代数关系式，总磨损量为两者之和。
4、弹塑性压痕破裂理论
70年代末，Evans等人提出了弹塑性压痕破裂理论，他们认为在压痕区域下形成了弹性变形区，而后在负荷的作用下，中间裂纹从弹性区向下扩展，形成径
向裂纹。
同时，在最初的负荷超过中间裂纹的门槛值时，即使没有持续负荷，材料的残余应力也会导致横向裂纹的扩展。
他们根据冲击中接触力包括动态应力，粒子透入靶面时不产生破坏的假定，推导出的材料体积冲蚀量V 与入射粒子尺寸r 、速度v o 、密度ρ、材料硬度H 及材料临界应力强度因子K 之间存在如下关系：
26.03.1c 58.17.32.30--∞H K r v V ρ
5、锻造挤压理论（薄片剥落磨损理论）
莱维(Levy)及其同事在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中发现，冲蚀磨损不论冲角大小，靶材表面材料在磨粒的不断冲击下受到推挤，产生高度变形的小薄片。
形成薄片的大应变出现在很薄的表面层中，该表面层由于绝热剪切变形而被加热到(或接近于)金属的退火温度，于是形成一个软的表面层，在这个软表面层下面，有一个由于材料塑性变形而产生的加工硬化区，这个硬的次表面层一旦形成，将会对表面层薄片的形成起促进作用，在反复的冲击和挤压变形作用下，靶材表面形成的薄片将从材料表面上剥落下来。
冲蚀中表面会吸收入射粒子的动能而发热。
材料的冲蚀率决定于畸变层性质。
6、二次冲蚀理论
Tilly 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。
他认为，粒子破裂程度与其粒度、速度及入射角有关，破裂后的粒子也将对靶面产生第二次冲蚀，冲蚀的能力正比于粒子的动能和破碎程度，总冲蚀磨损量为两次之和。
此模型把冲蚀过程分为两个阶段，即粒子直接入射造成的一次冲蚀(包括冲击颗粒的切削、凿削、犁沟挤压)和破碎粒子造成的二次冲蚀。
该理论很好地解释了脆性粒子的大入射角冲蚀问题。
7、低周疲劳理论
低周疲劳理论：中国矿业大学的邵荷生、林福严等人通过大量试验研究，提出了以低周疲劳为主的冲蚀磨损理论。
他们认为在法向或近法向冲击下，冲蚀磨损主要是以变形产生的温度效应为特征的低周疲劳过程。
其材料去除机理表现为：在磨粒的冲击下材料产生一定的变形，对于脆性材料，弹性变形足够大时，会在材料的表面和次表面形成裂纹而剥落；对于塑性材料，产生较大的塑性变形
能，这种变形能除少量转化为材料的畸变能外，大部分都转化为热能，而大多冲蚀磨损因应变率高，冲击变形是绝热的，变形能转化来的热能会使变形区的温度上升，于是可能产生绝热剪切或变形局部化，当变形区的积累应变很大时，材料便会从母体上分离下来而形成磨屑。
该理论模型在预测粒子冲击下的压坑体积、冲蚀磨损率与冲角之间的关系以及速度指数等方面均优于现有的理论模型。