冲蚀研究现状.doc

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。

[63] Allen C, Ball A. A review of the performance of engineer-ing materials under prevalent tribological and wear situations in South Africa industries[J]. Tribo Inter, 1996(29):105-116. [64] 董 刚，张九渊．固体粒子冲蚀磨损研究进展[J]．材料科学与工程报，2003，21(2)：307~312． [65] 陈冠国，褚秀萍．关于冲蚀磨损问题[J]．河北理工学院学报，1997，19(4)：27~32． [66] 刘家俊，李诗卓，周平安等．材料磨损原理及其耐磨性[M]．北京：清华大学出版社，1993：172~193． [67] Finnie I, Stevick G R, Ridgely J R. The influence of impingement angle on the erosion of ductile metals by angular abrasive particles[J]. Wear，1992(152)：91-98. [68] Finnie I. Some observations on the erosion of ductile metals[J]．Wear，1972(19)：81-90. [69] M.Hutchings. A model for the erosion of metals by spherical particles at normal incidence[J]. Wear, 1981(70): 269-281. [70] Sundararajan G., Shewmon P G. A new model for the erosion of metals at normal incidence[J]. Wear, 1983(84): 237-258. [71] Jahamnir S. The mechanics of subsurface damage in solid particle erosion[J]. Wear,1981(61): 309-324. [72] Branch R M. Impact dynamics with applications to solid particle erosion [J] .International Journal of Impact Engineering, 1988(7): 37-53. [73] Sundararajan G, Shewmon P G. A new model for the erosion of metals at normal incidence[J]. Wear, 1983(84): 237-258. [74] Wiederhorn S M, Lawn B R. Strength degradation of glass impacted with sharp particles: I, Annealed Surfaces[J]. Journal of the American ceramic society, 1979(62): 66-69. [75] 马颖，任峻，李元东等．冲蚀磨损研究的进展[J]．兰州理工大学学报，2005，31(1)： 22~25． [76] Bitter J G. A study of erosion phenomena[J]. Wear, 1983(6): 5-21. [77] Levy A V. The erosion of structure alloys, ceramets and in situ oxide scales on steels [J]. Wear, 1988(127): 31-52. [78] 邵荷生，曲敬信．摩擦与磨损[M]．北京：煤炭工业出版社，1992． [79] Tilly G P. A two stage mechanism of ductile erosion[J]. Wear, 1973(23): 87-96. [80] 李诗卓，董祥林．材料的冲蚀磨损与微动磨损[M]．北京：机械工业出版社，1987． [81] 潘牧，罗志平．材料的冲蚀问题[J]．材料科学与工程，1999，3(17)：92~96．