西南石油大学林元华教授团队：基于气-固两相流喷嘴实验的20G钢冲蚀机理研究

2024-10-23 13:10:21 作者：表面云社区来源：表面云社区分享至：

背景与意义

在“双碳”时代背景下，天然气无疑是传统化石能源体系转变为未来可再生能源体系的重要纽带，是一种具有低碳、清洁、经济的过渡型化石能源，其发展前景十分广阔。过去 10 年，国内天然气管道产业快速发展，取得了一系列成就，今天的中国已经成为世界第四大天然气产气国和第一大天然气进口国。作为天然气集输管道的常用材料，20G 钢面临的固体颗粒冲蚀磨损问题是造成管道运行失效的主要安全隐患之一。随着气田开采过程中出砂量的增大，以及管道内部腐蚀产物剥落等相关原因，必然导致集输管道面对的冲蚀磨损风险日益增加。由此可见，了解 20G 钢在固体颗粒冲击下的冲击特性、磨损机理是准确预测天然气集输管道冲蚀磨损规律，并提出有效减缓冲蚀措施的理论基础和前提。

西南石油大学林元华教授团队依据 ASTM-G76，基于气固喷嘴实验方法，探究了不同冲击角度和冲击速度对 20G 钢冲蚀速率的影响规律，利用 SEM 观察了 20G 钢的微观形貌特征，得到了冲击角度对冲蚀机理的影响，总结出 20G 钢的冲蚀速率模型，为冲蚀模拟研究的开展补充了科学依据。研究成果补充了国内气固喷嘴试验在高冲击速度下的研究理论，改善了传统自制设备的设计缺点，有效降低了人为因素的影响，使结果的准确性得到增强，弥补了气固喷嘴试验研究的不足，为天然气集输管道的冲蚀预测与防护提供了重要支撑。

图文导读

20G 钢在不同冲击角度和冲击速度下分别冲蚀2、4、8、16 min 后的质量损失如图 9 所示。试样的质量损失随着冲击速度的增大而增加，随着冲击角度的减小而增大。试样冲蚀率根据质量损失与时间的关系斜率拟合确定，冲蚀率（mg/g）由冲蚀速率（mg/min）除以颗粒质量流量（g/min）计算得出。

20G 钢在不同冲击角度（冲击速度 72 m/s）下的冲蚀形貌如图 11 所示。

结论

1）依据 ASTM-G76 测试标准，对 20G 钢开展不同冲击角度和冲击速度下的气-固喷嘴冲蚀实验。结果表明，当颗粒冲击角度（15°~90°）增加时，冲蚀率减小。当颗粒冲击速度（15~72 m/s）增大时，冲蚀率随之增大。由此可见，20G 钢的冲蚀规律符合典型塑性材料的冲蚀表现。

2）总结了冲击速度和角度对冲蚀过程的影响规律。结果表明，当冲击角度增大时，冲蚀面积减小。颗粒的冲击速度不是影响冲蚀面积的主要原因。当冲击速度增加时，冲击角度对冲蚀率的影响呈现由弱变强的趋势。此外，冲击速度不会影响材料的冲蚀机制，而是通过控制颗粒的动能来影响冲蚀率。在 15°冲击角度、高冲击速度下的颗粒具有较高动能，导致材料损伤更为严重，形成的沟槽长度更长。在 90°冲击角度下，具有高冲击速度的颗粒撞击材料表面所形成的压痕深度更大。由此可见，颗粒冲击角度和冲击速度对冲蚀率的影响不同。上述研究结果对于理解材料在不同冲击条件下的冲蚀行为及设计抗冲击材料的方向具有重要意义。

3）分析了 20G 钢在固体颗粒冲击下的冲蚀机理，通过分析微观形貌特征可知，冲蚀机制呈现一定规律。在低冲击角度（15°、30°）下，犁削机制为主要去除机制。在中冲击角度（45°、60°）下，冲蚀机制呈现混合形式，犁削、压实与开裂共同作用于材料表面，其中犁削沟槽数目减少，而压实和开裂现象增加。在高冲击角度（75°、90°）下，主要以压实和开裂为去除机制，颗粒的法向速度分量增大，切向速度分量减小，压实和开裂现象存在于整个材料表面。

4）建立了 20G 钢的冲蚀率方程，有利于冲蚀模拟工作的开展，可为冲蚀理论的研究提供有力支撑。

文章信息

该文章发表在《表面技术》第53 卷第 17 期。

引文格式：邓宽海, 程金亮, 林元华, 等. 基于气-固两相流喷嘴实验的 20G 钢冲蚀机理研究[J]. 表面技术, 2024, 53(17): 50-61.

DENG Kuanhai, CHENG Jinliang, LIN Yuanhua, et al. Erosion Mechanism of 20G Steel Based on Gas-solid Two-phase Flow Nozzle Experiment[J]. Surface Technology, 2024, 53(17): 50-61.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.17.004

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