磨料射流喷嘴磨损规律的研究

2018-12-06于其明

石油管材与仪器 2018年5期

于其明

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司黑龙江大庆 163513)

0 引言

磨料水射流技术是将磨料混入高速流动的水介质中，在水射流的冲击下，磨料速度迅速增加，形成高速磨料射流，利用磨料的冲击能量以完成冲击、切削的目的[1]。与传统水射流相比，磨料射流具有冲击能量大、能量利用率高的特点，因此被广泛应用于各行业，如石油行业中的冲击破岩、钻具清洗、机械加工行业中的金属材料切割等等。

磨料水射流具有诸多优势的同时，又存在一定缺陷，与纯水射流相比，磨料的混入会对射流喷嘴产生一定的磨损。喷嘴是射流工艺的执行部件，其是形成射流工况的关键，喷嘴的磨损与寿命直接影响着磨料射流的应用效果与应用成本[2]。磨料水射流实际应用中，高速流动的磨料射流对喷嘴产生了严重的磨损，降低了喷嘴使用寿命，导致在应用过程中需要更换磨损的喷嘴，这样不但增加了使用成本，同时也使工作效率大大降低。本文旨在分析磨料射流喷嘴磨损机理的基础上，利用数值模拟软件对磨料射流喷嘴磨损的影响规律进行模拟研究，进而根据模拟结果探究磨料射流喷嘴防磨措施。

1 磨料射流喷嘴磨损机理

喷嘴磨损是由于磨料在流经喷嘴过程中与喷嘴壁面产生冲击、碰撞等接触，使喷嘴内部材料产生损失。一般而言，喷嘴磨损的主要表现形式为喷嘴内壁材料的体积损失。磨料射流对喷嘴内壁产生磨损的形式可以分为下列几种[3]：

1)切削磨损

当磨料进入喷嘴后，在喷嘴内部进行无规律运动，部分磨料以一定速度冲击喷嘴内壁，将磨料的速度分解为切向与法向两方向，当与喷嘴内壁碰撞的磨料法向速度足够大时，经过一定时间的接触，喷嘴内壁会产生部分凹槽，造成喷嘴磨损；当与喷嘴内壁碰撞的磨料切向速度足够大时，与喷嘴内壁接触时会对其产生切削作用，经过一定时间的切削，喷嘴内壁材料体积量减少，造成喷嘴磨损。

2)疲劳磨损

3)脆性断裂磨损

磨料与喷嘴内壁材料接触时其应力为静止状态，因此内壁材料会出现塑性变形。若材料的硬度较大，其破坏形式可能以断裂为主。当磨料颗粒硬度较大时，经过一定时间的冲击，喷嘴内壁材料出现径向与横向两种裂纹，由于水楔作用以及后续磨料的冲击作用，使得裂纹逐渐扩大，当两条裂纹发生交错时会产生碎片使喷嘴内壁材料出现断裂。这种磨损方式称为脆性断裂磨损。

2 数值模拟参数设置

磨料水射流属于固液两相流动，本文选用FLUENT软件中的Discrete Phase Model(DPM)模型进行模拟求解，DPM模型是一种欧拉-拉格朗日方法[4]，即以欧拉方法求解连续项(液相)，以拉格朗日方法求解离散相(固相)(DPM方法一般用于固相含量小于10%的工况)。

2.1 数学模型

定义本数值模拟液相为一种不可压缩假定流体，其流动方程用连续性方程和N-S方程描述：

(1)

(2)

式中ui,uj为平均速度分量，m/s；p为平均压力，MPa；ρ为流体密度，g/cm3；μ为流体动力黏度，mPa·s；x为张量形式的空间坐标。

资金计划的落实是企业资金管理工作中的重要步骤，年度资金计划是根据行业的市场行情和企业的经济状况，结合企业内部资金要求，对资金各方面的支出和收入情况做好协调。将资金安排统一的管理方案，全方位的将资金进行调整，按照规定对资金进行调动和整理，避免资金的恶性应用。制定资金的申请方案，相关工作人员向上级财务部门提出资金申请方案，并按照资金计划落实。

流体流动模型选择常用的标准k-ε模型，即：

(3)

(4)

其中k为湍动能，N·m；ε为湍动耗散率，m2/s3；μt=Cμρk2/ε为湍动黏度，mPa·s；C1ε、C2ε、Cμ、σε为实验获得的经验值，分别取1.44、1.92、0.09、1.3。

Fluent可通过分散相磨料的运动方程计算其运动轨迹，磨料的运动方程为：

(5)

(6)

μ为流体动力粘度，mPa·s；CD为阻力系数；dp为磨料直径，mm；Re为磨料雷诺数；且：

(7)

(8)

(9)

对球形磨料，φ=1。

Fluent中自带了磨损的计算模型，其模拟冲蚀磨损的定义是[5]：

(10)

其中，Rerosion为冲蚀磨损率，kg/m2-s；mp为单粒子重量，kg；C(dp)是磨料直径函数，m；α为冲击角度，°；v是磨料冲击速度，m/s；Af为磨料在材料表面的投影面积，m2；b(v)是磨料速度指数函数。

2.2 几何模型与边界条件

几何模型采用锥形喷嘴，喷嘴直径为12 mm、长度为10 mm，长直段长度为45 mm、直径为48 mm，收缩半角为30°, 入口采用速度入口条件，出口为压力出口，在DPM Injection中设置磨料流量、尺寸。

3 模拟结果与分析

3.1 流动时间对喷嘴磨损的影响

图1为喷嘴在9组流动时间下(10、20、30、40、50、60、80、100、200 s)的磨损量。从图中可以看出随着流动时间的增加，喷嘴的磨损量增大，但喷嘴磨损量的增长率呈减小趋势(斜率)。结合磨料射流的实际工况，分析此趋势的原因在于，随着流动时间增加，与喷嘴内壁磨损的磨料数增加，因此磨损量不断增大；但由于随着时间增长，喷嘴内壁经过磨损后表面形态及内径可能发生变化，因此磨损量增长率呈减小趋势。

图1 喷嘴磨损与流动时间的关系曲线图

3.2 射流速度对喷嘴磨损的影响

图2为喷嘴在6组流动时间下(5、7.5、10、12.5、15、17.5 m/s)的磨损量。从图中可以看出随着射流速度的增加，喷嘴的磨损量增大，喷嘴磨损量的增长率呈增大趋势(斜率)。结合磨料射流的实际工况，分析此趋势的原因在于，随着流动时间增加，磨料射流的能量呈幂数增长，因此磨损量的增长率呈上升趋势。

图2 喷嘴磨损与射流速度的关系曲线图

3.3 磨料粒径对喷嘴磨损的影响

图3为喷嘴在6组磨料粒径(1、1.5、2、2.5、3、5 mm)的磨损量。从图中可以看出随着射流速度的增加，喷嘴的磨损量增大，但喷嘴磨损量的增长率呈减小趋势(斜率)。

3.4 磨料浓度对喷嘴磨损的影响

图4为喷嘴在6组磨料浓度(1%、2%、3%、5%、7%、10%)的磨损量。从图中可以看出随着射流速度的增加，喷嘴的磨损量增大，增长趋势基本呈线性增长趋势。

图3 喷嘴磨损与磨料粒径的关系曲线图

图4 喷嘴磨损与磨料浓度的关系曲线图

4 磨料射流喷嘴防磨措施探讨

由模拟结果得到的喷嘴磨损规律可知，磨料射流参数的变化对喷嘴磨损有较大影响，基于此对磨料射流技术施工时喷嘴的耐磨措施进行探讨。减小喷嘴内壁的磨损主要可以从两方面入手：第一，通过控制施工参数减小磨料射流对喷嘴内壁的磨损；第二，提高喷嘴内壁材料的耐磨性。

由模拟结果可知，喷嘴磨损量随射流速度的增大而增大，同体积浓度下磨损量随磨料直径的增大而减小，磨损量随磨料体积浓度增大而增大，因此，在进行磨料射流技术时，在满足磨料射流效果的前提下，选择合适的单次射流时间、控制射流排量、选择适宜的磨料直径、控制磨料的体积浓度[6]。

从增强喷嘴内壁的耐冲蚀磨损能力方面考虑，应强化喷嘴材质耐磨性能、表面抵抗磨料冲蚀磨损能力等[7]，可采取以下措施：第一，使用耐磨性材料。硬质合金主要由碳化钨构成，一般是通过钴粘结。硬质合金的硬度仅次与金刚持，而且耐高温性能优于金刚石。所以，磨料射流喷嘴多采用硬质合金。第二，增加喷嘴壁厚，使其有较长时间的耐冲蚀磨损能力。第三，对喷嘴内壁硬化工艺处理，提升其耐冲蚀磨损能力，目前有效的工艺有表面化学热处理(表面渗氮、渗碳、渗硼、表面参硫、硫氮共参、镀渗复合处理)、电镀、堆焊和热喷涂、激光表面处理、冷粘涂覆等工艺。第四，在喷嘴内壁易受冲蚀磨损处镶装衬里，衬里采用耐磨复合材料。