空气钻井钻具冲蚀磨损机理的分析

空气钻井技术受到越来越多的重视,针对空气钻井中钻具冲蚀磨损严重的现象,首先从阐释冲蚀本质入手,随后时现有的有影响力的冲蚀磨损理论对比分析,得出适合于空气钻井的3套冲蚀磨损理论,并分别进行详细阐述.这3种理论将从不同角度来解释空气钻井钻具的冲蚀磨损机理.微切削理论适用于解释钻屑粒子低入射角的切削情况;变形磨损理论从变形历程及能量变化角度解释了冲蚀现象;二次冲蚀理论从颗粒破碎后对钻具的二次冲蚀角度,更合理地阐述了冲蚀机理.最后就影响钻具冲蚀磨损的主要外部因素--钻屑粒径、几何形状、冲击速度、冲击角度、井内温度进行了定性分析.     

风沙环境下钢结构涂层的冲蚀摩擦学性能

针对内蒙古中西部地区钢结构体系表面涂层长期遭受风沙环境冲蚀的这一现状,采用气流挟沙喷射法,模拟风沙对钢结构涂层的冲蚀.研究了风沙冲蚀力学参数对钢结构涂层冲蚀率的影响;探讨了涂层冲蚀损伤的摩擦学机理;分析了钢结构涂层的冲击摩擦因数变化规律.结果表明:涂层的冲蚀率均随着冲蚀速度呈指数增长,速度指数n为2.39~2.43;在45°时涂层的冲蚀率最大,90°时涂层的冲蚀率最小,低冲角时的冲蚀率大于高冲角时;涂层的摩擦因数处于0.37~0.42,涂层磨损的Taber指数为81.9×10-3mg/r,涂层的耐磨性较差.涂层损伤的摩擦学机理是:低冲角时的微切削作用或高冲角时的挤压凿削作用造成涂层的损伤占主导,涂层表面微裂纹扩展交叉,以致断裂剥落,造成的损伤次之;涂层冲击摩擦因数离散性较大,且随角度增长呈降低趋势;冲击摩擦因数与冲蚀率随角度的变化并不一致.     

高速电弧喷涂7Cr13涂层冲蚀磨损性能及其机理研究

采用高速电弧喷涂技术,在45钢表面制备了7Cr13涂层。利用气砂型冲蚀磨损试验机研究了涂层在不同温度和不同冲击角度下的冲蚀磨损性能,借助SEM、EDS和XRD分析了涂层的冲蚀磨损机理。结果表明,高速电弧喷涂7Cr13涂层的冲蚀磨损率随温度的升高而升高;在30℃时,冲蚀磨损率随冲击角度的增加而增加,而在450℃时,冲蚀磨损率则随冲击角度的增加而降低;且不同条件下的冲蚀磨损机理各不相同。     

省煤器管材料热冲蚀磨损的研究

利用自制热冲蚀磨损强化模拟试验装置,对制造省煤器管的20钢进行了热冲蚀磨损试验研究。结果表明:最大冲蚀率出现在20°攻角,而且材料的冲蚀率随气流速度增大,气流温度升高和气流中磨粒密度的增大而增加。扫描电镜观察表明,20钢的冲浊机制包括切削,犁削和冲击坑,其中低攻角时以前两者为主,高攻角时以后者为主。     

20g钢的冲蚀磨损性能的研究

采用气流喷砂型实验机,试验研究20g钢的冲蚀磨损性能。结果表明,20g钢是典型的金属塑性材料,其耐冲蚀磨损性能比较差。其冲蚀率峰值出现在30°附近(在本实验条件),其冲蚀磨损机理在攻角小于30°之前以切削模型为主,在攻角大于30°之后以局部塑性变形模型为主。其冲蚀磨损没有明显的孕育期,直接进入了持续期,冲蚀失重随冲击时间的增加而增加。冲击速度对20g钢的冲蚀磨损有很大的影响,其冲击速度与冲蚀率成指数关系,在本实验条件下,其指数为2.23。表明在高速时,20g钢的冲蚀磨损严重。     

中碳钢的冲蚀磨损及其机理的研究

对几种硬度的中碳钢在不同冲角、粒子速度和磨粒用量等条件下的冲蚀磨损现象进行了试验研究,并对冲蚀试样的表面和表层形貌进行了扫描电镜和金相观察。根据实验结果,分析讨论了中碳钢以及塑性金属材料的冲蚀磨损机理,并认为在15°～90°冲角范围内,挤压成片机理对材料冲蚀起着主要作用;在20°～30°的冲角区间,由于成片的速率和效率较高而存在着冲蚀率的峰值。     

颗粒属性对输气管道渐缩管冲蚀磨损的仿真预测

在输气管道中，气固两相流对管道内壁造成冲蚀磨损，渐缩管中冲蚀磨损情况尤为严重。利用计算流体动力学相关知识，通过CFD仿真软件建立模型，运用流固双向耦合方程，采用标准k⁃ε模型和DPM模型进行分析。探究入口流速、固体颗粒粒径以及颗粒质量流率对渐缩管冲蚀磨损现象的影响，预测渐缩管中易发生冲蚀磨损的位置以及天然气的最佳流速。结果表明，当入口流速从5 m/s增大到25 m/s时，渐缩管最大冲蚀速率先增加后减小再增加；当入口流速为15 m/s时，冲蚀速率降至最小，为1.76×10－6 kg/（m2•s）；当颗粒粒径从0.5 mm增大到4.5 mm时，最大冲蚀速率先由4.23×10－6 kg/（m2•s）增加至7.56×10－6 kg/（m2•s），而后又逐渐减小至2.68×10－6 kg/（m2•s）；在入口流速为15 m/s的情况下，当颗粒质量流率从0.1 kg/s增大到0.6 kg/s时，最大冲蚀速率从1.76×10－6 kg/（m2•s）增加至1.00×10－5 kg/（m2•s）。渐缩管冲蚀磨损区域主要位于渐缩管喉部下壁面、距离喉部2D区域的收缩管段下壁面及2D区域以外的收缩管段上壁面，并且上壁面冲蚀磨损区域近似呈“U”型对称分布。在输气过程中，气体流经渐缩管的最佳入口流速应为15 m/s。为预防冲蚀磨损，颗粒粒径不宜过小，质量流率需控制在合理范围内。     

离心机过流件常用材料的冲蚀磨损研究

利用喷砂机对离心机过流件常用的Q235A,Cr12Mov,ZG310-570和Q345A 进行冲蚀磨损试验,探讨它们的冲蚀磨损特性。结果表明：材料的硬度越高,其质量损失率越低,抗冲蚀磨损性能越强,4种材料的抗冲蚀磨损性能由高到低的顺序依次是Q345A,ZG310-570,Cr12Mov,Q235A;随着冲蚀角度的增大,质量损失率呈现先增大后减小的变化趋势,其中冲蚀角为30°时的质量损失率最大;在小角度冲蚀下,材料的磨损机理主要表现为微观切削,而大角度冲蚀下的磨损机理则主要表现为反复塑性变形导致的疲劳断裂。     

不同温度工况下飞灰磨损速度指数特性的试验研究

冲刷速度是影响飞灰冲蚀磨损的主要因素,速度对冲蚀磨损的影响与温度有着很大的关系.研究了12Cr1Mo V合金钢在不同温度时冲刷速度对磨损率的影响,并且用速度指数n表征.试验数据结果表明:在热态试验中(250~550℃),飞灰磨损速度指数为1.006 27~0.827 52;而在常温态试验中,速度指数达到2.95,基本规律为飞灰磨损速度指数随温度的升高而降低,且常温态的相对磨损率明显大于热态时的相对磨损率.     

输油管道90°弯管冲蚀磨损数值模拟研究

为了研究输油管道系统的冲蚀磨损问题,运用ANSYS FLUENT软件,通过改变管道进口流速、颗粒质量流量、颗粒直径,对90°弯管的流场分布及磨损情况进行了数值模拟。结果表明,随着进口流速的增加,弯管的冲蚀率逐渐上升;随着颗粒直径的增大,弯管的冲蚀率总体呈下降趋势;随着颗粒质量流量的增大,弯管的冲蚀率基本呈线性增长;进口流速、颗粒质量流量、颗粒直径等3个冲蚀影响因素之间存在交互作用。     

管道弯头磨损特性的研究

研究了输送管道中气固两相流中微粒的直径、浓度和材料种类等因素对10~＃钢、20~＃钢、16Mn和18-8不锈钢管道弯头磨损量以及磨损率的影响。实验系统采用负压结构,风速范围在5～30m/s之间,采用不同直径的刚玉和氧化锆微粉。对实验结果进行了模拟处理,并对上述变量、弯头曲率半径与直径比和直径等因素的影响规律作了分析。结果表明,弯头材料本身的性能对磨损结果影响最大。四种材料耐磨性依次为16Mn、20~＃钢、10~＃钢和18-8不锈钢。磨损率和风速之间存在指数关系,指数幂在1.2～2之间。不同尺寸、材料和硬度的磨粒将影响磨损率与风速函数关系式的幂指数。另外,对于曲率半径/管直径比值固定的弯头而言,直径大的弯头磨损率低,这与小直径弯头的表面积与体积比更大有关。     

Experimental studies on the erosion rate of different heat treated carbon steel economiser tubes of power boilers by fly ash particles

The experimental investigations on the effect of the fly ash particle size,velocity,impingement angle,and feed rate were done with an emphasis on the effect of erosion on annealed SA 210 GrA1(A) and normalized SA 210 GrA1(N) carbon steel economizer-tube materials.Erosion rates were evaluated with different impingement angles ranging from 15° to 90°,at four different velocities of 32.5,35,37.5,and 40 m/s,and at four different feed rates of fly ash particles of 2,4,6 and 8 g/min.The erodent used was fly ash p...     

超高分子量聚乙烯与钢的冲蚀磨损研究

用气流喷砂型冲蚀试验装置对超高分子量聚乙烯（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｍｏｌｅｕｌａｒ Ｗｅｉｇｈｔ Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ,ＵＨＭＷＰＥ）和４５＃钢的冲蚀磨损性能进行进行了比较,考察了冲蚀粒子（煤粉,二氧化硅）的入射角,冲蚀时间等对超高分子量聚乙烯和４５＃钢冲蚀磨损的影响,通过扫描电子显微镜对超高分子量聚乙烯和４５＃钢冲蚀磨损表面形貌的观察,并对超高分子量聚乙烯和４５＃钢冲蚀磨损机理进行了初步探讨。     

钢的冲蚀磨损与机械性能的关系及其磨损机理的研究

本文研究了以棕刚玉及玻璃砂为磨粒的钢的冲蚀磨损与机械性能的关系及其磨损机制。结果表明在硬磨粒冲击下,钢的冲蚀磨损受断裂韧性影响较大。而当磨粒硬度接近或低于钢的硬度时,冲蚀磨损由钢的硬度所决定。在硬磨粒冲击下,除了常见的薄片、切削、犁沟等塑性变形机制外,韧性较低的钢会出现开裂机制而造成块状磨屑脱落。软磨粒要依靠多次冲击才能使材料以小片磨屑脱落,而且最大冲蚀率发生在90°冲击角。玻璃砂冲击时,在30°、90°会出现两个冲蚀磨损峰,这是由于玻璃砂在大角度冲击时溅射而产生二次磨损的结果。     

四墙切圆锅炉水冷壁颗粒冲击特性数值模拟

为深入了解水冷壁壁面的颗粒冲击特性,使用AnsysFluent对660 MW超临界锅炉的燃烧过程进行数值模拟,通过Fluent内冲蚀磨损模型得出燃烧器区域壁面的颗粒质量冲击量;利用Fluent软件的Sample功能输出壁面颗粒数据,将点数据导入Excel处理,得到冲击燃烧器区壁面的颗粒最高速度及颗粒速度值的分布情况. 结果表明:燃烧器喷口对侧区域的壁面冲击量最大值为6 kg·m^-2·s,冲击燃烧器区壁面的颗粒最高速度可超过30 m·s^-1,其占比不足冲击总颗粒量的0.3%,20~25 m·s^-1的冲击颗粒占比接近10%,颗粒速度的主体为5 ~ 20 m·s^-1. 壁面颗粒冲击量及颗粒速度模拟结果表明,在后墙第二组燃烧器壁面存在着6 kg·m^-2·s的高颗粒冲击量及25 ~ 29 m·s^-1的高颗粒冲击速度同时作用的区域,易发生严重磨损.     

恒流堵塞器冲刷磨损特性的数值模拟

针对油田注水工况下,恒流堵塞器易受固体悬浮颗粒冲刷磨损作用的问题进行了数值模拟.以商业CFD软件F luent 6.1为基础,建立了恒流堵塞器流场三维几何模型,对堵塞器内部流场进行了计算;采用La-grangian离散相模型、Haider曳力公式和随机轨道跟踪方法求解了湍流中颗粒运动轨道;应用Bitter颗粒冲刷磨损模型对冲刷磨损失重进行了计算;对现场测试数据和数值模拟结果进行了对比,证明了数值模拟的有效性;对模拟结果数值上不够精确的原因进行了分析,指出了在注水流量控制装置流体磨损腐蚀分析中充分考虑电化学腐蚀和不锈钢钝化作用的必要性.     

WC—Co硬质合金冲蚀磨损行为及机理研究

本文对两种WC—Co硬质合金的耐冲蚀性进行了考察,二者均呈现脆性材料冲蚀特点。其组成相的晶粒尺寸、硬度、百分含量与形貌对材料的冲蚀行为有巨大影响,在高温下尤为明显。材料的耐磨性随磨料硬度增加而降低。超细晶粒硬质合金具有更佳的耐磨性,但其磨蚀机理与商用硬质合金相似。软磨粒冲蚀引起软的Co相粘接剂浸蚀,导致WC相脱落。硬磨料冲蚀时,材料的转移主要是由于低角度时的切削和犁耕,高角度时的疲劳断裂组成,二者均伴有大面积的塑性变形。     

Cavitation erosion behavior of WC coatings on CrNiMo stainless steel by laser alloying

The WC powder was precoated on the surface of CrNiMo stainless steel and then made into an alloying layer by using the laser alloying technique.Phases in the layers were investigated by X-ray diffraction (XRD) analysis and surface morphologies after cavitation erosion were observed with the help of scanning electron microscopy (SEM).The cavitation erosion behavior of the CrNiMo stainless steel and WC laser alloying layer in distilled water was tested with the help of ultrasonic vibration cavitation ero-sion equipment.The results showed that the thickness of the laser alloying layer was about 0.13 mm.The layer had a dense micro-structure, metallurgically bonded to the substrate, and no crack had been found.The cavitation erosion mass loss rate of the laser al-loying layer was only 2/5 that of the CrNiMo stainless steel.The layer had better cavitation resistance properties because of its met-allurgical combination and the strengthening effects of the precipitate phases.     

激光沉积Stellite 6颗粒入射角度对涂层形成的影响

采用准静态下MTS拉伸实验,对Stellite6颗粒在Johnson cook材料模型中的物性参数进行标定;利用有限元分析软件ABAQUS模拟单个Stellite 6颗粒以相同速度不同入射角度撞击基体的变形行为,探讨粒子入射角度对粒子沉积形貌及基体凹坑深度的影响.模拟结果表明：Johnson cook材料模型可以很好的描述碰撞过程中粒子的变形行为,粒子入射角度的增大,不利于粒子与基体的有效结合;在粒子有角度撞击基体过程中,切向速度会使得粒子与基体之间产生相对运动,进而导致粒子与基体接触表面有摩擦力的产生,当颗粒与基体间摩擦力做功产生的积极作用大于颗粒切向滑移产生的消极作用,颗粒与基体可以形成有效结合.     

水力机械泥沙磨损的数值模拟

作者对低浓度沙水 (平均固体容积浓度Cv<1%,或含沙量低于 2 0kg/m3 )中运行的水力机械的泥沙磨损进行了数值模拟研究。利用Eulerian -lagrangian混合湍流模型 (这个模型是基于两相中的颗粒源项数值技术 ,即液相采用Eulerian描述 ,而颗粒相采用Lagrangian描述 )对水力机械中湍流速度、压力分布以及颗粒轨迹进行了数值计算。同时给出了水力机械中的颗粒反弹模型和磨损模型。通过对一水轮机导叶磨损率的计算 ,其结果与实际较为吻合