Page 64 - 机械工程材料2024年第十一期

崔 璐，等： QT1100连续油管钢的抗液固两相流冲蚀性能

器皿中于50 ℃存放12 h以上。
采用如图 1 所示的冲蚀试验系统进行液固两
相流冲蚀试验：将试样固定在冲蚀试验台的夹具
上，通过调节夹具与喷嘴之间的夹角设置冲刷角
度；将携砂液加入储液罐，开启搅拌器进行充分搅
拌后，对试样进行冲蚀。携砂液由清水和天然石英
砂或人工陶粒砂配制而成，天然石英砂颗粒为尖角
形，粒径分别为0.300~0.420 mm，0.200~0.250 mm，
图 2 不同冲刷速度下试验钢冲蚀速率随冲刷角度的变化曲线
0.150~0.180 mm，0.106~0.125 mm，0.063~
Fig. 2 Erosion rate vs scouring angle curves of test steel at different
0.090 mm，人工陶粒砂颗粒为近球形，粒径为 scouring speeds
0.2 mm；携砂液中砂质量浓度分别为15，30，45，60，
沟和少量冲击坑；当冲刷角度增大至45°时，表面切
75 kg · m −3 ，冲刷角度分别为15°，30°，45°，60°，75°，
削犁沟长度变短，冲击坑数量增多，冲蚀面积更大
90°，冲刷速度为2.4，7.2，12.0，16.9 m · s −1 ，冲刷时
且深度更深；随着冲刷角度继续增大，试验钢表面
间为1.5 h。试验结束关闭装置，取下试样，清洁被
切削痕迹减少，主要存在冲击凹坑，当冲刷角度增
冲刷表面，烘干。称取冲蚀前后试样质量，采用失重
大至90°时，切削痕迹基本消失，出现了无方向性的
法计算冲蚀速率 ［15］ ，计算公式为
冲击坑和裂纹。这说明以清水和天然石英砂粒混合
m -m
E = 10× 0 1 （1） 的携砂液对试验钢进行不同角度冲刷时，其冲蚀机
Stρ w 理均为物理性的机械冲刷磨损。当以小角度（小于
R
式中：E 为冲蚀速率，mm·h −1 ；m ，m 分别为冲蚀 45°）冲刷时，携砂液主要以切应力形式作用于试验
0
R
1
试验前后试样的质量，g；S为试样冲蚀面的面积， 钢表面，对试验钢表面进行微切削而引起较长的切
2
m ； t为冲刷时间，h； ρ w 为材料密度，kg·m −3 。 削犁沟；当以大角度（大于45°）冲刷时，携砂液主要
以正应力凿压和挤压方式作用于试验钢表面，导致
表面产生明显的冲击坑；当冲刷角度为45°时，试验
钢表面承受切应力和正应力共同作用，冲蚀磨损最
严重，其表面冲击坑和切削犁沟都较明显。这与文
献［16］中304不锈钢经液固两相流蚀刷后的冲蚀损
伤机理相符。
在冲刷角度 45°下，当冲刷速度为 2.4 m · s − 1
时，试验钢表面出现一些轻微切削痕迹和不太明显
1. 泵控制柜；2. 搅拌控制柜；3. 储液罐；4. 搅拌器；5. 螺杆泵；6. 液
体阀门；7. 压力计；8. 温度计；9. 液体流量计；10. 管流试验段；11. 数 的冲击坑；当冲刷速度升高至7.2 m · s −1 时，冲击坑
据采集终端；12. 试验台支架；13. 夹具；14. 喷嘴；15. 射流试验段
深度加深且其周围出现轻微裂痕；当冲刷速度达到
图 1 冲蚀试验系统示意 −1 时，试验钢表面冲击坑的范围扩大，切削
Fig. 1 Schematic of erosion test system 12 m · s
犁沟变得更长。这是由于随着携砂液流速的升高，
采用Gemini SEM 360型扫描电子显微镜（SEM） 其携带砂粒的速度增大，砂粒的动能也随之增大，对
观察冲蚀试样表面微观形貌。 试验钢表面产生的切削和挤压作用增强，引起的冲
2 试验结果与讨论 蚀损伤越发严重 ［17］ 。不同冲刷速度下的冲蚀磨损机
理仍以机械冲刷磨损为主。
2.1 冲刷角度和冲刷速度的影响 2.2 砂质量浓度的影响
由图2可见，试验钢的冲蚀速率随着冲刷速度提 由图4可见，随着携砂液中天然石英砂质量浓度

高而增大，随着冲刷角度增加先增大后减小，在45° 的增大，试验钢的冲蚀速率先缓慢增加，在砂质量浓
角冲刷时冲蚀速率最大。 度为60 kg · m −3 时下降，随后快速增大。推测当砂

由图3可以看出：在冲刷速度12 m · s −1 下小角 质量浓度为60 kg · m −3 时，砂粒之间碰撞加剧，削弱
度（15°，30°）冲刷后，试验钢表面出现较长的切削犁 了砂粒对试验钢表面的冲蚀作用，导致冲蚀速率下

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