316304不锈钢的液固两相射流冲蚀行为研究

中图分类号G6430硕士学位论文题目316/304不锈钢的液固两相射流冲蚀行为研究学科专业热能工程研究方向多相流动与传热硕士生柳灏指导教师赵彦琳副教授二一七年六月单位代码11414学号2014214043硕士学位论文独创性声明郑重声明本硕士学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体，均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。作者签名日期导师签名日期硕士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。本学位论文属于保密范围，保密期限0年，解密后适用本授权书。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书面同意，且须以中国石油大学（北京）为第一署名单位。作者签名日期导师签名日期摘要冲蚀磨损现象存在于水力机械、石油化工和核电站等许多工业环境中，是管材损坏和设备失效的主要原因之一。了解并掌握影响两相流冲蚀条件的机理，对于如何降低因为冲蚀腐蚀造成的管材等部件失效有着很重要的意义。本文研究目的在于发现不同条件下的多相流冲蚀规律，探究NACL溶液腐蚀对于样品冲蚀磨损的影响。论文采用含沙射流对304/316不锈钢进行了24小时以上的长时间冲蚀行为实验研究。结果表明，冲击角度为45时，不锈钢的质量损失最大，冲击角度为75时，不锈钢的质量损失最小。316/304不锈钢失重率一直呈现上升趋势，但随时间的推移增量变小。SEM结果表明，90冲击下的样品表面出现多个冲击坑，斜角冲击后会留下划痕，角度越小划痕越明显，这与不同冲击角度时不同的磨损机理有关。冲击角较大时，石英砂颗粒对材料的破坏机理是以正碰为主，冲击角较小时，颗粒对材料的破坏机理则是犁削作用。将两种不锈钢样品经过35WT的氯化钠溶液浸泡不同时长后再进行冲蚀，发现304不锈钢在90和60冲击下失重率大幅增加，316不锈钢失重率也有增加，但是增幅远小于304不锈钢。样品经40和8035WT氯化钠溶液处理后，失重率再次增加，但是304不锈钢失重率增幅很小，316不锈钢失重率增幅较大。关键词冲蚀；失重率；304/316不锈钢；冲击角度；NACL溶液STUDYONEROSIONBEHAVIORSOF316/304STAINLESSSTEELBYSOLIDLIQUIDTWOPHASEFLOWJETIMPINGEMENTABSTRACTEROSIONWEAREXISTSINMANYENGINEERINGINDUSTRIESINCLUDINGHYDRAULICMACHINERY,PETROCHEMICALINDUSTRIES,NUCLEARPOWERSTATIONSANDSOON，WHICHPLAYSANIMPORTANTROLEINTHEPROCESSOFDEGRADATIONOFPIPEANDEQUIPMENTFAILUREITISVERYIMPORTANTTOUNDERSTANDANDGRASPTHEMECHANISMOFTWOPHASEFLOWEROSION,FORWHICHHELPINGTOREDUCETHEFAILUREOFTUBESANDOTHERCOMPONENTSCAUSEDBYEROSIONTHEPURPOSEOFTHISTHESISISTOFINDTHERULEOFMULTIPHASEFLOWEROSIONFORDIFFERENTCONDITIONS,ANDTOEXPLORETHEEFFECTOFNACLSOLUTIONCORROSIONONEROSIONOFTHESAMPLEINTHESIS,THE24HOURSLONGTERMEROSIONBEHAVIORSOF304STAINLESSSTEEL304SSAND316STAINLESSSTEEL316SSBYSANDWATERFLOWJETIMPINGEMENTWERESTUDIEDTHERESULTSHOWSTHATTHEWEIGHTLOSSOFTHESAMPLEREACHESAMAXIMUMVALUEAT45IMPACTANGLE,WHILEWHENTHEIMPACTANGLECOMESTO75,THEWEIGHTLOSSREACHESTHEMINIMUMTHEWEIGHTLOSSRATESOF316SS/304SSINCREASEWITHIN24HOURS,BUTTHEINCREMENTSDECREASEWITHTIMETHESEMPHOTOSSHOWTHAT,UNDERTHEIMPACTANGLEOF90,THEREARESEVERALIMPACTPOTHOLESONTHESURFACEOFTHESAMPLEHOWEVER,AFTERTHEIMPINGEMENTOFOTHERSMALLERANGLES,THESCRATCHESAPPEARONTHESURFACEOFTHESAMPLETHESMALLERTHEANGLES,THEMOREOBVIOUSTHESCRATCHESTHEPOSSIBLEREASONISRELATEDTOTHEDIFFERENTWEARMECHANISMSUNDERTHEDIFFERENTIMPACTANGLESWHENTHEIMPACTANGLEISLARGE,THEMAINDAMAGEMECHANISMCAUSEDBYTHEQUARTZSANDPARTICLESISTHEFRONTALCRASHHOWEVER,WHENTHEIMPACTANGLECOMESTOSMALLER,TOTHEMAINDAMAGEMECHANISMISPLOWINGTWOKINDSOFSTAINLESSSTEELSAMPLESWEREIMMERSEDIN35WTNACLSOLUTIONANDTHEEROSIONBEHAVIORSWERESTUDIEDTHERESULTSSHOWTHATTHEWEIGHTLOSSRATESOFTHE304SSINCREASESIGNIFICANTLYUNDERTHENORMALIMPACTINGAND60IMPACTINGTHEWEIGHTLOSSRATESOFTHE316SSALSOINCREASE,BUTTHEINCREMENTSAREMUCHLESSTHAN304SSTHEIMPINGEMENTOFTHESTAINLESSSTEELSAMPLESEXPERIMENTSWERECARRIEDOUTAFTERTHETREATMENTBYIMMERSINGIN35WTNACLSOLUTIONSUNDER40CAND80,RESPECTIVELYTHEWEIGHTLOSSRATESOFTWOKINDSOFSTAINLESSSTEELINCREASE,BUTTHEINCREMENTSOF304SSARELESSTHANTHEINCREMENTSOF316STAINLESSSTEELKEYWORDSEROSION；WEIGHTLOSSRATE；304/316STAINLESSSTEEL；IMPACTANGLE；NACLSOLUTION目录硕士学位论文独创性声明I硕士学位论文版权使用授权书I摘要IIABSTRACTIII第1章绪论111冲蚀磨损的危害112冲蚀磨损的影响因素2121冲击角度对材料冲蚀的影响2122冲击速度对材料冲蚀的影响3123固体颗粒浓度和尺寸对材料冲蚀的影响413国内外研究现状514选题意义与研究内容6第2章液固两相射流冲蚀实验821实验装置822实验材料1023实验过程13第3章液固两相射流冲蚀304/316不锈钢的实验研究1531实验结果与讨论15311304/316不锈钢失重率和表面形貌表征15312冲击速度对316不锈钢失重的影响24313样品失重率与石英砂颗粒尺寸变化的关系2532本章小结30第4章304/316不锈钢在氯化钠溶液中浸泡后的冲蚀行为3241影响金属材料冲蚀的各因素的协同作用3242海水对不锈钢材料的腐蚀原理34421不锈钢在海水中的腐蚀行为34422氯离子对不锈钢的腐蚀机理3543实验方法3644实验结果与分析36441氯化钠溶液浸泡对冲蚀样品失重率的影响36442不同温度氯化钠溶液浸泡对冲蚀样品失重率的影响4345本章小结49第5章结论与展望5151结论5152展望52参考文献53附录A硕士期间发表论文情况58致谢59第1章绪论冲蚀磨损是指材料受到流体中小而松散的流动粒子冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。冲蚀磨损现象是很普遍的，这种现象主要存在于水力机械、石油化工和核电站等许多工业环境中，在管材损坏和设备失效的过程中起到了很重要的作用。根据英国科学家EYRE的估算，冲蚀磨损占据工业中各类磨损造成经济损失的81。根据介质可以把冲蚀磨损分为两大类气液喷砂型冲蚀和液流型冲蚀。流动介质中携带的第二相可以是固体颗粒、液滴或者气泡。液固两相流中，有的第二相物质直接材料表面造成损伤，有的在材料表面上破裂后对其施加作用力，最后造成材料的破坏。气固两相流对材料的冲蚀磨损主要是以固体颗粒的冲击磨损为主，液固两相流对材料的冲蚀主要是以固体颗粒冲击磨损、流体冲刷腐蚀以及两者间的协同作用为主。固体颗粒冲蚀磨损是指高速流体携带大量尺寸在1000M以下的颗粒，以一定速度和角度对材料表面进行冲击，从而使材料发生耗损和破坏的一种现象或过程，其速度（液相）一般在30M/S以内。固体颗粒撞击到靶材表面上，一般都会对靶材造成冲蚀破坏，除非入射速度或颗粒的浓度尺寸低于某一临界值。材料的冲蚀率会受到冲蚀条件的影响，冲蚀条件包括受入射流体的速度、角度、颗粒的尺寸和种类等，还包括材料的物理性质。液固两相流冲蚀磨损对管材、法兰和弯头等部件破坏作用较大，了解并掌握两相流冲蚀腐蚀的影响因素及其协同作用的机理，对于如何降低因为冲蚀腐蚀造成的管材等部件失效有着很重要的意义。论文的研究内容是研究304/316不锈钢在不同冲蚀腐蚀条件下的失重率、冲蚀后的表面形貌以及固体颗粒对样品失重率的影响。研究分析液固两相流中由固相颗粒和流体，以及二者协同作用，在不同影响因素下，对金属材料的冲蚀腐蚀行为。11冲蚀磨损的危害工程中冲蚀磨损的危害很大，而且比较常见。冲蚀磨损不仅是造成管材损坏或设备失效的重要原因之一，还会增加能源的消耗量。据不完全统计，能源的1/31/2消耗于摩擦和磨损。火电厂锅炉水冷壁管的可靠性会直接影响电厂机组的有效运行，但是水冷壁管会不可避免的被腐蚀和磨损，其中，就磨损部分而言，绝大部分的磨损是烟气和灰分颗粒的冲蚀。冲蚀对水冷壁管的影响很大，首先会使管壁变薄，据统计，一般水冷壁厚度年平均损失在1MM左右，严重的可以达到56MM/YEAR，这就给电厂带来了大量的临时性检修工作，造成大量损失；其次，水冷壁管会因为冲蚀磨损造成突发性的爆管事故，这就直接影响了整个电厂的发电秩序，经济损失巨大，也会对社会秩序造成不良影响。石油工业中沙总是会随着产品流体（油和水）出现而出现，这是油气工业的主要问题，沙的产生引起冲蚀，在这过程中，由于反复的砂砾冲击，材料从管路中移除，造成管路被侵蚀，被侵蚀的管路导致油气工业的运力出现问题，而这能够导致能源损失和环境问题。核电站中机械部位受不同的老化机理作用，如流体冲蚀腐蚀、疲劳、腐蚀疲劳、应力腐蚀开裂和点蚀等。作为核电站运行者，提供可靠的系统老化类型和位置很重要。在水力机械中，冲蚀磨损十分普遍和严重。当水力机械的工作介质中存在固体相时冲蚀磨损现象更为突出。所以冲蚀破坏对于工业生产所造成的影响可见一斑，降低实际工程中的冲蚀破坏对于提高工业生产效率，延长工业设备寿命，降低工业运行成本都具有相当重要的意义。12冲蚀磨损的影响因素冲蚀率非常依赖于冲蚀腐蚀环境，比较重要的因素有材料硬度、冲击速度、冲击角度、固体颗粒浓度和尺寸等。影响冲蚀磨损的因素可以从固相、液相和材料本身三个方面进行分析，其中，固相因素包括颗粒的浓度、粒径大小、冲击速度、冲击角度和冲击时间等方面；液相因素包括流体的物理性质（流体粘度和温度等）、溶液的PH值、缓蚀剂和溶液离子浓度等；材料本身对于冲蚀的影响主要体现在材料的硬度、表面处理工艺和热处理技术等。121冲击角度对材料冲蚀的影响冲击角度是通过影响材料表面电流密度的变化来影响材料的冲蚀率的2。一般而言，相对于法向冲击，斜角情况下电流上升的大，上升时间长。失重值证明，冲蚀率和冲蚀腐蚀率的最大值，都在斜角范围40到50之间达到，并且在所有的角度下，冲蚀腐蚀率要高于同角度下的冲蚀率3。以碳钢为例，相对于法向冲击，斜角冲击的影响更大，尤其是斜角范围在40到50之间，碳钢的冲蚀率最高。冲击角度也会影响材料的冲蚀和化学腐蚀的协同效应，这个协同效应会随着倾斜角度的增大而增强。并不是在所有情况下碳钢的腐蚀率都随着冲击角的增大而增大，比如在油砂中碳钢的腐蚀率会随着冲击角的上升而降低。随着碳钢在原油中暴露的时间的延长，其冲蚀程度相比于化学腐蚀来得剧烈，在油层水中，冲蚀和腐蚀对材料造成的损失贡献相似4。不同材料在不同的冲击角度的作用下，冲蚀率随冲击角度的变化也不完全一样。X65钢管的微观结构是铁酸盐和马氏体构成。经过热处理之后，和碳钢在同样的冲蚀环境下，其腐蚀率随着冲击角的升高而升高，达到30时冲蚀率达到最大，在冲角上升到90的过程中会逐渐变小，而且X65钢的侵蚀表面形貌在30和90的情况下很相似，都是由上百个坑洞和薄片组成5。对于表面形态的形成和质量移除而言，最重要的机理是碰撞作用和犁削作用6。在法向冲击条件下，颗粒的碰撞造成了大范围的坑洞，然而在30冲击的条件下，长划痕会变成主要的形态，这是由于颗粒的犁削作用。材料局部腐蚀的演化取决于冲击角度，冲击角度不同会造就切应力和正压力的联合作用7。在流速一定的前提下，冲击角度在材料的冲蚀腐蚀行为中，对材料表面形貌的成形起到了重要的作用。122冲击速度对材料冲蚀的影响现有对于冲击速度对材料冲蚀影响的研究，往往是和冲击角度等其他因素结合起来研究并分析的。冲蚀机理的支配性因素一定会明显的依赖于不同的冲击角度和冲击速度。常用冲蚀率来表示粒子对材料的冲蚀程度，粒子冲击速度和材料冲蚀率关系式如公式1111NEKV式中，E为冲蚀率；V为冲击速度；N为速度指数；K是和颗粒锐度有关的常数。在低冲击角度和低颗粒给进速度的情况下，最主要机理为颗粒对材料的犁削作用，在低冲击角和高颗粒给进速度的条件下，材料的移除和切向破坏则占据决定性地位。在高颗粒给进速度的条件下，速度指数会随着冲击角的上升而下降。这是因为随着冲击角度的上升，粗糙颗粒嵌入了材料中，而且在后来的冲蚀中起到了阻碍的作用8。因此，在这样的条件下，速度指数就由冲蚀机理决定了。在低颗粒给进速度条件下，大多数冲击都是弹性冲击，而且不会对冲蚀率有贡献。这就造成了冲蚀率几乎不依赖于冲击角。所以，冲蚀率在高速冲击下才会依赖冲击角度。材料硬度是一个至关重要的参数，在关联方程中，是冲击速度和冲击角度的参变量。这一点在对铝合金、铜合金、碳钢和不锈钢这几种材料的实验中已经被证实了。冲击速度和颗粒尺寸是彼此独立的，这就意味着颗粒尺寸不会影响冲蚀破坏的冲击速度变量，冲击速度也不会影响颗粒尺寸，但是冲击速度却有可能被颗粒的其他物理性质比如材料的硬度所影响9。冲击速度还会对冲蚀破坏和电化学腐蚀破坏的协同作用产生影响。冲击速度高，材料表面电位很低的时候，冲蚀将会主导材料的退化；冲击速度比较低，材料表面电位很高的时候，化学腐蚀在材料退化过程中将占据主导地位。材料的冲蚀腐蚀过程取决于材料电位和流体的流速。由正碰引起的冲蚀磨损，很依赖于冲击速度和颗粒尺寸10。冲蚀率是随着冲击速度的上升而上升的。氧化铝和水的固液两相流体冲击不锈钢的实验中，实验开始冲蚀率很高，然后会逐渐降低，这个过程会持续到实验结束。表面粗糙度也会随着冲击速度和试验时间的上升而上升。冲蚀机理包括两种，剪切冲蚀机理和塑性形变。速度一定的条件下，冲击角度高的时候会产生塑性形变，冲击角度低的时候会发生剪切作用。但是冲蚀率方程11中的速度指数N却会随着颗粒冲击角度的上升而下降。这就表明速度指数的值是由冲蚀机理决定的，而不是速度指数决定冲蚀机理。这可能是由于以下两个原因颗粒之间的干扰，这阻止了其他颗粒到达样品表面；粗糙颗粒的嵌入，这保护了材料表面被进一步侵蚀。低速条件下，大多数冲击都是弹性冲击，这种冲击不会对材料冲蚀率有太大的贡献，这就造成了低速条件下冲蚀率几乎不依赖于冲击角。123固体颗粒浓度和尺寸对材料冲蚀的影响影响材料失重的除了速度之外，还有固体颗粒的浓度和尺寸。碳钢的腐蚀率未必随着固体颗粒浓度的上升而上升的，实验表明11，在固液两相冲蚀条件下，评价中国舟山地区海泥对碳钢和低合金钢的影响。结果显示，在24WT的氯化钠溶液中，随着海泥含量的上升，碳钢的冲蚀腐蚀率反而下降，与之相反，如果添加石英砂，冲蚀腐蚀率会随着石英砂含量的上升而上升。从结果上看，粒度极小66M的海泥对冲蚀腐蚀率有一定抑制作用。由此可见，颗粒浓度的上升并不都能提高冲蚀腐蚀率，要提高冲蚀腐蚀率，除了提升固体颗粒浓度外，固体颗粒的尺寸还必须满足一定条件。实验表明12，泥浆中加入75M以下尺寸颗粒时，会降低冲蚀磨损作用，这个现象可能是由于小尺寸颗粒提高了流体粘度，降低了湍流程度，部分降低了冲击速度造成的。流体内颗粒浓度的影响是多样化的，在达到钝化电势和氧化膜形成之前，活跃的溶解区域的冲蚀率的上升是由于固体颗粒浓度的上升。冲蚀率的变化和靶材的种类也有关系，相同颗粒浓度下，不同的靶材如铁、镍、铝和铜等，都因为有着不同的硬度、钝化区和密度，而导致了冲蚀率的不同。GIRISHRDESALE等人13在对铝合金的冲蚀磨损实验中发现，磨损腐蚀随着平均颗粒尺寸上升而上升。实验过程中发现了冲击颗粒存在着临界动能，所谓临界动能，就是指在颗粒的冲击下，能够引发冲蚀现象的最小动能值。对固液两相流体来说，若固体颗粒的尺寸上升，虽然会导致在流体中颗粒的浓度降低，但是却能够提高颗粒的动能值，所以一般而言，颗粒越大，冲蚀现象也就越严重，然而，高于冲蚀率临界值时，冲蚀腐蚀率就和颗粒尺寸无关了。碱性溶液中，颗粒尺寸区间在50M至100M内时，颗粒的尺寸对于样品冲蚀腐蚀率产生了重要的影响，如果颗粒尺寸在100M之上，依赖性又会降低14。总之，颗粒尺寸和颗粒浓度对材料的冲蚀都有影响，只是颗粒浓度的增加并不总是伴随着冲蚀率的增加，如果冲蚀率也同时增加，那么颗粒尺寸就需要满足一定条件，颗粒平均粒径至少应该在75M以上。颗粒尺寸如果太小，那么冲蚀率还有可能下降。颗粒的动能也是影响冲蚀率的因素之一。提高颗粒的尺寸虽然能够导致流体内颗粒浓度降低，但是却提高了颗粒动能，所以提高颗粒尺寸会提高冲蚀率。13国内外研究现状国内外现有的冲蚀方面的研究，有很多偏重于冲蚀机理的研究。冲蚀机理有很多，比如微切削理论15、变形磨损理论16和弹塑性压痕破裂理论等等。MENG17总结了比较有影响力的理论模型有28种，但是这些理论均有其明确的适应范围，有的只能解释某种冲蚀现象。所以冲蚀理论的发展还有很大的提升空间。不同于塑性材料的固体颗粒冲蚀机理，对于脆性材料的冲蚀机理还是有比较广泛的认同的。实验结果指出，脆性材料的冲蚀是由于形成裂缝18。当颗粒撞击脆性材料表面，材料表面将产生侧向和放射向的裂痕。后续的冲击会造成裂痕生长。这些裂痕会将材料表面分割成很多小块，这些小块可以被其他冲击表面的颗粒移除。颗粒之间的相互作用会影响冲蚀模型的精度。大多数模型都忽略颗粒之间的相互作用。但是在泥浆冲蚀中，颗粒之间的相互作用能够影响样品冲蚀率的数量级。科学家们提出了不同的机理以解释冲蚀速率和沙粒浓度的关系。这些理论指出，在砂浓度比较高的情况下，当颗粒从壁面被弹回的时候，颗粒会撞击正在向壁面移动的颗粒，并且将它们减速。这种现象被命名为“屏蔽”19。因此，冲蚀磨损还取决于流动条件和几何条件，更高浓度的沙可能会降低冲蚀速率。影响冲蚀的因素有很多，比如冲击角度、速度、流体的物理性质、侵蚀药剂的物理性质、靶材的物理性质甚至是零部件的几何形状，都能够影响冲蚀率和冲蚀速率。固体颗粒的形状能够对冲蚀的量级产生很明显的影响。SALIK20等人认为，通过改变固体颗粒的形状，可以改变冲蚀率的量级。对此LEVY和CHIK21有着相同的看法。他们使用了两种不同的形状的颗粒，圆颗粒和锐颗粒。冲蚀实验的结果是，有棱角的颗粒的冲蚀率，是圆颗粒冲蚀率的四倍。HUTCHINGS22等人认为，最大冲蚀率下的冲击角度是由颗粒形状决定的，而且不同的颗粒形状会导致不同的最大冲蚀角。颗粒尺寸是影响冲蚀率的另一个重要因素。TILLY的冲蚀实验数据显示，冲蚀率和颗粒尺寸之间满足某种函数关系，数据指出，当颗粒高于100M的时候，冲蚀率几乎不依赖于颗粒尺寸23。GANDHI和BORSE24研究了30和90之下，颗粒尺寸对铸铁冲蚀率的影响。他们发现，颗粒尺寸和冲蚀率之间存在一种线性关系。这个线性关系也被其他的科学家所发现25。这些结果的出现是基于一个事实颗粒的冲击速度不是个常数，而是随着颗粒尺寸在变化，尤其是当颗粒被流体所携带的时候。流体的物理性质也会对材料冲蚀率产生影响。很多学者都在研究流体性质对于颗粒行为的影响26。流体通过影响当地颗粒浓度来影响冲蚀率，较高的当地颗粒浓度就意味着更多的颗粒之间的相互作用，而它们之间的屏蔽作用也被CHEN27观察到了。颗粒和壁面之间的相互作用可以直接影响到流体边界层。CLARK和BURMEISTER28提出了一种压膜模型，这种模型包括了液体边界层对颗粒的影响。14选题意义与研究内容鉴于冲蚀磨损对工业生产设备的巨大破坏作用，有必要对工程中常用的304不锈钢和316不锈钢的冲蚀磨损性能进行研究，提出减少冲蚀磨损的方法，以降低工程中的材料损失和企业的经济负担。液固两相流冲蚀磨损对于管材等部件破坏作用较大，了解并掌握两相流冲蚀腐蚀的影响因素和协同作用机理，对如何降低因为冲蚀腐蚀造成的管材等部件失效具有重要的意义。本文研究的目的是为了分析液固两相流中有固体颗粒和流体以及二者协同作用产生的不同影响因素下，金属材料的冲蚀腐蚀行为。采用砂水两相高速射流，研究其对不锈钢（304不锈钢和316不锈钢）的冲蚀腐蚀行为，具体内容包括两部分固相影响因素和经NACL溶液处理后样品的冲蚀行为，内容如下（1）不同冲击角度和冲击速度对材料冲蚀腐蚀行为的影响，对比材料的质量损失、失重率和表面形貌变化。（2）不同颗粒粒径分布对材料冲蚀腐蚀情况的影响，对比冲蚀前后颗粒粒径分布的变化和金属材料失重情况。（3）样品在冲击之前首先用35WTNACL溶液浸泡24小时，然后进行实验，与未经盐溶液处理的冲击样品进行对比。（4）将样品浸入不同浓度的溶液，进行相同时间进行冲击实验，对比结果的不同。（5）将样品经不同温度的35WTNACL溶液浸泡相同时间后，进行冲击实验，对比结果的不同。第2章液固两相射流冲蚀实验21实验装置实验使用的金属材料是304不锈钢和316不锈钢，使用石英砂水两相流体进行冲击，固体颗粒使用4060目的石英砂，石英砂的质量浓度为05，流体出口速度1026M/S，喷口距离样品表面50MM，喷嘴出口直径为15MM。冲击角度为90、75、60和45。实验过程中，实验每进行两个小时就取下样品进行称重和表面形貌的拍照与分析。样品在称重和拍照之前，使用超声波清洗仪进行清洗。实验过程中使用的泵为FP增强聚丙烯耐腐蚀离心泵，其具体参数如表21所示。表21离心泵参数表TABLE21CENTRIFUGALPUMPPARAMETERS型号进口出口流量扬程转速吸程功率10240MM32MM125M3/H20M2900R/MIN65M15KW样品台架是放在有机玻璃罩内，实验所用的样品就放置在样品台架上，样品台架放置在有机玻璃罩内，样品台角度可以调节，如图21。两相射流管路装置如图22所示。图中1、有机玻璃罩；2、离心泵；3、电磁流量计；4、阀门；5、有机玻璃管；6、喷头。实验所用的样品是304/316不锈钢，直径为15MM，厚度为2MM。图21样品台架示意图FIG21SKETCHMAPOFSAMPLERACK图22冲蚀实验管路图FIG22EROSIONTESTPIPELINEDIAGRAM22实验材料实验过程中的固体颗粒是石英砂，实验样品是304/316不锈钢。石英砂物理性质如表22，石英砂初始粒径分布如图23，304/316不锈钢成分百分含量如表23，样品机械性能如表24。表22石英砂物理性质表TABLE22PHYSICALPROPERTIESOFQUARTZSAND分子式分子量含量粒度（目）不挥发物灼烧失重氯化物FESIO26008994060021500010002123445601011101010246810M图23石英砂原样粒径分析结果FIG23PARTICLESIZEANALYSISOFQUARTZSAND表23实验样品成分百分含量表TABLE23PERCENTAGEOFSAMPLECOMPOSITIONCSIMNNICRSPMOFE304003031610918400100368733160050414112176002002256681表24样品机械性能表TABLE24SAMPLEMECHANICALPROPERTIES屈服强度MPA抗拉强度MPA延伸率维氏硬度HV布氏硬度HB3045876164520018731655061942200187不锈钢按照金相组织结构的不同可以划分成奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体铁素体双相不锈钢和马氏体不锈钢几种类型。奥氏体不锈钢是指在常温下具有稳定的奥氏体组织的不锈钢。无磁性而且具有高韧性和塑性是奥氏体不锈钢的显著优点，但这种不锈钢强度较低，无法通过相变加以强化，仅能通过冷加工进行强化。由于奥氏体不锈钢具有良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛的应用。比如腐蚀性工业环境，海洋环境，外科手术器材，纸浆和造纸用设备热交换器和沿海区域管道等等。铁素体不锈钢是在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢，这类不锈钢具有体心立方晶体结构。铁素体不锈钢的突出优点是导热系数大，膨胀系数小，抗氧化性好和抗应力腐蚀性能好，但是这类钢也有很明显的缺点，铁素体不锈钢的塑性差、焊后塑性和耐蚀性明显不足。不锈钢的金相组织中若含有奥氏体和铁素体组织各约一半，此类钢被称为奥氏体铁素体双相不锈钢。该类钢兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点，还具备一些这两种不锈钢不具备的特点。奥氏体铁素体双相不锈钢塑性、韧性和耐晶间腐蚀性能和焊接性能比铁素体更高，且无室温脆性，其强度、耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀的能力与奥氏体不锈钢相比更高。双相不锈钢还具有优良的耐点蚀性能。马氏体不锈钢是一类可硬化的不锈钢。淬火后硬度较高，不同回火温度具有不同强韧性组合，主要用于蒸汽轮机叶片、餐具和外科手术器械。根据化学成分的差异，马氏体不锈钢可分为马氏体铬钢和马氏体铬镍钢两类。根据组织和强化机理的不同，还可分为马氏体不锈钢、马氏体和半奥氏体（或半马氏体）沉淀硬化不锈钢以及马氏体时效不锈钢等。304不锈钢是不锈钢中常见的一种材质，是一种通用性的不锈钢，是按照美国ASTM标准生产出来的不锈钢的一个牌号，密度为7930KG/M3。耐高温上限800，低温下限196。304不锈钢加工性能和可焊性好，韧性高，具有良好的耐腐蚀性、耐热性和低温强度，冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象。它广泛地用于制作要求良好综合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件，比如工业和家具装饰行业和食品医疗行业等。304不锈钢在某些特定情况下会出现被破坏的现象，主要有这几个因素的影响1氯离子，氯离子的广泛的存在于食盐、汗迹和海洋中。304不锈钢在氯离子存在的环境下腐蚀速率很快，甚至超过普通的低碳钢。所以304不锈钢不能应用在海洋环境中。2固溶处理，合金元素没有熔入基体，导致基体组织合金含量太低，抗腐蚀性能差。3晶间腐蚀，从金相学角度分析，因为304不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，这个膜隔离开氧气与304不锈钢内部，以起到防腐蚀的作用。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，304不锈钢CR含量必须在12以上。当304不锈钢用于需要焊接的场合，较低的碳含量使得在靠近焊缝的热影响区中所析出的碳化物减至最少，而碳化物的析出可能导致不锈钢在某些环境中产生晶间腐蚀（焊接侵蚀）。4冲蚀腐蚀协同作用。承上所述，304不锈钢含有铬而使表面形成很薄的铬膜，当固体颗粒冲击304不锈钢表面，将这层铬膜移除后，不锈钢内部的金相组织暴露在空气中，加上环境中的氧气和可能存在的氯离子等腐蚀因素，就加强了304不锈钢的破坏程度，最终造成材料失效。316不锈钢是含CR和NI均较高的奥氏体不锈钢它是在高铬不锈钢中添加适当的镍（镍的质量分数为825）而形成的，其密度为8030KG/M3具有奥氏体组织的不锈钢。316不锈钢因添加MO，使其耐蚀性和高温强度有较大的提高，耐高温可达到1200到1300，可在苛刻的条件下使用，是继304不锈钢之后第二种得到广泛应用的不锈钢种，主要应用于食品工业和外科手术器材，由于其良好的耐腐蚀性能，还可以应用在海洋和侵蚀性工业环境中。316不锈钢虽然属于耐酸耐碱材料，但是并不绝对，在强酸强碱或高温条件下还是能够对材料产生破坏，冲蚀磨损也会对材料产生破坏作用，两者协同作用会彼此加剧，加速材料的失效。表25为样品破坏原因列表。表25304/316不锈钢破坏原因表TABLE25REASONSOFDAMAGEOF304SSAND316SS名称304不锈钢316不锈钢破坏原因氯离子氯离子固溶处理冲蚀磨损破坏晶间腐蚀冲蚀腐蚀协同破坏冲蚀腐蚀协同破坏应用环境使用温度196至800耐高温1200至1300应用领域食品级不锈钢，耐大气腐蚀，板式换热器，化学，食品工业，农业，船舶部件（不直接接触海洋环境）腐蚀性工业环境，海洋环境，外科手术器材，纸浆和造纸用设备热交换器、沿海区域管道，阀体、阀座、螺母、阀杆23实验过程实验开始之前，先用砂纸打磨好样品边缘，去掉加工时留下的铁锈，然后部分样品使用超声波清洗仪清洗三分钟后，用电子天平称重，称重三次取平均值，记为样品的初始质量M0，电子天平精度为01MG。使用金相显微镜（500X）拍照并保存照片，用真空包装袋装好，最后用真空包装机将包装袋抽成真空保存备用，贴上标签，在标签上记录下样品原始信息，如牌号和初始质量等。另一部分样品打磨好以后浸入35WTNACL溶液中，浸泡时间为05小时、1小时和24小时等等，样品浸泡完成后，放入超声波清洗仪清洗七分钟，洗掉样品表面的钠离子和氯离子后，使用电子天平称重三次取平均值，最后用真空包装机将装好的样品抽真空保存，贴好标签，记录好样品原始信息，如牌号、初始质量和浸泡时长等，备用。至此样品准备完成。水循环系统中水量最大约为38L，实验需要石英砂190G。为保证冲蚀过程砂水混合均匀，需要等到离心泵运行开始后，再将石英砂倒入水中。系统运行开始的时候，记录电磁流量计的读数，每十分钟记录一次，用以确定整个过程中水的平均流速。实验每隔两个小时停止一次，取下样品并且称重拍照，记录样品的失重率和金相显微镜照片，每次称重之前，使用超声波清洗仪清洗七分钟，部分样品做SEM。实验过程中每隔一段时间会从管路内取一些石英砂做粒径分析并拍照。实验过程中水温会升高，最高温度为50，但是在这种温度条件下，对材料的磨损影响很小，可以忽略不计29。第3章液固两相射流冲蚀304/316不锈钢的实验研究在工业上，金属材料的冲蚀磨损是一种很广泛的现象。冲蚀磨损是指材料受到流体中小而松散的流动粒子冲击所造成的一种材料损耗现象或过程。影响不锈钢材料失重率的因素有很多，如冲击角度、速度、颗粒的浓度和尺寸以及作用时间等等。在这些因素的单独或共同作用下，金属材料的冲蚀行为机理也不相同。本章研究304不锈钢和316不锈钢在液固两相射流中的冲蚀磨损行为。主要通过样品的失重率、质量损失和表面形貌变化来分析冲击速度、冲击角度、两相流中颗粒浓度和颗粒尺寸等因素对冲蚀行为的影响。每隔两小时记录材料的质量损失，计算材料的失重率，通过扫描电镜SEM观察冲蚀前后304/316不锈钢的表面形貌变化和石英砂的颗粒尺寸变化，通过SEM图片分析不同冲击角度下样品的冲蚀坑洞的宽长比以及石英砂颗粒的宽长比，来分析冲蚀磨损的机理。31实验结果与分析311304/316不锈钢失重率和表面形貌表征本节通过测量并计算两种不锈钢样品在不同冲蚀时间下的失重率。观察不同冲蚀条件下获得的SEM图片，分析了不同冲击角度对样品冲蚀后表面形貌的影响。失重率定义为样品质量损失与原始样品质量之比3100/EM式中，E为失重率；M0为样品冲击前的质量，G；M为样品冲蚀后的质量，G。另外，冲蚀率也可以表示出样品失重的严重程度，冲蚀率计算如公式32320SE式中，E为冲蚀率；M0为样品质量损失，G；MS为固体颗粒消耗量，G。冲蚀率表示样品质量损失和造成该量损失所消耗的固体颗粒质量之比，失重率表示的是样品质量损失和样品初始质量之比。两者都可以表示样品磨损的严重程度。图31是316不锈钢在冲击速度为1026M/S、不同冲击角度下，质量浓度为05的沙水两相流体中冲蚀不同时间的失重率变化趋势图。从图上可以看出，316不锈钢在45条件下的失重率是最高的，而且增长比较快，45到60之间，其失重率下降的很快。90、75和60条件下的失重率相对比较小且增长比较慢，尤其是在75冲击下，失重率最小且增长最慢。从趋势上看，冲蚀结果比较符合已有的文献记载3032。材料延展性上升会影响其失重率，这是因为流体冲击角度函数出现了变化，而后，失重率最大值点将会向较小的角度移动。根据已有文献的记载，316不锈钢的冲蚀率在40到50之间达到最大33。316不锈钢在45冲击作用下失重率是在75下的4倍。这可能是由于不锈钢的特性所造成的，316不锈钢有一种微观特性，即面心立方格子结构，其滑移面角度大约介于40到45之间34。这可能就是导致材料在45左右时更容易被移除的原因之一。还有一种可能，就是冲击角在45左右时，几乎所有的颗粒都到达了材料表面，颗粒的回弹和相互碰撞的现象不是非常明显35、36。90冲击角下冲击18个小时之后，样品的质量损失趋于平缓，几乎不再发生变化。75冲击下样品的质量损失最小，而且其变化最缓慢。但是冲击24小时后，样品的质量损失仍然在增加，没有出现失重量几乎不变的现象。60冲击下，样品的质量损失介于90和75之间，在冲蚀24小时后，失重量依然呈现上升趋势。该实验结果可能和磨损机理以及金属材料的属性有关。在90冲击下，颗粒完全正碰在材料表面，当颗粒和壁面呈现一定角度的时候，颗粒会对壁面产生犁削作用，从而产生切向应力。不锈钢的冲蚀作用是由两部分作用造成的，流体的剪切应力和固体颗粒的机械应力。所以切应力和正应力之间存在一种相互关系，这种关系可以影响材料的失重量。在高角度条件下，正应力占据支配地位，随着角度的降低，切应力会逐渐占据支配地位。通常来说，犁削作用可能对样品的冲蚀磨损产生更大的影响，但在大角度冲击下犁削作用对样品失重的影响比较弱。由于SEM所拍摄的冲击样品角度均较大，因此当在60冲击角下，正应力明显减小时，对材料表面的冲蚀变弱，导致样品的质量损失减小。然而，只要冲击角度小于90，就存在一定的犁削作用，液固两相流中较小的颗粒也能够造成材料表面的磨损，因此在小于90冲击时，需要更长的时间样品的质量损失才能逐渐趋缓，并基本保持不变。不同角度下316不锈钢失重率随时间的变化趋势如图31所示。02468102146182024604608102140618907564/G/H图31不同角度冲击下316不锈钢失重率随时间的变化趋势FIG31THECHANGEOFWEIGHTLOSSRATEOF316STAINLESSSTEELATDIFFERENTIMPACTANGLES图32中各图是冲蚀过后316不锈钢的SEM照片。三张照片中所显示的样品冲蚀形貌各不相同。90下冲蚀形貌像是坑洞；75下冲蚀形貌类似划痕，60下划痕比75更加明显。造成不同表面磨损形貌的原因就在于冲蚀角度不同所造成的磨损机理不同。法向冲击之后的样品表面会产生洞穴式损伤，斜角冲击之后的样品表面产生是划痕。而且从照片看，角度越高，坑洞的密度相对越小。不同冲击角下的样品照片，冲蚀形貌有着很明显的区别。冲击角60及以上时，样品表面划痕很少或没有。这就表明了不同的冲击角度有着不同的磨损机理。冲蚀机理包括两种，剪切冲蚀机理和塑性形变。冲击角度高的时候会产生塑性形变，冲击角度低的时候会产生剪切37。90冲击后的样品照片上显示，这是个很典型的撞击坑。这种撞击坑是石英砂颗粒冲击表面时移除部分表面材料所导致的。这种剪切机理被描述为颗粒把样品表面打磨成有缺口的形状，然后让后来到达样品表面的尖锐颗粒撞击壁面，将壁面材料移除，形成坑洞38。75冲击后样品照片形貌是不太明显的划痕。这种痕迹的产生是由于颗粒出现了切向作用力，但是相比于法相作用力还是比较小，所以划痕并不明显。60冲击后的样品照片中显示，此时的样品划痕就比较明显了。高角度下的晶粒被破坏后的形貌，像是被打碎一样，冲蚀形貌呈现出一个个坑洞，但是60下晶粒被破坏后的形貌，则更像是被打磨过。这是由于此时颗粒对样品壁面的切向作用力进一步加大的原因所导致。样品的失重率只能表示样品失重的相对比率，样品质量损失的绝对值可以直观的表示样品表面冲蚀磨损后损失的严重程度。A316不锈钢90冲击4小时SEM照片B316不锈钢75冲击4小时SEM照片326M302M304M186M148M10M86M221MC316不锈钢60冲击4小时SEM照片图32不同角度下316不锈钢冲蚀SEM图片FIG32316STAINLESSSTEEL4HOURS60IMPACTSEMPHOTOGRAPH图33是316不锈钢在不同角度下的质量损失。从图35上可以看出样品的质量损失虽然有所起伏，但是总的趋势却是持续走低，而且随着时间的推移，样品的质量损失下降的也比较明显。其中在冲击角度为45的情况下，质量损失初始值很高，下降的也最快，75的条件下初始质量损失最低，变化也相对不太明显。这是由于冲击角不同，颗粒对样品表面的破坏机理也不一样所导致的。024681021461820246012034056078907564/G/H图33不同冲击角度下316不锈钢质量损失随时间的变化FIG33LOSSOFWEIGHTOF316STAINLESSSTEELATDIFFERENTIMPACTANGLES图34是316不锈钢在24小时内，不同冲击角度下质量损失的累计值。可以看出75条件下质量损失最低，45条件下质量损失最高，是75下质量损失的约4倍，和失重率数据基本一致。样品质量损失图和样品失重率图共同说明了在冲击角度为75时样品的所受到的冲蚀磨损程度最浅，而45条件下样品收到的冲蚀磨损最严重。可以说明相同条件下，纯颗粒正碰作用带给样品的伤害要小于犁削作用，两者在大冲击角作用下，以正碰为主导，在小冲击角作用下，以犁削作用为主导。而随着犁削作用逐步占据主导，样品的质量损失和失重率越来越大。00102030405/G45607590图34不同角度冲击24H后316不锈钢质量损失FIG34WEIGHTLOSSOF316STAINLESSSTEELATDIFFERENTIMPACTANGLESAFTER24HOURSIMPACT304不锈钢失重率如图35所示，从图35可以看出，304不锈钢的失重率在冲击角度60的条件下达到最大。经过24小时冲击后，304不锈钢在60冲击角度下的失重率是75下的失重率的6倍。45和60冲击角条件下，304不锈钢失重率远高于90冲击角，其中60条件下失重率最高，而且失重率一直在上升，没有出现趋缓的迹象。024681021461820246050101502025907564/G/H图35不同角度下304不锈钢失重率随时间的变化FIG35THECHANGEOFWEIGHTLOSSRATEOF304STAINLESSSTEELATDIFFERENTANGLESWITHTIME图36是不同角度下304不锈钢质量损失随时间的变化趋势。和316不锈钢一样，随着时间的推移质量损失总体上逐渐变小。45冲击角下质量损失变化比较剧烈，90冲击角下质量损失变化平缓。024681021461820246012034056078907564/G/H图36不同角度下304不锈钢质量损失随时间的变化FIG36CHANGEOFWEIGHTLOSSOF304STAINLESSSTEELATDIFFERENTANGLESWITHTIME图37中两幅图分别是在90和45下316不锈钢和304不锈钢失重率随时间的变化趋势图。从图中可以看出，冲击角度为45时，304不锈钢和316不锈钢的失重率相差不大。冲击角度为90时，316不锈钢失重率是304不锈钢的2倍，这是由于冲击角度不同造成的材料磨损机理不同所导致的。在45冲击的条件下，颗粒对壁面产生了犁削作用；90冲击的条件下磨损机理发生了改变，颗粒对壁面产生正碰。由于316不锈钢样品中铬元素的含量比304不锈钢样品少08的原因，虽然样品的硬度相同，但是耐磨性能却有所差别39。耐磨性是指抵抗摩擦作用的能力，影响这种能力的因素有很多，钢的成分、组织和物理性能如硬度和韧性等40。当颗粒和壁面发生正碰时，提高材料硬度对样品耐磨性的提升不明显，当颗粒和壁面发生切入式磨损时，提高材料硬度可以比较明显的提高材料的耐磨性能41。在45冲击下304不锈钢的失重率高于316不锈钢，是因为在两者硬度相同的条件下，316不锈钢中的铬含量较高，冲击韧性提高，耐磨性也随之提高42；经过24小时冲击后，316不锈钢在45冲击角度下的失重率比90下的失重率高出8506。0246810214618202460460810214061830416G/HA45冲击角024681021461820246020406080130416/G/HB90冲击角图37相同角度下316/304不锈钢失重率随时间的变化FIG37THEWEIGHTLOSSRATEOF316/304STAINLESSSTEELWITHTIMEUNDERTHESAMEANGLE图38是颗粒碰撞壁面的示意图，从图38可以看出，颗粒和壁面呈现一定角度的条件下，其速度可以分为法向速度和切向速度。当颗粒和壁面垂直的时候，就只有法向速度。当速度相同的时候，垂直冲击的法向速度就高于斜角冲击，而斜角冲击的切向速度要高于垂直冲击。所以不同冲击角度下，失重率的不同可能是由于这个原因所导