不同含沙量不同流速时材料的磨蚀失效特性.docx

1、表1试验用材料的化学成分及机械性能材章跳CSiMnCrNiMo<Ti>!Crl8Ni9Ti0.0120.0191.0018.18.61(0.47)ZG0Crl6Ni5Mo0.050.50.4515.05.00.6ZGCr-Mn-N材能f"MPa)4(MPa)点）HB!Crl8Ni9Ti3186134956183ZG0Crl6Ni5Mo70085017.560100274ZGCrMn-N916138013.52484.7370注：lCrl8N（9T：系威海钢厂悖材评.ZGOCrl6Ni5Mo由沈町祷造研究所提供'ZGCr-Nn-N由燕山大学提供,一、试验结果本次序试

2、验其分六组进行，每种材料、每个流速均由两个试件参与试验，磨蚀失重最取其平均值。1. 试验材料的磨蚀失效形貌观测表明，材料的磨蚀形貌宏观上为深深的凹槽状磨蚀沟和鱼鳞样波纹组成。进一步观测发现鱼鳞状波纹的出现与流速和含沙量有关在低含沙量时，只有当V>25m/s时才出现，当含沙量S>22kg/m，后，整个试验流速范围内的试件均有鱼鳞状波纹的分布。显微观测表明，在试件的磨蚀面E.散布着典型的气蚀冲击凹坑、麻点。实测凹坑麻点,具有0-1-U.5mm的尺度。显微观测还发现，在宏观上看似光滑的凹槽状磨蚀沟内,有着明显的泥沙划擦磨损迹线.实测划痕线宽一般为0.01-0.03mm,长短不齐.但均顺流

3、向发展，有的划痕线一端具有较清晰的泥沙“射入”时的点状凹坑，还观测到“嵌入”材料内的冲击泥沙颗粒。上述现象说明，本次试验为典型的磨损气蚀联合作用，材料的损坏形貌特征和现场水轮机的损坏完全-致。气蚀使材料表面粗糙、产生麻点，泥沙的磨损又将粗糙的表面“磨平”，如此反复作用，造成了材料的磨蚀损坏。停机观测到的试件上的气蚀凹坑和麻点，可能是在停机瞬间由气蚀作用留下的标记.而长短不一的磨擦划痕及“嵌入”材料表面的泥沙颗粒，则是泥沙磨损的有力证据。2. 试验材料的磨损失重量及磨蚀失重率图1、图2为本次试验的典型曲线.图中横坐标为试验时间，以小时计，纵坐标分别为材料的磨蚀失重量（以mg计，或磨蚀失重率（单位

4、为mg/min）.图中的六条曲线.自下而上分别代表了前述六个流速。3. 三种材料磨蚀特性比校不同含沙fit不同流速时材料的磨蚀失敏特性不同含沙fit不同流速时材料的磨蚀失敏特性8)对三种材料进行相对比校可以看出，其磨蚀失重比在某-含沙量下，无论流速如何变化，这一比值基本不变，说明起控制作用的是含沙量表2、表3,表4为部分结果，<1)试验条件?S=9.7kg/m4i=32.6/m；龙=2943.8r/min；p=0.102MPa；T=20.Oh试验材料：1Crl8Ni9Ti和ZGOC'rl6Ni5Mo表2!Crl8Ni9Ti和ZG(K'rl6NiSMo的磨蚀比试胎日斯马成&

5、#39;、流时20m/s25m/s3Hm/s33m/s37m/s40m/s93.142.Oh1.641.401.251.611.46I.4955.0hl.jn1.261.151.291-281.2367.Oh1.511.261.181.341.311.3179.Oh1.46J.271.181.361.321.36S11.Oh1.42.231.161.291.291.30914.Oh1.41l.?41.181.291.321.371117.Oh1.391.211.171.231.261.281220.Oh1.1.241.201.2?1.251.2912试验条件:5=21-8<21-2)kg

6、/m,；32.9(30.6也m；"=2937(2938)r/min；/>=0.102MPa；T=20.Oh.32水力发电学报试验材料：ICr18Ni9Ti.ZGGCr16Ni5Mo和ZGr-Mn-N三种材料的磨蚀重量比实测如表3、表4所示。表3K?rl8M9Ti、ZG0Crl6NiMo的磨蚀重量比试验F1期磨性''、流速时2fm/s3Um/j»33m/s37m/s4umz93.11.252.Hh1.251231.2G1.281.201.31305.Oh1.101131.14:1.211.161.2012.1S.Oh1.1510L191.171.1&am

7、p;1.2611."h1.131121.201.221.191.27311.Oh1.1611.221.161.15L2S417.Oh1.131141.171.221.161.2fi520.OhL151：51.201.2u1.161.25表4lCr!8Ni9Tl和ZGOCr-Mn-N的磨蚀尤量比试验日堀磨F'流2Cm/s25m3Cm/s33mXs37tn/s40m/s92.12.142.Oh2.U1.85l.yL851.671.63155.Oh】.时1.7b1.661.611.421.3617A.rh1.851M1.7<i1.671.561.4919】1.0h1.X11.

8、731.691.661.491.442814.<ih1.821.781.7"1.651.411.412917.Oh1.Ro).791.751.631.391.423D20.1.831.791.741.661.461.444. 泥沙级配及中值粒径的变化由于试验中严密地监测和及时更换泥沙.故保证了在整个试验过程中泥沙级配的基本不变，对每组试验泥沙的实测值示于图3。由图看出，在整个试验过程中.泥沙级配变化甚微其中值粒径最大为33.顷m,最小*30.6pm,差7.5*。平均粒径变化最大茬值为8.2%。可以认为,本次试盼基本是在同一级配泥沙下进行的粒径对试验结果的影响可忽略不计。统一-粒

9、径可取平均值为其代表，即d>=S2.2/znio,三、试骏结果分析由图1一图2可以看出,所有试验材料的磨蚀失重均随流速的增大而增大，随含沙不同苫沙缺下同流建时村容的磨蚀失效检性不同苫沙缺下同流建时村容的磨蚀失效检性830.01二，SQZ二3x2、0.050(U0.1)3o.020.005n.003<31(11图3试胎泥沙级配前线量的增加而加重，随试验时间的延续而增加：2. 图1、图2表明.材料的磨失重量与时间的关系基本上成正比.其方次变化为U.9-1.067.于1次方。这和有美文献报道的结论是一致的二七材料的磨蚀失重率不随时间的变化而变化°至于V37m/s.T>5.

10、Oh时曲线呈上升趋势.观测发现，是由于试件在高流速时.随试验时间延长（大干5.0小时），有非试验面遭受磨蚀损坏所致.其磨蚀失重率当以T<5.Oh计算°在一定的含沙量和一定的流速时材料的磨蚀失重率为一常数的试验结果,无论对试验本号还是现场对材料磨蚀损坏的计算.都有者重要的参考价值，作为室内试验.它可以大大缩短试验周期.对于现场.它可以通过一定时间的一伙测定而推算出材料在未来的磨蚀失重最，当然.这一结果应该再通过大量的试验亍以证实。3. 磨蚀失重量与流速的关系图示表明，材料的磨迎失重量及磨蚀失重率随流速的增大呈幕函数增加.其方次变化为2.G-3.5次方。这一结果与有关文献dw：的分

11、析相一致,一股认为,单纯的气蚀损坏与流速呈6-14次方关系单纯的泥沙磨损与流速呈23次方关系，嘴损和气蚀联合作用时.其方次在？一G之间。尽管在磨蚀作用下材料的失重量和失重率与流速的方次并不太高.但其严重程度却是单纯的泥沙磨损和单纯的气蚀所不能相比的。文献2的试验认为是1«14：16,而本次试验的结果.要比这一比值大得多（见后）：对于材料的磨蚀来讲.是否存在一1、'临界流速”的问题文献2试验发现当流速大于2Dm/s时磨蚀加剧.本次试验的结果是：当流速大于25m/s后.磨蚀量增大.这一变化与含沙量无关<4. 磨蚀失重量与流体中泥沙含量的关系众多的研究3心都认为.流体中的泥沙

12、对磨蚀损坏有促进和,抑制”作用.文献提供了众多试验的“监界含沙鱼.值，其范围为S=2.Okg/m，一128kg/m笔者参加的试验。.当S=。一8kgm时.泥沙促进磨迎,S=8-40kg/m时磨蚀最为严重.S=40一170kg/时磨蚀明显减轻,泥沙起“抑制”作用,5>170kg/zn磨蚀损坏甚至轻于单纯气蚀损坏°这一结论是用黄铜在磁致伸缩仪上试验取得的。本次在转盘上试验.在试验的含沙量范围(S=10-10nkg/n?)内.三种材料的磨蚀失重量与含沙量大体是呈正比关系，单因素回归显示，其方次变化为0.9541.139。说明在此含沙量段内.材料的磨浊一直受泥沙的“促进"损坏

13、.未发现突变点.根据文献5的资料也许这一“临界含沙量”要大于S=lOOkg/m1才会出现°5. 磨蚀损坏与单纯气蚀损坏比较单纯磨损、单纯气蚀对材料的损坏已有大量的试验结果.气蚀和磨损联合作用的试验甚少,仅在文献'心户)中见到.且结论不一。一股报道磨蚀损坏量是单纯磨损或气蚀损坏的十几倍至数十倍,而在本装置上试验的结果要大得多,如表5所示。«5三种材料的气蚀和磨蚀损坏材料名称纯气蚀损坏磨蚀损耳(mg)比值(磨蚀失柬5T气蚀笑重最)10rl8Xj9Ti87.7326537ZG，Cr16Ni5M。19.22610136ZGr-Mn-N4.72266482汪，：魏弋蚀试验条件

14、：了=45皿办，T-24小时磨蚀试验条件.V=40rn/>,S21.18kg.-mT=»20小时由表可以看出.尽管气蚀试验时的流速高于磨蚀试验，且时间也长，但磨蚀损坏的失重量仍为气蚀的几十倍至数百倍。同时,由单纯气蚀看,三种材料的抗气蚀能力差别甚大，其失重比为：88:19:5,相差47倍，而在磨蚀工况下.仪相差1.2-1.4倍，说明在磨蚀作用时，三种不锈钢的抗磨蚀能力相差不大。另外，由试验结果也可以看到,抗气蚀性能好的材料抗磨蚀性能也好,其优劣顺序是一致的。6. 三种材料抗磨蚀性能的定量比较山表2、表3可以看到,随着含沙址及试验时段的不同,三种材料抗磨蚀能力也不尽相同，其平均相

15、对比值列于表6。表6三种射料的相对抗磨蚀能力材料名称S=9.TOkg/m5S=21.18kg/xn'S=40,94kg/ni'S=99.40kg/m:iCrlfiNi9Ti1.001.001.001.00ZGOCrl6Ni5Mo1.311.181.141.20ZGCr-Mn-N1.661.66表5说明.在本次试验条件下.ZG0Crl6Ni5Mo的抗磨蚀能力较lCrl8Ni9Ti提高约14蜡一30%,ZGCr-Mn-N校lCrl8Ni9Ti提高约66%,这一结果，与笔者在三门峡电站2号机叶片上所做现场试验的结果是一致的，7. 三种材料磨蚀失效的数学模型磨蚀失重量与流速、含沙量、时

16、间的关系如下：不同含沙虽不同流速时材料的麝蚀失馈特性85W,=AS"T式中：为磨蚀失重量，kg/mA为与材料性能、泥沙特性、介质温度、试件面积等有关的系数；V为含沙流体的相对速度.m/sE为速度方次；S为含沙流体的含沙量,kg/m成为含沙量方次；丁为磨蚀时间，hM为时间方次。二种试验材料磨蚀失效数学模型的系数、方次列于表7。«7材料磨蚀失重敷学模型的系败、方次材料名称Amnk!Crl8N>9TiI,595、IO-43.06b1.0010.933ZGOCrI6Ni5Mo7.992X10-*3.U9I1.000表7显示，在本次试验条件下.磨蚀失重量与流速约呈3次方关系.与

17、含沙所及时间约呈1次方关系，因材料不同其系数肓一定差异。文献：3在冲击装置上试验,不仅系数不同,且流速的方次亦随含沙量的不同而变化，其范围为4-9.5次方,这一现象在本次试验中没有出现。四、小结在本试验条件下.可得到如下认识：1-iCr18Ni9TiZGOCr16Ni5Mo.ZGCr-Mn-N三种材料,其磨蚀失重与流速约呈3次方.与含沙量及时间约呈1次方变化。2. 当流速大于25m/s时.材料磨蚀量加剧。3. 材料的磨蚀失重率在流速与含沙最均一定时为-常数，4. ZGCr-Mn-N的抗磨蚀能力为lCr!8Ni9Ti的I.6倍ZGOCr16Ni5Mo的抗磨蚀能力为lCrl8Ni9Ti的b141.

18、31倍，5. 材料的磨蚀失效比单纯气蚀失效约大数十倍至数百倍。参考文献1何筱奎.两种气蚀试验设备的试酸结果,水机磨蚀,1986年第1期。：2丁贤文.多沙河流水轮机出水边相对流速与腾蚀关系的探讨.水机磨蚀，1988年1月：3C.n.科兹列失，刘燕生、褚德珊译气蚀与水力磨损，长春科技书刊发行中心,1987年12月°4何筱奎,含沙空化流场中材料的损坏特性，水机磨蚀，1990年，5程则久.我国水机磨蚀机理研究新动态及减轻睛蚀损坏的肓效途径.水机磨蚀，1990年。AbrasionFailureofMaterialunderDifferentSandContentsandFlowVelocitiesHeXiaokuiWaterResourcesResearchInstitute«YelltnvRiverWaterResourcesCommitteeZhengzhou450003)AbstractAnexperimentalresearchofabrasionfailurecharacteristicswa&undertakenontheNCAspinningcavitationdevicewiththreekindsofmaterials,using