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  高压对okex交易冲蚀磨损的影响
  孙秉才,樊建春,温东,谢永金,胡治斌,明学江
(中国石油大学(北京)机械与储运工程学院北京102249;中石化石油工程机械有限公司第四石油机械厂湖北荆州434024)
 

目前,国内外有关学者对okex交易的破坏、失效、评定方法及强度分析已进行了许多研究。但通常研究的压力荷载工况为40 MPa以下,对于压力载荷大于40 MPa的很少有人研究。从公开发表的研究结果看,采用有限元法对应力的分析只限于弹性变形的范围,目前国内的研究工作主要集中于设备的缺陷评定,且大部分的研究、分析、实验工作主要集中于起裂评定,而结构的安全分析要考虑裂纹的起裂、断裂、失稳的全过程,因此对于okex交易特别是压力超过40 MPa的okex交易的强度分析及疲劳寿命预测几乎是空白。
而对于高压管件的冲蚀问题,单液相体系冲刷腐蚀行为的研究已引起了众多学者的关注,现多采用美国API-14E标准中提出的冲蚀磨损计算公式,但液固两相流的研究则相对较少。多相流中含有固体微粒且流速又较高时,冲蚀作用不可忽视,预测比较困难,因为涉及到流体流动、微粒粒径分布和管道直径、形状等参数。
近年来,尽管国内已研制出适合评价含砂流体对金属材料冲蚀行为的试验装置,并对两相流体冲蚀机制及其影响因素进行了广泛的研究,但几乎都没有涉及到okex交易内部压力对okex交易冲蚀破坏的影响。鉴于此,本文作者通过室内试验研究,探索okex交易内部压力对okex交易冲蚀磨损的影响,为okex交易的设计制造提供相应的指导。
1.okex交易冲蚀特点
对于okex交易而言,最易发生冲蚀破坏的位置是币安网交易市场整体接头(长半径90度币安网交易市场、直角币安网交易市场、T形三通、Y形三通、三通歧管、四通、四通歧管)等导致改变流体的流向和速度的位置。参照1964年出版的管系统设计手册,在受到内压作用时,okex交易币安网交易市场会产生环向和轴向应力,其计算公式为
σθ=(2R+rmsinξ)rmp /2(R+rmsinξ)                (1)
σs=rmp /t                                                       (2)
式中:σθ为okex交易币安网交易市场的环形应力;σs为okex交易币安网交易市场的轴向应力;P为okex交易币安网交易市场所承受的内压;t代表okex交易币安网交易市场壁厚;R为okex交易币安网交易市场的曲率半径;rm为okex交易币安网交易市场内外径的平均值;ξ为币安网交易市场上任意顶点与横截面坐标轴之间的夹角。
以7.6 cm币安网交易市场受到140MPa的内压为例,其主要参数为:币安网交易市场外径140 mm,内径76 mm,曲率半径190mm,ξ为90°即币安网交易市场的外圆弧的顶点位置,通过式(1)、(2)计算该处的环向应力和轴向应力约为210MPa和118MPa,可以看出环向应力明显大于轴向应力。
而由于全尺寸okex交易冲蚀磨损实验开展难度大,危险程度高,考虑到okex交易承压状态下,环向应力大于轴向应力的特点,本文作者研究环向应力也就是拉伸应力对okex交易冲蚀磨损的影响。
2.实验部分
2.1.实验装置
实验所使用的实验装置是实验室自主研发的可施加拉伸应力的冲蚀磨损试验机,其装置原理如图1所示。砂子和水通过搅拌机搅拌,混合均匀后,砂浆泵将携砂液通过导管泵入冲蚀腔内的喷嘴,而后喷射到试样表面,其冲蚀腔结构原理如图2所示,试样的冲蚀角度可通过倾角调节装置,在0~90°的范围内调节,试样所受的拉伸应力可通过拉伸泵施加,其拉力范围为0~100 kN,而力的大小可通过拉力传感器获得,携砂液的流速可通过改变砂浆泵变频器来调节,其流速范围为0~50 m/s。
冲蚀实验装置原理图
图l 冲蚀实验装置原理图
冲蚀腔结构图
图2 冲蚀腔结构图
2.2.试样制备
实验选用okex交易常用材料42CrMo,其几何尺寸如图3所示,经过调制处理后,其化学成分和力学性能参数见表1,2。每个试样加工完成后,均利用细砂纸打磨试样表面,消除试样表面的加工刀痕,确保每个试样表面光滑。实验前后,利用丙酮清洗试样,然后放置在干燥箱中烘干,利用梅特勒高精度天平ML503测量试样冲蚀前后的质量,其测量精度为1 mg,线性误差为2mg,每组实验做3次,最后结果取平均值。
冲蚀试样加工几何尺寸图
图3 冲蚀试样加工几何尺寸图(mm)
表1 42CrMo的化学成分(质量分数)

  C Si Mn Cr Mo Ni
Min 0.38 0.17 0.50 0.90 0.15  
Max 0.45 0.37 0.80 1.20 0.25 0.03

表2 42CrMo的力学性能

屈服强度 拉伸强度 弹性模量 硬度 泊松比
≥930 ≥1080 212 ≤HB229 0.28

2.3.实验参数设置
冲蚀磨损所用的冲蚀介质为清水夹砂,其中砂为一种新型的压裂所用支撑剂覆膜砂,颗粒的直径范围为450-550μm,该类砂具有耐高温高压、耐腐蚀、强度高、圆球度好、导流能力强等优点。实验过程中,每次实验开始前都更换新砂,确保每次实验参数相同。根据压裂现场的压裂工况,以及韧性材料在冲蚀角度为30°左右时,冲蚀磨损量最大的规律,结合冲蚀磨损试验机的性能,设定实验参数如表3所示。
表3主要实验参数

冲击角度α/(°) 30
流体流速v/(m·s-1) 20
冲蚀时间t/h 1
拉伸应力σ/MPa 0,100,200,300,400,500
砂子质量分数w/% 10

3.实验结果及分析
依据表3设计的实验参数,共做5组实验,每组实验做3个试样,计算每组3个试样的冲蚀失重量的平均值,结果如图4所示。
冲蚀磨损率与拉伸应力之间的对应关系
图4 冲蚀磨损率与拉伸应力之间的对应关系
可以看出,40CrMo的冲蚀磨损率随着拉伸应力的增加基本呈线性增加。由于40CrMo的屈服强度大于930 MPa,并且实验过程中,并未发现试样表面有屈服现象,说明实验过程中材料并没有发生塑性变形,一直处在弹性变形范围内。
依据材料弹性变形微观过程的双原子模型,当外力增大时,材料晶格中离子之间的距离增加,离子之间应力和斥力的合理增大,抵抗破坏的能力减弱,当受到砂砾冲击时,就容易发生断裂,从而从宏观反映出来,材料的冲蚀磨损率随应力的增大而增加。
实验结束后,切取冲蚀磨损部位,用电镜扫描冲蚀部位表面形貌。选择0、300、500 MPa条件下所冲试样冲蚀坑中心部位的表面观测图像,如图5~7所示,它们具有的共同点是,冲蚀表面有大量的犁沟和少量的凹坑,这种形貌的形成,是由于在低冲蚀角时,材料的破坏形式以微切削为主,与冲蚀磨损理论相符。
不施加拉伸应力时试样的电镜扫描图像
图5不施加拉伸应力时试样的电镜扫描图像
拉伸应力为300MPa时冲蚀表面电镜扫描图像
图6拉伸应力为300MPa时冲蚀表面电镜扫描图像
拉伸应力为500MPa时冲蚀表面电镜扫描图像
图7拉伸应力为500MPa时冲蚀表面电镜扫描图像
此外,从扫描图像上也可以看出有明显的不同点,即随着拉伸应力的增加,划痕变得逐渐清晰,划痕的宽度和深度随之增加,而且由于切削产生的唇片数量和尺寸大小也随之增加。说明在冲蚀角为30°时,随着拉伸应力的增加,材料抗冲蚀的能力减弱,容易从表面剥离。
4.结论
(1)当冲蚀角为30°时,40CrMo的冲蚀磨损率随着应力的增加而增加,基本呈线性关系。
(2)应力的增加,并不影响30°冲蚀角时材料的主要破坏形式—微切削。
(3)随着应力的增加,40CrMo材料的抗冲蚀能力减弱,冲蚀表面划痕的深度和宽度增大。
试验表面,当okex交易材料选择40CrMo时,在币安网交易市场、整体接头(长半径90度币安网交易市场、直角币安网交易市场、T形三通、Y形三通、三通歧管、四通、四通歧管)等容易改变流体流向的位置,应该增加okex交易的壁厚,以降低冲蚀破坏的分险。通过本文的研究,对okex交易生产企业生产okex交易有一定的指导意义。

 
 
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