旋转式冲蚀磨损试验装置的研制

旋转式冲蚀磨损试验装置的研制

0国内外冲蚀磨损性能试验研究液体固两相流的侵蚀是由液体介质输送的固体表面引起的材料的微观损坏和质量损失。它广泛存在于自然界和工业生产中。在典型的机、轮、煤化和气化学中，最常用的设备是驱动泵、管道、密封等。准确预测各类设备发生冲蚀磨损的分布规律和失效寿命一直是设计可靠性和生产安全性关注的焦点,非常有必要深入开展液固两相流环境中材料的冲蚀磨损性能及破坏机理研究,并促使针对不同研究问题的试验设备得到发展。按结构形式分,国内外常见的液固两相流冲蚀磨损试验装置主要有三种:管流式、喷射式、旋转式[9,10,11,12,13,14,15]。管流式试验装置能较好地模拟管道冲蚀的实际工况,但占据空间大、费用高、试验周期长且泵阀易泄漏。喷射式试验装置的试验周期短,浆体速度易控制,但不能同时测试多个试样,铺展效应导致的实际冲角误差大。旋转式试验装置是目前研究液固两相流冲蚀磨损常用的一种装置,它除了具有设备成本低、操作方便、冲击速度易调等优点外,还由于试样完全浸没于流动区域内而减小了铺展效应对实际冲角的影响,但低转速高浓度时料浆浓度不均匀是不可忽视的缺点。本文结合旋转式冲蚀磨损试验装置的特点进行了改进设计,主要有:①采用导流槽和搅拌叶片以实现不同冲击速度下浆体浓度的均匀分布;②试样沿旋转圆盘均布设计,实现0°～90°冲角下多个试样的同时测试;③采用变频电机无极调速,冲击速度可在0～28.5m/s范围内连续稳定调节。进而对该装置进行了数据稳定性测试,试验研究了低碳钢的冲蚀磨损规律并与经典结论进行了对比。1试验设备的结构和组成图1为旋转式液固两相流冲蚀磨损试验装置示意图。该试验装置主要包括转速调节系统、旋转轮盘组件、料浆罐体等。1.1abp132s4aa构成转速调节系统主要由变频器(ACS550-01-015A-4)和变频电机(QABP132S4A)构成。通过变频器对电机在0～1450r/min范围内进行无级调速(精度为额定转速的0.1%)以实现浆体对试样冲击速度的控制,并可设定电机的运行时间与旋转方向,在线显示电机的转速,以达到试验过程自动控制的目的。1.2盘片目圆孔的确定旋转轮盘组件(图2)是该装置的核心部分,主要包括转盘、搅拌叶片、试样等。利用转盘上均布的4个圆孔和孔内的搅拌叶片(与转盘底面成15°角)来确保浆体浓度的均匀。在转盘边缘开设8个沿径向中心线的安装槽以便同时测试多个不同α角试样,确保试验条件的一致性,提高试验效率。冲击角度(简称冲角)θ定义为浆体流动方向与试样被冲蚀面之间的夹角(图3),通过制作不同α角试样实现冲角θ的变化。1.3罐底流转为轴向流,以水冷却套料浆罐体主要由料浆罐和导流槽组成,其功能是承载浆体。通过搅拌叶片和固定在料浆罐底的导流槽,可将罐底的环向流转为轴向流,以确保低转速、高浓度浆体中固体颗粒的均匀分布;高冲击速度的浆体会与容器壁面、试样摩擦而产生大量的热,因此对料浆罐底和侧壁包以水冷却套以保证试验条件的稳定;固定支架底部外倾设计保证了高冲击速度下试验装置的稳定运行,平台高度设计兼顾了试样和料浆装卸的便捷性。2测试方法2.1不同角试样根据试验要求选用相应的试样材料,将其加工成统一规格:30mm×20mm×10mm,再制作成不同α角试样。试验前试样磨面用1000号砂纸抛光。2.2冲击速度的定义浆体在搅拌叶片的作用下,除了做圆周运动外,还会沿搅拌轴做轴向运动,但考虑到浆体沿轴向的速度相对其切向速度很小,且其方向与试样磨面接近0°,因此忽略轴向速度的影响,冲击速度v定义为v=πnD60v=πnD60(1)式中,n为电机转速,r/min;D为回转直径(图2),m,定义为转盘直径与单个试样伸出长度之和。冲击速度v是试样伸出长度方向上的速度平均值,利用变频电机实现其在0～28.5m/s范围内连续稳定调节,冲击速度与试样沿径向长度方向上最大或最小线速度误差均小于2.6%。2.3固体颗粒浓度的测定试验用浆体由固体颗粒和液体介质直接混合而成,固体颗粒的浓度用质量百分比浓度C表示,定义为C=m/M(2)式中,m为磨料质量,g;M为浆体质量,g。2.4测定最小存气试验量为保证试验的准确性,试验前将制作好的试样用精度为0.1mg的电子分析天平(上海上平,FA1004)称重5次取平均值;达到设定的试验时间后,试样清洗晾干再称重5次取平均值。试验前后试样称重差值即为冲蚀磨损失重。2.5冲蚀磨损率测定为对材料磨损特性进行定量描述,将冲蚀磨损率定义为E=ΔmAtE=ΔmAt(3)式中,E为冲蚀磨损率,g/(min·m2);Δm为试样磨损前后失重,g;A为试样磨面面积,m2;t为磨损时间,min。利用日本电子株式会社(JEOL)制造的JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)观察材料表面的冲蚀磨损形貌。3结果与讨论3.1试验结果的重现性为确定试验装置试验数据的稳定性和可靠性,在保证所有试验条件不变(SiO2粒径d=100μm,C=0.3,t=30min,v=21.2m/s)的情况下,对4种冲角下的Q235A钢试样分别进行了6次重复试验,其数据重现性结果见表1,然后用方差公式分析观察数据的波动性,其表达式为ω=σ/ῶ(4)σ=1N−1∑i=1N(ϖ−Ei)2−−−−−−−−−−−−−−ue001⎷ue000ue000σ=1Ν-1∑i=1Ν(ϖ-Ei)2(5)ϖ=1N∑i=1NEiϖ=1Ν∑i=1ΝEi(6)式中,σ为试样磨损率的方差;ῶ为试样的平均磨损率;N为试验次数;Ei为各次试验的磨损率。由表1可见,4种冲角下的磨损率数据相对误差在1.2%～6.8%之间,通常磨损试验数据的置信区间宽度小于10%即为重现性良好,因此,在该试验装置上的试验结果稳定可靠。3.2冲角对材料磨损率的影响图4所示为Q235A钢试样在4种冲角下的磨损率随冲击速度变化的情况(SiO2粒径d=100μm,C=0.3,t=30min)。由图4可发现,随v的提高,材料的磨损率呈近似指数变化,这与文献的结果一致。图5所示为Q235A钢试样的磨损率在两种速度下随冲角θ变化的曲线(SiO2粒径d=100μm,C=0.2,t=30min)。可看出,随θ的增大,材料的磨损率在v=24.2m/s下有两个峰值,分别在60°附近和90°处,在75°附近出现峰谷值,v=12.1m/s下最大磨损率出现在90°处,这与文献的实验结论一致。3.3冲角下表面形貌分析图6所示为SiO2粒径d=100μm、C=0.3、v=21.2m/s、t=30min的试验条件下,Q235A钢试样在两种冲角下的磨损形貌SEM照片。由图6a可知,θ=0°时,其表面形貌磨损形式主要是以切削、犁耕为主,划伤痕迹长,且划痕沟槽较深,方向性明显;由图6b可发现,θ=90°时,磨损痕迹主要以冲击坑、唇片、翻边为主,在受到磨粒的反复冲击作用下产生切削和塑性压入,从而造成材料的脱落。上述磨损机理与文献的结论一致,表明本试验装置可用于材料的冲蚀磨损破坏机理研究。4冲角对材料冲蚀磨损特性的分析(1)所研制的旋转式液固两相流冲蚀磨损试验装置数据稳定性误差在