CN102288506B - 超音速气固两相流冲刷磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超音速气固两相流冲刷磨损试验装置。包括高压气瓶、减压阀、针阀、压力表、激波管、压力传感器、工控计算机、高速摄影仪、气体收集箱、试件安装台。激波管分驱动段和被驱动段，用铝膜隔开。被驱动段中安装测量用的颗粒。试件安装台安装在气体收集箱内，且正对观察段出口位置。压力传感器布置于被驱动段和观察段，分别用来测量铝膜破膜后的气流速度和测量用的颗粒速度。高速摄影仪与安装在气体收集箱壁面的光源相对布置且位于同一光轴上，用来观察固体颗粒的运动轨迹。本发明可以模拟煤化工领域管道系统的工程实际磨损失效案例，进行冲刷磨损的机理研究、优化设计、风险检验、安全评估及寿命预测等管道及阀门的安全保障研究。

Description

超音速气固两相流冲刷磨损试验装置

技术领域

本发明涉及一种冲刷磨损试验装置，具体地说是涉及用于工业生产中的一种超音速气固两相流冲刷磨损试验装置。

背景技术

管道输送是随着物料和流程性工业的需要而发展起来的，广泛应用于石油、化工、化纤、化肥等流程性企业，对国民经济的发展起着十分重要的作用。

研究发现：管道失效的形式多样，机理复杂，如材料缺陷、腐蚀、磨损、外力破坏等，其中冲刷磨损引起的磨损减薄失效是管道系统中最广泛也是最常见的破坏形式。冲刷磨损破坏具有明显的局部性、突发性、和风险性，特别是在含固体颗粒、多相流介质流动作用下引起的磨损穿孔更是复杂，很难预测它的发生，已成为困扰流体管道安全运行的关键技术问题。

近年来，国家大力推行煤化工产业，生产洁净能源，实现石油替代的发展战略。在煤化工领域，反应流出物构成十分复杂，既有以氢气为主的气相，也有由未反应的煤、矿物质、及催化剂组成的固相，同时还有由轻油(粗汽油)、中油等馏分油及重油组成的液相，由此造成的煤化工业管道及阀门等的冲刷磨损失效较为常见，例：管道结焦与冲刷磨损失效的事故日益突出，已成为严重制约煤化工装置安全、稳定、长周期运行的主要障碍，如不采取相应的技术措施和对策，我国煤炼油行业将会面临越来越严峻的设备失效及装置的安全问题。

目前国内煤化工工艺过程的复杂性，反应物中固体颗粒的冲刷磨损，导致设备系统的失效、非计划停工事故的发生日益突出。尽管国内外学者进行了大量的多相流冲刷磨损系统失效的相关研究，如国外的加州大学伯克利分校Lawrence实验室、日本Tokyo大学、瑞典Uppsala大学等机构针对多相流磨损问题开展了大量的研究并取得了一定的成绩，但至今为止还没有一套可靠的预测方法来预测煤化工过程中管道、管配件及阀门等易发生磨损的失效区域和磨损的破坏程度。

针对目前煤化工领域存在的多相流冲刷磨损问题，进一步研究管道的磨损机理，一些科研院校及大专院校设计了一系列的磨损试验装置，通过实验研究手段来研究管道的磨损机理，以期找到管道磨损的临界流速。但目前的磨损实验装置存在的一些不足之处主要在于：

(1)目前我国对多相流磨损的机理研究不够深入，相关设备测试的时间较长，实验结果难以推广到工程应用。

(2)常规的冲刷磨损实验装置常通过称重或测厚的方法测试平均磨损速率，无法实现流体冲刷磨损破坏的临界值和瞬态特性的测试研究。

发明内容

针对国内外超音速冲刷磨损试验装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种超音速气固两相流冲刷磨损试验装置，适合于超音速条件下的气固两相流冲刷磨损机理、流体动力学的仿真分析、材料冲刷磨损破坏临界特性或瞬态特性的试验研究及冲刷磨损失效预测工业应用推广等完整的研究体系。能模拟工业环境中的实际工况条件，实时检测材料冲刷磨损破坏瞬态特性和临界值的冲刷磨损试验装置。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括高压气瓶，减压阀，针阀，压力表，驱动段，被驱动段，观察段，气体收集箱，试件安装台，四个压力传感器，高压-对焊平头法兰，被驱-加载对焊平头法兰，两个移动架，高速摄影仪，工控计算机，示波器，两个浮动连接架；高压气瓶出口经减压阀与针阀进口相联，针阀出口与驱动段进气孔相联；驱动段下端与被驱动段通过高压-对焊平头法兰连接，高压-对焊平头法兰之间嵌有铝膜，驱动段靠近高压-对焊平头法兰侧安装有压力表；被驱动段下端与观察端通过被驱-加载对焊平头法兰连接，被驱-加载对焊平头法兰之间嵌有锡纸，锡纸上载有测量用的颗粒，观察段伸入顶部开有圆形孔的矩形气体收集箱内部；靠近被驱动段顶部1/2高度和5/6高度位置分别设置的第一、第二压力传感器与靠进观察段顶部1/5高度和3/5高度位置分别设置的第三、第四压力传感器分别通过导线连接至示波器；安装有待测试件的试件安装台位于观察段下端，并固定在气体收集箱的左侧底面；气体收集箱外部安装有高速摄影仪，高速摄影仪与安装在气体收集箱内的光源相对布置且位于同一光轴上，观察段的中心线与光轴垂直相交，高速摄影仪通过数据线连接至工控计算机；驱动段上端套在固定墙面的三角架孔中用螺钉固定；被驱动段和观察段分别与第一移动架、第二移动架通过螺钉固定；气体收集箱右侧面的底部开有排气孔。

所述的第一移动架、第二移动架结构相同，均包括铰链结构、连接螺栓和浮动连接架；其中固定在固定墙面侧面的铰链结构与浮动连接架的一端通过连接螺栓间隙配合构成周向可旋转铰链副，被驱动段和观察段分别套在各自浮动连接架的另一端孔中通过螺钉固定。

所述的待测试件通过螺钉固定在试件安装台上，待测试件在试件安装台安装的角度为15°、30°、45°、60°、75°。

所述的测量用的颗粒为砂砾、沙子、煤粉。

本发明具有的有益效果是：

利用驱动段和被驱动段的高压差产生的高速气流驱动固体颗粒运动实现冲刷磨损破坏的瞬态特性测试，包括试件破坏的临界特性及超过临界值以后的实际磨损速率。可以实现不同角度下的冲刷磨损的临界特性测试；利用高速摄影仪能准确观测固体颗粒的运行轨迹；试验结果的分析结论可以推广应用于工程实际，即结合实际管道系统的仿真分析，按相关流体动力学参数的分布规律预测磨损破坏的位置与磨损速率。本发明可以模拟煤化工领域管道系统等一系列实际工程冲刷磨损失效案例，进行冲刷磨损破坏的失效研究、冲蚀预测、优化设计、风险检验、安全评估及寿命预测等管道及阀门的安全保障技术研究。另外，本发明结构简单，易于推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的A放大图。

图3是图1的B放大图。

图4是图1的C放大图。

图5是图1的D放大图。

图中：1、高压气瓶，2、减压阀，3、针阀，4、压力表，5、驱动段，6、铝膜，7、被驱动段，8、测量用的颗粒，9、观察段，10、气体收集箱，11、待测试件，12、试件安装台，13、第一压力传感器，14、第二压力传感器，15、高压-对焊平头法兰，16、被驱-加载对焊平头法兰，17、第一移动架，18、高速摄影仪，19、光源，20、工控计算机，21、示波器，22、排气孔，23、固定墙面，24、第一浮动连接架，25铰链结构，26、连接螺栓，27、第二浮动连接架，28、锡纸，29、第三压力传感器，30、第四压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括高压气瓶1，减压阀2，针阀3，压力表4，驱动段5，被驱动段7，观察段9，气体收集箱10，待测试件11、试件安装台12，四个压力传感器13、14、29、30，高压-对焊平头法兰15，被驱-加载对焊平头法兰16，第一移动架17，高速摄影仪18，工控计算机20，示波器21，第一浮动连接架24、第二浮动连接架27；高压气瓶1出口经减压阀2、金属软管与针阀3进口相联，针阀3出口经金属软管与驱动段5进气孔相联；驱动段5下端与被驱动段7通过高压-对焊平头法兰15连接，高压-对焊平头法兰15之间嵌有铝膜6(如图5所示)，驱动段5靠近高压-对焊平头法兰15侧安装有压力表4；被驱动段7下端与观察端9通过被驱-加载对焊平头法兰16连接，被驱-加载对焊平头法兰16之间嵌有锡纸28，锡纸28上载有测量用的颗粒8(如图3所示)，观察段9伸入顶部开有圆形孔的矩形气体收集箱10内部；靠近被驱动段7顶部1/2高度和5/6高度位置分别设置的第一、第二压力传感器13、14与靠近观察段9顶部1/5高度和3/5高度位置分别设置的第三、第四压力传感器29、30分别通过导线连接至示波器21；安装有待测试件11的试件安装台12位于观察段9下端，并通过螺栓固定在气体收集箱10的左侧底面；气体收集箱10外部安装有高速摄影仪18，高速摄影仪18与安装在气体收集箱10内的光源19相对布置且位于同一光轴上，观察段9的中心线与光轴垂直相交，高速摄影仪18通过数据线连接至工控计算机20；驱动段5上端套在固定墙面23的三角架孔中用螺钉固定；被驱动段7和观察段9分别与第一移动架17、第二移动架通过螺钉连接固定，其中第一连接架17中的第一浮动连接架24和第二连接架中的第二浮动连接架27结构完全相同；气体收集箱10右侧面的底部开有排气孔22，气体收集箱左侧面、上侧面、下侧面为金属钢板，其余三个面为亚克力材料制成的透明板。需要特别说明的是光源19的安装高度为待测试件11斜面中心与观察段9下端出口的中心位置，光源19既可安装在气体收集箱10左侧壁面、也可以安装在气体收集箱10前侧面或后侧面，同时高速摄影仪18的安装在与光源19相对的另一侧面上；由于气体收集箱10左侧壁面为金属钢板，故若光源19安装在左侧壁面，则其应安装于壁面内侧。当光源19安装在前后侧壁面时，其位置安装在内壁面或外壁面均可，高速摄影仪18安装在与光源19对应侧面的壁面外侧区域。

如图1、图4所示，所述的第一移动架17、第二移动架结构相同，图4中仅表示被驱动段7上第一移动架17的放大图，位于观察段9上的第二连接架未标出，它们均包括有铰链结构25、连接螺栓26和第一浮动连接架24或第二浮动连接架27；其中固定在固定墙面23侧面的铰链结构25与两个浮动连接架24、27的一端通过连接螺栓26间隙配合构成周向可旋转铰链副，被驱动段7和观察段9分别套在各连接架的另一端孔中通过螺钉固定。被驱动段7和观察段9分别采用浮动连接架的目的是便于安装或更换铝膜6、测量用的颗粒8和锡纸28。

如图1、图2所示，所述的待测试件11通过螺钉固定在试件安装台12上，待测试件11在试件安装台12安装的角度为15°、30°、45°、60°、75°。

所述的测量用的颗粒8为砂砾、沙子、煤粉。

本发明的工作过程如下：

如图1所示，安装好超音速气固两相流冲刷磨损试验装置，将制作好的待测试件11通过螺栓固定在安装台12上，待测试件11与水平面的安放角度分为15°、30°、45°三种角度，若旋转90°，则可对应测试75°、60°、45°三种冲蚀角度；试验开始阶段，选定相应厚度的铝膜6，对该铝膜的破膜压比进行标定，即驱动段5的压力P₁与被驱动段7的压力P₂达到一定的压力时铝膜6发生爆破，记录两个压力值，即可获得铝膜破膜压比r＝P₁/P₂，测试铝膜6破膜压比时，可多做几组试验进行标定以减小试验误差，精确获得既定厚度铝膜的破膜压比，P₂的数值可取一个标准大气压。然后，选定相应厚度的铝膜6并同标定时安装方法一致，即将其嵌放在高压-对焊平头法兰15内部，将测量用的颗粒8，包括砂砾、沙子或煤粉等(煤粉亦可分为生煤粉、熟煤粉，生煤粉是指原生煤矿经物理粉碎后的煤粉、熟煤粉是指反应过后的煤粉)，安装在被驱-加载对焊平头法兰16所嵌的锡纸28上。调整光源19高度位于待测试件与观察段9出口之间的中心位置，同时调整与光源19相对的高速摄影仪18高度，使光源与高速摄影仪18位于同一高度，且同一光轴。需要特别指出的是，光源19与高速摄影仪18一定要相对安装，既可相对安装于左右两个侧面，亦可相对安装于前后两个侧面，但是无论采用何种安装方式，高速摄影仪18必须安装在气体收集箱10透明板的一侧，且光轴必须与观察段9的中心线垂直相交。启动工控计算机20和示波器21，打开光源19，然后打开高压气体钢瓶1和减压阀2，将压力调整至预定范围，逐步调整针阀3，使高压气体缓慢进入驱动段5，同时注意观察驱动段5上压力表4的具体压强值，在预计达到破膜压比r＝P₁/P₂之前，迅速启动高速摄影仪18，继续充气直至铝膜6破膜，记录下示波器21上破膜瞬间的压力信号，并运用高速摄影仪18拍照记录测量用的颗粒8在观察段9出口的运动轨迹，关闭高压气瓶1和减压阀2。然后取下待测试件11表面清理后进行称重，获得磨损量的表达式。由于第一压力传感器13和第二压力传感器14之间的距离l一定，故可根据示波器21获得的两个压力波峰信号之间的时间差Δt₁，计算被驱动段7在铝膜6破膜后的稳定气体速度V_气＝l/Δt₁，同理第三传感器29、第四传感器30可根据示波器21获得的两个压力波峰信号之间的时间差Δt₂，在已知第三传感器29和第四传感器30之间距离为s的前提下，计算测量用的颗粒8在观察段9的运行速度Ｖ_固＝s/Δt₂，同时根据高速摄影仪18测试获得的测量用的颗粒8在曝光时间内的行程，可确定测量用的颗粒8在冲出观察段9管口后的运动速度v_固＝Δh/Δt₃，Δh为行程，Δt₃为曝光时间。本试验定义的待测试件11，其材质可分别为10#碳钢、20#碳钢、2205、825或其它高性能耐磨材料，磨损量ε的定义为试件冲蚀磨损的失重量m₁与测试用的颗粒8质量m₂之比，亦可定义为试件冲蚀磨损的失重量m₁与未冲蚀磨损的待测试件11质量m₃之比，由于单次冲击造成的磨损失重量较小，可采取连续冲击10次或更多次数求平均的方法求解冲蚀磨损量ε，以冲击10次为例，其冲蚀磨损量ε可表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\underset{n=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_n/10$

在不同的试验测试时，可分别改变驱动段5与被驱动端7的压比r，待测试件11与观察段9出口之间的距离h、测量用的(磨损)颗粒质量m、磨损颗粒密度ρ、形状因子δ、磨损颗粒粒径d，建立不同影响因素与磨损率之间的函数关系式，即磨损率表示为：

ε＝k·f(r，h，m，ρ，δ，d...)

上式中，k表示试验误差修正系数，f表示压比r、距离h、测量用的颗粒质量m、颗粒密度ρ、形状因子δ、粒径d等不同影响因素构成的自变量与因变量ε之间的函数映射关系。试验完成后，根据所得数据进行后续处理，重复多次试验可得到气固两相流冲刷磨损的相关规律。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超音速气固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：包括高压气瓶（1），减压阀（2），针阀（3），压力表（4），驱动段（5），被驱动段（7），观察段（9），气体收集箱（10），试件安装台（12），四个压力传感器（13、14、29、30），高压-对焊平头法兰（15），被驱-加载对焊平头法兰（16），两个移动架，高速摄影仪（18），工控计算机（20），示波器（21），两个浮动连接架（24、27）；高压气瓶（1）出口经减压阀（2）与针阀（3）进口相联，针阀（3）出口与驱动段（5）进气孔相联；驱动段（5）下端与被驱动段（7）通过高压-对焊平头法兰（15）连接，高压-对焊平头法兰（15）之间嵌有铝膜（6），驱动段（5）靠近高压-对焊平头法兰（15）侧安装有压力表（4）；被驱动段（7）下端与观察端（9）通过被驱-加载对焊平头法兰（16）连接，被驱-加载对焊平头法兰（16）之间嵌有锡纸（28），锡纸（28）上载有测量用的颗粒（8），观察段（9）伸入顶部开有圆形孔的矩形气体收集箱（10）内部；靠近被驱动段（7）顶部1/2高度和5/6高度位置分别设置的第一、第二压力传感器（13、14）与靠近观察段（9）顶部1/5高度和3/5高度位置分别设置的第三、第四压力传感器（29、30）分别通过导线连接至示波器（21）；安装有待测试件（11）的试件安装台（12）位于观察段（9）下端，并固定在气体收集箱（10）的左侧底面；气体收集箱（10）外部安装有高速摄影仪（18），高速摄影仪（18）与安装在气体收集箱（10）内的光源（19）相对布置且位于同一光轴上，观察段（9）的中心线与光轴垂直相交，高速摄影仪（18）通过数据线连接至工控计算机（20）；驱动段（5）上端套在固定墙面（23）的三角架孔中用螺钉固定；被驱动段（7）和观察段（9）分别与第一移动架（17）、第二移动架通过螺钉连接固定；气体收集箱（10）右侧面的底部开有排气孔（22）。

2.根据权利要求1所述的一种超音速气固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：所述的第一移动架、第二移动架结构相同，均包括铰链结构（25）、连接螺栓（26）和浮动连接架；其中固定在固定墙面（23）侧面的铰链结构（25）与浮动连接架的一端通过连接螺栓（26）间隙配合构成周向可旋转铰链副，被驱动段（7）和观察段（9）分别套在各浮动连接架的另一端孔中通过螺钉固定。

3.根据权利要求1所述的一种超音速气固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：所述的待测试件（11）通过螺钉固定在试件安装台（12）上，待测试件（11）在试件安装台（12）安装的角度为15°、30°、45°、60°、75°。

4.根据权利要求1所述的一种超音速气固两相流冲刷磨损试验装置，其特征在于：所述的测量用的颗粒（8）为沙砾、沙子或煤粉。

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