CN103323356A - 空蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置。浆料罐进口由气体、进水和固体颗粒三个支路汇流组成，电动机的传动轴伸入浆料罐内带动搅拌叶片转动，浆料罐出口经截止阀、空蚀-冲蚀磨损试验阀经管道进入分离器进口，分离器顶部开设气相出口，底部的液固两相流出口与回收槽相连通，浆料罐侧面设置液位计和压力表。本发明可实时监测观察多相流介质流态和颗粒运动轨迹，并通过试验阀芯顶端的阀芯压力传感器，实现流动空化数的测定；该装置适用于研究空蚀、冲蚀磨损以及空蚀-冲蚀磨损协同作用下金属材质在不同影响因素下的失重规律，建立相应的失效形式与失重函数关系式，可应用于管道、阀门及管配件的先导性设计和运行工况的优化操作。

Description

空蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置

技术领域

本发明涉及一种多相流冲蚀测试装置，具体地说是涉及应用于气-液-固多相流的一种空蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置。

背景技术

多相流输送广泛应用于石油、化工、生物、制药、冶金等流程型行业，对国民经济的发展起着非常重要的作用。空蚀-冲蚀（磨损）破坏失效是多相流传输设备中普遍存在的失效问题，其中高温、高压差、高速的含固多相流体对装置的空蚀-冲蚀磨损现象尤为突出，已成为影响设备或管道系统长周期安全运行的严重障碍。

最近几年，为了满足能源发展的需要，加大国家能源战略储备，大力发展煤化工相关产业势在必行。某套百万吨级煤直接液化示范工程自2008年底投用以来，因流动磨损或空化气蚀引发的非计划停工事故极为常见，特别是多相流输送系统的管道壁厚减薄、阀门类设备空蚀-磨损失效等，严重制约了整个示范工程的长周期运行，生产安全风险性极高，煤化工的规模集约化效益不显著。例如：某煤液化热高压分离器底部的液控阀，因长期处在高温、高压差等苛刻工况下，在输送含固多相流介质过程中阀芯阀座频繁失效，历经近四年的技术攻关，运行周期仅从数天延长到数十天。此类非常规条件下多相流介质在苛刻工况下引发的设备损伤，其失效机理极为复杂，失效影响因素众多，现有研究成果无法实现空蚀-冲蚀协同作用的准确性测试。

目前，围绕空蚀-冲蚀磨损协同作用的相关研究较有代表性的有：日本的Jyoshiro SATOH，英国华威大学的SC Li以及国内的水科院，其相关的研究成果直接推动了多相流相间耦合作用理论、材料的空蚀-冲蚀作用机理，但遗憾的是至今尚缺少科学可靠的方法来预测复杂流动腐蚀环境中石油化工、煤化工领域阀门、管道及管配件的空蚀-冲蚀协同作用的失效区域和失效的破坏程度。

针对石油化工、煤化工领域存在的空蚀-冲蚀磨损协同作用问题，国内外学者先后设计了一系列的空蚀-冲蚀试验测试装置，以期通过实验来研究空蚀-冲蚀协同作用机理。对于已存在的相关实验装置，存在的不足之处主要在于：

（1）对多相流空蚀-冲蚀磨损协同作用机理研究不够深入，相关设备的测试时间较长，且实验结果难以推广到工程应用。

（2）常规的实验装置无法对含固多相流传输装置中空蚀-冲蚀磨损失效进行定量预测及实时观察，不能准确描述空蚀-冲蚀磨损协同作用下的金属材料失重量。

发明内容

针对国内外空蚀-冲蚀磨损试验装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种空蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置，可模拟工业环境中的实际工况条件，实现空蚀-冲蚀磨损试验阀内流动状态及颗粒运行轨迹的实时观察，并能分别考察空蚀作用、冲蚀磨损作用以及空蚀-冲蚀磨损协同作用的阀芯失重量随影响因素的变化关系。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明包括加料器、压缩机、电动机、浆料罐、空蚀-冲蚀磨损试验阀、分离器、回收槽、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀；浆料罐进口由三个支路汇流组成，第一支路的气体经压缩机、第一截止阀接浆料罐上部的进口，第二支路进水经第二截止阀与压缩机和第一截止阀之间的管道相连通，第三支路固体颗粒经加料器、法兰与第一截止阀出口的管道相连通；电动机的传动轴从浆料罐顶部伸入浆料罐内带动搅拌叶片转动，浆料罐下部侧面出口经第三截止阀、空蚀-冲蚀磨损试验阀再经管道进入分离器上部侧面进口，分离器顶部开设与大气相连通的气相出口，分离器底部设置液固两相流出口与回收槽进口相连通，浆料罐侧面分别设置液位计和压力表。

所述的空蚀-冲蚀磨损试验阀，包括阀体、试验阀芯、阀杆、压盖、填料压盖、法兰、透明ABS试验管段、耐磨阀座、底座和直线导轨；试验阀芯与阀杆紧固联接，阀杆与压盖中心孔间嵌入填料，并通过侧面填料压盖与压盖紧固联接；试验阀芯和阀杆从阀体的一侧安装在阀体水平中心孔中，压盖与阀体一侧紧固联接；阀体的另一侧水平中心孔口嵌入耐磨阀座，耐磨阀座与法兰间嵌入环形透明ABS试验管段，法兰与阀体的侧面紧固联接，试验阀芯头部穿过耐磨阀座直至透明ABS试验管段中；阀体底部与水平放置的底座焊接固定，位于压盖一端的底座末端设置直线导轨，直线导轨的一端与伸出压盖外的阀杆固接，直线导轨的另一端经与经螺杆与手柄联接，转动手柄控制试验阀芯和阀杆左右运动，控制试验阀芯与耐磨阀座的开度；透明ABS试验管段外侧面设置高速摄影仪并通过数据线与第一工控计算机相联接，与高速摄影仪相对的透明ABS试验管段外侧面设置光源；试验阀芯端部安装阀芯压力传感器，阀芯压力传感器末端的导线穿过试验阀芯和阀杆的中心孔与第二工控计算机相联接；阀体进口管段侧面设置第一压力传感器，法兰末端与管道连接的侧面设置第二压力传感器。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用高速摄影仪可实时监测观察多相流介质流态和颗粒运动轨迹，并可通过试验阀芯顶端的阀芯压力传感器，实现流动空化数的测定；试验装置适用于研究空蚀、冲蚀磨损以及空蚀-冲蚀磨损协同作用下金属材质在不同影响因素下的失重规律，建立相应的失效形式与失重函数关系式，可应用于管道、阀门及管配件的先导性设计和运行工况的优化操作，减少或避免非计划停工事故的发生，延长设备系统的安全稳定运行周期。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是空蚀-冲蚀磨损试验阀的放大结构示意图。

图3是试验阀芯和阀杆联接的结构示意图。

图中：1、加料器，2、压缩机，3、第一截止阀，4、液位计，5、电动机，6、浆料罐，7压力表，8、空蚀-冲蚀磨损试验阀，9、搅拌叶片，10、分离器，11、回收槽，12、阀体，13、第一工控计算机，14、高速摄影仪，15、试验阀芯，16、阀杆，17、第一压力传感器，18、压盖，19、填料，20、填料压盖，21.阀芯压力传感器，22、法兰，23、光源，24、透明ABS试验管段，25、耐磨阀座，26、底座，27、直线导轨，28、螺杆，29、手柄，30、第二截止阀，31、第三截止阀，32、第二工控计算机，33、第二压力传感器。

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，本发明包括加料器1、压缩机2、电动机5、浆料罐6、空蚀-冲蚀磨损试验阀8、分离器10、回收槽11、第一截止阀3、第二截止阀30、第三截止阀31；浆料罐6进口由三个支路汇流组成，第一支路的气体（如氮气、空气）经压缩机2、第一截止阀3通过管道连接浆料罐6上部侧面的进口，第二支路进水经第二截止阀30与压缩机2和第一截止阀3之间的管道相连通，第三支路固体颗粒（如煤粉、细砂、二氧化硅）经加料器1、法兰与第一截止阀3出口的管道相连通；电动机5的传动轴从浆料罐6顶部伸入浆料罐6内带动搅拌叶片9转动，与浆料罐6上部侧面进口相对的浆料罐6另一侧面下部出口经第三截止阀31、空蚀-冲蚀磨损试验阀8再经管道进入分离器10上部侧面进口，分离器10顶部开设与大气相连通的气相出口，分离器10底部设置液固两相流出口与回收槽11进口相连通，浆料罐6侧面分别设置液位计4和压力表7。

如图2、图3所示，所述的空蚀-冲蚀磨损试验阀8，包括阀体12、试验阀芯15、阀杆16、压盖18、填料压盖20、法兰22、透明ABS试验管段24、耐磨阀座25、底座26和直线导轨27；试验阀芯15与阀杆16通过螺栓紧固联接，连接处有密封垫圈，阀杆16与压盖18中心孔间嵌入填料19作为环形密封，并通过侧面填料压盖20与压盖18经螺栓紧固联接；试验阀芯15和阀杆16从阀体12的一侧安装在阀体12水平中心孔中，压盖18通过紧固螺钉与阀体12一侧紧固联接，连接处设置密封垫圈；阀体12的另一侧水平中心孔口嵌入耐磨阀座25，耐磨阀座25与法兰22之间嵌入环形透明ABS试验管段24，连接处设置密封垫圈密封；环形透明ABS试验管段24与法兰22连接处及与耐磨阀座25的连接处均设置有密封垫圈；法兰22与阀体12的侧面连接，试验阀芯15头部穿过耐磨阀座25直至透明ABS试验管段24中；阀体12底部与水平放置的底座26焊接固定，位于压盖18一端的底座26末端设置直线导轨27，直线导轨27的一端与伸出压盖18外的阀杆16固接，直线导轨27的另一端经与经螺杆28与手柄29联接，转动手柄29控制试验阀芯15和阀杆16左右运动，控制试验阀芯15与耐磨阀座25之间的开度，调节空蚀-冲蚀磨损试验阀进出口的压力差和试验流量；透明ABS试验管段24外侧面设置高速摄影仪14并通过数据线与第一工控计算机13相联接，与高速摄影仪14相对应的透明ABS试验管段24另一外侧面设置光源23；试验阀芯15端部安装阀芯压力传感器21，阀芯压力传感器21末端的导线穿过试验阀芯15和阀杆16的中心孔与第二工控计算机32相联接；阀体12进口管段侧面设置第一压力传感器17，法兰22末端与管道连接的侧面设置第二压力传感器33。

本发明的工作原理：

如图1所示，安装好空蚀-冲蚀磨损协同作用试验装置，按比例配置气（空气或氮气）、液（水）两相流介质，并将计量的固体颗粒通过加料器1与气-液两相流介质混合达到试验既定的固相浓度；试验过程中，转动手柄29可以控制阀芯15和阀杆16左右运动，调节阀芯15与耐磨阀座25之间的开度，以调节空蚀-冲蚀磨损试验阀8进出口的压差和试验流量；调节试验阀芯15开度30%、40%和60%，对应的压缩机2排气压力P分别设置为2MPa、4MPa和6MPa；调整光源23位置使其位于水平放置的透明ABS试验管段24中间位置，同时调整透明ABS试验管段24侧面与光源23正面相对的高速摄影仪14的位置，保证光源23和高速摄影仪14沿透明ABS试验管段24中心线对称布置，保证透明ABS试验管段24内有充足的光线。试验开始时，首先关闭第三截止阀31，通过气相支路、液相支路和固相支路按照试验要求配置多相流介质，保证固相浓度和试验工况（温度、压力），然后关闭第二截止阀30和加料器1，保证试验系统压力恒定；配置完毕后的多相流介质进入到浆料罐6中后，再启动电动机5，带动搅拌叶片9旋转，使浆料罐6中的气-水-固三相物料混合均匀；启动第一工控计算机13、第二工控计算机32和高速摄影仪14，打开光源23，再打开第三截止阀31，此时高速摄影仪14对透明ABS试验管段24内的流动情况进行高速拍摄，信号处理系统记录第一压力传感器17、第二压力传感器33和阀芯压力传感器21的实时信号，得到空蚀-冲蚀磨损试验阀8的进口压力P_in、出口压力P_out和试验阀芯15外表面压力P_s；当阀门进口压力P_in达到4MPa，出口压力P_out为一个标准大气压时，试验阀芯15节流段最高速度的理论值可以达到88m/s，足以对试验阀芯15表面造成冲击；当浆料罐6的液位低于某一位置时，关闭压缩机2、高速摄影仪14、电动机5和第三截止阀31，然后卸下压盖18，并取下试验阀芯15和阀杆16，取下安装在试验阀芯15头部的阀芯压力传感器21，更换需要再次测试的试验阀芯，然后把空蚀-冲蚀磨损试验阀8各部分组装完成，调节试验条件继续进行试验，由高速摄影仪拍摄获得试验阀芯15表面的速度v和颗粒冲击角度α，通过多次试验获得冲击角函数f(α)和相对速度函数b(v)之间的函数关系。本试验装置可分别测试仅有冲蚀磨损或空蚀-冲蚀磨损协同作用两种工况条件下试验阀芯15试件的质量损失m₁和m₂；定义的试验阀芯15材质可分别为10#、20#碳钢、有色金属、硬质合金或其他高性能耐磨材料，磨损率（失重率）ε定义为试件失重量m₁与测试用的颗粒质量m₂之比，亦可定义为试件失重量m₂与未失重的待测试件质量m₃之比，通过试验可分别获得冲蚀磨损、空蚀-冲蚀磨损协同作用下的磨损率（失重率）表达式ε₁和ε₂。

在不同试验条件下，可改变试验阀芯15开度l，压缩机2排气压力P，测试用的磨损颗粒质量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（失重率）之间的函数关系式，其表达式为：

ε₁＝k·f(l,P...)

ε₂＝k·f(l,m,ρ,δ,d,P...)

上式中，k表示试验误差修正系数。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冲蚀磨损、空蚀-冲蚀协同作用的磨损相关规律。

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，在本发明的权利要求的保护范围内，对本发明所做的任何修改都将落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种空蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置，其特征在于：包括加料器（1）、压缩机（2）、电动机（5）、浆料罐（6）、空蚀-冲蚀磨损试验阀（8）、分离器（10）、回收槽（11）、第一截止阀（3）、第二截止阀（30）、第三截止阀（31）；浆料罐（6）进口由三个支路汇流组成，第一支路的气体经压缩机（2）、第一截止阀（3）接浆料罐（6）上部的进口，第二支路进水经第二截止阀（30）与压缩机（2）和第一截止阀（3）之间的管道相连通，第三支路固体颗粒经加料器（1）、法兰与第一截止阀（3）出口的管道相连通；电动机（5）的传动轴从浆料罐（6）顶部伸入浆料罐（6）内带动搅拌叶片（9）转动，浆料罐（6）下部侧面出口经第三截止阀（31）、空蚀-冲蚀磨损试验阀（8）再经管道进入分离器（10）上部侧面进口，分离器（10）顶部开设与大气相连通的气相出口，分离器（10）底部设置液固两相流出口与回收槽（11）进口相连通，浆料罐（6）侧面分别设置液位计（4）和压力表（7）。

2.根据权利要求1所述的一种空蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置，其特征在于：所述的空蚀-冲蚀磨损试验阀（8），包括阀体（12）、试验阀芯（15）、阀杆（16）、压盖（18）、填料压盖（20）、法兰（22）、透明ABS试验管段（24）、耐磨阀座（25）、底座（26）和直线导轨（27）；试验阀芯（15）与阀杆（16）紧固联接，阀杆（16）与压盖（18）中心孔间嵌入填料（19），并通过侧面填料压盖（20）与压盖（18）紧固联接；试验阀芯（15）和阀杆（16）从阀体（12）的一侧安装在阀体（12）水平中心孔中，压盖（18）与阀体（12）一侧紧固联接；阀体（12）的另一侧水平中心孔口嵌入耐磨阀座（25），耐磨阀座（25）与法兰（22）间嵌入环形透明ABS试验管段（24），法兰（22）与阀体（12）的侧面紧固联接，试验阀芯（15）头部穿过耐磨阀座（25）直至透明ABS试验管段（24）中；阀体（12）底部与水平放置的底座（26）焊接固定，位于压盖（18）一端的底座（26）末端设置直线导轨（27），直线导轨（27）的一端与伸出压盖（18）外的阀杆（16）固接，直线导轨（27）的另一端经与经螺杆（28）与手柄（29）联接，转动手柄（29）控制试验阀芯（15）和阀杆（16）左右运动，控制试验阀芯（15）与耐磨阀座（25）的开度；透明ABS试验管段（24）外侧面设置高速摄影仪（14）并通过数据线与第一工控计算机（13）相联接，与高速摄影仪（14）相对的透明ABS试验管段（24）外侧面设置光源（23）；试验阀芯（15）端部安装阀芯压力传感器（21），阀芯压力传感器末端的导线穿过试验阀芯（15）和阀杆（16）的中心孔与第二工控计算机（32）相联接；阀体（12）进口管段侧面设置第一压力传感器（17），法兰（22）末端与管道连接的侧面设置第二压力传感器（33）。

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