CN105547886A - 一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法。包括实现颗粒群冲击磨损率曲线的绘制和建立基于冲击磨损率速度指数的定量预测方法。建立了冲击磨损率速度指数的预测模型，可用于指定材质、给定冲击速度和角度时的冲击磨损率速度指数的快速查询，可为建立气-固两相流环境下冲击磨损率的修正模型提供重要依据，提高冲击磨损预测的精度，适用于压力管道、压力容器等设备系统的风险评定。本发明可针对石油化工、煤化工、核电工业等流程型工业的管道及阀门冲击磨损失效案例，进行冲击磨损率速度指数的求解和预测，为管道及阀门的失效分析、优化设计、风险评估及剩余寿命评价提供理论支撑。

Description

一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法

技术领域

本发明涉及冲蚀磨损率的测试和预测方法，具体地说是涉及一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法。

背景技术

管道输送在石油化工、煤化工、生物制药、核电等流程型工业应用广泛，对国民经济的发展起着十分重要的作用。

近年来，随着原油资源的日益短缺，发展煤基液化工程是缓解能源危机、保障国家能源战略安全的主要举措之一。在煤直接液化工程中，加氢反应流出物的成分组成极为复杂，既有以氢气为主的气相，也有未完全反应的煤粉、无机矿物质(主要成分SiO₂等)、以及未充分反应的催化剂等组成的固相，同时还有由轻油、中油等馏分油及重油组成的液相，由此引发了多起管道及阀门的冲蚀磨损失效问题，部分管道的冲蚀磨损穿孔甚至造成了非常严重的非计划停车及火灾事故，损失非常严重。热高压分离器是煤直接液化加氢反应流出物的第一道工序，其目的是对气、液相进行分离，其中多相流介质经热高压分离器分离后，液固两相流经分离器底部的高压差调节阀流出，高压差调节阀前后的压差为12.7MPa，液固两相流动过程中由于节流作用形成空化，从而形成了局部高速的气固两相流动，对调节阀阀芯的耐磨涂层造成极为严重的冲蚀磨损，甚至引起部分耐磨涂层WC的剥落，使调节阀的运行周期缩短至2～3个月，严重制约煤直接液化工程的安、稳、长、满、优运行。

鉴于高压差调节阀工作过程的压差大，节流后的气相流速高达100m/s以上，由此造成的调节阀阀芯的冲蚀磨损风险极高。现有的研究成果，例如Finnie、Tabakoff、AndrewKohm等通过大量试验，得到了磨损率与颗粒物性、冲击角度、冲击速度等相关因素之间的关系，依据经验法建立了冲蚀磨损模型。目前包括Fluent、CFX等流体动力学仿真商用软件大多采用这一冲蚀磨损模型进行冲蚀磨损率的预测。由于上述实验成果中，颗粒冲击的速度均在10m/s～60m/s之间，运用此模型进行高流速(颗粒冲击速度大于100m/s)的冲蚀磨损率数值预测误差极大，无法进行冲蚀磨损预测基础上的结构优化。因此，迫切需要建立一种冲击磨损率速度指数的预测方法，实现大尺度速度范围内冲击磨损率速度指数的求解和扩展预测，提升气固两相流体系下管道内壁冲蚀磨损率的预测精度，为管道及阀门系统的结构优化提供数据支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法，满足两个方面的功能，一是实现颗粒群冲击磨损率曲线的绘制，二是建立基于冲击磨损率速度指数的定量预测方法，适用于给定材质、给定冲击速度和角度时冲击磨损率速度指数的快速查询，可为深化研究气固两相流的冲击磨损机理和建立修正的冲击磨损率数理模型提供重要理论支撑，提高数值预测精度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括冲击磨损率曲线的绘制方法和冲击磨损率速度指数的定量预测方法；

1)冲击磨损率曲线的绘制方法，包括如下步骤：

步骤1.1)利用高压气瓶向高压管段内进行充气，并运用压力表、热电偶实时测试高压管段内的压力值和温度值；

步骤1.2)连续向高压管段内充气，高压管段内的压力逐渐增加，直至超出高压管段与低压管段连接处非金属隔膜片的临界承载能力，非金属隔膜片破裂，高压管段的气体冲破非金属隔膜片时产生激波，并进入到压力值为P₀的低压管段，记录非金属隔膜片破裂时的高压管段压力值P₁；

步骤1.3)根据步骤1.2)中产生的激波对低压管段内的颗粒群进行拖曳加速，颗粒群的速度由静止状态逐渐加速，并冲出颗粒加速段出口；

步骤1.4)根据步骤1.3)中颗粒群冲出颗粒加速段出口的冲击速度V通过高速摄影仪进行标定，采用高速摄影仪记录单位时间Δt内连续两帧图片中颗粒群的移动距离ΔL，计算颗粒群冲出颗粒加速段出口的冲击速度V，即：V＝ΔL/Δt；

步骤1.5)改变非金属隔膜片的厚度δ_i,i＝1,2....，重复步骤1.1)～步骤1.4)，建立非金属隔膜片破裂时厚度δ_i,i＝1,2....与高压管段压力值P_i,i＝1,2....的对应关系，获得非金属隔膜片不同厚度破裂时对应的颗粒群冲出颗粒加速段出口的冲击速度V；

步骤1.6)根据步骤1.5)得到的颗粒群所述冲击速度V，建立冲击速度区间[V₁，V_i]，利用该区间的冲击速度冲击位于靠近颗粒加速段出口的待测试块，建立待测试块在受到颗粒群冲击后的冲击磨损率与冲击速度之间的函数映射关系，绘制冲击磨损率曲线图，即：

Δm＝βV_i ⁿ,i＝1,2...

式中，Δm表示待测试块失重量与待测试块初始重量的比值，n表示速度指数，β为待求常数。

2)冲击磨损率速度指数的定量预测方法，包括如下步骤：

步骤2.1)基于冲击速度区间[V₁，V_i]，冲击位于靠近颗粒加速段出口设置的待测试块，待测试块安放角度α的范围为[0°，90°]，多次重复测试，建立冲击磨损率随待测试块安放角度α的函数映射关系，即：Δm∝α；

步骤2.2)对于任意一选定的待测试块安放角度α_k，建立该选定角度α_k下的冲击磨损率曲线图，即Δm(α_k)＝βV_i ⁿ,i＝1,2...；

步骤2.3)对步骤2.2)获得的选定角度α_k下的冲击磨损率曲线图进行数学变换，获得方程式：ln[Δm(α_k)]＝lnβ+nlnV_i,i＝1,2...；

步骤2.4)针对步骤2.3)得出的方程式进行进一步变换，令y＝ln[Δm(α_k)]，b＝lnβ，c＝lnV_i，则方程简化为一元线性方程：y＝b+nc；

步骤2.5)对于步骤2.4)得出的一元线性方程，进行颗粒群的冲击速度区间[V₁，V_i]内的拟合求解，计算得出速度指数n和b，再换算得到待求常数β，即β＝e^b；

步骤2.6)对于待测试块安放角度α的范围区间[0°，90°]，重复步骤2.1)～步骤2.5)，定量的计算得出在给定颗粒群的冲击速度区间[V₁，V_i]内，不同待测试块安放角度α对应的速度指数n。

所述高压气瓶中的气体为氢气、氮气或氦气。

所述颗粒群为SiO₂、Al₂O₃或两者的混合物。

本发明具有的有益效果是：

本发明提供了一种适用于大范围冲击速度内的冲击磨损率曲线的绘制方法，建立了冲击磨损率速度指数的预测模型，可用于指定材质、给定冲击速度和角度时的速度指数查询，可为建立气-固两相流环境下冲击磨损率的修正模型提供重要依据，提高冲击磨损预测的精度，适用于压力管道、压力容器等设备系统的风险评定。本发明可针对石油化工、煤化工、核电工业等流程型工业的管道及阀门冲击磨损失效案例，进行冲击磨损率速度指数的求解和预测，为管道及阀门的失效分析、优化设计、风险评估及剩余寿命评价提供理论支撑。

附图说明

图1是本发明测试原理的示意图。

图2是待测试块的冲击磨损率随冲击速度变化的曲线。

图中，1、高压气体入口，2、高压管段，3、卡箍式法兰，4、非金属隔膜片，5、低压管段，6、锡纸，7、颗粒加速段，8、待测试块，9、颗粒群。

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。

一种激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法，包括两部分，一部分是冲击磨损率曲线的绘制方法，一部分是冲击磨损率速度指数的预测方法。

1)冲击磨损率曲线的绘制方法，包括如下步骤：

步骤1.1)根据图1所示的实验原理图，安装好实验装置。其中高压管段2与低压管段5间由非金属隔膜片4隔开，再通过卡箍式法兰3压紧连接固定；低压管段5与颗粒加速段7由锡纸6隔开，再通过卡箍式法兰压紧连接固定，其中锡纸6上放置颗粒群9。利用高压气瓶经高压气体入口1向高压管段2内进行充气，并运用压力表、热电偶实时测试高压管段2内的压力值和温度值T。

步骤1.2)连续向高压管段2内充气，高压管段内的压力值逐渐上升，直至超出高压管段2与低压管段5之间连接处嵌入的非金属隔膜片4的临界承载能力，非金属隔膜片破裂，高压管段的气体冲破非金属隔膜片时产生激波，并进入到压力值为P₀的低压管段，记录非金属隔膜片破裂时的高压管段压力值P₁；

该过程中，非金属隔膜片破裂时的压力值P₁可计算得到激波速度的理论值：

$\frac{P_1}{P_0}=\[\frac{2{\mathrm{\γ}}_0}{{\mathrm{\γ}}_0+1}{M}^2-\frac{{\mathrm{\γ}}_0-1}{{\mathrm{\γ}}_0+1}\]{\[1-\frac{{\mathrm{\γ}}_1-1}{{\mathrm{\γ}}_0+1}\frac{{\mathrm{\υ}}_0}{{\mathrm{\υ}}_1}\[M-\frac{1}{M}\]\]}^{-\frac{2{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\γ}}_1-1}}---\left(1\right)$

式(1)中，P₁/P₀为非金属隔膜片破裂时高压管段与低压管段的压力之比，γ₁、γ₀为高压管段和低压管段气体的比热比，υ₁、υ₀为高压管段和低压管段气体的音速，M为激波的马赫数。式中，对于给定的高压气瓶气体，例如氮气、氢气、氦气，以及低压管段内的空气，γ₁、γ₀、υ₁、υ₀、P₀已知，P₁通过实验测试得出，故可求解方程获得激波的马赫数M。再根据下式(2)求解激波后气流速度V_b，即：

$V_b=\frac{2}{{\mathrm{\γ}}_0+1}(M-\frac{1}{M})\sqrt{{\mathrm{\γ}}_{0}RT}---\left(2\right)$

式(2)中，R为气体常数，取值8.314，T为温度值。

步骤1.3)步骤1.2)中产生的激波后气流速度V_b，对低压管段内的固相颗粒群，例如SiO₂、Al₂O₃等进行拖曳加速，在相间曳力的作用下，颗粒群的速度由静止状态逐渐加速，并经颗粒加速段7出口冲出；

步骤1.4)根据步骤1.3)中颗粒群冲出颗粒加速段7出口的冲击速度为V，与激波后气流速度V_b相比，V≤V_b，颗粒群的冲击速度V通过高速摄影仪进行标定，具体方法是：采用高速摄影仪记录单位时间Δt内两帧图片中颗粒群形心的移动距离ΔL，计算得出颗粒加速段出口颗粒群的冲击速度V，V＝ΔL/Δt；

步骤1.5)松开卡箍式法兰，改变非金属隔膜片的厚度δ_i,i＝1,2...，重复步骤1.1)、步骤1.2)、步骤1.3)、步骤1.4)，建立非金属隔膜片破裂时不同厚度δ_i,i＝1,2...与高压管段压力值P_i,i＝1,2...的对应关系，获得非金属隔膜片不同厚度破裂时对应的颗粒群的冲击速度V；

步骤1.6)根据步骤1.5)得到的颗粒群的冲击速度V，建立冲击速度区间[V₁，V_i]，利用该区间的冲击速度去冲击位于靠近颗粒加速段7出口的待测试块8，建立待测试块8在颗粒群冲击后的冲击磨损率与冲击速度之间的函数映射关系，绘制冲击磨损率曲线图，即：

Δm＝βV_i ⁿ,i＝1,2...

式中，Δm表示待测试块失重量与待测试块初始重量的比值，n表示速度指数，β为待求常数。

2)冲击磨损率速度指数的定量预测方法，包括如下步骤：

步骤2.1)基于冲击速度区间[V₁，V_i]，调整非金属隔膜片4的厚度，获得由5个冲击速度组成的速度区间，此时，i＝5，即[V₁，V₅]，冲击位于颗粒加速段出口设置的待测试块，待测试块安放角度α的范围为[0°，90°]，多次重复测试，建立冲击磨损率随待测试块安放角度α的函数映射关系，即：Δm∝α。

步骤2.2)对于任意一已选定的待测试块安放角度α_k，例如选择角度α_k＝30°时，对于碳钢材质进行冲击磨损率试验测试，建立在待测试块安放角度为α_k＝30°时，冲击磨损率Δm与冲击速度的变化关系，即：Δm(30°)＝βV_i ⁿ,i＝1,2,3,4,5，绘制冲击磨损率曲线，如图2所示。其中V₁、V₂、V₃、V₄、V₅分别为125m/s、150m/s、175m/s、200m/s、225m/s，对应的冲击磨损率分别为0.245mg/g、0.369mg/g、0.514mg/g、0.738mg/g、1.005mg/g。

步骤2.3)对步骤2.2)获得的选定角度α_k＝30°下的冲击磨损率曲线图(如图2所示)进行数学变换，获得方程式：ln[Δm(30°)]＝lnβ+nlnV_i,i＝1,2,3,4,5。

步骤2.4)针对步骤2.3)得出的方程式进一步换算，令y＝ln[Δm(30°)]，b＝lnβ，c＝lnV_i，则方程简化为一元线性方程：y＝b+nc；

步骤2.5)对于步骤2.4)得出的一元线性方程，进行颗粒群的冲击速度区间[V₁，V₅]内的拟合求解，列出方程组：

$\left[\begin{array}{c}3.00000,15.47370000\\ 15.4737,79.85325429\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}b\\ n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-1.96630000000\\ -10.0423736430\end{array}\right]$

计算得出速度指数n＝2.4027，待求常数β＝e(-13.0483)。

根据求解得出的速度指数n和待求常数β，可得出在待测试块安放角度为30°时，冲击速度范围为[125m/s，225m/s]内的冲击磨损率曲线，Δm(30°)＝e(-13.0483)V_i ^2.4027,i＝1,2,3,4,5。

步骤2.6)类似地，对于待测试块安放角度α的范围区间[0°，90°]，重复步骤2.1)～步骤2.5)，可定量的计算得出在给定颗粒群的冲击速度区间[V₁，V_i]内，待测试块不同安放角度α对应的速度指数n。绘制[0°，90°]所有角度对应的冲击磨损率图，并计算每条冲击磨损率曲线对应的速度指数值，可即时查询在颗粒群的冲击速度区间内任一速度、任一角度对应的速度指数，实现冲击磨损率速度指数的定量预测和快速查询。

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 (3)

1.一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法，其特征在于：包括冲击磨损率曲线的绘制方法和冲击磨损率速度指数的定量预测方法；

1)冲击磨损率曲线的绘制方法，包括如下步骤：

步骤1.1)利用高压气瓶向高压管段内进行充气，并运用压力表、热电偶实时测试高压管段内的压力值和温度值；

步骤1.2)连续向高压管段内充气，高压管段内的压力逐渐增加，直至超出高压管段与低压管段连接处非金属隔膜片的临界承载能力，非金属隔膜片破裂，高压管段的气体冲破非金属隔膜片时产生激波，并进入到压力值为P₀的低压管段，记录非金属隔膜片破裂时的高压管段压力值P₁；

步骤1.3)根据步骤1.2)中产生的激波对低压管段内的颗粒群进行拖曳加速，颗粒群的速度由静止状态逐渐加速，并冲出颗粒加速段出口；

步骤1.4)根据步骤1.3)中颗粒群冲出颗粒加速段出口的冲击速度V通过高速摄影仪进行标定，采用高速摄影仪记录单位时间Δt内连续两帧图片中颗粒群的移动距离ΔL，计算颗粒群冲出颗粒加速段出口的冲击速度V，即：V＝ΔL/Δt；

步骤1.5)改变非金属隔膜片的厚度δ_i,i＝1,2....，重复步骤1.1)～步骤1.4)，建立非金属隔膜片破裂时厚度δ_i,i＝1,2....与高压管段压力值P_i,i＝1,2....的对应关系，获得非金属隔膜片不同厚度破裂时对应的颗粒群冲出颗粒加速段出口的冲击速度V；

步骤1.6)根据步骤1.5)得到的颗粒群所述冲击速度V，建立冲击速度区间[V₁，V_i]，利用该区间的冲击速度冲击位于靠近颗粒加速段出口的待测试块，建立待测试块在受到颗粒群冲击后的冲击磨损率与冲击速度之间的函数映射关系，绘制冲击磨损率曲线图，即：

Δm＝βV_i ⁿ,i＝1,2...

式中，Δm表示待测试块失重量与待测试块初始重量的比值，n表示速度指数，β为待求常数；

2)冲击磨损率速度指数的定量预测方法，包括如下步骤：

步骤2.1)基于冲击速度区间[V₁，V_i]，冲击位于靠近颗粒加速段出口设置的待测试块，待测试块安放角度α的范围为[0°，90°]，多次重复测试，建立冲击磨损率随待测试块安放角度α的函数映射关系，即：Δm∝α；

步骤2.2)对于任意一选定的待测试块安放角度α_k，建立该选定角度α_k下的冲击磨损率曲线图，即Δm(α_k)＝βV_i ⁿ,i＝1,2...；

步骤2.3)对步骤2.2)获得的选定角度α_k下的冲击磨损率曲线图进行数学变换，获得方程式：ln[Δm(α_k)]＝lnβ+nlnV_i,i＝1,2...；

步骤2.4)针对步骤2.3)得出的方程式进行进一步变换，令y＝ln[Δm(α_k)]，b＝lnβ，c＝lnV_i，则方程简化为一元线性方程：y＝b+nc；

步骤2.5)对于步骤2.4)得出的一元线性方程，进行颗粒群的冲击速度区间[V₁，V_i]内的拟合求解，计算得出速度指数n和b，再换算得到待求常数β，即β＝e^b；

步骤2.6)对于待测试块安放角度α的范围区间[0°，90°]，重复步骤2.1)～步骤2.5)，定量的计算得出在给定颗粒群的冲击速度区间[V₁，V_i]内，不同待测试块安放角度α对应的速度指数n。

2.根据权利要求1所述的一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法，其特征在于：所述高压气瓶中的气体为氢气、氮气或氦气。

3.根据权利要求1所述的一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法，其特征在于：所述颗粒群为SiO₂、Al₂O₃或两者的混合物。