CN107766626A - 一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能影响因子评价方法，具体包括：选取液固两相流冲蚀磨损性能影响因素；根据试验材料2Cr13不锈钢应用工况环境经验，确定各因素的水平值，设计带交互作用因子的三因素两水平正交表；根据正交表的试验方案进行冲蚀磨损试验；对试验数据进行极差和方差分析，得到冲蚀磨损性能显著性影响因素并进行排序，确定各因素的影响程度。本发明的评价方法最大限度地减少了人为因素对数据处理的误差，保证了对液固两相流冲蚀磨损试验结果统计分析的准确性。

Description

一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响 因子评价方法

技术领域

本发明涉及一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法，属于冲蚀磨损试验设计领域。

背景技术

液固两相流冲蚀磨损现象普遍存在于冶金、矿山、化工、采矿、水电等行业中，是导致各种管道、杂质泵、阀等过流部件快速损坏的重要原因。在液固两相流冲蚀磨损工况下，材料的损坏既有流体的机械磨损作用，也有流体介质的腐蚀作用，同时还有机械磨损与腐蚀两者之间的协同(交互)作用。多数情况下，交互作用引起的材料流失速率比纯腐蚀和纯机械磨损之和要大的多，其危害程度更大。国内外研究者针对冲蚀磨损条件下，机械磨损与腐蚀两者之间的交互作用进行了大量工作，但大多是在特定单因素条件下，分别进行纯冲刷磨损试验、纯腐蚀试验和冲蚀磨损试验，得到纯冲刷磨损失重率、纯腐蚀失重率和冲蚀磨损失重率(总失重率)，然后按下式计算得到交互作用失重率：

V_t＝V_e+V_c+V_s (1)

式中：V_t——冲蚀磨损作用造成的材料总失重率；

V_e——单纯机械冲刷磨损引起的材料失重率；

V_c——单纯腐蚀引起的材料失重率；

V_s——冲刷磨损和腐蚀的交互作用失重率。

例如，郑玉贵，姚治铭，李生春等.泥浆型冲蚀中冲刷和腐蚀的交互作用[J].中国腐蚀与防护学报,1993,13(4):390-395和刘新宽，马明亮，方其先.泥浆型冲刷-腐蚀交互作用的研究[J].腐蚀与防护,1998,19(6):253-255的两篇文献中，冲刷腐蚀总失重率和纯冲刷失重率用旋转失重法测试，静态腐蚀速率由同一介质的静态浸泡试验求得，通过实验分别获得各单项失重率占总失重率的百分比，通过计算获得冲刷-腐蚀间的交互作用，从而确定交互作用对材料冲蚀磨损性能的影响。刘新宽，方其先.两种不锈钢冲刷腐蚀的研究[J].化工机械,1998,25(1):12-15一文中主要分析了不同速度、冲刷角度单独作用效果对材料耐冲蚀磨损性能的影响，没有充分考虑到因素间的交互作用。鲍崇高，高义民，邢建东.水轮机过流部件材料的冲蚀磨损腐蚀及其交互作用[J].西安交通大学学报,2010,44(11):67-70一文中采用失重法获得总的冲蚀磨损质量损失和纯磨损量，使用电化学方法测出纯腐蚀量，通过公式计算获得交互作用损失量，随后进行对比排序，这些方法需要分别进行总失重量、纯磨损量和纯腐蚀量的试验，不仅实验次数多，工作量大，而且由于人为的划分出纯磨损和纯腐蚀试验，会引入更大的试验误差。

影响材料耐冲蚀磨损性能的因素有很多，包括料浆速度、环境温度、冲击角度、固体颗粒物的含量、固体颗粒物的大小、pH值、靶材性能等，需根据实际使用状况以及已有经验，有针对性地选取某些主要影响因素进行试验。采用多因素正交试验及考虑因素间交互作用对材料冲蚀磨损性能影响的研究报道还较少。吴凯，杜晓东，丁厚福等.冲击腐蚀磨损系统中影响因素的正交分析[J].热加工工艺,2005,(12):1-2一文中虽然采用正交试验设计方法研究了不同因素对材料冲蚀磨损性能的影响，但是仅对单个因素作用进行了分析总结，没有考虑因素间的交互作用。而一些研究和我们的试验结果表明，在很多情况下，因素间的交互作用对试验结果的统计分析与准确判断有可能会产生较大的影响，应引起足够重视。

发明内容

为了克服现有的冲蚀磨损试验研究过程中存在的不足，本发明提供了一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法。本发明的评价方法最大限度地减少了人为因素对数据处理的误差，保证了对液固两相流冲蚀磨损试验结果统计分析的准确性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法，包括以下步骤：

(1)确定液固两相流冲蚀磨损性能影响因素

(2)正交试验设计

根据试验材料的应用工况环境经验，确定步骤(1)中各个影响因素的水平值，并根据影响因素和水平值设计正交表；

(3)冲蚀磨损试验

根据步骤(2)设计的正交试验方案进行冲蚀磨损试验，每组试验方案重复三次，通过测量冲蚀磨损前后试样重量，得到失重量，取平均值，通过计算获得每组试验条件下试样的失重率；

(4)对试验数据进行极差和方差分析

对试验数据进行极差和方差分析，得到冲蚀磨损性能显著性影响因素并进行排序，确定各因素的影响程度。

作为本发明优选的技术方案，所述步骤(1)中影响因素选为冲击速度、料浆温度、料浆中硫酸浓度。

作为本发明优选的技术方案，所述步骤(2)中影响因素的水平值设为两个，根据步骤(1)确定的三个因素及其两水平设计带交互作用三因素两水平的L₈(2⁷)正交表。

作为本发明优选的技术方案，所述步骤(2)中试验材料为2Cr13不锈钢。

作为本发明优选的技术方案，所述步骤(3)中在进行试样冲蚀磨损试验前，需要对试样进行预处理，具体过程为：将试样材料切割成长方体试样，并将其中一面作为冲蚀面，将冲蚀面用砂纸打磨至1200目，抛光，分别用丙酮和酒精超声清洗，干燥处理后称量试样的初始重量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的评价方法考虑了多因素之间的交互作用，特别是三因素间交互作用因子的影响，保证了后续对试验结果的方差分析中误差项(最小两项)的正确选取，最大限度地减少了人为因素对数据处理的误差，准确得出了试验各因素及其交互作用对冲蚀磨损性能影响的显著性程度，评价结果更具可靠性和科学性。

(2)本发明的评价方法中，通过方差分析结果表明：有时交互作用项比单因素的影响更大，例如，本发明中料浆温度与硫酸浓度之间的交互作用比冲击速度的影响还大，由于考虑了三因素间的交互作用因子，冲击速度与料浆硫酸浓度之间的交互作用也表现具有显著性，而通常在进行正交试验方差分析时如不考虑三因素间的交互作用，冲击速度与料浆硫酸浓度之间的交互作用被当作误差项，造成某些因子的影响作用被掩盖，那就不能判断其显著性。

(3)采用本发明的评价方法具有试验次数少、效率高等优点，而且可以快速、准确地分析得出各影响因素及其协同交互作用对2Cr13不锈钢液固两相流冲蚀磨损性能的影响规律。

(4)本发明的评价方法为液固两相流或多相流冲蚀磨损试验提供了一种新的设计思路和研究方法，也可为其它试验领域研究提供参考借鉴。

具体实施方式

本发明提供一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法，具体包括以下步骤：

(1)确定液固两相流冲蚀磨损性能影响因素，影响因素可以从料浆速度、环境温度、冲击角度、固体颗粒物的含量、固体颗粒物的大小、pH值、靶材性能等中进行选取。

作为本发明的一种实施方式，根据液固两相流冲蚀磨损性能的主要影响因素，步骤(1)中影响因素选为料浆冲击速度、料浆温度、料浆中硫酸浓度。

(2)正交试验设计，根据试验材料的应用工况环境经验，确定步骤(1)中各个影响因素的水平值，并根据影响因素和水平值设计正交表。

作为本发明的一种实施方式，各个影响因素的水平值为两个，根据确定的三个因素及其两水平设计带交互作用三因素两水平的L₈(2⁷)正交表，该正交表中包括7个因子、2个水平组成的8组试验方案。

作为本发明的一种实施方式，试验材料为2Cr13不锈钢。

作为本发明的另一种实施方式，根据2Cr13不锈钢的应用工况环境，冲击速度选为800r/min、1200r/min，料浆温度选为25℃、45℃，料浆中硫酸浓度选为0.025mol/L、0.05mol/L。

(3)冲蚀磨损试验，根据步骤(2)设计的正交试验方案进行冲蚀磨损试验，每组试验方案重复三次，通过测量冲蚀磨损前后试样重量得到失重量，取平均值，通过计算获得每组试验条件下试样的失重率。

作为本发明的一种实施方式，在进行冲蚀磨损试验前，需要对试样进行预处理，具体过程为：将试样材料切割成长方体试样，并将其中一面作为冲蚀面，将冲蚀面用砂纸打磨至1200目，抛光，分别用丙酮和酒精超声清洗，干燥处理后称量试样的初始重量。

(4)运用极差分析法和方差分析法对试验数据进行处理，并利用极差分析结果进行各因素及其交互作用的主次排序，利用方差分析结果可进一步推断各因素及其交互作用的显著性影响程度，筛选确定出哪些因素及哪些交互作用为高度显著或显著影响因素。

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

第一步，试验影响因素的确定。本实施例中选2Cr13不锈钢为试样，确定试验影响因素为冲击速度A、料浆温度B和料浆中硫酸浓度C，各因素分别取两水平I、Ⅱ。料浆冲击速度通过调节电机转速确定，电机转速两水平分别为800r/min、1200r/min。料浆温度通过设备温控系统进行设置调节，料浆温度两水平分别为25℃、45℃。料浆中硫酸浓度两水平分别为0.025mol/L和0.05mol/L，由98％分析纯H₂SO₄和自来水配制而成。由于考虑各因素之间的交互作用，其中A×B表示冲击速度和料浆温度之间的交互作用因子、A×C表示冲击速度和料浆硫酸浓度之间的交互作用因子、B×C表示料浆温度和料浆硫酸浓度之间的交互作用因子、A×B×C表示冲击速度、料浆温度、料浆硫酸浓度三因素之间的交互作用因子。试验因子水平如表1所示。

表1试验因子水平表

第二步，正交表的选用以及实验方案的确定

首先根据水平数选取正交表，本项目为两水平，选取二水平表。其次根据因素数和交互作用数确定最少列数，本发明选用正交表列数时，每一个交互作用都看作一个影响因子，本项目有三个单因素和四个交互作用因子，所以最终确定选用L₈(2⁷)正交表。由于考虑了因素间的交互作用因子，表头设计即确定各单因素及交互作用因子在正交表各列上的正确安排非常关键。首先根据正交表L₈(2⁷)确定3个单因素所在列依次为1、2、4列，然后根据L₈(2⁷)交互列表，确定两因素交互作用因子及三因素交互作用因子的列数。最终表头设计如表2所示。

表2正交实验表头设计

根据表头设计正交表，Ⅰ表示低水平，Ⅱ表示高水平，将实际因子及水平代入，设计出冲蚀磨损带交互作用的正交实验方案，如表3所示。

表3冲蚀磨损带交互作用正交试验方案表

第三步，试样制备、试验料浆液配制以及冲蚀磨损试验

本实施例中采用试样材料为市售2Cr13不锈钢Ф65mm圆棒，切割成厚度25mm左右的块状样，在实验室箱式加热炉中加热至1050℃、保温2h后水淬，然后线切割为10mm×10mm×20mm方形试样块，其中一个10mm×10mm冲蚀表面经金相砂纸逐级打磨至1200目并抛光，分别使用丙酮、酒精经超声波清洗仪清洗5min，干燥处理后，使用精度0.1mg分析天平称取试样初始重量。采用市售粒度为20～40目的石英砂和自来水配制实验料浆液，总体积为8L，其中，石英砂质量百分比为5％。按第一步和第二步设计的试验方案，使用自制旋转式冲蚀磨损试验机进行试验，实验时间为2小时，每组实验重复三次取平均值。实验结束后，对试样再进行清洗、干燥、称量，获得材料冲蚀磨损后的重量，冲蚀磨损前后重量的差值为材料的失重量，然后计算得到失重率。

第四步，极差分析

极差计算公式如下：

R_j＝max{K_1j,K_2j}-min{K_1j,K_2j} (2)

其中，i表示试验水平，本试验方案中i＝1,2；j表示列号，本实验方案中j＝1,2,3,4,5,6,7；K_ij表示第j列中第i水平对应试验结果之和；R_j为第j列的极差。计算结果如表4所示。

表4试验结果及极差分析

采用“直观分析法”比较各因子对试验结果影响程度的主次，直观分析时，将3个两因素交互作用因子和1个三因素交互作用因子与3个单因素进行比较排序。从表4试验结果的极差分析可以得出，影响因素/因子按主次排序依次为：

B(料浆温度)>C(硫酸浓度)>B×C(料浆温度和硫酸浓度之间的交互作用因子)>A(冲击速度)>A×C(冲击速度和硫酸浓度之间的交互作用因子)>A×B(冲击速度和料浆温度之间的交互作用因子)>A×B×C(三因素之间的交互作用因子)。

第五步，方差分析

为了进一步分析各因素及其交互作用因子对冲蚀磨损失重率的影响规律，对实验结果进行了方差分析。

方差分析的具体方法如下：

设y₁,y₂,…,y_n分别为正交表L_N(m^k)的第1,2,…,N号实验结果。记

第j列因子效应的偏差平方和简称平方和，用S_j表示：

特别当m＝2时

自由度计算

总偏差平方和的自由度f等于正交表的试验数减1，即

f＝N-1 (6)

第j列偏差平方和的自由度等于该列水平数减1，即

f＝m-1 (7)

利用公式(4)计算得各因子平方和如表5所示。

表5平方和表

将平方和较小的后两位合并，作为误差项，获得方差分析结果，如表6所示。

查F分布表得：

F_0.25(1,2)＝2.57，F_0.1(1,2)＝8.53，F_0.05(1,2)＝18.51，F_0.01(1,2)＝98.50。

从而得到显著性检验结果为：

F_B＝11792.29>F_0.01(1,2)，所以，因子B为高度显著性(α＝0.01)；

F_C＝803.66>F_0.01(1,2)，所以，因子C为高度显著性(α＝0.01)；

F_B×C＝418.57>F_0.01(1,2)，所以，因子B×C为高度显著性(α＝0.01)；

F_A＝58.95>F_0.05(1,2)，所以，因子A为显著性(α＝0.05)；

F_A×C＝7.59>F_0.25(1,2)，所以，因子A×C有一定显著性(α＝0.25)。

因子A×C和A×B×C为误差项。

表6方差分析结果

可见，方差分析结果与极差分析结果得出的因素/因子主次排序规律一致。但方差分析可进一步显示各因素/因子对冲蚀磨损试验结果的影响程度，其中，料浆温度、硫酸浓度、料浆温度和硫酸浓度之间的交互作用因子对试验结果影响高度显著(α＝0.01)，冲击速度对试验结果影响显著(α＝0.05)，冲击速度和硫酸浓度之间的交互作用因子对试验结果有一定显著影响(α＝0.25)，其余两因子的影响较小。通过对正交实验结果的极差和方差分析，能够简单、直观地获得各试验因素/因子对试验结果的影响的主次排列及显著性，特别是通过该试验设计方法无需进行纯腐蚀和纯冲刷磨损试验即可获得因素间交互作用因子对材料冲蚀磨损性能的影响。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）确定液固两相流冲蚀磨损性能影响因素

（2）正交试验设计

根据试验材料的应用工况环境经验，确定步骤（1）中各个影响因素的水平值，并根据影响因素和水平值设计正交表；

（3）冲蚀磨损试验

根据步骤（2）设计的正交试验方案进行冲蚀磨损试验，每组试验方案重复三次，通过测量冲蚀磨损前后试样重量，得到失重量，取平均值，通过计算获得每组试验条件下试样的失重率；

（4）对试验数据进行极差和方差分析

对试验数据进行极差和方差分析，得到冲蚀磨损性能显著性影响因素并进行排序，确定各因素的影响程度。

2.根据权利要求1所述的一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法，其特征在于，所述步骤（1）中影响因素选为冲击速度、料浆温度、料浆中硫酸浓度。

3.根据权利要求2所述的一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法，其特征在于，所述步骤（2）中影响因素的水平值设为两个，根据步骤（1）确定的三个因素及其两水平设计带交互作用三因素两水平的L₈(2⁷)正交表。

4.根据权利要求1所述的一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法，其特征在于，所述步骤（2）中试验材料为2Cr13不锈钢。

5.根据权利要求1所述的一种考虑多因素交互作用的液固两相流冲蚀磨损性能的影响因子评价方法，其特征在于，所述步骤（3）中在进行试样冲蚀磨损试验前，需要对试样进行预处理，具体过程为：将试样材料切割成长方体试样，并将其中一面作为冲蚀面，将冲蚀面用砂纸打磨至1200目，抛光，分别用丙酮和酒精超声清洗，干燥处理后称量试样的初始重量。