CN112577840A - 一种喷射式固液双相流冲蚀磨损试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冲蚀磨损领域，具体为一种喷射式固液双相流冲蚀磨损试验装置及方法。包括泥沙泵，三通阀，节流阀，电磁流量计，喷管，喷射室，转轴，转轴转动与固定装置，样品台和储液箱；泥沙泵分别与储液箱和三通阀门连接，三通阀门的另外两端的其中一端通过电磁流量计与喷管连接，另一端通过节流阀与储液箱连接；样品台上夹持有样品，样品台放置在喷射室内，喷管穿过喷射室出口位于样品台的上方，样品台的两侧连接有转轴，通过位于喷射室外侧壁的转轴转动与固定装置带动转轴转动和固定，从而实现样品台的转动和固定。本发明具有冲蚀角度和冲蚀速度调节功能，可以精确测试材料抗冲蚀磨损性能与材料特性、冲蚀角度、冲蚀速度等参数之间的关系。
Description
技术领域
本发明属于冲蚀磨损领域，具体涉及一种喷射式固液双相流冲蚀磨损试验装置及方法。
背景技术
泥沙冲蚀磨损是指金属与含沙水流之间由于相对运动而导致的金属表层材料去除现象。冲蚀磨损普遍存在于石油、化工、水利等行业中，且极易导致关键零部件和设备严重损坏。为了更加深入研究泥沙冲蚀磨损规律，进而探寻更为有效的抗冲蚀防护技术以及抗冲蚀材料，因而迫切需要研制出能够实现多工况的泥沙冲蚀试验装置。目前，国内外泥沙冲蚀磨损试验装置主要分为三种类型：一是旋转式冲蚀磨损试验机，二是管道式冲蚀磨损试验机，三是喷射式冲蚀磨损试验机。
专利CN 102564934A公开了一种旋转式固液两相流冲刷磨损试验装置，该装置主要包括电机1、钟形罩2、上安装板6、搅拌轴9、下安装板12、浆料罐15、试件安装板16、转盘18；所述钟形罩2与上安装板6连接，电机1固定在钟形罩2上方，上安装板6下方设置有浆料罐15，且浆料罐通过螺栓与下安装板12连接固定；所述搅拌轴9通过联轴器与电机1连接，搅拌轴9下端固定有转盘18，转盘18上设置有试件安装板16，试件安装板可同时夹持多个试样。该装置工作时，试样通过试件安装板16安装在转盘18上，转盘18位于浆料罐15内，浆料罐15内装有浆料，电机1通过转轴9带动转盘18转动，转盘18转动时，浆料也随着转盘18一起转动，这样可以对试样起到一定的冲刷作用，能够模拟实际工况中的冲刷形式。
但是相关专利中提及的装置存在以下不足：1、该装置只能模拟旋转式冲蚀工况环境，而不能对管道冲蚀工况进行模拟试验研究；2、利用该装置时，由于试样在浆料罐中旋转冲蚀，而且浆料的实际运动情况复杂变化，因此其对应的冲蚀速度很难精确测量和控制。3、在浆料罐中试样与冲蚀颗粒的碰撞是随机的，因此在旋转冲蚀过程中难以保证冲蚀颗粒撞击角度的一致性，即冲蚀角度难以精确控制，影响模拟试验的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种喷射式固液双相流冲蚀磨损试验装置及方法，可以方便准确地对冲蚀速度和冲蚀角度进行调节。喷射式冲蚀磨损试验装置包括喷管、管路、泵以及储液箱等，浆料在泵作用下经喷管流出，以一定角度和速度喷射到试样表面。该装置可以精确模拟多工况下材料的冲蚀磨损失效，具有冲蚀角度和冲蚀速度易精确控制等优点。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种喷射式固液双相流冲蚀磨损试验装置，包括通过管道连接的泥沙泵，三通阀，节流阀，电磁流量计，喷管，喷射室，转轴，转轴转动与固定装置，样品台和储液箱；
所述泥沙泵通过管道分别与储液箱和三通阀门连接，所述三通阀门的另外两端的其中一端通过电磁流量计与喷管连接，另一端通过节流阀与储液箱连接；
所述样品台上夹持有样品，所述样品台放置在喷射室内，喷管穿过喷射室出口位于样品台的上方，所述样品台的两侧连接有转轴，通过位于喷射室外侧壁的转轴转动与固定装置带动转轴转动和固定，从而实现样品台的转动和固定。
进一步的，还包括电机和定时器，所述定时器和电机的输入端连接，所述电机的输出端连接泥沙泵。
进一步的，所述管道采用304不锈钢材料。
进一步的，所述喷管通过转换接头与管道可拆卸的连接，所述喷管的材质为碳化硼材料。
进一步的，所述样品台的中间上部开设有沉槽，样品台位于沉槽的前侧设有螺纹通孔，螺纹通孔内配设有螺纹杆，通过转动螺纹杆将样品夹持在螺纹杆和沉槽与螺纹杆相对的一侧壁之间；所述样品台的材质为碳化硼材料。
进一步的，所述转轴穿过喷射室相对的两侧与转轴转动与固定装置连接，所述喷射室的转轴穿过的外侧壁上设有角度标线，所述转轴靠近角度标线上固定设有角度指针。
进一步的，所述喷射室设置在储液箱的上方，喷射室的下方呈漏斗型，喷管流出的液体通过喷射室底部出口回流入储液箱中。
进一步的，还包括搅拌电机和搅拌桨片；
所述搅拌电机带动搅拌桨片，使桨片转动实现对储液箱中盛放的试验溶液的搅拌。
进一步的，还包括温度控制柜和加热单元；加热单元放置在喷射室外部的储液箱内，温度控制柜放置在储液箱外部并与加热单元连接；
所述泥沙泵是ZW型自吸泵，所述储液箱的一侧的底部设有排水阀。
一种利用上述的装置进行冲蚀磨损试验的方法，包括如下步骤：
步骤(1)：通过样品台夹持试验样品，通过转动转轴设定不同的冲蚀角度参数；
步骤(2)：依据试验要求，通过温度控制柜设置好试验温度，当储液箱内的溶液温度低于试验设定温度时，加热单元开始自动加热，储液箱中的试验溶液温度逐渐增加；当储液箱内的溶液温度达到试验设定温度时，加热单元停止加热，如此来保持储液箱中的试验溶液温度稳定；启动搅拌电机带动搅拌桨片对储液箱内的溶液进行搅拌；
步骤(3)：泥沙泵输出端流出的液体经由三通阀门的两端口流出，通过调整节流阀来调节回流至储液箱中的流体流量，以此来改变通过电磁流量计的流体流量，然后通过电磁流量计的具体读数即可得到流体通过喷管的流量Q，已知喷管的管径D和通过喷管的流体流量Q，依据计算公式Q＝vπ(D/2)2即可确定出流体冲蚀速度v，反之已知试验所需的冲蚀速度就可以确定出流量，然后通过调整节流阀，确定电磁流量计的读数，即可确定试验冲蚀流量参数；
步骤(4)：喷管喷出的液体对样品进行冲蚀磨损试验，之后液体进入储液箱。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的喷射式固液双相流冲蚀磨损实验装置，利用浆料对试样进行冲蚀磨损试验，浆料在试验装置中循环利用，可以有效降低环境污染；试验样品台可以自由更换，可以有效避免因浆料长时间对其冲蚀磨损破坏，而导致样品夹持精度降低的问题，同时样品台的样品夹持机构也可方便改变，可以根据不同的样品尺寸要求，只需改变样品夹持结构即可更换不同尺寸的试验样品；本实验装置结构设计简单，管道全部采用活动接头连接，可以在长时间管道冲蚀磨损试验后，方便快捷更换新管道，可以有效降低试验周期。
(2)本发明的样品台两侧端面与转轴连接，喷射室外侧面上刻有角度标线，靠近角度标线的转轴上固定有角度指针，角度指针随转轴转动而指向出不同角度值，可用以调节冲蚀角度，在确定好冲蚀角度后，通过定位销和旋紧螺母将转轴以及样品台固定，可以实现出角度精确可控的功能，此装置可根据不同试验要求设定不同的冲蚀角度参数。
(3)本发明的喷射式固液双相流冲蚀磨损实验装置，采用固定流量泥沙泵将储液箱中的浆料输送到管道中，再经管道末端连接的喷嘴中喷出，同时通过调整节流阀来调节回流至储液箱中的流体流量，以此来改变通过喷管的流量，并在该管路上安装有电磁流量计精确显示流量数值，通过节流阀来精确改变喷管流量，进而精确控制喷射速度，并且喷射速度连续可调。
附图说明
图1为本发明的冲蚀磨损试验装置示意图。
图2为本发明的样品台示意图。
图3为本发明的夹持样品台组装示意图。
图4为图1中角度标线和角度指针局部放大示意图。
图5为本发明的角度调节结构示意图。
附图标记说明：
1-电机，2-泥沙泵，3-耐磨管道，4-三通阀，5-节流阀，6-电磁流量计，7-转换接头，8-喷管，9-喷射室，10-角度标线，11-角度指针，12-转轴，13-样品台，14-搅拌电机，15-温度控制柜，16-加热单元，17-排水阀，18-搅拌桨片，19-底座，20-储液箱，21-定时器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
在图1中，温度控制柜15和加热单元16组成温度控制系统，加热单元16放置在喷射室外部的储液箱20内，温度控制柜15放置在储液箱外部并与加热单元16相连接。储液箱20上方设置有搅拌电机14，并且搅拌电机14与搅拌桨片18连接，使桨片转动来对储液箱20中盛放的试验溶液进行搅拌。电机1的输入端与定时器21连接，电机的输出端连接泥沙泵2，泥沙泵将储液箱20内的溶液吸入耐磨管道3中，试验溶液从三通阀门4一端流入，再经三通阀门两端口流出，其中一端通过管道回流至储液箱20中，该管路上设置有节流阀5；另一端通过管道与喷管8相连接，来对试样进行冲蚀磨损试验，该管路上安装有电磁流量计6，管路延伸至喷射室9内，喷管8正下方安装有样品夹持装置，喷管8流出的液体通过喷射室底部出口回流入储液箱20中。储液箱20中安装有加热单元16，储液箱20上方安装有搅拌电机14，且电机带动搅拌桨片18来对储液箱内的溶液进行搅拌。
喷管8出口的喷射流速通过固定流量泥沙泵2、三通阀门4、节流阀5和喷管8的管径、电磁流量计6来精确调节和控制。固定流量泥沙泵2是常用的耐腐耐磨ZW型自吸泵，其额定流量为8m3/h，功率为1.5Kw。泥沙泵2输出端流出的液体经由三通阀门4的两端口流出，通过调整节流阀5来调节回流至储液箱20中的流体流量，以此来改变通过电磁流量计6的流体流量，然后通过电磁流量计6的具体读数即可得到流体通过喷管8的流量Q，已知喷管8的管径D和通过喷管的流体流量Q，依据计算公式Q＝vπ(D/2)2即可确定出流体冲蚀速度v，反之已知试验所需的冲蚀速度就可以确定出流量，然后通过调整节流阀5，确定电磁流量计6的读数，即可确定试验冲蚀流量参数。
如图2所示，夹持样品台13用于放置试验样品，样品台13中间开凿出30x30x8mm的沉槽，并在样品台13的一端侧面上钻出φ6mm的螺纹孔，将试验样品放置在孔槽中，再利用孔槽内侧面和旋紧螺杆来夹紧试验样品，使试验样品固定在样品台13中，确保冲蚀过程中的稳定性。
如图3、图5所示，样品台13的两侧端面与尺寸为φ20mm的转轴12连接，转轴12通过喷射室9，喷射室9外侧面上刻有角度标线10，靠近角度标线10的转轴12上固定有角度指针11，角度指针11随转轴12转动而指向出不同角度值，可用以调节冲蚀角度，根据不同试验要求设定不同的冲蚀角度参数。储液箱20内安装有加热单元16，储液箱外部的温度控制柜15与加热单元16相连接，温度数值显示在温度控制柜15的面板上，可依据试验要求，预先通过温度控制柜15设置好试验温度。当储液箱20内的溶液温度低于试验设定温度时，加热单元16开始自动加热，储液箱中的试验溶液温度逐渐增加；当储液箱20内的溶液温度达到试验设定温度时，加热单元16停止加热，如此来保持储液箱中的试验溶液温度稳定。
本发明通过精确控制流体冲蚀速度、冲蚀角度和喷射液体温度，可以实现对样品的多因素试验操作。
本冲蚀磨损试验装置设置有温度自动控制系统，可以预先设置好试验所需温度，来自动控制试验溶液的温度；管道上安装有电磁流量计和节流阀，可根据电磁流量计的读数以及调整节流阀来控制流体流量大小，进而控制喷射速度。本发明具有冲蚀角度和冲蚀速度调节功能，可以精确测试材料抗冲蚀磨损性能与材料特性、冲蚀角度、冲蚀速度等参数之间的关系，为深入研究材料冲蚀磨损失效机制奠定基础，也为研发抗冲蚀磨损防护技术及抗冲蚀磨损材料提供重要支撑。
Claims (10)
1.一种喷射式固液双相流冲蚀磨损试验装置，其特征在于，包括通过管道连接的泥沙泵(2)，三通阀(4)，节流阀(5)，电磁流量计(6)，喷管(8)，喷射室(9)，转轴(12)，转轴转动与固定装置，样品台(13)和储液箱(20)；
所述泥沙泵(2)通过管道分别与储液箱(20)和三通阀门(4)连接，所述三通阀门(4)的另外两端的其中一端通过电磁流量计(6)与喷管(8)连接，另一端通过节流阀(5)与储液箱(20)连接；
所述样品台(13)上夹持有样品，所述样品台(13)放置在喷射室(9)内，喷管(8)穿过喷射室(9)出口位于样品台(13)的上方，所述样品台(13)的两侧连接有转轴(12)，通过位于喷射室(9)外侧壁的转轴转动与固定装置带动转轴(12)转动和固定，从而实现样品台(13)的转动和固定。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括电机(1)和定时器(21)，所述定时器(21)和电机(1)的输入端连接，所述电机(1)的输出端连接泥沙泵(2)。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管道采用304不锈钢材料。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷管(8)通过转换接头(7)与管道可拆卸的连接，所述喷管(8)的材质为碳化硼材料。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述样品台(13)的中间上部开设有沉槽，样品台(13)位于沉槽的前侧设有螺纹通孔，螺纹通孔内配设有螺纹杆，通过转动螺纹杆将样品夹持在螺纹杆和沉槽与螺纹杆相对的一侧壁之间；所述样品台(13)的材质为碳化硼材料。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转轴(12)穿过喷射室(9)相对的两侧与转轴转动与固定装置连接，所述喷射室(9)的转轴穿过的外侧壁上设有角度标线(10)，所述转轴(12)靠近角度标线(10)上固定设有角度指针(11)。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷射室(9)设置在储液箱(20)的上方，喷射室(9)的下方呈漏斗型，喷管(8)流出的液体通过喷射室(9)底部出口回流入储液箱(20)中。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括搅拌电机(14)和搅拌桨片(18)；
所述搅拌电机(14)带动搅拌桨片(18)，使桨片转动实现对储液箱(20)中盛放的试验溶液的搅拌。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括温度控制柜(15)和加热单元(16)；加热单元(16)放置在喷射室外部的储液箱(20)内，温度控制柜(15)放置在储液箱(20)外部并与加热单元(16)连接；
所述泥沙泵(2)是ZW型自吸泵，所述储液箱(20)的一侧的底部设有排水阀(17)。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的装置进行冲蚀磨损试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：通过样品台(13)夹持试验样品，通过转动转轴(12)设定不同的冲蚀角度参数；
步骤(2)：依据试验要求，通过温度控制柜(15)设置好试验温度，当储液箱(20)内的溶液温度低于试验设定温度时，加热单元(16)开始自动加热，储液箱(20)中的试验溶液温度逐渐增加；当储液箱(20)内的溶液温度达到试验设定温度时，加热单元(16)停止加热，如此来保持储液箱中的试验溶液温度稳定；启动搅拌电机(14)带动搅拌桨片(18)对储液箱(20)内的溶液进行搅拌；
步骤(3)：泥沙泵(2)输出端流出的液体经由三通阀门(4)的两端口流出，通过调整节流阀(5)来调节回流至储液箱(20)中的流体流量，以此来改变通过电磁流量计(6)的流体流量，然后通过电磁流量计(6)的具体读数即可得到流体通过喷管(8)的流量Q，已知喷管(8)的管径D和通过喷管的流体流量Q，依据计算公式Q＝vπ(D/2)2即可确定出流体冲蚀速度v，反之已知试验所需的冲蚀速度就可以确定出流量，然后通过调整节流阀(5)，确定电磁流量计(6)的读数，即可确定试验冲蚀流量参数；
步骤(4)：喷管(8)喷出的液体对样品进行冲蚀磨损试验，之后液体进入储液箱(20)。
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