王治国 ，曹 锴，梁治国，王文娟

(1.西安石油大学 机械工程学院，西安 710065；2.咸阳市特种设备检验所，陕西 咸阳 712000)

冲蚀是指材料受到流体携带的固体颗粒冲击时，表面出现磨损破坏的现象[1]。Chen[2]等人发现砂质量速率增加时，材料冲蚀速率首先增加，然后小于某个砂质量速率。Levy[3]提到30%石英砂质量分数条件下的冲蚀试验，每千克石英砂造成的试样失质量并未显著增加，侧面证明石英砂质量分数增加时，颗粒在撞击试样表面之前，相互碰撞过程中消耗一定的能量，从而使总的冲蚀速率会降低。杨向同[4]等人也指出固体颗粒之间碰撞导致的动能消耗使得冲蚀速率先减小后缓慢增加。Mansouri[5]根据1%～15%石英砂质量分数下的冲蚀试验结果，与Eulerian-Granular和Eulerian-Lagrangian数值模拟预测结果对比，观察到高石英砂质量分数条件下，Eulerian-Granular的预测结果与试验数据变化趋势更为符合。试验结果显示，试样冲蚀速率(kg·kg-1)近似保持恒定，甚至略有下降。Finnie[6]指出表面粗糙度和流体湍流度之间的关系，因侵蚀而变得粗糙的试样表面会增加流体湍流度，导致试样表面的冲蚀磨损速率增加。

地层出砂对防砂筛管的冲蚀是大量固体颗粒以不同角度、速度撞击筛管的过程。Deng[7]等人通过室内试验，研究了不同砾石充填参数下的油井产量和出砂率，得到了处理采油速度的参数。刘新峰[8]等人通过试验方法，研究了316L不锈钢和434金属棉耐蚀性的影响。王保全[9]等人针对筛管，证明了喷射式和过流式2种冲蚀试验研究方法的合理性，试验结果重现性好，试验结果偏差小。吕宁博[10]等人针对防砂筛管金属材料，即304不锈钢，研究了不同冲蚀速度和角度对筛管冲蚀速率的影响。但是，随着高产气井地层出砂量的增加，关于石英砂质量分数对304不锈钢冲蚀速率的影响一直缺乏相关准确的试验结果。

本文利用试验室自制的喷射式冲蚀试验装置，研究304不锈钢在蒸馏水与石英砂形成的液固两相流体作用中的冲蚀规律，得到冲蚀时间和石英砂质量分数两种因素下304不锈钢材料冲蚀速率的研究结果，为不锈钢防砂筛管的进一步应用提供参考依据。

1 试验工作

1.1 试验材料及介质

试验材料取自某油田现场用304不锈钢材，其化学成分如表1，力学性能如表2。

表1 304不锈钢成分 wb%

表2 304不锈钢力学性能

为研究石英砂质量分数对304不锈钢冲蚀速率的影响，采用清水作为液体介质，石英砂质量分数为0.49%～5.5%。选定流速为10 m/s。固定喷射角为90°。

1.2 试验装置及方法

冲蚀试验在自制的冲蚀试验装置进行，试验设备如图1所示。304不锈钢(SS304)制成40 mm×40 mm×4 mm试样。将试样待冲蚀面分别用80#、400#、600#、1000#、1500#砂纸逐级打磨。首先用丙酮除油，之后酒精冲洗，最后吹风机吹干，并使用电子天平称量其初始质量后备用。

图1 冲蚀试验流程

试样固定在试验台试样夹持器中。固定在喷嘴中心，调整夹持器与喷嘴中心线之间的角度，满足90°冲击角度。按1%～5%质量分数的石英砂加入至蒸馏水中，配成液固两相流体。固体颗粒选取直径0.3 mm石英砂，石英砂SEM如图2所示。配置好的液固两相流体倒入搅拌罐中，启动搅拌器，保持液固两相均匀混合，然后通过砂浆泵引导至喷嘴，高速喷出后冲击试样。采用AC770-T3型伟创变频器控制砂浆泵转速，达到所需流速后开始试验。

图2 试验中使用的砂SEM图

试验温度控制在24～40 ℃，当温度超过40 ℃时，停止试验，使得两相流体自然冷却，达到温度范围后，再继续进行实验。SS304不锈钢的密度是7 930 kg/m3。喷嘴直径7 mm，距离喷嘴为2倍喷嘴直径，2D=14 mm。试验前在喷嘴出口处测量石英砂质量分数。试样失重采用FR10046电子天平称质量，精度0.1 mg。

冲蚀速率计算公式：

(1)

式中：m0为试样冲蚀前质量，g；m1为试样冲蚀后质量，g；ER为冲蚀速率，kg·kg-1；Msand是砂流量，kg/s；t为冲刷磨损试验时间，s。

2 试验结果及分析

2.1 冲蚀时间对304不锈钢材冲蚀速率的影响

试验过程存在喷嘴出口石英砂质量分数不恒定的情况，搅拌罐中加入的石英砂质量分数为1%～5%，实际喷嘴出口处石英砂质量分数为0.49%～5.52%。为保证测得的试验数据准确性，每隔50 min中断1次冲蚀试验，取样称量试样质量和测量喷嘴出口处石英砂质量分数，得到试样冲蚀速率与冲蚀时间之间的关系如图3所示。

图3 试样冲蚀磨损速率与冲蚀时间之间关系

由图3可以看出，在4种石英砂质量分数下，试样冲蚀速率随冲蚀时间的增加而逐渐降低。在石英砂质量分数高于2.99%时，试样冲蚀速率缓慢降低，在100 min以后趋于稳定值。试验初期，石英砂颗粒的棱角分明，冲击试样时，颗粒表面的尖锐棱角对试样表面的切削作用很强。随着冲蚀时间的延长，不规则的固相颗粒逐渐被磨平，固相粒子对试样表面的切削作用减弱，冲蚀速率降低并趋于平缓。

4种石英砂质量分数中，0.49%石英砂质量分数试验条件下的试样冲蚀速率降低更快，2.99%、3.21%和5.52% 3种试验条件下的试样冲蚀速率表现出几乎相同的变化趋势。石英砂质量分数达到一个界限值，会在试样表面形成砂保护层，减少固相颗粒对试样表面的冲击作用，与文献[3]和[11]的研究结果相一致。

2.2 石英砂质量分数对304不锈钢材冲蚀速率的影响

图4为石英砂质量分数和试样冲蚀速率之间的关系。结果表明，在低石英砂质量分数(<1%)时，材料的冲蚀速率较高。石英砂质量分数达到3%左右，由于固体颗粒间存在互相碰撞而消耗动能，以及较高石英砂质量分数下，石英砂颗粒在试样表面形成砂保护层，试样的冲蚀速率和材料失质量均降低。在高石英砂质量分数下(>5%)，冲蚀速率趋于一个稳定值，但是材料总的失质量会增加。

图4 砂含量与冲蚀速率关系

图5为冲蚀时间和材料失质量之间的关系。可以看出，5.52%石英砂质量分数条件下，材料失质量较高；0.49%、2.99%和3.21% 3种石英砂质量分数条件下下材料失质量变化趋势一致。试验结果证明，高石英砂质量分数会导致更高的材料失质量，因为会有更多的颗粒撞击目标表面。

图5 冲蚀时间和失重量关系

由于石英砂质量分数的变化，导致颗粒冲击试样频率的差异，促使材料表面出现不同的冲蚀形貌。先前研究成果[12-14]说明不同半径范围内，颗粒对试样表面的撞击角度和撞击速度不同。崔锐[15]和王治国[12]通过试验和数值模拟相结合，将试样表面冲蚀形貌划分为3个区域，得出区域Ⅰ以颗粒的高角度低流速的撞击坑为主；区域Ⅱ以高流速低角度的切削为主，存在犁沟；区域Ⅲ以低流速和低角度的切削为主要冲蚀机制，有部分反弹颗粒撞击表面留下撞击坑。区域Ⅰ为材料冲蚀的中心区域，区域Ⅱ为近中心区域，区域Ⅲ为远离中心区域。图6为304不锈钢材料冲蚀后表面形貌不同区域划分图。

图6 304不锈钢材料冲蚀后表面形貌不同区域划分

0.49%、2.99%和5.52% 3种石英砂质量分数下的扫描电镜图分析结果如图7～9所示。可以看出，随着石英砂质量分数的增加，颗粒撞击的频率增加，颗粒冲击试样表面形成的凹坑增加，塑性变形先增加后减少。5.52%石英砂质量分数条件下，试样表面的褶皱和薄片等塑性变形全部脱落，导致材料失质量增加。

图7a是区域Ⅰ的冲蚀微观形貌。该区域以撞击坑为主，能量主要集中在竖直方向。材料表面为有数的冲击坑和犁沟。图7b为区域Ⅱ冲蚀微观形貌。该区域存在少量的原始表面，相对于区域Ⅰ，该区域冲蚀机理以切削和褶皱，以及反复的切削作用下薄片脱落产生的凹坑为主。图7c为区域Ⅲ的冲蚀微观形貌，冲蚀机理主要以切削为主，有少量犁沟，切削过程中冲击薄片较少，同时仅有少量固体颗粒到达该位置。

图7 0.49%石英砂质量分数下不同区域冲蚀微观形貌

图8为2.99%石英砂质量分数下清水中试样3个区域冲蚀微观形貌图。相比于图7可以看到，石英砂质量分数增加导致固体颗粒冲击试样表面的频率增加。区域Ⅰ的撞击坑、区域Ⅱ的褶皱和区域Ⅲ的犁沟数量增加，试样表面较为粗糙，出现了更多撞击坑和塑性变形，但是金属剥落现象较少。宏观上表现为试样冲蚀速率和失质量降低。

图8 2.99%石英砂质量分数下不同区域冲蚀微观形貌

由图9可以看出，当石英砂质量分数达到5.52%时，试样表面区域Ⅰ中形成更多的冲击坑，没有褶皱和凸起。区域Ⅱ中形成的撞击坑密集度更高，其余表面较为平整。区域Ⅲ切削产生的薄片增多，犁沟数量减少，表明石英砂质量分数增加，到达该区域的颗粒数量增多。试样整体微观形貌更为平整光滑，冲击坑的数量增加且深度较浅，有金属剥落现象，宏观上表现为试样冲蚀速率略微降低，失质量增加。

图9 5.52%石英砂质量分数下不同区域冲蚀微观形貌

当石英砂质量分数较高时，金属表面的凸起及褶皱等塑性变形被高频率固体砂颗粒撞击和切削，导致大块脱落。因此，随着石英砂质量分数的增加，金属材料塑性变形增多和冲刷导致材料大块脱落产生交互作用，引起总的金属试样失质量增加。但是，试样表面附近存在固体颗粒间相互碰撞的因素，引起总的冲蚀速率小幅度降低。

3 结论

1) 利用自行研制的喷射式液固两相流冲蚀试验装置，研究了石英砂质量分数对防砂筛管用SS304不锈钢材料的冲蚀规律。

2) 石英砂质量分数达到2.99%时，试样表面有砂保护层现象，撞击试样表面反弹的颗粒阻挡后续固体颗粒对试样表面进行撞击，颗粒之间的碰撞消耗一部分动能，是试样冲蚀速率减少的主要原因。继续增加石英砂质量分数，冲蚀速率小幅度减少。

3) SS304不锈钢材料的失质量随冲蚀时间的增加而增加。试验初期，石英砂颗粒的棱角分明，之后逐渐被磨平变的圆润，切削作用减弱。0～50 min冲蚀时间内，试样失质量较高。50～150 min冲蚀时间内，失质量增加趋势减缓。0.49%石英砂质量分数下，颗粒间碰撞频率较低，颗粒表面的尖锐棱角磨平较慢，颗粒切削作用强，试样失质量较低，但是冲蚀速率较高；石英砂质量分数增加导致颗粒间碰撞频率增加，石英砂质量分数增加至3.21%，失质量略微降低，同时冲蚀速率小幅度减少。5.52%石英砂质量分数下，失质量快速增加，冲蚀速率小幅度减少。

4) 0.49%石英砂质量分数下，试样表面的冲击坑、犁沟、切削和褶皱等塑性变形数量增加，材料的破坏主要以金属脱落为主。当石英砂质量分数达到2.99%后，固体颗粒冲击试样的频率和颗粒间碰撞频率同时增加，撞击试样产生的冲击坑数量增加，引起试样表面粗糙度增加。此时，颗粒间碰撞消耗动能的因素占据主导地位，引起试样失质量略微减少，冲蚀速率降低较多。5.52%石英砂质量分数下，固体颗粒对试样表面高频率撞击，导致金属材料塑性变形增多和材料大块脱落之间的交互作用占据主导地位，试样失质量急剧增加。