·1748· 工程科学学报，第38卷，第12期 煤化工的全套工艺流程中普遍含有煤渣或催化剂 于产生一定马赫数的激波.激波产生之后向加速段运 等固体颗粒0，由此导致冲蚀磨损失效十分普遍.尤 动，并且带动波后气流以高速运动对颗粒拖曳加速使 其在减压塔进料阀、热高分液控阀、黑水调节角阀等严 其达到所需要的冲击速度.低压段设有测试高速气流 苛工况阀门中，由于其进出口压降高，减压汽化过程中 信号的传感器接口，传感器和电荷放大器以及动态测 气相介质流速迅速提高（最高达200ms')四，煤渣颗 试分析仪连接用于测量激波速度.本试验采用日本 粒在高速气流的驱动下对阀门衬套及下游管道造成严 KEYENCE公司生产的VW-6OO0高速摄影仪捕捉颗 重的冲蚀磨损失效.1C9Mo钢作为煤化工管道和阀 粒群的运动轨迹用于测试颗粒的冲击速度，其最大拍 门衬套的常用材料，探索其冲蚀磨损机理对管道阀门 摄帧数为24000帧·s.冲击角度通过旋转试件台架 系统的冲蚀失效预测和防控具有重要的价值 进行调节.由气一固冲蚀机理可知，当试件和颗粒性 针对高速气一固两相流冲蚀磨损失效，国内外学 质、冲击角度一定时，试件的磨损率主要取决于气相中 者设计搭建了多种试验装置，其中以旋转式、气流喷砂 挟带的颗粒速度.在煤液化减压进料阀中，颗粒加速 式和风洞式最具代表性.例如，Wo0等通过高温蒸 的驱动力来源于减压汽化后的高速气流，即当阀门开 汽加速颗粒，可将颗粒加速至340m·s,且颗粒浓度、 度固定时，颗粒速度大小主要取决于阀门进出口的压 冲击角度和冲击速度可调：Celotta等搭建了一套能 力差.而本试验装置则是通过激波驱动将颗粒加速至 够稳定控制颗粒速度和浓度的高速气一固磨损试验装 其在真实冲蚀环境下的撞击速度，通过改变膜片的厚 置：Shimizu等采用自主研发的高温冲蚀试验装置， 度来控制颗粒速度.因此，本试验装置模拟的高速气一 研究经表面处理后的SUS410钢在冲击速度为100m· 固两相流冲蚀磨损和减压进料阀实际运行工况下颗粒 s,冲击角度为30°~90°时的冲蚀机理：蔡柳溪等 的冲蚀条件是一致的网 设计搭建了一套高温高速气一固两相流试验系统，用 于研究固体颗粒对高参数汽轮机喷嘴的高速冲蚀机 理：Hayashi等切采用旋转喷嘴产生的离心力加速颗 粒，可以在单次试验中采集到不同温度试样的冲蚀数 据：魏琪等圆采用高速转盘提供冲蚀动力，分析冲蚀距 离、冲蚀温度、冲蚀角度等因素对材料表面涂层冲蚀磨 损的影响：Tabakoff和Shanov回设计搭建了一套能实 现高温、高速风洞试验装置，研究固体颗粒对陶瓷涂层 的镍钴合金的冲蚀磨损规律.目前对1C9Mo钢高速 气一固冲蚀磨损性能方面的机理和试验研究仍相对较 少，缺少可直接指导工程应用的理论成果 本文采用自主设计的激波驱动式高温气一固两相 流冲蚀磨损试验装置，研究1C9Mo钢在不同冲击速 度、冲击角度、颗粒硬度、颗粒粒径和高温下的冲蚀磨 损规律，揭示其高速气一固冲蚀磨损机理，研究成果有 望为煤化工管道和阀门的优化选材，冲蚀磨损预测防 1一高压气瓶：2一支撑架：3一光源：4一减压阀：5一压力表：6一驱 控，装置运行的长久可靠性提供参考和借鉴 动段：7一铝膜：8一被驱动段：9一磨损颗粒：10一锡纸：11一动态 压力传感器：12一电荷放大器：13一动态测试分析仪：14一高速摄 1试验设备、方法及步骤 影：15一加速段：16一试验收集箱：17一风冷器：18一除尘器：19一 温控器：20一漏电保护器：21一试件角度调节及加热组件 1.1试验设备 图1试验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the testing apparatus 激波驱动式气一固两相流冲蚀磨损试验装置示意 图如图1所示.该设备可用来模拟温度20~400℃，冲 1.2冲蚀粒子和试件材料 击角度10°~90°，颗粒速度0~200m·s范围内材料 对煤化工现场收集的煤渣颗粒进行采样分析，其 的冲蚀特性.试验装置主要分为以下四个功能部分： 主要化学成分见表1.其中质量分数较高的Si02为 (1)激波驱动装置；(2)电荷放大器：(3)动态测试分析 49.3%,AL,0,为27.8%.采用英国Malvern公司的 仪；(4)高速摄影仪.其中激波驱动装置由高压段、低 Mastersizer20O0激光粒度仪测量颗粒粒径，如图2所 压段和加速段组成，各段间采用一定厚度的铝膜片分 示，粒径分布范围为5~200μm,其中95%以上的煤渣 隔.试验工作原理为：高压段接氮气瓶构成激波管用 粒径小于150m.现有研究表明：颗粒对材料磨损率工程科学学报，第 38 卷，第 12 期 煤化工的全套工艺流程中普遍含有煤渣或催化剂 等固体颗粒［1］，由此导致冲蚀磨损失效十分普遍． 尤 其在减压塔进料阀、热高分液控阀、黑水调节角阀等严 苛工况阀门中，由于其进出口压降高，减压汽化过程中 气相介质流速迅速提高( 最高达 200 m·s － 1 ) ［2］，煤渣颗 粒在高速气流的驱动下对阀门衬套及下游管道造成严 重的冲蚀磨损失效． 1Cr9Mo 钢作为煤化工管道和阀 门衬套的常用材料，探索其冲蚀磨损机理对管道阀门 系统的冲蚀失效预测和防控具有重要的价值． 针对高速气--固两相流冲蚀磨损失效，国内外学 者设计搭建了多种试验装置，其中以旋转式、气流喷砂 式和风洞式最具代表性． 例如，Woo 等［3］通过高温蒸 汽加速颗粒，可将颗粒加速至 340 m·s － 1 ，且颗粒浓度、 冲击角度和冲击速度可调; Celotta 等［4］搭建了一套能 够稳定控制颗粒速度和浓度的高速气--固磨损试验装 置; Shimizu 等［5］采用自主研发的高温冲蚀试验装置， 研究经表面处理后的 SUS410 钢在冲击速度为 100 m· s － 1 ，冲击角度为 30° ～ 90°时的冲蚀机理; 蔡柳溪等［6］ 设计搭建了一套高温高速气--固两相流试验系统，用 于研究固体颗粒对高参数汽轮机喷嘴的高速冲蚀机 理; Hayashi 等［7］采用旋转喷嘴产生的离心力加速颗 粒，可以在单次试验中采集到不同温度试样的冲蚀数 据; 魏琪等［8］采用高速转盘提供冲蚀动力，分析冲蚀距 离、冲蚀温度、冲蚀角度等因素对材料表面涂层冲蚀磨 损的影响; Tabakoff 和 Shanov ［9］设计搭建了一套能实 现高温、高速风洞试验装置，研究固体颗粒对陶瓷涂层 的镍钴合金的冲蚀磨损规律． 目前对 1Cr9Mo 钢高速 气--固冲蚀磨损性能方面的机理和试验研究仍相对较 少，缺少可直接指导工程应用的理论成果． 本文采用自主设计的激波驱动式高温气--固两相 流冲蚀磨损试验装置，研究 1Cr9Mo 钢在不同冲击速 度、冲击角度、颗粒硬度、颗粒粒径和高温下的冲蚀磨 损规律，揭示其高速气--固冲蚀磨损机理，研究成果有 望为煤化工管道和阀门的优化选材，冲蚀磨损预测防 控，装置运行的长久可靠性提供参考和借鉴． 1 试验设备、方法及步骤 1. 1 试验设备 激波驱动式气--固两相流冲蚀磨损试验装置示意 图如图1 所示． 该设备可用来模拟温度20 ～ 400 ℃，冲 击角度 10° ～ 90°，颗粒速度 0 ～ 200 m·s － 1 范围内材料 的冲蚀特性． 试验装置主要分为以下四个功能部分: ( 1) 激波驱动装置; ( 2) 电荷放大器; ( 3) 动态测试分析 仪; ( 4) 高速摄影仪． 其中激波驱动装置由高压段、低 压段和加速段组成，各段间采用一定厚度的铝膜片分 隔． 试验工作原理为: 高压段接氮气瓶构成激波管用 于产生一定马赫数的激波． 激波产生之后向加速段运 动，并且带动波后气流以高速运动对颗粒拖曳加速使 其达到所需要的冲击速度． 低压段设有测试高速气流 信号的传感器接口，传感器和电荷放大器以及动态测 试分析仪连接用于测量激波速度． 本试验采用日本 KEYENCE 公司生产的 VW--6000 高速摄影仪捕捉颗 粒群的运动轨迹用于测试颗粒的冲击速度，其最大拍 摄帧数为 24000 帧·s － 1 ． 冲击角度通过旋转试件台架 进行调节． 由气--固冲蚀机理可知，当试件和颗粒性 质、冲击角度一定时，试件的磨损率主要取决于气相中 挟带的颗粒速度． 在煤液化减压进料阀中，颗粒加速 的驱动力来源于减压汽化后的高速气流，即当阀门开 度固定时，颗粒速度大小主要取决于阀门进出口的压 力差． 而本试验装置则是通过激波驱动将颗粒加速至 其在真实冲蚀环境下的撞击速度，通过改变膜片的厚 度来控制颗粒速度． 因此，本试验装置模拟的高速气-- 固两相流冲蚀磨损和减压进料阀实际运行工况下颗粒 的冲蚀条件是一致的［10］． 1—高压气瓶; 2—支撑架; 3—光源; 4—减压阀; 5—压力表; 6—驱 动段; 7—铝膜; 8—被驱动段; 9—磨损颗粒; 10—锡纸; 11—动态 压力传感器; 12—电荷放大器; 13—动态测试分析仪; 14—高速摄 影; 15—加速段; 16—试验收集箱; 17—风冷器; 18—除尘器; 19— 温控器; 20—漏电保护器; 21—试件角度调节及加热组件 图 1 试验装置示意图 Fig． 1 Schematic diagram of the testing apparatus 1. 2 冲蚀粒子和试件材料 对煤化工现场收集的煤渣颗粒进行采样分析，其 主要化学成分见表 1． 其中质量分数较高的 SiO2 为 49. 3% ，Al2 O3 为 27. 8% ． 采 用 英 国 Malvern 公 司 的 Mastersizer 2000 激光粒度仪测量颗粒粒径，如图 2 所 示，粒径分布范围为 5 ～ 200 μm，其中 95% 以上的煤渣 粒径小于 150 μm． 现有研究表明: 颗粒对材料磨损率 ·1748·