一種基于激波式的沖擊磨損率速度指數(shù)的定量預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及沖蝕磨損率的測試和預(yù)測方法，具體地說是涉及一種基于激波式的沖 擊磨損率速度指數(shù)的定量預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 管道輸送在石油化工、煤化工、生物制藥、核電等流程型工業(yè)應(yīng)用廣泛，對國民經(jīng) 濟的發(fā)展起著十分重要的作用。
[0003] 近年來，隨著原油資源的日益短缺，發(fā)展煤基液化工程是緩解能源危機、保障國家 能源戰(zhàn)略安全的主要舉措之一。在煤直接液化工程中，加氫反應(yīng)流出物的成分組成極為復(fù) 雜，既有以氫氣為主的氣相，也有未完全反應(yīng)的煤粉、無機礦物質(zhì)（主要成分Si0 2等）、以及 未充分反應(yīng)的催化劑等組成的固相，同時還有由輕油、中油等餾分油及重油組成的液相，由 此引發(fā)了多起管道及閥門的沖蝕磨損失效問題，部分管道的沖蝕磨損穿孔甚至造成了非常 嚴(yán)重的非計劃停車及火災(zāi)事故，損失非常嚴(yán)重。熱高壓分離器是煤直接液化加氫反應(yīng)流出 物的第一道工序，其目的是對氣、液相進行分離，其中多相流介質(zhì)經(jīng)熱高壓分離器分離后， 液固兩相流經(jīng)分離器底部的高壓差調(diào)節(jié)閥流出，高壓差調(diào)節(jié)閥前后的壓差為12.7MPa，液固 兩相流動過程中由于節(jié)流作用形成空化，從而形成了局部高速的氣固兩相流動，對調(diào)節(jié)閥 閥芯的耐磨涂層造成極為嚴(yán)重的沖蝕磨損，甚至引起部分耐磨涂層WC的剝落，使調(diào)節(jié)閥的 運行周期縮短至2~3個月，嚴(yán)重制約煤直接液化工程的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。
[0004] 鑒于高壓差調(diào)節(jié)閥工作過程的壓差大，節(jié)流后的氣相流速高達100m/S以上，由此 造成的調(diào)節(jié)閥閥芯的沖蝕磨損風(fēng)險極高。現(xiàn)有的研究成果，例如Finnie、Tabakoff、Andrew Kohm等通過大量試驗，得到了磨損率與顆粒物性、沖擊角度、沖擊速度等相關(guān)因素之間的關(guān) 系，依據(jù)經(jīng)驗法建立了沖蝕磨損模型。目前包括Fluent、CFX等流體動力學(xué)仿真商用軟件大 多采用這一沖蝕磨損模型進行沖蝕磨損率的預(yù)測。由于上述實驗成果中，顆粒沖擊的速度 均在10m/s~60m/s之間，運用此模型進行高流速(顆粒沖擊速度大于100m/s)的沖蝕磨損率 數(shù)值預(yù)測誤差極大，無法進行沖蝕磨損預(yù)測基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因此，迫切需要建立一種沖 擊磨損率速度指數(shù)的預(yù)測方法，實現(xiàn)大尺度速度范圍內(nèi)沖擊磨損率速度指數(shù)的求解和擴展 預(yù)測，提升氣固兩相流體系下管道內(nèi)壁沖蝕磨損率的預(yù)測精度，為管道及閥門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于激波式的沖擊磨損率速度指數(shù)的定量預(yù)測方法， 滿足兩個方面的功能，一是實現(xiàn)顆粒群沖擊磨損率曲線的繪制，二是建立基于沖擊磨損率 速度指數(shù)的定量預(yù)測方法，適用于給定材質(zhì)、給定沖擊速度和角度時沖擊磨損率速度指數(shù) 的快速查詢，可為深化研究氣固兩相流的沖擊磨損機理和建立修正的沖擊磨損率數(shù)理模型 提供重要理論支撐，提高數(shù)值預(yù)測精度。
[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] 本發(fā)明包括沖擊磨損率曲線的繪制方法和沖擊磨損率速度指數(shù)的定量預(yù)測方法；
[0008] 1)沖擊磨損率曲線的繪制方法，包括如下步驟：
[0009] 步驟1.1)利用高壓氣瓶向高壓管段內(nèi)進行充氣，并運用壓力表、熱電偶實時測試 高壓管段內(nèi)的壓力值和溫度值；
[0010] 步驟1.2)連續(xù)向高壓管段內(nèi)充氣，高壓管段內(nèi)的壓力逐漸增加，直至超出高壓管 段與低壓管段連接處非金屬隔膜片的臨界承載能力，非金屬隔膜片破裂，高壓管段的氣體 沖破非金屬隔膜片時產(chǎn)生激波，并進入到壓力值為P〇的低壓管段，記錄非金屬隔膜片破裂 時的高壓管段壓力值Pi;
[0011] 步驟1.3)根據(jù)步驟1.2)中產(chǎn)生的激波對低壓管段內(nèi)的顆粒群進行拖曳加速，顆粒 群的速度由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸加速，并沖出顆粒加速段出口；
[0012] 步驟1.4)根據(jù)步驟1.3)中顆粒群沖出顆粒加速段出口的沖擊速度V通過高速攝影 儀進行標(biāo)定，采用高速攝影儀記錄單位時間At內(nèi)連續(xù)兩幀圖片中顆粒群的移動距離AL， 計算顆粒群沖出顆粒加速段出口的沖擊速度V，即:V= △ L/ △ t;
[0013] 步驟1.5)改變非金屬隔膜片的厚度δι，i = 1，2....，重復(fù)步驟1.1)~步驟1.4)，建 立非金屬隔膜片破裂時厚度心，i = 1，2....與高壓管段壓力值Pi，i = 1，2....的對應(yīng)關(guān)系， 獲得非金屬隔膜片不同厚度破裂時對應(yīng)的顆粒群沖出顆粒加速段出口的沖擊速度V;
[0014] 步驟1.6)根據(jù)步驟1.5)得到的顆粒群所述沖擊速度V，建立沖擊速度區(qū)間[VhVd， 利用該區(qū)間的沖擊速度沖擊位于靠近顆粒加速段出口的待測試塊，建立待測試塊在受到顆 粒群沖擊后的沖擊磨損率與沖擊速度之間的函數(shù)映射關(guān)系，繪制沖擊磨損率曲線圖，BP :
[0015] Δ m = PVin, i = 1,2...
[0016] 式中，Am表示待測試塊失重量與待測試塊初始重量的比值，η表示速度指數(shù)，β為 待求常數(shù)。
[0017] 2)沖擊磨損率速度指數(shù)的定量預(yù)測方法，包括如下步驟：
[0018] 步驟2.1)基于沖擊速度區(qū)間[Vhl]，沖擊位于靠近顆粒加速段出口設(shè)置的待測試 塊，待測試塊安放角度α的范圍為[0°，90° ]，多次重復(fù)測試，建立沖擊磨損率隨待測試塊安 放角度α的函數(shù)映射關(guān)系，即：Am〇ca;
[0019] 步驟2.2)對于任意一選定的待測試塊安放角度ak，建立該選定角度ak下的沖擊磨 損率曲線圖，即 Am(ak)=0Vin，i = l，2· · ·;
[0020] 步驟2.3)對步驟2.2)獲得的選定角度叫下的沖擊磨損率曲線圖進行數(shù)學(xué)變換，獲 得方程式：ln[Am(ak)] = lnP+n In Vi，i = l，2···;
[0021] 步驟2.4)針對步驟2.3)得出的方程式進行進一步變換，令7 = 111[/\111((^)]沁=111 0，c = ln Vi，則方程簡化為一元線性方程:y = b+nc;
[0022] 步驟2.5)對于步驟2.4)得出的一元線性方程，進行顆粒群的沖擊速度區(qū)間[Vhl] 內(nèi)的擬合求解，計算得出速度指數(shù)η和b，再換算得到待求常數(shù)β，即β = eb;
[0023] 步驟2.6)對于待測試塊安放角度a的范圍區(qū)間[0°，90°]，重復(fù)步驟2.1)~步驟 2.5)，定量的計算得出在給定顆粒群的沖擊速度區(qū)間，不同待測試塊安放角度a對 應(yīng)的速度指數(shù)η。
[0024] 所述高壓氣瓶中的氣體為氫氣、氮氣或氦氣。
[0025]所述顆粒群為Si02、Al203或兩者的混合物。
[0026]本發(fā)明具有的有益效果是：
[0027]本發(fā)明提供了一種適用于大范圍沖擊速度內(nèi)的沖擊磨損率曲線的繪制方法，建立 了沖擊磨損率速度指數(shù)的預(yù)測模型，可用于指定材質(zhì)、給定沖擊速度和角度時的速度指數(shù) 查詢，可為建立氣-固兩相流環(huán)境下沖擊磨損率的修正模型提供重要依據(jù)，提高沖擊磨損預(yù) 測的精度，適用于壓力管道、壓力容器等設(shè)備系統(tǒng)的風(fēng)險評定。本發(fā)明可針對石油化工、煤 化工、核電工業(yè)等流程型工業(yè)的管道及閥門沖擊磨損失效案例，進行沖擊磨損率速度指數(shù) 的求解和預(yù)測，為管道及閥門的失效分析、優(yōu)化設(shè)計、風(fēng)險評估及剩余壽命評價提供理論支 撐。
【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明測試原理的示意圖。
[0029] 圖2是待測試塊的沖擊磨損率隨沖擊速度變化的曲線。
[0030] 圖中，1、高壓氣體入口，2、高壓管段，3、卡箍式法蘭，4、非金屬隔膜片，5、低壓管 段，6、錫紙，7、顆粒加速段，8、待測試塊，9、顆粒群。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0032] -種激波式的沖擊磨損率速度指數(shù)的定量預(yù)測方法，包括兩部分，一部分是沖擊 磨損率曲線的繪制方法，一部分是沖擊磨損率速度指數(shù)的預(yù)測方法。
[0033] 1)沖擊磨損率曲線的繪制方法，包括如下步驟：
[0034] 步驟1.1)根據(jù)圖1所示的實驗原理圖，安裝好實驗裝置。其中高壓管段2與低壓管 段5間由非金屬隔膜片4隔開，再通過卡箍式法蘭3壓緊連接固定;低壓管段5與顆粒加速段7 由錫紙6隔開，再通過卡箍式法蘭壓緊連接固定，其中錫紙6上放置顆粒群9。利用高壓氣瓶 經(jīng)高壓氣體入口 1向高壓管段2內(nèi)進行充氣，并運用壓力表、熱電偶實時測試高壓管段2內(nèi)的 壓力值和溫度值T。
[0035] 步驟1.2)連續(xù)向高壓管段2內(nèi)充氣，高壓管段內(nèi)的壓力值逐漸上升，直至超出高壓 管段2與低壓管段5之間連接處嵌入的非金屬隔膜片4的臨界承載能力，非金屬隔膜片破裂， 高壓管段的氣體沖破非金屬隔膜片時產(chǎn)生激波，并進入到壓力值為Po的低壓管段，記錄非 金屬隔膜片破裂時的高壓管段壓力值Pi;
[0036] 該過程中，非金屬隔膜片破裂時的壓力值丹可計算得到激波速度的理論值：
[0037] fi ^〇 Μ2 ,0 -1 I - Τ?/~^ υ0 ' 1 (1) P〇 _ f0 + 1 fo + l-_ _ To + 1 L ^ J_
[0038] 式（1)中，Pi/Po為非金屬隔膜片破裂時高壓管段與低壓管段的壓力之比，γι、γ〇 為高壓管段和低壓管段氣體的比熱比，為高壓管段和低壓管段氣體的音速，Μ為激波的 馬赫數(shù)。式中，對于給定的高壓氣瓶氣體，例如氮氣、氫氣、氦氣，以及低壓管段內(nèi)的空氣， γ :、γ 0、HPQ已知，Pi通過實驗測試得出，故可求解方程獲