[发明专利]一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及冲蚀磨损率的测试和预测方法，具体地说是涉及一种基于激波 式的冲击磨损率速度指数的定量预测方法。

背景技术

管道输送在石油化工、煤化工、生物制药、核电等流程型工业应用广泛， 对国民经济的发展起着十分重要的作用。

近年来，随着原油资源的日益短缺，发展煤基液化工程是缓解能源危机、 保障国家能源战略安全的主要举措之一。在煤直接液化工程中，加氢反应流出 物的成分组成极为复杂，既有以氢气为主的气相，也有未完全反应的煤粉、无 机矿物质(主要成分SiO₂等)、以及未充分反应的催化剂等组成的固相，同时还 有由轻油、中油等馏分油及重油组成的液相，由此引发了多起管道及阀门的冲 蚀磨损失效问题，部分管道的冲蚀磨损穿孔甚至造成了非常严重的非计划停车 及火灾事故，损失非常严重。热高压分离器是煤直接液化加氢反应流出物的第 一道工序，其目的是对气、液相进行分离，其中多相流介质经热高压分离器分 离后，液固两相流经分离器底部的高压差调节阀流出，高压差调节阀前后的压 差为12.7MPa，液固两相流动过程中由于节流作用形成空化，从而形成了局部高 速的气固两相流动，对调节阀阀芯的耐磨涂层造成极为严重的冲蚀磨损，甚至 引起部分耐磨涂层WC的剥落，使调节阀的运行周期缩短至2～3个月，严重制 约煤直接液化工程的安、稳、长、满、优运行。

鉴于高压差调节阀工作过程的压差大，节流后的气相流速高达100m/s以上， 由此造成的调节阀阀芯的冲蚀磨损风险极高。现有的研究成果，例如Finnie、 Tabakoff、AndrewKohm等通过大量试验，得到了磨损率与颗粒物性、冲击角度、 冲击速度等相关因素之间的关系，依据经验法建立了冲蚀磨损模型。目前包括 Fluent、CFX等流体动力学仿真商用软件大多采用这一冲蚀磨损模型进行冲蚀磨 损率的预测。由于上述实验成果中，颗粒冲击的速度均在10m/s～60m/s之间， 运用此模型进行高流速(颗粒冲击速度大于100m/s)的冲蚀磨损率数值预测误 差极大，无法进行冲蚀磨损预测基础上的结构优化。因此，迫切需要建立一种 冲击磨损率速度指数的预测方法，实现大尺度速度范围内冲击磨损率速度指数 的求解和扩展预测，提升气固两相流体系下管道内壁冲蚀磨损率的预测精度， 为管道及阀门系统的结构优化提供数据支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激波式的冲击磨损率速度指数的定量预测 方法，满足两个方面的功能，一是实现颗粒群冲击磨损率曲线的绘制，二是建 立基于冲击磨损率速度指数的定量预测方法，适用于给定材质、给定冲击速度 和角度时冲击磨损率速度指数的快速查询，可为深化研究气固两相流的冲击磨 损机理和建立修正的冲击磨损率数理模型提供重要理论支撑，提高数值预测精 度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括冲击磨损率曲线的绘制方法和冲击磨损率速度指数的定量预测 方法；

1)冲击磨损率曲线的绘制方法，包括如下步骤：

步骤1.1)利用高压气瓶向高压管段内进行充气，并运用压力表、热电偶实 时测试高压管段内的压力值和温度值；

步骤1.2)连续向高压管段内充气，高压管段内的压力逐渐增加，直至超出 高压管段与低压管段连接处非金属隔膜片的临界承载能力，非金属隔膜片破裂， 高压管段的气体冲破非金属隔膜片时产生激波，并进入到压力值为P₀的低压管 段，记录非金属隔膜片破裂时的高压管段压力值P₁；

步骤1.3)根据步骤1.2)中产生的激波对低压管段内的颗粒群进行拖曳加 速，颗粒群的速度由静止状态逐渐加速，并冲出颗粒加速段出口；

步骤1.4)根据步骤1.3)中颗粒群冲出颗粒加速段出口的冲击速度V通过 高速摄影仪进行标定，采用高速摄影仪记录单位时间Δt内连续两帧图片中颗粒 群的移动距离ΔL，计算颗粒群冲出颗粒加速段出口的冲击速度V，即： V＝ΔL/Δt；

步骤1.5)改变非金属隔膜片的厚度δ_i,i＝1,2....，重复步骤1.1)～步骤1.4)， 建立非金属隔膜片破裂时厚度δ_i,i＝1,2....与高压管段压力值P_i,i＝1,2....的对应 关系，获得非金属隔膜片不同厚度破裂时对应的颗粒群冲出颗粒加速段出口的 冲击速度V；