專利名稱：超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種沖刷磨損試驗(yàn)裝置，具體地說是涉及用于工業(yè)生產(chǎn)中的一種超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
管道輸送是隨著物料和流程性工業(yè)的需要而發(fā)展起來的，廣泛應(yīng)用于石油、化工、 化纖、化肥等流程性企業(yè)，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著十分重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)管道失效的形式多樣，機(jī)理復(fù)雜，如材料缺陷、腐蝕、磨損、外力破壞等， 其中沖刷磨損引起的磨損減薄失效是管道系統(tǒng)中最廣泛也是最常見的破壞形式。沖刷磨損破壞具有明顯的局部性、突發(fā)性、和風(fēng)險(xiǎn)性，特別是在含固體顆粒、多相流介質(zhì)流動作用下引起的磨損穿孔更是復(fù)雜，很難預(yù)測它的發(fā)生，已成為困擾流體管道安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題。近年來，國家大力推行煤化工產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)潔凈能源，實(shí)現(xiàn)石油替代的發(fā)展戰(zhàn)略。在煤化工領(lǐng)域，反應(yīng)流出物構(gòu)成十分復(fù)雜，既有以氫氣為主的氣相，也有由未反應(yīng)的煤、礦物質(zhì)、及催化劑組成的固相，同時(shí)還有由輕油(粗汽油)、中油等餾分油及重油組成的液相，由此造成的煤化工業(yè)管道及閥門等的沖刷磨損失效較為常見，例管道結(jié)焦與沖刷磨損失效的事故日益突出，已成為嚴(yán)重制約煤化工裝置安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行的主要障礙，如不采取相應(yīng)的技術(shù)措施和對策，我國煤煉油行業(yè)將會面臨越來越嚴(yán)峻的設(shè)備失效及裝置的安全問題。目前國內(nèi)煤化工工藝過程的復(fù)雜性，反應(yīng)物中固體顆粒的沖刷磨損，導(dǎo)致設(shè)備系統(tǒng)的失效、非計(jì)劃停工事故的發(fā)生日益突出。盡管國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的多相流沖刷磨損系統(tǒng)失效的相關(guān)研究，如國外的加州大學(xué)伯克利分校Lawrence實(shí)驗(yàn)室、日本Tokyo大學(xué)、 瑞典Uppsala大學(xué)等機(jī)構(gòu)針對多相流磨損問題開展了大量的研究并取得了一定的成績，但至今為止還沒有一套可靠的預(yù)測方法來預(yù)測煤化工過程中管道、管配件及閥門等易發(fā)生磨損的失效區(qū)域和磨損的破壞程度。針對目前煤化工領(lǐng)域存在的多相流沖刷磨損問題，進(jìn)一步研究管道的磨損機(jī)理， 一些科研院校及大專院校設(shè)計(jì)了一系列的磨損試驗(yàn)裝置，通過實(shí)驗(yàn)研究手段來研究管道的磨損機(jī)理，以期找到管道磨損的臨界流速。但目前的磨損實(shí)驗(yàn)裝置存在的一些不足之處主要在于(1)目前我國對多相流磨損的機(jī)理研究不夠深入，相關(guān)設(shè)備測試的時(shí)間較長，實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以推廣到工程應(yīng)用。(2)常規(guī)的沖刷磨損實(shí)驗(yàn)裝置常通過稱重或測厚的方法測試平均磨損速率，無法實(shí)現(xiàn)流體沖刷磨損破壞的臨界值和瞬態(tài)特性的測試研究。

發(fā)明內(nèi)容
針對國內(nèi)外超音速沖刷磨損試驗(yàn)裝置存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置，適合于超音速條件下的氣固兩相流沖刷磨損機(jī)理、流體動力學(xué)的仿真分析、材料沖刷磨損破壞臨界特性或瞬態(tài)特性的試驗(yàn)研究及沖刷磨損失效預(yù)測工業(yè)應(yīng)用推廣等完整的研究體系。能模擬工業(yè)環(huán)境中的實(shí)際工況條件，實(shí)時(shí)檢測材料沖刷磨損破壞瞬態(tài)特性和臨界值的沖刷磨損試驗(yàn)裝置。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明包括高壓氣瓶，減壓閥，針閥，壓力表，驅(qū)動段，被驅(qū)動段，觀察段，氣體收集箱，試件安裝臺，四個(gè)壓力傳感器，高壓-對焊平頭法蘭，被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭，兩個(gè)移動架，高速攝影儀，工控計(jì)算機(jī)，示波器，兩個(gè)浮動連接架；高壓氣瓶出口經(jīng)減壓閥與針閥進(jìn)口相聯(lián)，針閥出口與驅(qū)動段進(jìn)氣孔相聯(lián)；驅(qū)動段下端與被驅(qū)動段通過高壓-對焊平頭法蘭連接，高壓-對焊平頭法蘭之間嵌有鋁膜，驅(qū)動段靠近高壓-對焊平頭法蘭側(cè)安裝有壓力表；被驅(qū)動段下端與觀察端通過被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭連接，被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭之間嵌有錫紙，錫紙上載有測量用的顆粒，觀察段伸入頂部開有圓形孔的矩形氣體收集箱內(nèi)部；靠近被驅(qū)動段頂部1/2高度和5/6高度位置分別設(shè)置的第一、第二壓力傳感器與靠進(jìn)觀察段頂部1/5高度和3/5高度位置分別設(shè)置的第三、第四壓力傳感器分別通過導(dǎo)線連接至示波器；安裝有待測試件的試件安裝臺位于觀察段下端，并固定在氣體收集箱的左側(cè)底面； 氣體收集箱外部安裝有高速攝影儀，高速攝影儀與安裝在氣體收集箱內(nèi)的光源相對布置且位于同一光軸上，觀察段的中心線與光軸垂直相交，高速攝影儀通過數(shù)據(jù)線連接至工控計(jì)算機(jī)；驅(qū)動段上端套在固定墻面的三角架孔中用螺釘固定；被驅(qū)動段和觀察段分別與第一移動架、第二移動架通過螺釘固定；氣體收集箱右側(cè)面的底部開有排氣孔。所述的第一移動架、第二移動架結(jié)構(gòu)相同，均包括鉸鏈結(jié)構(gòu)、連接螺栓和浮動連接架；其中固定在固定墻面?zhèn)让娴你q鏈結(jié)構(gòu)與浮動連接架的一端通過連接螺栓間隙配合構(gòu)成周向可旋轉(zhuǎn)鉸鏈副，被驅(qū)動段和觀察段分別套在各自浮動連接架的另一端孔中通過螺釘固定。所述的待測試件通過螺釘固定在試件安裝臺上，待測試件在試件安裝臺安裝的角度為 15°、30°、45°、60°、75°。所述的測量用的顆粒為砂礫、沙子、煤粉。本發(fā)明具有的有益效果是利用驅(qū)動段和被驅(qū)動段的高壓差產(chǎn)生的高速氣流驅(qū)動固體顆粒運(yùn)動實(shí)現(xiàn)沖刷磨損破壞的瞬態(tài)特性測試，包括試件破壞的臨界特性及超過臨界值以后的實(shí)際磨損速率?？梢詫?shí)現(xiàn)不同角度下的沖刷磨損的臨界特性測試；利用高速攝影儀能準(zhǔn)確觀測固體顆粒的運(yùn)行軌跡；試驗(yàn)結(jié)果的分析結(jié)論可以推廣應(yīng)用于工程實(shí)際，即結(jié)合實(shí)際管道系統(tǒng)的仿真分析， 按相關(guān)流體動力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律預(yù)測磨損破壞的位置與磨損速率。本發(fā)明可以模擬煤化工領(lǐng)域管道系統(tǒng)等一系列實(shí)際工程沖刷磨損失效案例，進(jìn)行沖刷磨損破壞的失效研究、沖蝕預(yù)測、優(yōu)化設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)、安全評估及壽命預(yù)測等管道及閥門的安全保障技術(shù)研究。另外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1的A放大圖。
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圖3是圖1的B放大圖。圖4是圖1的C放大圖。圖5是圖1的D放大圖。圖中1、高壓氣瓶，2、減壓閥，3、針閥，4、壓力表，5、驅(qū)動段，6、鋁膜，7、被驅(qū)動段， 8、測量用的顆粒，9、觀察段，10、氣體收集箱，11、待測試件，12、試件安裝臺，13、第一壓力傳感器，14、第二壓力傳感器，15、高壓-對焊平頭法蘭，16、被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭，17、第一移動架，18、高速攝影儀，19、光源，20、工控計(jì)算機(jī)，21、示波器，22、排氣孔，23、固定墻面， 對、第一浮動連接架，25鉸鏈結(jié)構(gòu)，26、連接螺栓，27、第二浮動連接架，28、錫紙，29、第三壓力傳感器，30、第四壓力傳感器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本發(fā)明包括高壓氣瓶1，減壓閥2，針閥3，壓力表4，驅(qū)動段5，被驅(qū)動段7，觀察段9，氣體收集箱10，待測試件11、試件安裝臺12，四個(gè)壓力傳感器13、14、四、30， 高壓-對焊平頭法蘭15，被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭16，第一移動架17，高速攝影儀18，工控計(jì)算機(jī)20，示波器21，第一浮動連接架對、第二浮動連接架27 ；高壓氣瓶1出口經(jīng)減壓閥 2、金屬軟管與針閥3進(jìn)口相聯(lián)，針閥3出口經(jīng)金屬軟管與驅(qū)動段5進(jìn)氣孔相聯(lián)；驅(qū)動段5下端與被驅(qū)動段7通過高壓-對焊平頭法蘭15連接，高壓-對焊平頭法蘭15之間嵌有鋁膜 6 (如圖5所示)，驅(qū)動段5靠近高壓-對焊平頭法蘭15側(cè)安裝有壓力表4 ；被驅(qū)動段7下端與觀察端9通過被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭16連接，被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭16之間嵌有錫紙觀，錫紙觀上載有測量用的顆粒8 (如圖3所示)，觀察段9伸入頂部開有圓形孔的矩形氣體收集箱10內(nèi)部；靠近被驅(qū)動段7頂部1/2高度和5/6高度位置分別設(shè)置的第一、 第二壓力傳感器13、14與靠近觀察段9頂部1/5高度和3/5高度位置分別設(shè)置的第三、第四壓力傳感器四、30分別通過導(dǎo)線連接至示波器21 ；安裝有待測試件11的試件安裝臺12 位于觀察段9下端，并通過螺栓固定在氣體收集箱10的左側(cè)底面；氣體收集箱10外部安裝有高速攝影儀18，高速攝影儀18與安裝在氣體收集箱10內(nèi)的光源19相對布置且位于同一光軸上，觀察段9的中心線與光軸垂直相交，高速攝影儀18通過數(shù)據(jù)線連接至工控計(jì)算機(jī) 20 ；驅(qū)動段5上端套在固定墻面23的三角架孔中用螺釘固定；被驅(qū)動段7和觀察段9分別與第一移動架17、第二移動架通過螺釘連接固定，其中第一連接架17中的第一浮動連接架 24和第二連接架中的第二浮動連接架27結(jié)構(gòu)完全相同；氣體收集箱10右側(cè)面的底部開有排氣孔22，氣體收集箱左側(cè)面、上側(cè)面、下側(cè)面為金屬鋼板，其余三個(gè)面為亞克力材料制成的透明板。需要特別說明的是光源19的安裝高度為待測試件11斜面中心與觀察段9下端出口的中心位置，光源19既可安裝在氣體收集箱10左側(cè)壁面、也可以安裝在氣體收集箱10 前側(cè)面或后側(cè)面，同時(shí)高速攝影儀18的安裝在與光源19相對的另一側(cè)面上；由于氣體收集箱10左側(cè)壁面為金屬鋼板，故若光源19安裝在左側(cè)壁面，則其應(yīng)安裝于壁面內(nèi)側(cè)。當(dāng)光源 19安裝在前后側(cè)壁面時(shí)，其位置安裝在內(nèi)壁面或外壁面均可，高速攝影儀18安裝在與光源 19對應(yīng)側(cè)面的壁面外側(cè)區(qū)域。如圖1、圖4所示，所述的第一移動架17、第二移動架結(jié)構(gòu)相同，圖4中僅表示被驅(qū)動段7上第一移動架17的放大圖，位于觀察段9上的第二連接架未標(biāo)出，它們均包括有鉸鏈結(jié)構(gòu)25、連接螺栓沈和第一浮動連接架M或第二浮動連接架27 ；其中固定在固定墻面 23側(cè)面的鉸鏈結(jié)構(gòu)25與兩個(gè)浮動連接架24、27的一端通過連接螺栓沈間隙配合構(gòu)成周向可旋轉(zhuǎn)鉸鏈副，被驅(qū)動段7和觀察段9分別套在各連接架的另一端孔中通過螺釘固定。被驅(qū)動段7和觀察段9分別采用浮動連接架的目的是便于安裝或更換鋁膜6、測量用的顆粒8 和錫紙28。如圖1、圖2所示，所述的待測試件11通過螺釘固定在試件安裝臺12上，待測試件 11在試件安裝臺12安裝的角度為15°、30°、45°、60°、75°。所述的測量用的顆粒8為砂礫、沙子、煤粉。本發(fā)明的工作過程如下如圖1所示，安裝好超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置，將制作好的待測試件 11通過螺栓固定在安裝臺12上，待測試件11與水平面的安放角度分為15°、30°、45°三種角度，若旋轉(zhuǎn)90°，則可對應(yīng)測試75°、60°、45°三種沖蝕角度；試驗(yàn)開始階段，選定相應(yīng)厚度的鋁膜6，對該鋁膜的破膜壓比進(jìn)行標(biāo)定，即驅(qū)動段5的壓力P1與被驅(qū)動段7的壓力 P2達(dá)到一定的壓力時(shí)鋁膜6發(fā)生爆破，記錄兩個(gè)壓力值，即可獲得鋁膜破膜壓比r = P1AV 測試鋁膜6破膜壓比時(shí)，可多做幾組試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定以減小試驗(yàn)誤差，精確獲得既定厚度鋁膜的破膜壓比，P2的數(shù)值可取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。然后，選定相應(yīng)厚度的鋁膜6并同標(biāo)定時(shí)安裝方法一致，即將其嵌放在高壓-對焊平頭法蘭15內(nèi)部，將測量用的顆粒8，包括砂礫、沙子或煤粉等(煤粉亦可分為生煤粉、熟煤粉，生煤粉是指原生煤礦經(jīng)物理粉碎后的煤粉、熟煤粉是指反應(yīng)過后的煤粉)，安裝在被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭16所嵌的錫紙洲上。調(diào)整光源19高度位于待測試件與觀察段9出口之間的中心位置，同時(shí)調(diào)整與光源19相對的高速攝影儀18高度，使光源與高速攝影儀18位于同一高度，且同一光軸。需要特別指出的是， 光源19與高速攝影儀18 —定要相對安裝，既可相對安裝于左右兩個(gè)側(cè)面，亦可相對安裝于前后兩個(gè)側(cè)面，但是無論采用何種安裝方式，高速攝影儀18必須安裝在氣體收集箱10透明板的一側(cè)，且光軸必須與觀察段9的中心線垂直相交。啟動工控計(jì)算機(jī)20和示波器21，打開光源19，然后打開高壓氣體鋼瓶1和減壓閥2，將壓力調(diào)整至預(yù)定范圍，逐步調(diào)整針閥3， 使高壓氣體緩慢進(jìn)入驅(qū)動段5，同時(shí)注意觀察驅(qū)動段5上壓力表4的具體壓強(qiáng)值，在預(yù)計(jì)達(dá)到破膜壓比r = P1ZP2之前，迅速啟動高速攝影儀18，繼續(xù)充氣直至鋁膜6破膜，記錄下示波器21上破膜瞬間的壓力信號，并運(yùn)用高速攝影儀18拍照記錄測量用的顆粒8在觀察段 9出口的運(yùn)動軌跡，關(guān)閉高壓氣瓶1和減壓閥2。然后取下待測試件11表面清理后進(jìn)行稱重，獲得磨損量的表達(dá)式。由于第一壓力傳感器13和第二壓力傳感器14之間的距離1 一定，故可根據(jù)示波器21獲得的兩個(gè)壓力波峰信號之間的時(shí)間差△、，計(jì)算被驅(qū)動段7在鋁膜6破膜后的穩(wěn)定氣體速度N氣=VAt1,同理第三傳感器四、第四傳感器30可根據(jù)示波器21獲得的兩個(gè)壓力波峰信號之間的時(shí)間差A(yù)t2，在已知第三傳感器四和第四傳感器30 之間距離為s的前提下，計(jì)算測量用的顆粒8在觀察段9的運(yùn)行速度V_= s/At2，同時(shí)根據(jù)高速攝影儀18測試獲得的測量用的顆粒8在曝光時(shí)間內(nèi)的行程，可確定測量用的顆粒8 在沖出觀察段9管口后的運(yùn)動速度v_= Ah/At3, Ah為行程，At3為曝光時(shí)間。本試驗(yàn)定義的待測試件11，其材質(zhì)可分別為10#碳鋼、20#碳鋼、2205、825或其它高性能耐磨材料， 磨損量ε的定義為試件沖蝕磨損的失重量Hi1與測試用的顆粒8質(zhì)量m2之比，亦可定義為試件沖蝕磨損的失重量Hi1與未沖蝕磨損的待測試件11質(zhì)量m3之比，由于單次沖擊造成的磨損失重量較小，可采取連續(xù)沖擊10次或更多次數(shù)求平均的方法求解沖蝕磨損量ε，以沖
擊10次為例，其沖蝕磨損量ε可表示為
權(quán)利要求
1.一種超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置，其特征在于包括高壓氣瓶(1)，減壓閥 (2)，針閥(3)，壓力表(4)，驅(qū)動段(5)，被驅(qū)動段(7)，觀察段(9)，氣體收集箱(10)，試件安裝臺(12)，四個(gè)壓力傳感器(13、14、29、30)，高壓-對焊平頭法蘭(15)，被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭(16)，兩個(gè)移動架，高速攝影儀(18)，工控計(jì)算機(jī)(20)，示波器(21)，兩個(gè)浮動連接架(24、27)；高壓氣瓶(1)出口經(jīng)減壓閥(2)與針閥(3)進(jìn)口相聯(lián)，針閥(3)出口與驅(qū)動段 (5)進(jìn)氣孔相聯(lián)；驅(qū)動段(5)下端與被驅(qū)動段(7)通過高壓-對焊平頭法蘭(15)連接，高壓-對焊平頭法蘭(15)之間嵌有鋁膜(6)，驅(qū)動段(5)靠近高壓-對焊平頭法蘭(15)側(cè)安裝有壓力表(4 )；被驅(qū)動段(7 )下端與觀察端(9 )通過被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭(16 )連接， 被驅(qū)-加載對焊平頭法蘭(16)之間嵌有錫紙(28)，錫紙(28)上載有測量用的顆粒(8)，觀察段(9)伸入頂部開有圓形孔的矩形氣體收集箱(10)內(nèi)部；靠近被驅(qū)動段(7)頂部1/2高度和5/6高度位置分別設(shè)置的第一、第二壓力傳感器(13、14)與靠進(jìn)觀察段(9)頂部1/5高度和3/5高度位置分別設(shè)置的第三、第四壓力傳感器(29、30)分別通過導(dǎo)線連接至示波器 (21);安裝有待測試件(11)的試件安裝臺(12)位于觀察段(9)下端，并固定在氣體收集箱 (10)的左側(cè)底面；氣體收集箱(10)外部安裝有高速攝影儀(18)，高速攝影儀(18)與安裝在氣體收集箱(10)內(nèi)的光源(19)相對布置且位于同一光軸上，觀察段(9)的中心線與光軸垂直相交，高速攝影儀(18)通過數(shù)據(jù)線連接至工控計(jì)算機(jī)(20)；驅(qū)動段(5)上端套在固定墻面(23)的三角架孔中用螺釘固定；被驅(qū)動段(7)和觀察段(9)分別與第一移動架(17)、第二移動架通過螺釘連接固定；氣體收集箱(10)右側(cè)面的底部開有排氣孔(22)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的第一移動架、第二移動架結(jié)構(gòu)相同，均包括鉸鏈結(jié)構(gòu)(25)、連接螺栓(26)和浮動連接架；其中固定在固定墻面(23)側(cè)面的鉸鏈結(jié)構(gòu)(25)與浮動連接架的一端通過連接螺栓 (26)間隙配合構(gòu)成周向可旋轉(zhuǎn)鉸鏈副，被驅(qū)動段(7)和觀察段(9)分別套在各浮動連接架的另一端孔中通過螺釘固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的待測試件(11)通過螺釘固定在試件安裝臺(12)上，待測試件(11)在試件安裝臺(12) 安裝的角度為 15°、30°、45°、60°、75°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置，其特征在于所述的測量用的顆粒(8)為沙礫、沙子或煤粉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超音速氣固兩相流沖刷磨損試驗(yàn)裝置。包括高壓氣瓶、減壓閥、針閥、壓力表、激波管、壓力傳感器、工控計(jì)算機(jī)、高速攝影儀、氣體收集箱、試件安裝臺。激波管分驅(qū)動段和被驅(qū)動段，用鋁膜隔開。被驅(qū)動段中安裝測量用的顆粒。試件安裝臺安裝在氣體收集箱內(nèi)，且正對觀察段出口位置。壓力傳感器布置于被驅(qū)動段和觀察段，分別用來測量鋁膜破膜后的氣流速度和測量用的顆粒速度。高速攝影儀與安裝在氣體收集箱壁面的光源相對布置且位于同一光軸上，用來觀察固體顆粒的運(yùn)動軌跡。本發(fā)明可以模擬煤化工領(lǐng)域管道系統(tǒng)的工程實(shí)際磨損失效案例，進(jìn)行沖刷磨損的機(jī)理研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)、安全評估及壽命預(yù)測等管道及閥門的安全保障研究。
文檔編號G01N3/56GK102288506SQ20111025805
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者偶國富, 葉健, 章利特, 金浩哲, 饒杰 申請人:杭州富如德科技有限公司