[發明專利]一種基于激波式的沖擊磨損率速度指數的定量預測方法

在審

• 申請號: 201610012205.0
• 申請日: 2016-01-07
• 公開（公告）號: CN105547886A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 金浩哲;陳小平;偶國富;劉文文
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明涉及沖蝕磨損率的測試和預測方法，具體地說是涉及一種基于激波 式的沖擊磨損率速度指數的定量預測方法。

背景技術

管道輸送在石油化工、煤化工、生物制藥、核電等流程型工業應用廣泛， 對國民經濟的發展起著十分重要的作用。

近年來，隨著原油資源的日益短缺，發展煤基液化工程是緩解能源危機、 保障國家能源戰略安全的主要舉措之一。在煤直接液化工程中，加氫反應流出 物的成分組成極為復雜，既有以氫氣為主的氣相，也有未完全反應的煤粉、無 機礦物質(主要成分SiO₂等)、以及未充分反應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重的非計劃停車 及火災事故，損失非常嚴重。熱高壓分離器是煤直接液化加氫反應流出物的第 一道工序，其目的是對氣、液相進行分離，其中多相流介質經熱高壓分離器分 離后，液固兩相流經分離器底部的高壓差調節閥流出，高壓差調節閥前后的壓 差為12.7MPa，液固兩相流動過程中由于節流作用形成空化，從而形成了局部高 速的氣固兩相流動，對調節閥閥芯的耐磨涂層造成極為嚴重的沖蝕磨損，甚至 引起部分耐磨涂層WC的剝落，使調節閥的運行周期縮短至2～3個月，嚴重制 約煤直接液化工程的安、穩、長、滿、優運行。

鑒于高壓差調節閥工作過程的壓差大，節流后的氣相流速高達100m/s以上， 由此造成的調節閥閥芯的沖蝕磨損風險極高。現有的研究成果，例如Finnie、 Tabakoff、AndrewKohm等通過大量試驗，得到了磨損率與顆粒物性、沖擊角度、 沖擊速度等相關因素之間的關系，依據經驗法建立了沖蝕磨損模型。目前包括 Fluent、CFX等流體動力學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)的沖蝕磨損率數值預測誤 差極大，無法進行沖蝕磨損預測基礎上的結構優化。因此，迫切需要建立一種 沖擊磨損率速度指數的預測方法，實現大尺度速度范圍內沖擊磨損率速度指數 的求解和擴展預測，提升氣固兩相流體系下管道內壁沖蝕磨損率的預測精度， 為管道及閥門系統的結構優化提供數據支撐。

發明內容

本發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的定量預測 方法，滿足兩個方面的功能，一是實現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的定量預測方法，適用于給定材質、給定沖擊速度 和角度時沖擊磨損率速度指數的快速查詢，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理模型提供重要理論支撐，提高數值預測精 度。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

本發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的定量預測 方法；

1)沖擊磨損率曲線的繪制方法，包括如下步驟：

步驟1.1)利用高壓氣瓶向高壓管段內進行充氣，并運用壓力表、熱電偶實 時測試高壓管段內的壓力值和溫度值；

步驟1.2)連續向高壓管段內充氣，高壓管段內的壓力逐漸增加，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生激波，并進入到壓力值為P₀的低壓管 段，記錄非金屬隔膜片破裂時的高壓管段壓力值P₁；

步驟1.3)根據步驟1.2)中產生的激波對低壓管段內的顆粒群進行拖曳加 速，顆粒群的速度由靜止狀態逐漸加速，并沖出顆粒加速段出口；

步驟1.4)根據步驟1.3)中顆粒群沖出顆粒加速段出口的沖擊速度V通過 高速攝影儀進行標定，采用高速攝影儀記錄單位時間Δt內連續兩幀圖片中顆粒 群的移動距離ΔL，計算顆粒群沖出顆粒加速段出口的沖擊速度V，即： V＝ΔL/Δt；

步驟1.5)改變非金屬隔膜片的厚度δ_i,i＝1,2....，重復步驟1.1)～步驟1.4)， 建立非金屬隔膜片破裂時厚度δ_i,i＝1,2....與高壓管段壓力值P_i,i＝1,2....的對應 關系，獲得非金屬隔膜片不同厚度破裂時對應的顆粒群沖出顆粒加速段出口的 沖擊速度V；