2. 中国石油大学(北京)
2. China University of Petroleum(Beijing)
0 引言
现场作业中，井控管汇内壁受以钻井产生的铁屑及岩石碎屑为支撑剂的携砂液高速冲蚀，易发生管壁的塑性变形，晶体组织的滑移，同时位错大量聚集，晶界处萌生微裂纹，致使腐蚀介质通过微裂纹与内部组织接触发生晶界腐蚀，改变了材料表面强度；凹坑和微裂纹的存在增加了材料与腐蚀介质的接触面积，促进腐蚀产物脱离材料表面，加速材料流失[1]。冲蚀破坏形成的冲蚀坑缺陷在一定情况下会引发井控管汇的破裂和刺穿，造成人员伤亡和经济损失，产生重大工业事故。
目前，国内外学者对各类材料冲蚀磨损性能的研究主要集中在冲蚀角度[2-6]、冲蚀速度及携砂液的含砂量[7]对冲蚀速率的影响。由于管材基本是典型的塑性材料，所以冲蚀角度小于30°时，携砂液对材料的冲蚀效率最高[8]；并且在现场除了部分弯管外，井控管汇大都经常受到小冲蚀角度的固液两相冲蚀磨损，但目前学者对冲蚀角度在0°~30°范围材料冲蚀磨损性能的集中研究较少；有关材料冲蚀磨损机理的研究常局限于常压或低压条件，很多研究没有考虑管汇在较高内压作用下携砂液的冲蚀角度、冲蚀速度等对材料冲蚀磨损性能的影响。因此，研究井控管汇常用材料35CrMo钢在高压作用下，不同的冲蚀角度(0°~30°)、冲蚀速度和支撑剂类别对其冲蚀磨损性能的影响很有必要。
1 试验部分 1.1 试验装置试验采用自制的拉伸应力可变的冲蚀磨损试验装置，用该装置已系统研究了常用管材的冲蚀磨损性能[9-13], 其工作原理为：将一定比例的清水和支撑剂在混砂罐中搅拌均匀，砂浆泵将携砂液从罐中抽出，通过喷嘴喷射到冲蚀腔内的冲蚀试样上。试样所受拉伸应力可以通过液压装置调节，而且通过转动连接试样的转轴可以调节冲蚀角度[7]。
1.2 试验材料将35CrMo钢板制成冲蚀磨损试样。为保证试验数据的准确性，试验前、后都要用无水乙醇对试样表面进行清洗，去除试样表面的污物，同时用测量精度为0.001 g的LP503型电子天平对试样称重，每个试样称重3次，取平均值。
1.3 试验方案及参数设计(1) 研究不同冲蚀速度和不同冲蚀角度下，35CrMo钢受以20~40目陶粒及40~70目陶粒为支撑剂的携砂液冲蚀时的冲蚀磨损性能，并通过扫描电镜对试样表面观察来探究冲蚀磨损的微观机理。
(2) 研究不同冲蚀速度下，35CrMo钢分别受以20~40目陶粒及40~70目陶粒为支撑剂的携砂液冲蚀时的冲蚀磨损性能的试验方案及参数。试样所受的拉伸应力为100 MPa，冲蚀角度为30°。为了确保试验的可对比性和合理性，在不同冲蚀速度下，冲蚀过试样表面的携砂液总量应相同，冲蚀过试样表面的携砂液体积Q=vtS，其中，v为携砂液速度，t为冲蚀时间，S为喷嘴横截面积。每次试验采用相同的喷嘴，经计算可知，上述速度的冲蚀时间分别为60、48、40、34、30和27 min；携砂液的支撑剂选取20~40目陶粒，携砂液中水砂体积比为14%，研究不同冲蚀速度(20、25、30、35、40和45 m/s)对试样冲蚀性能的影响。然后将支撑剂换为40~70目陶粒，水砂体积比不变，再次研究不同冲蚀速度对试样冲蚀性能的影响。
(3) 研究不同冲蚀角度下，35CrMo钢分别受以20~40目陶粒及40~70目陶粒为支撑剂的携砂液冲蚀时的冲蚀磨损性能的试验方案及参数。试样所受的拉伸应力为100 MPa，冲蚀速度为30 m/s，冲蚀角度为5°、10°、15°、20°、25°和30°；不同冲蚀角度的冲蚀时间均为60 min。携砂液的支撑剂选取20~40目陶粒，携砂液中水砂体积比为14%，研究不同冲蚀角度对试样冲蚀性能的影响。然后将支撑剂换为40~70目陶粒，水砂体积比不变，再次研究不同冲蚀角度对试样冲蚀性能的影响。
2 试验结果分析 2.1 冲蚀速度和冲蚀率的关系拟合当携砂液中的支撑剂颗粒为40~70目陶粒时，冲蚀速度与冲蚀率的关系拟合曲线如图 1所示。从图可以看出，35CrMo钢的冲蚀率随冲蚀速度的增加呈指数关系增大；当冲蚀速度和冲蚀率的拟合公式两边同时取对数时，即在对数坐标系中，冲蚀速度和冲蚀率基本呈线性关系，如图 2所示。
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| 图 1 冲蚀速度与冲蚀率的关系拟合曲线 Fig.1 Fitting curve of erosion rate and impact velocity |
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| 图 2 取对数后的冲蚀速度和冲蚀率的关系拟合曲线 Fig.2 Fitting curve of erosion rate and impact velocity in logarithmic form |
材料的冲蚀磨损与支撑剂颗粒的动能有关，理论上35CrMo钢的冲蚀率与冲蚀速度的拟合关系应为平方关系，但试验中喷嘴口径一定，冲蚀速度的增加会造成单位时间内冲击试样表面的支撑剂颗粒数量增多，因此35CrMo钢的冲蚀率随冲蚀速度的增加呈指数关系增大[14]。拟合公式为：
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(1) |
式中：Y为冲蚀率，mg/g；X为冲蚀速度，m/s。
拟合相关系数R2=0.998 27，接近于1，说明拟合曲线符合35CrMo钢实际的冲蚀磨损性能。
在图 2中，直线的斜率为速度指数n，它反映了35CrMo钢的冲蚀率对冲蚀速度的敏感程度，速度指数越大，35CrMo钢的冲蚀率随冲蚀速度的增加而增大得越快[8]。图中直线的拟合公式为：
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(2) |
式中：Y1、X1分别为冲蚀率和冲蚀速度的对数值。
从拟合公式可以得出，35CrMo钢在该试验条件下的速度指数为3.43。塑性材料的速度指数n一般介于2~3之间，脆性材料的速度指数n能达到4~6[15-16]，说明35CrMo钢在40~70目陶粒的冲蚀磨损作用下，对冲蚀速度的敏感程度比塑性材料大，比脆性材料小一点。
当携砂液中的支撑剂颗粒为20~40目陶粒时，冲蚀速度与冲蚀率的拟合关系曲线如图 3所示。从图可见，35CrMo钢的冲蚀率随冲蚀速度的增加依然呈指数关系增大，拟合公式为：
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(3) |
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| 图 3 冲蚀速度与冲蚀率的关系拟合曲线 Fig.3 Fitting curve of erosion rate and impact velocity |
对冲蚀速度与冲蚀率的拟合公式(3) 两边同时取对数时，冲蚀速度和冲蚀率呈线性关系，如图 4所示。拟合公式为：
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(4) |
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| 图 4 取对数后的冲蚀速度和冲蚀率的关系拟合曲线 Fig.4 Fitting curve of erosion rate and impact velocity in logarithmic form |
将图 1、图 2和图 3、图 4进行比较，对比40~70目陶粒和20~40目陶粒2种支撑剂对35CrMo钢冲蚀磨损性能的影响，发现在冲蚀速度相同的条件下，20~40目陶粒做支撑剂时造成试样的冲蚀率比40~70目陶粒做支撑剂时的大，但是速度指数n非常接近，因此支撑剂颗粒的直径越大，造成35CrMo钢的冲蚀率越大，但是对速度指数n影响很小，即相同种类但是粒径不同的支撑剂颗粒对35CrMo钢的冲蚀速度敏感性几乎无影响。
2.2 冲蚀速度和扫描电镜图像的对比分析支撑剂颗粒与管壁碰撞示意图见图 5。由图 5可知，当冲蚀角度在0°~90°范围内，支撑剂颗粒撞击试样表面时，冲击力可分解为水平方向的切削分力和垂直方向的撞击分力[17]，因此材料的冲蚀磨损主要有切削磨损和撞击磨损2种方式。
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| 图 5 颗粒与管壁碰撞的示意图 Fig.5 Schematic diagram of particles colliding with the tube wall |
在不同冲蚀速度下，对冲蚀坑中心进行电镜扫描。由于20~40目陶粒做支撑剂比40~70目陶粒做支撑剂的冲蚀效果明显，所以选取20~40目陶粒做支撑剂，对不同冲蚀速度下(20、25、30、35、40和45 m/s)的冲蚀坑表面进行电镜扫描，扫描的冲蚀磨损微观形貌如图 6所示。
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| 图 6 不同冲蚀速度下的冲蚀磨损微观形貌 Fig.6 Morphology of erosion wear at different impact velocities |
从图 6可以看出，冲蚀坑表面布满了犁沟，并在其两侧形成了大量的金属唇片，终端附着有推挤颗粒物，这属于典型的切削沟槽，与文献[18]中提出的微切削理论模型相符合；同时扫描电镜图像中含有少量的短程切削和冲击凹坑。虽然随着冲蚀速度的增加，犁沟的长度和深度会变长、变深，但是通过观察磨损痕迹，35CrMo钢的冲蚀磨损机理不受冲蚀速度的影响，即在冲蚀角度为30°的条件下，支撑剂对试样的冲蚀磨损以切削磨损为主，并有小部分的撞击磨损。
将图 5和图 6进行对比分析可知，当支撑剂颗粒的法向速度所产生的能量足以使试样表面的应力达到屈服极限时，材料发生屈服，同时在支撑剂颗粒施加的切向力作用下，材料表面会发生金属脱落，可以发现颗粒在冲蚀试样表面留下清晰的犁沟冲痕；当支撑剂颗粒的法向速度大到可以使试样表面的应力达到强度极限时，试样表面会发生强度破坏，颗粒在试样表面留下剥离凹坑，当冲蚀速度为45 m/s时，材料表面的剥离凹坑尤为明显。
2.3 冲蚀角度和冲蚀率的关系拟合当携砂液中的支撑剂分别为40~70目陶粒和20~40目陶粒时，不同冲蚀角度(5°、10°、15°、20°、25°和30°)对35CrMo钢冲蚀磨损性能的影响见图 7。
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| 图 7 冲蚀角度和冲蚀率的关系拟合曲线 Fig.7 Fitting curve of impact angle and erosion rate |
从图 7可以看出，当冲蚀角度在5°~30°范围内时，随着冲蚀角度的增加，冲蚀率也不断增大；同时，冲蚀率增大的速度也在不断变快。支撑剂为20~40目的陶粒时，冲蚀率比40~70目的陶粒做支撑剂时的大，这说明支撑剂粒径越大，对35CrMo钢的冲蚀磨损程度越大。
2.4 冲蚀角度和扫描电镜图像对比分析20~40目陶粒做支撑剂时，对不同冲蚀角度下(5°、10°、15°、20°、25°和30°)的冲蚀坑表面进行电镜扫描，扫描的冲蚀磨损微观形貌见图 8。
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| 图 8 不同冲蚀角度时的冲蚀磨损微观形貌 Fig.8 Morphology of erosion wear at different impact angles |
观察图 8可知，当冲蚀角为5°~30°时，冲蚀坑表面布满了犁沟，并在犁沟的两侧形成大量的金属唇片，这属于典型的切削沟槽；同时冲蚀坑表面存在一定量的撞击凹坑，说明主要以切削磨损为主，并存在一定的撞击磨损。随着冲蚀角度的不断增大，冲蚀犁沟长度逐渐变短，深度不断变深，同时撞击凹坑的数目不断增多[19]。因此在实际应用中，当冲蚀角度较小时，主要考虑支撑剂颗粒的切向分量对材料的切削作用，应首先考虑工程材料的硬度，兼顾材料的塑性；当冲蚀角度较大时，主要考虑支撑剂颗粒的法向分量对冲蚀层的撞击作用，应首先考虑工程材料的塑性，兼顾材料的硬度。
将图 8与图 6相结合进行分析可知，当冲蚀速度一定，冲蚀角度较小时，支撑剂颗粒在法向方向所产生的能量不足以使试样表面的应力达到材料屈服极限，在切向速度的作用下颗粒沿切向方向运动，使试样表面产生基于摩擦作用的材料损失(见图 8)，冲蚀角度为5°~10°时，冲蚀坑区域表面留下了较浅的摩擦冲痕。随着冲蚀角度的增大，支撑剂颗粒在法向方向所产生的能量足以使试样表面的应力达到材料屈服极限，此时材料发生屈服，在支撑剂颗粒施加的切向力作用下，材料表面会发生金属脱落(见图 6)，冲蚀角度为15°~30°时，颗粒在冲蚀试样表面留下清晰的犁沟冲痕。当冲蚀角度大到一定值时，在法向所产生的能量致使试样表面的应力达到材料强度极限，此时试样表面发生强度破坏，材料直接从表面剥离[17](见图 6)，冲蚀角度为30°时，颗粒在冲蚀试样表面留下剥离凹坑。
综上所述，冲蚀角度从0°向30°变化、冲蚀速度从20 m/s向45 m/s变化时，冲蚀率都会上升，而这2个过程都受冲蚀能量的切向分量和法向分量的影响；冲蚀能量的切向分量对35CrMo钢冲蚀层的切削作用对冲蚀率的改变明显强于法向分量对35CrMo钢冲蚀层的冲击作用对冲蚀率的改变；冲蚀速度和冲蚀角度一定时，支撑剂粒径越大，对材料的冲蚀磨损越严重；在支撑剂冲蚀试样表面的过程中，支撑剂颗粒会破裂，破裂后的颗粒将对靶面产生第2次冲蚀，其冲蚀能力正比于颗粒的破碎程度和动能，支撑剂的粒径越大，破碎程度和动能越高，因此造成的第2次冲蚀越严重[20]。
3 结论(1) 在设定的试验条件下，35CrMo钢的冲蚀率随冲蚀速度增加呈指数关系增大；在对数坐标系中，冲蚀速度与冲蚀率呈线性关系；通过电镜扫描图像可发现，虽然冲蚀速度不同，但35CrMo钢的冲蚀磨损机理相同。
(2) 当冲蚀角度在5°~30°范围时，随冲蚀角度的增加，冲蚀率不断增大，且冲蚀率增大的速度不断加快；通过电镜扫描图像可发现，冲蚀磨损主要以切削磨损为主，并存在少量的撞击磨损，随着冲蚀角的增加，冲蚀犁沟的长度逐渐变短，深度不断变深，同时撞击凹坑的数目不断增多。
(3) 同种支撑剂，支撑剂颗粒的粒径越大，冲蚀效果越明显；但是对速度指数n的影响几乎可以忽略不计，即相同种类但是粒径不同的支撑剂颗粒对35CrMo钢的冲蚀速度敏感性影响很小。
(4) 支撑剂颗粒冲蚀能量不同，它作用于试样表面的应力也不同。当应力处于弹性状态时，主要是摩擦机制起作用；当应力在屈服极限与强度极限之间时，微切削机制起作用；当应力超过强度极限时，则发生剥落现象。冲蚀角度在0°~30°范围或者冲蚀速度在20~45 m/s范围时，冲蚀能量的切向分量对35CrMo钢冲蚀层的切削作用对冲蚀率的改变明显强于法向分量对35CrMo钢冲蚀层的冲击作用对冲蚀率的改变。
(5) 在实际应用中，受冲蚀破坏的管汇，当冲蚀角度较小时，主要考虑支撑剂颗粒的切向分量对材料的切削作用，因此应首先考虑工程材料的硬度，兼顾材料的塑性；当冲蚀角度较大时，主要考虑支撑剂颗粒的法向分量对冲蚀层的撞击作用，因此应首先考虑工程材料的塑性，兼顾材料的硬度；对冲蚀较严重的部位应适当加厚。
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