高速固体颗粒冲击下30CrMo钢的冲蚀机理测试研究

摘要

目的随着中国西北部地区油气勘探开发难度不断增加,钻井井控装置的节流管汇面临日益严重的高速颗粒冲蚀磨损问题,为有效支撑节流管汇的冲蚀预测、结构优化以及防冲蚀措施制定等工作的开展。方法依据标准ASTM-G76,采用气-固喷嘴冲蚀试验法,使用空气射流冲蚀试验机,开展了节流管汇材料30CrMo钢的冲蚀试验,并利用三维显微镜、扫描电镜(SEM)等设备,对试验结果进行了失重分析、三维轮廓分析和微观形貌分析。结果冲蚀速率随冲击角(15°~90°)增加而减小,随颗粒冲击速度(107~149 m/s)增加而增大;冲蚀面积随冲击角增加而减小,几乎不随颗粒冲击速度变化;冲蚀深度随冲击角增加而先增大后减小(在60°冲击角附近最大),随颗粒冲击速度增加而增大;30CrMo钢的冲蚀机制受冲击角影响,不受颗粒冲击速度影响;在低冲击角(15°、30°)下以犁削机制为主,在中等冲击角(45°)下以犁削、压实与开裂的混合机制为主,在高冲击角(60°、90°)下则以压实与开裂机制为主。结论高速固体颗粒冲击下30CrMo钢的材料移除过程为典型的塑性材料冲蚀行为;冲击角通过冲蚀机制影响冲蚀速率,颗粒冲击速度通过颗粒冲击能量影响冲蚀速率;建立了30CrMo钢的冲蚀速率方程,可直接用于材料抗冲蚀性能的横向对比或冲蚀CFD模型建立及仿真模拟;提升材料耐冲蚀性能及降低磨料质量分布密度可以减小冲蚀深度。