一种流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及气固冲蚀磨损试验装置，尤其是涉及一种流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置及其试验方法。

背景技术：

在煤化工、石油化工、冶金、电力等诸多流程性工业领域中，普遍存在气固两相流。气固两相流的输送过程中，在气流的夹带和驱动下，固体颗粒会与管道或设备的内壁发生碰撞，从而导致冲蚀磨损。颗粒的持续冲蚀会导致管道或设备内表面的材料不断流失，进而引发管道壁厚减薄、泄漏、设备性能急剧下降、功能丧失等一系列严重后果，威胁装置的生产和运行安全。目前，针对气固两相流冲蚀磨损机理和规律，学术界和工程界已经开展大量理论和实验研究，但由于冲蚀条件各异、运行工况多变且颗粒、材质的物性各不相同，其冲蚀磨损机理仍有待于进一步探索。尤其是在流动润湿条件下的气固两相流冲蚀磨损，由于被冲蚀材料表面存在一定流速的液体，会显著改变冲蚀颗粒的冲击-反弹速度和角度，甚至影响壁面附近颗粒的聚集和破碎，其失效机理和规律更加复杂。

现有的超音速气固两相流冲刷磨损试验装置（cn201110258055.9），主要存在以下技术缺陷：1）试验装置采用激波管驱动方式，激波管出口的气流速度取决于铝膜的厚度，速度无法连续可调；2）通过更换铝膜的方式加载颗粒，拆卸繁琐，无法进行连续试验；3）每一次试验只能针对一种试件，试验时间较长；4）无法实现流动润湿条件的气固两相流冲蚀试验；因此，设计搭建流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置，并建立相对应的试验方法，具有重要的学术和工程应用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种气固冲蚀速度、被试件表面流体流速连续可调，且能针对多件试样开展持续性试验的流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置及其试验方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置，包括气固冲蚀试验箱、供气系统、循环供水系统、颗粒进料及回收系统和控制系统；

所述的气固冲蚀试验箱包括上部箱体和下部箱体，所述的上部箱体的一侧与所述的下部箱体的一侧通过合页连接，所述的上部箱体的顶部通过法兰连接有若干个等间距分布的颗粒进料仓，所述的上部箱体内的顶部设置有若干个与所述的颗粒进料仓一一对应连通的收缩喷嘴，相邻的所述的收缩喷嘴之间通过隔板隔开，所述的上部箱体的两侧分别设置有至少一个排气孔，所述的上部箱体的顶部设置有有机玻璃视窗，所述的有机玻璃视窗的上方设置有高速摄影仪；所述的下部箱体内均布有若干个可调整旋转角度的被试件，所述的被试件位于所述的收缩喷嘴的正下方且与所述的收缩喷嘴一一对应，所述的下部箱体的开合侧设置有进水口，所述的下部箱体的闭合侧设置有出水口；

所述的供气系统用于提供所述的气固冲蚀试验箱内的气源，并控制所述的气固冲蚀试验箱的进口压力，所述的供气系统与所述的颗粒进料仓连通；

所述的循环供水系统用于提供所述的气固冲蚀试验箱内的水源，并实现水的循环流动；同时，用于控制所述的被试件表面的流体流速；所述的循环供水系统分别与所述的进水口和所述的出水口连通；

所述的颗粒进料及回收系统用于控制颗粒的进料速率，同时回收冲蚀后的颗粒；所述的颗粒进料及回收系统与所述的颗粒进料仓连通；

所述的控制系统用于控制所述的气固冲蚀试验箱中气固两相流冲蚀的频率和次数。

所述的供气系统包括依次连接的空气压缩机、进气阀、储气罐和气动调压阀，所述的气动调压阀分别通过高压脉冲阀与各个所述的颗粒进料仓连通。在供气系统中通过调节气动调压阀的出口压力，可实现高压脉冲阀出口压缩空气流量的连续调节，从而获得不同的气固冲蚀速度，通过使用不同收缩比的收缩喷嘴，增加了气固冲蚀速度的调节范围。

所述的循环供水系统包括水箱、变量泵、悬液分离器、单向阀和过滤器，所述的水箱出口与所述的变量泵连接，所述的变量泵出口与所述的进水口连接，所述的出水口通过开关阀与所述的悬液分离器的进水口连接，所述的悬液分离器的液体出口与所述的单向阀连接，所述的悬液分离器的底部固体出口连接有颗粒回收装置，所述的单向阀通过所述的过滤器与所述的水箱进口连接。水箱、变量泵、气固冲蚀试验箱、开关阀、悬液分离器、单向阀和过滤器构成一个循环的回路。在循环供水系统中通过在变量泵中设定不同的排量，可调节变量泵出口处水的流量，从而获得被试件表面不同的流体流速。

所述的颗粒进料及回收系统包括依次连接的气源、气动减压阀、气动换向阀和颗粒进料装置，所述的颗粒进料装置分别与各个所述的颗粒进料仓连通。在颗粒进料及回收系统中通过调节气动减压阀的出口压力，可实现颗粒进料装置出口颗粒数量的连续调节，从而调节气固两相流中的颗粒浓度。

所述的控制系统包括工控机和压力传感器，所述的工控机的控制电路分别与所述的高压脉冲阀和所述的气动换向阀的先导控制部分相连接，所述的压力传感器分别连接与所述的颗粒进料仓进口和所述的工控机。在控制系统中通过工控机控制高压脉冲阀和气动换向阀的先导部分，可实现不同冲蚀频率下的连续试验；通过开启不同数量的高压脉冲阀，以及安装相对应的收缩喷嘴和被试件，可进行多种被试件的连续冲蚀。

所述的下部箱体内的底部设置有调节支架，所述的调节支架上沿长边方向均布有若干对支撑柱，每对所述的支撑柱之间安装一个所述的被试件，所述的被试件的中心轴两端分别穿过所述的支撑柱，所述的被试件的中心轴端部通过紧固螺母固定连接在所述的支撑柱上。被试件通过中心轴实现转动连接，通过紧固螺母固定角度。

所述的收缩喷嘴与所述的上部箱体通过螺纹方式进行连接，所述的收缩喷嘴的收缩比范围为1.5:1-2:1；所述的气固冲蚀试验箱的底部为圆弧形且其圆心位于所述的气固冲蚀试验箱的几何中心。

利用上述试验装置实现流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验的方法，包括以下步骤：

（1）在所述的气固冲蚀试验箱中，安装指定数量的被试件，并通过调节支架，设定各个被试件与水平面的夹角；根据所需要的气固冲蚀速度，选择不同收缩比的收缩喷嘴，并安装与被试件数量相对应的收缩喷嘴；安装完成后，将上部箱体和下部箱体合拢，设定高速摄影仪的拍摄频率，开启开关阀；

（2）在所述的供气系统中，空气压缩机产生的压缩空气经进气阀进入储气罐；待储气罐内的压力稳定后，打开气动调压阀，设定气动调压阀的出口压力；

（3）在所述的循环供水系统中，开启变量泵，并设定排量；水箱出口的水经变量泵进入气固冲蚀试验箱的进水口，并从气固冲蚀试验箱的出水口流出；从出水口流出的水依次流经悬液分离器、单向阀和过滤器，返回水箱，形成一个封闭的循环；通过一段时间的循环，除去水中的杂质，并使位于被试件表面的流体形成一个相对稳定的流动状态；

（4）在所述的颗粒进料及回收系统中，打开气源和气动减压阀，设定气动减压阀出口的气体压力；

（5）在所述的控制系统中，通过工控机，设定高压脉冲阀的脉冲频率和气动换向阀的换向频率；通过工控机开启气动换向阀，气动减压阀出口的压缩空气经气动换向阀进入颗粒进料装置，带动一定数量的固体颗粒进入颗粒进料仓；当颗粒进料仓进口的压力传感器捕捉到有气流导致的压力波动时，将压力波动信号反馈至工控机；工控机接收到压力波动信号后，开启高压脉冲阀；高压脉冲阀出口的高速气流进入颗粒进料仓，驱动颗粒进料仓内的固体颗粒进入收缩喷嘴，并冲蚀被试件；在气固冲蚀过程中，采用高速摄影仪捕捉固体颗粒在冲蚀被试件表面时的冲击-反弹速度和角度；

（6）当气固冲蚀试验进行一段时间后，打开开关阀；沉淀在气固冲蚀试验箱底部的固体颗粒与水共同流经开关阀，进入悬液分离器；从悬液分离器分离的固体颗粒进入颗粒回收装置，分离的水流经单向阀和过滤器返回水箱；

（7）当试验结束时，通过工控机先后关闭高压脉冲阀和气动换向阀；然后，依次关闭空气压缩机和变量泵；最后，关闭进气阀、气动调压阀和气动减压阀。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供一种流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置及其试验方法，在供气系统中，通过调节气动调压阀的出口压力，并利用高压脉冲阀产生高速气流，可实现高压脉冲阀出口压缩空气流量的连续调节，从而获得不同的气固冲蚀速度；通过使用不同收缩比的收缩喷嘴，增加了气固冲蚀速度的调节范围；在循环供水系统中，通过在变量泵中设定不同的排量，可调节变量泵出口处水的流量，从而获得被试件表面不同的流体流速；在颗粒进料及回收系统中，通过调节气动减压阀的出口压力，可实现颗粒进料装置出口颗粒数量的连续调节，从而调节气固两相流中的颗粒浓度；通过工控机控制高压脉冲阀和气动换向阀的先导部分，可实现不同冲蚀频率下的连续试验；通过在颗粒进料仓入口处设置压力传感器，并结合工控机采集和输出信号，可实现连续性气固冲蚀试验；通过开启不同数量的高压脉冲阀，以及安装相对应的收缩喷嘴和被试件，可进行多种被试件的连续冲蚀试验。

综上所述，本发明一种流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置及其试验方法，该装置可用于控制气固两相流中颗粒的冲蚀速度、冲蚀角度，并用于观测颗粒的冲击-反弹角度，在气固冲蚀试验箱中可同时进行多个被试件在不同冲击角度和冲击速度下的冲蚀试验，缩短了试验进程。同时，采用隔板的方式，避免了各个冲蚀过程的相互干扰；采用循环供水系统，结合气固冲蚀试验箱，可开展流动润湿条件下的气固冲蚀试验。

附图说明

图1为本发明流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置的结构示意图；

图2为本发明气固冲蚀试验箱的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

具体实施例一

一种流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验装置，包括气固冲蚀测试系统、供气系统、循环供水系统、颗粒进料及回收系统和控制系统；如图1和图2所示，气固冲蚀试验箱1包括上部箱体2和下部箱体3，上部箱体2的一侧与下部箱体3的一侧通过合页连接，上部箱体2的顶部通过法兰连接有若干个等间距分布的颗粒进料仓4，上部箱体2内的顶部设置有若干个与颗粒进料仓4一一对应连通的收缩喷嘴5，相邻的收缩喷嘴5之间通过隔板6隔开，上部箱体2的两侧分别设置有至少一个排气孔7，上部箱体2的顶部设置有有机玻璃视窗8，有机玻璃视窗8的上方设置有高速摄影仪9；下部箱体3内均布有若干个可调整旋转角度的被试件10，被试件10位于收缩喷嘴5的正下方且与收缩喷嘴5一一对应，下部箱体3的开合侧设置有进水口11，下部箱体3的闭合侧设置有出水口12；供气系统用于提供气固冲蚀试验箱1内的气源，并控制气固冲蚀试验箱1的进口压力，供气系统与颗粒进料仓4连通；循环供水系统用于提供气固冲蚀试验箱1内的水源，并实现水的循环流动；同时，用于控制被试件10表面的流体流速；循环供水系统分别与进水口11和出水口12连通；颗粒进料及回收系统用于控制颗粒的进料速率，同时回收冲蚀后的颗粒；颗粒进料及回收系统与颗粒进料仓4连通；控制系统用于控制气固冲蚀试验箱1中气固两相流冲蚀的频率和次数。

在此具体实施例中，如图1所示，供气系统包括依次连接的空气压缩机13、进气阀14、储气罐15和气动调压阀16，气动调压阀16分别通过高压脉冲阀17与颗粒进料仓4连通。循环供水系统包括水箱18、变量泵19、悬液分离器20、单向阀21和过滤器22，水箱出口18与变量泵19连接，变量泵19出口与进水口11连接，出水口12通过开关阀23与悬液分离器20的进水口连接，悬液分离器20的液体出口与单向阀21连接，悬液分离器20的底部固体出口连接有颗粒回收装置24，单向阀21通过过滤器21与水箱18进口连接。颗粒进料及回收系统包括依次连接的气源25、气动减压阀26、气动换向阀27和颗粒进料装置28，颗粒进料装置28分别与各个颗粒进料仓4连通。控制系统包括工控机29和压力传感器30，工控机29的控制电路分别与高压脉冲阀17和气动换向阀27的先导控制部分相连接，压力传感器30分别连接与颗粒进料仓4进口和工控机29。

在此具体实施例中，如图2所示，下部箱体3内的底部设置有调节支架31，调节支架31上沿长边方向均布有若干对支撑柱32，每对支撑柱32之间安装一个被试件10，被试件10的中心轴两端分别穿过支撑柱32，被试件10的中心轴端部通过紧固螺母33固定连接在支撑柱32上。被试件10通过其中心轴实现转动连接，通过紧固螺母33固定角度。收缩喷嘴5与上部箱体2通过螺纹方式进行连接，收缩喷嘴5的收缩比范围为1.5:1-2:1。气固冲蚀试验箱1底部为圆弧形且其圆心位于气固冲蚀试验箱1的几何中心。

具体实施例二

利用上述具体实施一装置进行流动润湿条件下可视化气固冲蚀磨损试验的方法，包括以下步骤：

（1）在气固冲蚀试验箱1中，安装指定数量的被试件10，并通过调节支架31，设定各个被试件10与水平面的夹角；根据所需要的气固冲蚀速度，选择不同收缩比的收缩喷嘴5，并安装与被试件10数量相对应的收缩喷嘴5；安装完成后，将上部箱体2和下部箱体3合拢，设定高速摄影仪9的拍摄频率，开启开关阀23；

气固冲蚀试验箱1的整体规格为100cm×50cm×80cm（长度×宽度×高度），气固冲蚀试验箱1底部为圆弧形，圆弧的半径为50cm，圆心位于气固冲蚀试验箱1的几何中心，对应的圆心角为120°；被试件10可以选用不同材质进行制作，被试件10的规格为8cm×4cm×2cm（长度×宽度×厚度），被试件10的数量可以根据试验要求进行选择，最大试验数量为6件；调节支架31可调节各个被试件与水平面的夹角，夹角的可调节范围为0°-90°，调节精度为1°；收缩喷嘴5采用陶瓷材料进行制作，收缩喷嘴5的数量与被试件10的数量的一致，最大数量为6件；收缩喷嘴5的收缩比范围为1.5:1-2:1；各收缩喷嘴5间具有隔板6，隔板6的规格为15cm×8cm×2cm；上部箱体2和下部箱体3均采用不锈钢进行制作，高速摄影仪9的全画幅分辨率为1024×1024（像素），全画幅拍摄频率不低于20000fps；

（2）在供气系统中，空气压缩机13产生的压缩空气经进气阀14进入储气罐15；待储气罐15内的压力稳定后，打开气动调压阀16，设定气动调压阀16的出口压力；上述各设备间均用不锈钢管道进行连接，管道公称通径为dn100；设备与管道采用螺纹或法兰连接的形式，接口尺寸为4英寸；空气压缩机13的功率为80kw，排气量为15m³/min；储气罐15的容积为100m³；气动调压阀16的调压范围为（0.05~1.0）mpa，压力调节精度为±5%；

（3）在循环供水系统中，开启变量泵19，并设定排量；水箱18出口的水经变量泵19进入气固冲蚀试验箱1的进水口11，并从气固冲蚀试验箱1的出水口12流出；从出水口12流出的水依次流经悬液分离器20、单向阀21和过滤器22，返回水箱18，形成一个封闭的循环；通过一段时间的循环，除去水中的杂质，并使位于被试件10表面的流体形成一个相对稳定的流动状态；

循环供水系统用于提供整个试验装置的水源，并实现水的循环流动。同时，用于控制被试件10表面的流体流速；变量泵19的最大排量300cm³/r，最高转速为2500r/min，输出功率450kw；水箱18的容积为5m³，箱外设液位计；悬液分离器20的液固分离效率不低于90%；单向阀21的最大流量为550l/min，最高耐压不低于15mpa；过滤器22的过滤精度不低于15μm；进水口11与出水口12的的规格为90cm×2cm（长度×宽度）；

（4）在颗粒进料及回收系统中，打开气源25和气动减压阀26，设定气动减压阀26出口的气体压力；颗粒进料及回收系统用于控制颗粒的进料速率，同时回收冲蚀后的颗粒；气源25的出口压力不低于1.0mpa，气动减压阀26的压力可调节范围为（0~1）mpa，压力调节精度为0.05mpa；

（5）在控制系统中，通过工控机29，设定高压脉冲阀17的脉冲频率和气动换向阀27的换向频率；通过工控机29开启气动换向阀27，气动减压阀26出口的压缩空气经气动换向阀27进入颗粒进料装置28，带动一定数量的固体颗粒进入颗粒进料仓4；当颗粒进料仓4进口的压力传感器30捕捉到有气流导致的压力波动时，将压力波动信号反馈至工控机29；工控机29接收到压力波动信号后，开启高压脉冲阀17；高压脉冲阀17出口的高速气流进入颗粒进料仓4，驱动颗粒进料仓4内的固体颗粒进入收缩喷嘴5，并冲蚀被试件10；在气固冲蚀过程中，采用高速摄影仪9捕捉固体颗粒在冲蚀被试件10表面时的冲击-反弹速度和角度；

气动换向阀27为二位五通阀，有先导控制装置，平均切换时间不超过20ms；颗粒进料仓4的几何形状为锥形，上、下平面均为圆形；上平面的圆半径为7.5cm，下平面的圆半径为2.0cm，高度为15.0cm，压缩空气沿上平面的切向方向进入仓内；压力传感器30的安装在颗粒进料仓4的入口管道上，压力传感器30的量程为（0~1.5）mpa，综合精度为0.1%fs；高压脉冲阀17为直角式，公称通径为dn15，脉冲频率范围为（5-50）hz，工作压力范围为（0.05-0.95）mpa，使用寿命不低于200万次；

（6）当气固冲蚀试验进行一段时间后，打开开关阀23；沉淀在气固冲蚀试验箱1底部的固体颗粒与水共同流经开关阀23，进入悬液分离器20；从悬液分离器20分离的固体颗粒进入颗粒回收装置24，分离的水流经单向阀21和过滤器22返回水箱；开关阀23为球阀，公称通径为dn80；悬液分离器20为立式分离器，液固分离效率不低于90%；颗粒回收装置24的体积不低于1m³；单向阀21的使用压力范围为（0-10）mpa；

（7）当试验结束时，通过工控机29先后关闭高压脉冲阀17和气动换向阀27；然后，依次关闭空气压缩机13和变量泵19；最后，关闭进气阀14、气动调压阀16和气动减压阀26。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。