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[摘要] 通过设计实验的方式研究了J55碳钢在二氧化硅砾石的冲击下质量损失与表面形貌的特征，结果表明：对于弹性材料J55，在砾石的冲击下较容易造成材料的损失，实际的生产过程中应注意砾石冲击下J55材料管材的损害。
[关键词] J55 砾石 质量损失 表面形貌
前言
J55是石油钻探过程中的重要器材，其广泛应用于套管、钻杆、岩心管等，许多井口设备用管均采用J55碳钢。油气田的开采过程中，流体会携带砾石从井下采出，砾石不可避免的要对油管以及井口的管道进行冲击，从而降低了油管及其井口设备的寿命，并可能造成严重经济损失。分析和研究不同情况下砾石对J55碳钢的冲击腐蚀具有重要的实际意义[1]-[4]。
本文设计了实验装置对J55实验钢片进行冲击实验，为工程应用J55钢材提供重要的实验依据。
1.材料的冲蚀理论
材料的冲蚀理论大致可以分为如下几种：
(1) 微切削理论
Finnie.I 等人在1958年首先提出塑性材料的切削理论，他提出冲蚀物就像一把刀具，当其碰撞到塑性材料的表面时，便会从材料的表面划下一些材料，他提出的模型是假设一颗多角形磨粒，而且主要是在低冲蚀角，一般小于16.84°[5]。
(2) 变形磨损理论
1963年,Bitter[6]首次提出了冲蚀磨损可以两部分，分为变形磨损和切削磨损两部分。他的观点是，冲击角为90°时的冲蚀磨损与粒子冲击时材料的变形有关，是力学因素造成了冲蚀破坏，存在亚表面层裂纹成核长大，然后小屑片脱离母体的过程。他的理论在单个颗粒冲击磨损试验上得到了合理的验证，但是他的理论缺乏物理模型的有力支持。
(3) 锻压挤压理论
Levy等利用分步冲蚀试验法、单颗粒寻迹法研究冲蚀磨损的动态过程。他们发现，无论是大角度(90°)还是小角度的冲蚀磨损，在砂粒的不断冲击下，使受冲击的材料表面不断地受到挤压，于是便产生了小的、高度变形的、薄的唇片。从而形成唇片的大应变，此类应变出现在很薄的表面层中，这个表面层因为绝热剪切变形产生热量而被加热到接近于金属材料的退火温度，于是形成一个软的表面层。其下面有一个因为材料塑性变形而产生的冲击硬化区。这个硬的次表层一旦形成，将会对表面层唇片的形成起促进作用。在反复的冲击和挤压变形作用下，表面形成的唇片将从材料表面上剥落下来。该理论较好地解释了显微切削模型难以解释的现象，得到了许多研究者的赞同和证实。
综上所述，微切削理论着重于低冲击角冲蚀磨损的切削作用，变形磨损理论着重于不同冲击角冲击时的两种变形过程及能量变化分析，锻压挤压理论着重于大冲击角的冲蚀磨损。因此，在实际应用中应注意区别对待。同时，它们在解释高温下塑性材料的冲蚀行为时也存在不足之处，需要进一步完善或发展新的理论。
2.实验装置与实验准备
图1 实验设备
图1显示了本实验所用装置，砾石经过循环从喷嘴中喷出，冲击J55样件（J55样件的尺寸为16mm长，16mm宽，6mm厚）的表面，冲击的速度可以通过调节阀门来控制，冲击角度可以通过调节夹具来控制，一般调节在30o。实验用砾石材料为二氧化硅，砂粒的目数通过国内标准砂网筛得，砂粒的目数从20目到40目。砾石的浓度为可以调节，流体介质为水。每次实验开始与结束时，都要对样件的质量进行采集，并且用无水乙醇与丙酮对样件的表面进行清洗，以用于表面形貌的观察。样件的重量通过精度为0.001g的电子称测量，对实验前后的样件的质量进行采集。表面形貌通过扫描电镜得到。
3.结果与讨论
3.1 流体的流速对样件冲蚀的影响
由图2所知，随着流速的增大，冲蚀量也是逐渐增大的，但并不是严格的线性的关系，随着流速的增大，曲线变化速率也逐渐的增大。在较小的冲击角度下，冲蚀量随着冲击速度的增大而增大，这与文献[5]所描述的情况是一致的。
3.2 砾石浓度对样件冲蚀的影响
由图3可以看出，在其他实验条件一定的情况下，样件的冲蚀量随砂粒浓度的增大而增大，当浓度达到一定值时，冲蚀量随砂粒浓度的增大而有所减小。其原因是当砂粒的粒径较小时，增大砂粒浓度就代表增多了砂粒与割缝筛管割缝入口进行碰撞的次数，由此割缝筛管的冲蚀量开始随着浓度的增大而增大。当流体流速值是一定的时，流体携带砂粒的能力也是一定，当我们增大砂粒的浓度时，流体不能提供给砂粒足够多的能量，砂粒之间相互碰撞开始增大，这样反而降低了整体砂粒的能量，从而也导致了样件冲蚀量的减小。
图2流体速度与冲蚀量变化曲线
图3砾石浓度与冲蚀量变化曲线
3.3 砾石直径对样件冲蚀的影响
图4砾石直径与冲蚀量变化曲线
从图4中可以看出，在含砂流体流速（流速为6m/s）一定的情况下，样件的冲蚀量与砂粒直径关系紧密。当流体流速一定时，存在一个相对应的砂粒粒径，使其对样件的磨损起着主要作用，其原因是流速一定的流体，其携砂能力也是一定的，即一定流速的流体其使砂粒具有的最大动能是一定的，因此，在一定的流速下，存在与之相应的砂粒直径使其对样件的冲击量最大。
3.4 冲蚀形貌的观察
图5冲击角度为30o
图6冲击角度为90o
图5 图6显示了不同冲击角度下（砾石目数从20目-40目，冲击速度为6m/s，砾石浓度为6%）样件表面的形貌。从图5可以看到，在较低的冲击角度下，样件表面出现明显的刮擦的痕迹，并且表现出明显的方向性。可以看到，在砾石冲击方向的前沿出现了塑性的变形，这是低冲击角度下，弹性材料损失的主要机制，并且弹性模量越低，可以想象这种刮擦的痕迹会更深，前沿的塑性变形会更加明显。对于脆性的材料来讲，这种刮擦往往会浅而窄，前沿的塑性变形不会很明显。图6显示了90o冲击下，样件表面的形貌特征，在这种情况下，在样件的表面可以明显的观察到垂直的砸痕，同时也可以观察到刮擦以及一些复杂的形貌。对于90o的冲击来讲，砸痕是正常的，刮擦痕迹的形成主要是因为复杂的砾石碰撞造成的，射向样件表面的砾石与从样件表面弹回的砾石相互碰撞从而改变冲击的方向，造成了只有在低角度冲击下才会形成的刮擦的痕迹。复杂形貌的形成是由于塑性变形在砾石的二次冲击下所形成的，其形成极其复杂，目前尚未较好的理论完整解释。
4.结论
通过对J55样件在不同情况下的冲蚀实验可以得知，随着流速的增大，冲蚀率逐渐增大并曲线变化速率也逐渐增大。样件的冲蚀量随砂粒浓度的增大而增大，当浓度达到一定值时，冲蚀量随砂粒浓度的增大而有所减小。当流体流速一定时，存在一个相对应的砂粒粒径，使其对样件的磨损起着主要作用。较低的冲蚀角度下，样件表面形貌以刮擦为主。在较高的冲击角度下，样件的表面形貌不仅有砸痕还有擦痕，并且有比较复杂难以解释的形貌出现。
参考文献：
[1] 康进兴, 赵文轸等. 材料抗冲蚀性的研究进展. 材料保护，2001；34(10)：22～23.
[2] 董刚. 材料冲蚀行为及机理研究: [硕士学位论文], 浙江工业大学, 杭州：2004.
[3] 姜晓霞, 李诗卓, 李曙. 金属的腐蚀磨损．第1版．北京：化学工业出版社, 2003：115～124.
[4] 宝山钢铁股份有限公司. Q/BQB 372-2003, 直缝焊套管用热连轧钢带, 上海: 宝山钢铁公司.2003, 6.
[5] 邵荷生,曲敬信.摩擦与磨损[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1992.
[6] BITTER J G.A study of erosion phenomena [J].Wear, 1963 (6): 5-21.
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[关键词] J55 砾石 质量损失 表面形貌
前言
J55是石油钻探过程中的重要器材，其广泛应用于套管、钻杆、岩心管等，许多井口设备用管均采用J55碳钢。油气田的开采过程中，流体会携带砾石从井下采出，砾石不可避免的要对油管以及井口的管道进行冲击，从而降低了油管及其井口设备的寿命，并可能造成严重经济损失。分析和研究不同情况下砾石对J55碳钢的冲击腐蚀具有重要的实际意义[1]-[4]。
本文设计了实验装置对J55实验钢片进行冲击实验，为工程应用J55钢材提供重要的实验依据。
1.材料的冲蚀理论
材料的冲蚀理论大致可以分为如下几种：
(1) 微切削理论
Finnie.I 等人在1958年首先提出塑性材料的切削理论，他提出冲蚀物就像一把刀具，当其碰撞到塑性材料的表面时，便会从材料的表面划下一些材料，他提出的模型是假设一颗多角形磨粒，而且主要是在低冲蚀角，一般小于16.84°[5]。
(2) 变形磨损理论
1963年,Bitter[6]首次提出了冲蚀磨损可以两部分，分为变形磨损和切削磨损两部分。他的观点是，冲击角为90°时的冲蚀磨损与粒子冲击时材料的变形有关，是力学因素造成了冲蚀破坏，存在亚表面层裂纹成核长大，然后小屑片脱离母体的过程。他的理论在单个颗粒冲击磨损试验上得到了合理的验证，但是他的理论缺乏物理模型的有力支持。
(3) 锻压挤压理论
Levy等利用分步冲蚀试验法、单颗粒寻迹法研究冲蚀磨损的动态过程。他们发现，无论是大角度(90°)还是小角度的冲蚀磨损，在砂粒的不断冲击下，使受冲击的材料表面不断地受到挤压，于是便产生了小的、高度变形的、薄的唇片。从而形成唇片的大应变，此类应变出现在很薄的表面层中，这个表面层因为绝热剪切变形产生热量而被加热到接近于金属材料的退火温度，于是形成一个软的表面层。其下面有一个因为材料塑性变形而产生的冲击硬化区。这个硬的次表层一旦形成，将会对表面层唇片的形成起促进作用。在反复的冲击和挤压变形作用下，表面形成的唇片将从材料表面上剥落下来。该理论较好地解释了显微切削模型难以解释的现象，得到了许多研究者的赞同和证实。
综上所述，微切削理论着重于低冲击角冲蚀磨损的切削作用，变形磨损理论着重于不同冲击角冲击时的两种变形过程及能量变化分析，锻压挤压理论着重于大冲击角的冲蚀磨损。因此，在实际应用中应注意区别对待。同时，它们在解释高温下塑性材料的冲蚀行为时也存在不足之处，需要进一步完善或发展新的理论。
2.实验装置与实验准备
图1 实验设备
图1显示了本实验所用装置，砾石经过循环从喷嘴中喷出，冲击J55样件（J55样件的尺寸为16mm长，16mm宽，6mm厚）的表面，冲击的速度可以通过调节阀门来控制，冲击角度可以通过调节夹具来控制，一般调节在30o。实验用砾石材料为二氧化硅，砂粒的目数通过国内标准砂网筛得，砂粒的目数从20目到40目。砾石的浓度为可以调节，流体介质为水。每次实验开始与结束时，都要对样件的质量进行采集，并且用无水乙醇与丙酮对样件的表面进行清洗，以用于表面形貌的观察。样件的重量通过精度为0.001g的电子称测量，对实验前后的样件的质量进行采集。表面形貌通过扫描电镜得到。
3.结果与讨论
3.1 流体的流速对样件冲蚀的影响
由图2所知，随着流速的增大，冲蚀量也是逐渐增大的，但并不是严格的线性的关系，随着流速的增大，曲线变化速率也逐渐的增大。在较小的冲击角度下，冲蚀量随着冲击速度的增大而增大，这与文献[5]所描述的情况是一致的。
3.2 砾石浓度对样件冲蚀的影响
由图3可以看出，在其他实验条件一定的情况下，样件的冲蚀量随砂粒浓度的增大而增大，当浓度达到一定值时，冲蚀量随砂粒浓度的增大而有所减小。其原因是当砂粒的粒径较小时，增大砂粒浓度就代表增多了砂粒与割缝筛管割缝入口进行碰撞的次数，由此割缝筛管的冲蚀量开始随着浓度的增大而增大。当流体流速值是一定的时，流体携带砂粒的能力也是一定，当我们增大砂粒的浓度时，流体不能提供给砂粒足够多的能量，砂粒之间相互碰撞开始增大，这样反而降低了整体砂粒的能量，从而也导致了样件冲蚀量的减小。
图2流体速度与冲蚀量变化曲线
图3砾石浓度与冲蚀量变化曲线
3.3 砾石直径对样件冲蚀的影响
图4砾石直径与冲蚀量变化曲线
从图4中可以看出，在含砂流体流速（流速为6m/s）一定的情况下，样件的冲蚀量与砂粒直径关系紧密。当流体流速一定时，存在一个相对应的砂粒粒径，使其对样件的磨损起着主要作用，其原因是流速一定的流体，其携砂能力也是一定的，即一定流速的流体其使砂粒具有的最大动能是一定的，因此，在一定的流速下，存在与之相应的砂粒直径使其对样件的冲击量最大。
3.4 冲蚀形貌的观察
图5冲击角度为30o
图6冲击角度为90o
图5 图6显示了不同冲击角度下（砾石目数从20目-40目，冲击速度为6m/s，砾石浓度为6%）样件表面的形貌。从图5可以看到，在较低的冲击角度下，样件表面出现明显的刮擦的痕迹，并且表现出明显的方向性。可以看到，在砾石冲击方向的前沿出现了塑性的变形，这是低冲击角度下，弹性材料损失的主要机制，并且弹性模量越低，可以想象这种刮擦的痕迹会更深，前沿的塑性变形会更加明显。对于脆性的材料来讲，这种刮擦往往会浅而窄，前沿的塑性变形不会很明显。图6显示了90o冲击下，样件表面的形貌特征，在这种情况下，在样件的表面可以明显的观察到垂直的砸痕，同时也可以观察到刮擦以及一些复杂的形貌。对于90o的冲击来讲，砸痕是正常的，刮擦痕迹的形成主要是因为复杂的砾石碰撞造成的，射向样件表面的砾石与从样件表面弹回的砾石相互碰撞从而改变冲击的方向，造成了只有在低角度冲击下才会形成的刮擦的痕迹。复杂形貌的形成是由于塑性变形在砾石的二次冲击下所形成的，其形成极其复杂，目前尚未较好的理论完整解释。
4.结论
通过对J55样件在不同情况下的冲蚀实验可以得知，随着流速的增大，冲蚀率逐渐增大并曲线变化速率也逐渐增大。样件的冲蚀量随砂粒浓度的增大而增大，当浓度达到一定值时，冲蚀量随砂粒浓度的增大而有所减小。当流体流速一定时，存在一个相对应的砂粒粒径，使其对样件的磨损起着主要作用。较低的冲蚀角度下，样件表面形貌以刮擦为主。在较高的冲击角度下，样件的表面形貌不仅有砸痕还有擦痕，并且有比较复杂难以解释的形貌出现。
参考文献：
[1] 康进兴, 赵文轸等. 材料抗冲蚀性的研究进展. 材料保护，2001；34(10)：22～23.
[2] 董刚. 材料冲蚀行为及机理研究: [硕士学位论文], 浙江工业大学, 杭州：2004.
[3] 姜晓霞, 李诗卓, 李曙. 金属的腐蚀磨损．第1版．北京：化学工业出版社, 2003：115～124.
[4] 宝山钢铁股份有限公司. Q/BQB 372-2003, 直缝焊套管用热连轧钢带, 上海: 宝山钢铁公司.2003, 6.
[5] 邵荷生,曲敬信.摩擦与磨损[M]. 北京: 煤炭工业出版社, 1992.
[6] BITTER J G.A study of erosion phenomena [J].Wear, 1963 (6): 5-21.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”