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1、(10)申请公布号 CN 103323356 A (43)申请公布日 2013.09.25 CN 103323356 A *CN103323356A* (21)申请号 201310225128.3 (22)申请日 2013.06.05 G01N 3/56(2006.01) (71)申请人 浙江理工大学 地址 310018 浙江省杭州市江干经济开发区 白杨街道 2 号大街 5 号 (72)发明人 金浩哲 偶国富 肖定浩 (74)专利代理机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 代理人 林怀禹 (54) 发明名称 空蚀 - 冲蚀磨损协同作用的试验测试装置 (57) 摘要 本发明公开了一种空蚀。
2、 - 冲蚀磨损协同作用 的试验测试装置。 浆料罐进口由气体、 进水和固体 颗粒三个支路汇流组成， 电动机的传动轴伸入浆 料罐内带动搅拌叶片转动， 浆料罐出口经截止阀、 空蚀 - 冲蚀磨损试验阀经管道进入分离器进口， 分离器顶部开设气相出口， 底部的液固两相流出 口与回收槽相连通， 浆料罐侧面设置液位计和压 力表。本发明可实时监测观察多相流介质流态和 颗粒运动轨迹， 并通过试验阀芯顶端的阀芯压力 传感器， 实现流动空化数的测定 ； 该装置适用于 研究空蚀、 冲蚀磨损以及空蚀 - 冲蚀磨损协同作 用下金属材质在不同影响因素下的失重规律， 建 立相应的失效形式与失重函数关系式， 可应用于 管道、 阀。
3、门及管配件的先导性设计和运行工况的 优化操作。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103323356 A CN 103323356 A *CN103323356A* 1/1 页 2 1. 一种空蚀 - 冲蚀磨损协同作用的试验测试装置， 其特征在于 ： 包括加料器 （1） 、 压缩 机 （2） 、 电动机 （5） 、 浆料罐 （6） 、 空蚀 - 冲蚀磨损试验阀 （8） 、 分离器 （10） 、 回收槽 （11） 、 第一 截止阀 （。
4、3） 、 第二截止阀 （30） 、 第三截止阀 （31） ； 浆料罐 （6） 进口由三个支路汇流组成， 第一 支路的气体经压缩机 （2） 、 第一截止阀 （3） 接浆料罐 （6） 上部的进口， 第二支路进水经第二 截止阀 （30） 与压缩机 （2） 和第一截止阀 （3） 之间的管道相连通， 第三支路固体颗粒经加料 器 （1） 、 法兰与第一截止阀 （3） 出口的管道相连通 ； 电动机 （5） 的传动轴从浆料罐 （6） 顶部 伸入浆料罐 （6） 内带动搅拌叶片 （9） 转动， 浆料罐 （6） 下部侧面出口经第三截止阀 （31） 、 空 蚀 - 冲蚀磨损试验阀 （8） 再经管道进入分离器 （10）。
5、 上部侧面进口， 分离器 （10） 顶部开设与 大气相连通的气相出口， 分离器 （10） 底部设置液固两相流出口与回收槽 （11） 进口相连通， 浆料罐 （6） 侧面分别设置液位计 （4） 和压力表 （7） 。 2.根据权利要求1所述的一种空蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置， 其特征在于 ： 所述的空蚀 - 冲蚀磨损试验阀 （8） ， 包括阀体 （12） 、 试验阀芯 （15） 、 阀杆 （16） 、 压盖 （18） 、 填料压盖 （20） 、 法兰 （22） 、 透明 ABS 试验管段 （24） 、 耐磨阀座 （25） 、 底座 （26） 和直线导轨 （27） ； 试验阀芯 （15） 与阀。
6、杆 （16） 紧固联接， 阀杆 （16） 与压盖 （18） 中心孔间嵌入填料 （19） ， 并通过侧面填料压盖 （20） 与压盖 （18） 紧固联接 ； 试验阀芯 （15） 和阀杆 （16） 从阀体 （12） 的一侧安装在阀体 （12） 水平中心孔中， 压盖 （18） 与阀体 （12） 一侧紧固联接 ； 阀体 （12） 的 另一侧水平中心孔口嵌入耐磨阀座 （25） ， 耐磨阀座 （25） 与法兰 （22） 间嵌入环形透明ABS试 验管段 （24） ， 法兰 （22） 与阀体 （12） 的侧面紧固联接， 试验阀芯 （15） 头部穿过耐磨阀座 （25） 直至透明 ABS 试验管段 （24） 中 ；。
7、 阀体 （12） 底部与水平放置的底座 （26） 焊接固定， 位于压盖 （18） 一端的底座 （26） 末端设置直线导轨 （27） ， 直线导轨 （27） 的一端与伸出压盖 （18） 外的 阀杆 （16） 固接， 直线导轨 （27） 的另一端经与经螺杆 （28） 与手柄 （29） 联接， 转动手柄 （29） 控制试验阀芯 （15） 和阀杆 （16） 左右运动， 控制试验阀芯 （15） 与耐磨阀座 （25） 的开度 ； 透 明 ABS 试验管段 （24） 外侧面设置高速摄影仪 （14） 并通过数据线与第一工控计算机 （13） 相 联接， 与高速摄影仪 （14） 相对的透明 ABS 试验管段 （2。
8、4） 外侧面设置光源 （23） ； 试验阀芯 （15） 端部安装阀芯压力传感器 （21） ， 阀芯压力传感器末端的导线穿过试验阀芯 （15） 和阀 杆 （16） 的中心孔与第二工控计算机 （32） 相联接 ； 阀体 （12） 进口管段侧面设置第一压力传 感器 （17） ， 法兰 （22） 末端与管道连接的侧面设置第二压力传感器 （33） 。 权 利 要 求 书 CN 103323356 A 2 1/4 页 3 空蚀 - 冲蚀磨损协同作用的试验测试装置 技术领域 0001 本发明涉及一种多相流冲蚀测试装置， 具体地说是涉及应用于气 - 液 - 固多相流 的一种空蚀 - 冲蚀磨损协同作用的试验测试。
9、装置。 背景技术 0002 多相流输送广泛应用于石油、 化工、 生物、 制药、 冶金等流程型行业， 对国民经济的 发展起着非常重要的作用。空蚀 - 冲蚀 （磨损） 破坏失效是多相流传输设备中普遍存在的失 效问题， 其中高温、 高压差、 高速的含固多相流体对装置的空蚀 - 冲蚀磨损现象尤为突出， 已成为影响设备或管道系统长周期安全运行的严重障碍。 0003 最近几年， 为了满足能源发展的需要， 加大国家能源战略储备， 大力发展煤化工相 关产业势在必行。某套百万吨级煤直接液化示范工程自 2008 年底投用以来， 因流动磨损或 空化气蚀引发的非计划停工事故极为常见， 特别是多相流输送系统的管道壁厚减。
10、薄、 阀门 类设备空蚀 - 磨损失效等， 严重制约了整个示范工程的长周期运行， 生产安全风险性极高， 煤化工的规模集约化效益不显著。例如 ： 某煤液化热高压分离器底部的液控阀， 因长期处 在高温、 高压差等苛刻工况下， 在输送含固多相流介质过程中阀芯阀座频繁失效， 历经近四 年的技术攻关， 运行周期仅从数天延长到数十天。此类非常规条件下多相流介质在苛刻工 况下引发的设备损伤， 其失效机理极为复杂， 失效影响因素众多， 现有研究成果无法实现空 蚀 - 冲蚀协同作用的准确性测试。 0004 目前， 围绕空蚀 - 冲蚀磨损协同作用的相关研究较有代表性的有 ： 日本的 Jyoshiro SATOH， 。
11、英国华威大学的SC Li以及国内的水科院， 其相关的研究成果直接推动了 多相流相间耦合作用理论、 材料的空蚀 - 冲蚀作用机理， 但遗憾的是至今尚缺少科学可靠 的方法来预测复杂流动腐蚀环境中石油化工、 煤化工领域阀门、 管道及管配件的空蚀 - 冲 蚀协同作用的失效区域和失效的破坏程度。 0005 针对石油化工、 煤化工领域存在的空蚀 - 冲蚀磨损协同作用问题， 国内外学者先 后设计了一系列的空蚀 - 冲蚀试验测试装置， 以期通过实验来研究空蚀 - 冲蚀协同作用机 理。对于已存在的相关实验装置， 存在的不足之处主要在于 ： 0006 （1） 对多相流空蚀 - 冲蚀磨损协同作用机理研究不够深入， 。
12、相关设备的测试时间 较长， 且实验结果难以推广到工程应用。 0007 （2） 常规的实验装置无法对含固多相流传输装置中空蚀 - 冲蚀磨损失效进行定量 预测及实时观察， 不能准确描述空蚀 - 冲蚀磨损协同作用下的金属材料失重量。 发明内容 0008 针对国内外空蚀 - 冲蚀磨损试验装置存在的不足， 本发明的目的在于提供一种空 蚀-冲蚀磨损协同作用的试验测试装置， 可模拟工业环境中的实际工况条件， 实现空蚀-冲 蚀磨损试验阀内流动状态及颗粒运行轨迹的实时观察， 并能分别考察空蚀作用、 冲蚀磨损 作用以及空蚀 - 冲蚀磨损协同作用的阀芯失重量随影响因素的变化关系。 说 明 书 CN 10332335。
13、6 A 3 2/4 页 4 0009 为了达到上述目的， 本发明所采用的技术方案是 ： 0010 本发明包括加料器、 压缩机、 电动机、 浆料罐、 空蚀 - 冲蚀磨损试验阀、 分离器、 回 收槽、 第一截止阀、 第二截止阀、 第三截止阀 ； 浆料罐进口由三个支路汇流组成， 第一支路 的气体经压缩机、 第一截止阀接浆料罐上部的进口， 第二支路进水经第二截止阀与压缩机 和第一截止阀之间的管道相连通， 第三支路固体颗粒经加料器、 法兰与第一截止阀出口的 管道相连通 ； 电动机的传动轴从浆料罐顶部伸入浆料罐内带动搅拌叶片转动， 浆料罐下部 侧面出口经第三截止阀、 空蚀 - 冲蚀磨损试验阀再经管道进入分。
14、离器上部侧面进口， 分离 器顶部开设与大气相连通的气相出口， 分离器底部设置液固两相流出口与回收槽进口相连 通， 浆料罐侧面分别设置液位计和压力表。 0011 所述的空蚀 - 冲蚀磨损试验阀， 包括阀体、 试验阀芯、 阀杆、 压盖、 填料压盖、 法兰、 透明 ABS 试验管段、 耐磨阀座、 底座和直线导轨 ； 试验阀芯与阀杆紧固联接， 阀杆与压盖中 心孔间嵌入填料， 并通过侧面填料压盖与压盖紧固联接 ； 试验阀芯和阀杆从阀体的一侧安 装在阀体水平中心孔中， 压盖与阀体一侧紧固联接 ； 阀体的另一侧水平中心孔口嵌入耐磨 阀座， 耐磨阀座与法兰间嵌入环形透明 ABS 试验管段， 法兰与阀体的侧面紧。
15、固联接， 试验阀 芯头部穿过耐磨阀座直至透明 ABS 试验管段中 ； 阀体底部与水平放置的底座焊接固定， 位 于压盖一端的底座末端设置直线导轨， 直线导轨的一端与伸出压盖外的阀杆固接， 直线导 轨的另一端经与经螺杆与手柄联接， 转动手柄控制试验阀芯和阀杆左右运动， 控制试验阀 芯与耐磨阀座的开度 ； 透明 ABS 试验管段外侧面设置高速摄影仪并通过数据线与第一工控 计算机相联接， 与高速摄影仪相对的透明 ABS 试验管段外侧面设置光源 ； 试验阀芯端部安 装阀芯压力传感器， 阀芯压力传感器末端的导线穿过试验阀芯和阀杆的中心孔与第二工控 计算机相联接 ； 阀体进口管段侧面设置第一压力传感器， 法。
16、兰末端与管道连接的侧面设置 第二压力传感器。 0012 本发明具有的有益效果是 ： 0013 本发明采用高速摄影仪可实时监测观察多相流介质流态和颗粒运动轨迹， 并可通 过试验阀芯顶端的阀芯压力传感器， 实现流动空化数的测定 ； 试验装置适用于研究空蚀、 冲 蚀磨损以及空蚀 - 冲蚀磨损协同作用下金属材质在不同影响因素下的失重规律， 建立相应 的失效形式与失重函数关系式， 可应用于管道、 阀门及管配件的先导性设计和运行工况的 优化操作， 减少或避免非计划停工事故的发生， 延长设备系统的安全稳定运行周期。 附图说明 0014 图 1 是本发明的结构示意图。 0015 图 2 是空蚀 - 冲蚀磨损试。
17、验阀的放大结构示意图。 0016 图 3 是试验阀芯和阀杆联接的结构示意图。 0017 图中 ： 1、 加料器， 2、 压缩机， 3、 第一截止阀， 4、 液位计， 5、 电动机， 6、 浆料罐， 7 压力 表， 8、 空蚀 - 冲蚀磨损试验阀， 9、 搅拌叶片， 10、 分离器， 11、 回收槽， 12、 阀体， 13、 第一工控 计算机， 14、 高速摄影仪， 15、 试验阀芯， 16、 阀杆， 17、 第一压力传感器， 18、 压盖， 19、 填料， 20、 填料压盖， 21. 阀芯压力传感器， 22、 法兰， 23、 光源， 24、 透明 ABS 试验管段， 25、 耐磨阀 座， 26。
18、、 底座， 27、 直线导轨， 28、 螺杆， 29、 手柄， 30、 第二截止阀， 31、 第三截止阀， 32、 第二工 控计算机， 33、 第二压力传感器。 说 明 书 CN 103323356 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0018 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 0019 如图 1 所示， 本发明包括加料器 1、 压缩机 2、 电动机 5、 浆料罐 6、 空蚀 - 冲蚀磨损 试验阀 8、 分离器 10、 回收槽 11、 第一截止阀 3、 第二截止阀 30、 第三截止阀 31 ； 浆料罐 6 进 口由三个支路汇流组成， 第一支路的气体 （如氮气、 空气） 经压缩机 2。
19、、 第一截止阀 3 通过管 道连接浆料罐 6 上部侧面的进口， 第二支路进水经第二截止阀 30 与压缩机 2 和第一截止阀 3 之间的管道相连通， 第三支路固体颗粒 （如煤粉、 细砂、 二氧化硅） 经加料器 1、 法兰与第一 截止阀 3 出口的管道相连通 ； 电动机 5 的传动轴从浆料罐 6 顶部伸入浆料罐 6 内带动搅拌 叶片9转动， 与浆料罐6上部侧面进口相对的浆料罐6另一侧面下部出口经第三截止阀31、 空蚀 - 冲蚀磨损试验阀 8 再经管道进入分离器 10 上部侧面进口， 分离器 10 顶部开设与大 气相连通的气相出口， 分离器10底部设置液固两相流出口与回收槽11进口相连通， 浆料罐 。
20、6 侧面分别设置液位计 4 和压力表 7。 0020 如图 2、 图 3 所示， 所述的空蚀 - 冲蚀磨损试验阀 8， 包括阀体 12、 试验阀芯 15、 阀 杆 16、 压盖 18、 填料压盖 20、 法兰 22、 透明 ABS 试验管段 24、 耐磨阀座 25、 底座 26 和直线导 轨 27 ； 试验阀芯 15 与阀杆 16 通过螺栓紧固联接， 连接处有密封垫圈， 阀杆 16 与压盖 18 中 心孔间嵌入填料 19 作为环形密封， 并通过侧面填料压盖 20 与压盖 18 经螺栓紧固联接 ； 试 验阀芯 15 和阀杆 16 从阀体 12 的一侧安装在阀体 12 水平中心孔中， 压盖 18 。
21、通过紧固螺钉 与阀体12一侧紧固联接， 连接处设置密封垫圈 ； 阀体12的另一侧水平中心孔口嵌入耐磨阀 座 25， 耐磨阀座 25 与法兰 22 之间嵌入环形透明 ABS 试验管段 24， 连接处设置密封垫圈密 封 ； 环形透明 ABS 试验管段 24 与法兰 22 连接处及与耐磨阀座 25 的连接处均设置有密封垫 圈 ； 法兰 22 与阀体 12 的侧面连接， 试验阀芯 15 头部穿过耐磨阀座 25 直至透明 ABS 试验管 段 24 中 ； 阀体 12 底部与水平放置的底座 26 焊接固定， 位于压盖 18 一端的底座 26 末端设 置直线导轨27， 直线导轨27的一端与伸出压盖18外的阀。
22、杆16固接， 直线导轨27的另一端 经与经螺杆 28 与手柄 29 联接， 转动手柄 29 控制试验阀芯 15 和阀杆 16 左右运动， 控制试 验阀芯 15 与耐磨阀座 25 之间的开度， 调节空蚀 - 冲蚀磨损试验阀进出口的压力差和试验 流量 ； 透明 ABS 试验管段 24 外侧面设置高速摄影仪 14 并通过数据线与第一工控计算机 13 相联接， 与高速摄影仪 14 相对应的透明 ABS 试验管段 24 另一外侧面设置光源 23 ； 试验阀 芯15端部安装阀芯压力传感器21， 阀芯压力传感器21末端的导线穿过试验阀芯15和阀杆 16 的中心孔与第二工控计算机 32 相联接 ； 阀体 12。
23、 进口管段侧面设置第一压力传感器 17， 法兰 22 末端与管道连接的侧面设置第二压力传感器 33。 0021 本发明的工作原理 ： 0022 如图 1 所示， 安装好空蚀 - 冲蚀磨损协同作用试验装置， 按比例配置气 （空气或氮 气） 、 液 （水） 两相流介质， 并将计量的固体颗粒通过加料器 1 与气 - 液两相流介质混合达到 试验既定的固相浓度 ； 试验过程中， 转动手柄29可以控制阀芯15和阀杆16左右运动， 调节 阀芯 15 与耐磨阀座 25 之间的开度， 以调节空蚀 - 冲蚀磨损试验阀 8 进出口的压差和试验 流量 ； 调节试验阀芯 15 开度 30%、 40% 和 60%， 对应。
24、的压缩机 2 排气压力 P 分别设置为 2MPa、 4MPa 和 6MPa ； 调整光源 23 位置使其位于水平放置的透明 ABS 试验管段 24 中间位置， 同时 调整透明ABS试验管段24侧面与光源23正面相对的高速摄影仪14的位置， 保证光源23和 说 明 书 CN 103323356 A 5 4/4 页 6 高速摄影仪 14 沿透明 ABS 试验管段 24 中心线对称布置， 保证透明 ABS 试验管段 24 内有充 足的光线。试验开始时， 首先关闭第三截止阀 31， 通过气相支路、 液相支路和固相支路按照 试验要求配置多相流介质， 保证固相浓度和试验工况 （温度、 压力） ， 然后关闭。
25、第二截止阀 30 和加料器 1， 保证试验系统压力恒定 ； 配置完毕后的多相流介质进入到浆料罐 6 中后， 再启 动电动机5， 带动搅拌叶片9旋转， 使浆料罐6中的气-水-固三相物料混合均匀 ； 启动第一 工控计算机 13、 第二工控计算机 32 和高速摄影仪 14， 打开光源 23， 再打开第三截止阀 31， 此时高速摄影仪 14 对透明 ABS 试验管段 24 内的流动情况进行高速拍摄， 信号处理系统记 录第一压力传感器17、 第二压力传感器33和阀芯压力传感器21的实时信号， 得到空蚀-冲 蚀磨损试验阀 8 的进口压力 Pin、 出口压力 Pout和试验阀芯 15 外表面压力 Ps； 当。
26、阀门进口压 力 Pin达到 4MPa， 出口压力 Pout为一个标准大气压时， 试验阀芯 15 节流段最高速度的理论 值可以达到88m/s， 足以对试验阀芯15表面造成冲击 ； 当浆料罐6的液位低 于某一位置时， 关闭压缩机 2、 高速摄影仪 14、 电动机 5 和第三截止阀 31， 然后卸下压盖 18， 并取下试验阀芯 15 和阀杆 16， 取下安装在试验阀芯 15 头部的阀芯压力传感器 21， 更换需 要再次测试的试验阀芯， 然后把空蚀-冲蚀磨损试验阀8各部分组装完成， 调节试验条件继 续进行试验， 由高速摄影仪拍摄获得试验阀芯 15 表面的速度 v 和颗粒冲击角度 ， 通过多 次试验获得。
27、冲击角函数 f() 和相对速度函数 b(v) 之间的函数关系。本试验装置可分别 测试仅有冲蚀磨损或空蚀 - 冲蚀磨损协同作用两种工况条件下试验阀芯 15 试件的质量损 失 m1和 m2； 定义的试验阀芯 15 材质可分别为 10#、 20# 碳钢、 有色金属、 硬质合金或其他高 性能耐磨材料， 磨损率 （失重率） 定义为试件失重量 m1与测试用的颗粒质量 m2之比， 亦可 定义为试件失重量 m2与未失重的待测试件质量 m3之比， 通过试验可分别获得冲蚀磨损、 空 蚀 - 冲蚀磨损协同作用下的磨损率 （失重率） 表达式 1和 2。 0023 在不同试验条件下， 可改变试验阀芯 15 开度 l， 。
28、压缩机 2 排气压力 P， 测试用的磨 损颗粒质量m、 磨损颗粒密度、 形状因子、 磨损颗粒粒径d， 建立不同影响因素与磨损率 （失重率） 之间的函数关系式， 其表达式为 ： 0024 1 kf(l,P.) 0025 2 kf(l,m,d,P.) 0026 上式中， k 表示试验误差修正系数。试验完成后， 根据所得数据进行后续处理， 重 复多次试验可得到冲蚀磨损、 空蚀 - 冲蚀协同作用的磨损相关规律。 0027 上述具体实施方式用来解释说明本发明， 而不是对本发明进行限制， 在本发明的 权利要求的保护范围内， 对本发明所做的任何修改都将落入本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103323356 A 6 1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 103323356 A 7 2/2 页 8 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103323356 A 8 。