【摘 要】
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冲蚀磨损是天然气开采过程中笼套式节流阀常见的一种失效形式,高压天然气携带着井底杂质颗粒在节流阀节流降压的过程中,对节流阀的核心部件阀芯产生冲蚀破坏,引发节流阀调压
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冲蚀磨损是天然气开采过程中笼套式节流阀常见的一种失效形式,高压天然气携带着井底杂质颗粒在节流阀节流降压的过程中,对节流阀的核心部件阀芯产生冲蚀破坏,引发节流阀调压和调产失效。频繁更换阀芯会严重影响气田的正常生产,降低气田采气生产效率,同时增加采气成本。WC-Co硬质合金是制造节流阀阀芯的主要材料,深入研究WC-Co硬质合金的冲蚀磨损机理,对提升阀芯耐冲蚀性能和增加使用寿命提供理论指导,具有重要的理论价值和工程意义。本文重点开展了 WC-Co硬质合金冲蚀磨损率随多种试验因素影响的变化规律,并探讨和分析了 WC-Co硬质合金在气体携带砂粒冲击下的冲蚀磨损机理。本文的研究工作主要有以下几个方面:(1)搭建了气体喷砂冲蚀机作为冲蚀磨损试验平台,设计了基于单因素变量法的WC-Co硬质合金冲蚀磨损试验方案。以质量冲蚀磨损率作为磨损测量方法,研究了工况因素、磨料性质以及靶材性质对5种不同牌号的WC-Co硬质合金(YG3、YG8、YG8C、YG8X、YG15)冲蚀磨损性能的影响规律。通过扫描电镜和能谱分析观察冲蚀破坏区域微观形貌和元素变化,总结了硬质合金的冲蚀磨损机理。(2)以3种不同粒径(47μm、62μm、125μm)的棕刚玉为磨料时WC-Co硬质合金出现了明显的“粒径效应”,在粒径47μm～125μm范围内的棕刚玉冲蚀下,冲蚀磨损率随着磨料粒径的增加先上升再减小,变化曲线与抛物线类似。粒径在62μm左右的棕刚玉造成的冲蚀磨损率最高,其次是125μm,粒径为最小的47μm时磨损率最低。(3)磨料硬度对WC-Co硬质合金冲蚀磨损的影响结果表明:3种不同硬度和外形的磨料造成的冲蚀磨损率存在明显差别。冲蚀磨损率并未一直随着磨料硬度的增加而上升,造成最高冲蚀磨损率的磨料是硬度19～22GPa的棕刚玉;其次是硬度29～31GPa的碳化硅,碳化硅的高破碎性是降低对靶材的冲蚀破坏作用的主要原因;硬度最低的玻璃砂造成的磨损率最低。(4)工况因素对WC-Co硬质合金冲蚀磨损的影响结果表明:硬质合金的冲蚀磨损率随着冲蚀角度(30°～90°)和磨料冲击速度的增加而上升,呈现出脆性材料冲蚀磨损特征。硬质合金进入稳定磨损期的时间较短,在固定冲蚀条件下进入稳定磨损期之后磨损量和冲蚀时间基本呈线性关系。(5)冲蚀破坏区域微观形貌分析和元素变化分析结果表明:粘结相Co的移除是造成WC-Co硬质合金冲蚀磨损的主要原因,低冲蚀角时切削与犁削为主要破坏形貌,90°冲蚀角时则以WC颗粒脱落为主,并伴有少量的切削与犁削、疲劳薄片和裂纹。在保证强度条件下降低Co含量和细化WC晶粒可提高WC-Co硬质合金耐冲蚀磨损性能。
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