在油田开发的中、高期阶段，油田采出液含水率高达98%，严重影响石油的生产率，而采用旋流分离技术对油田采出液进行处理是一种经济有效的方式。井下旋流器已成为油田采油时油水分离的一个不可缺少的设备，起着非常重要的作用。例如水力旋流器已经在一些行业得到了广泛的应用，其原理是利用不互溶多相流间不同相的密度差来进行分离，经过旋流分离，密度较大的将会背离旋转轴心向外侧运移，密度小的相会向着轴心运移，最终由设置在不同位置的排出口排出，从而实现分离。
目前，旋流分离器种类繁多，但在其材料冲刷腐蚀性方面研究还不多，因为经过井下旋流分离器的流体速度较高，流经时间较长，容易受到冲刷腐蚀而降低使用寿命，增添了成本。因此研究分离器材料的冲刷腐蚀性十分重要，采用耐冲刷腐蚀性高的材料来制造井下旋流分离器可提高其使用寿命。冲刷腐蚀在金属机械磨损中占主要作用，影响因素有很多，例如液体流速、冲刷角、溶液温度和浓度、材料组成等。本次试验就将在冲刷角和腐蚀液浓度两个方面分别研究不同种的材料冲刷腐蚀性，选出耐冲刷腐蚀性高的材料。
2、试验
2.1、试验材料及尺寸
试验的材料分别为45#钢，35CrMo，1Cr18Ni9Ti和碳纤维复合材料。由于试验材料毛坯为圆棒形状，所以采用线切割方法将试样切成圆片状，圆片尺寸为：半径R=4cm，厚度h=0.8cm。每种材料取4片，以便在试验中收集到对比的数据。
作者简介：王志坚（1974—）女，博士，教授，2005年获东北大学博士学位，2010年中国科学院金属研究所进行博士后研究工作，2011年美国密西西比州立大学访问学者，主要研究方向：工程有限元方法 E-mail：wangzhijian1974@sina.com
通讯作者：陈振宇（1993—），男，硕士研究生E-mail：1404746006@qq.com
2.2、试验方法
本次试验主要分为两个方向对材料进行研究，即：材料的耐冲刷性能分析和耐腐蚀性能分析。具体试验步骤如下：
（1）对每种材料的4片进行标记，即35CrMo：1-1、1-2、1-3、1-4；1Cr18Ni9Ti：2-1、2-2、2-3、2-4；45#钢：3-1、3-2、3-3、3-4；碳纤维：4-1、4-2、4-3.
（2）首先进行材料的耐冲刷性能检测，通过冲刷试验机用金刚砂磨料250#以一定的冲刷速度对每种金属圆片的一个表面进行冲刷，冲刷所用的时间应该根据具体情况来设定。冲刷时的采用四种不同的攻角对金属表面冲刷，分别为30°、45°、60°和90°。冲刷结束后，金属的耐冲刷性采用重量失重法确定：试样先用金相砂纸逐级进行打磨抛光，吹干后，在精度为0.01g的电子秤上称重，待完成一次冲刷试验后，再在电子秤上进行称重，得出前后圆片的失重。以单位时间内的失重量即磨损的速率来表达金属材料的耐冲刷性。对冲刷后的材料进行拍照，以便能更真实的看出材料的耐冲刷性能。
（3）冲刷试验结束后，进行金属材料的耐腐蚀性能检测。在不同浓度的盐酸（即4％、8％、12％、16％）中对金属材料进行腐蚀，其中腐蚀溶液的温度条件设定为60℃，腐蚀时间为5h。在腐蚀结束后，依旧采用重量失重法确定金属材料的耐腐蚀性，在精度为0.01g的电子天平上称出金属材料在腐蚀前后的失重比，以单位时间的失重量表达材料的耐腐蚀性。由图6可知在浓度为16%的盐酸下，四种材料的腐蚀速率最高，而在4%浓度下腐蚀速率最低。随着盐酸的浓度由4%增加到16%，每种材料的腐蚀速率随着盐酸的浓度增大而增大。图中可以看出碳纤维复合材料的腐蚀速率最低，其次是1Cr18Ni9Ti，而35CrMo和45#在酸中的腐蚀速率较快，45#的腐蚀速率要大于35CrMo。从化学反应过程来分析，盐酸有很强的还原性，同时随着氯离子浓度增大，35CrMo，45#，1Cr18Ni9Ti三种材料在盐酸中很难钝化，它们的腐蚀速率也就越快，所以盐酸浓度从4%到16%时，35CrMo，45#，1Cr18Ni9Ti三种材料的耐腐蚀性逐渐减小。
4、冲刷腐蚀的防护
（1）选材要合理，选择硬度高、耐冲刷腐蚀和表面膜性能性好的合金作为旋流分离器的材料。（2）改善设计，合理的设计是防护合金耐冲刷腐蚀最根本的措施之一，部件的结构设计要选择合理的的角度来降低冲刷腐蚀，在冲刷比较严重的部位可增厚材料的厚度。（3）材料表面可进行处理，目前，耐磨图层的发展迅速，通过热喷涂、电镀，化学镀等表面处理技术来阻隔材料与介质的接触来提高基体材料的抗冲蚀能力。在现代材料研究中陶瓷已成为品种、功能极多的一个材料大家族。陶瓷材料具有高熔点、高硬度、高刚度及高化学稳定性,近年来对陶瓷材料韧性化的深入研究又在一定程度上克服了陶瓷材料加工困难和容易发生脆性断裂的不足, 使得陶瓷材料用作涂层材料很有发展前景。例如，Al2O3 陶瓷，它的硬度高、耐磨性好, 因而常被用作涂层材料，所以可以作为旋流分离器内部的表面涂层来增强其抗冲蚀能力。
5、结论
1.冲刷条件下，冲刷腐蚀速率随着冲刷角的增大而变化，冲刷角从30°到45°，冲蚀速率逐渐增大；从45°到90°，冲蚀速率逐渐降低。冲蚀速率在45°时达到极大值，在90°时达到极小值，此时耐冲刷性达到极大值。45#、35CrMo、1Cr18Ni9Ti和碳纤维复合材料四种材料的耐腐蚀性随着盐酸浓度的增大而减小。
2.经过冲刷腐蚀的试验，45#、35CrMo、1Cr18Ni9Ti和碳纤维复合材料四种材料中，耐冲刷性最好的是1Cr18Ni9Ti，而碳纤维复合材料是最差的；耐腐蚀性最好的是碳纤维复合材料，其次是1Cr18Ni9Ti。综合考虑后选择1Cr18Ni9Ti作为旋流分离器内部结构材料最为合适。
3.由本次研究知，可选1Cr18Ni9Ti作为旋流分离器的材料，但其价格较高，所以除了选择材料1Cr18Ni9Ti来降低冲刷腐蚀外，也可采取防护措施，例如利用表面镀层来提高旋流分离器内部结构的耐冲刷腐蚀性。
作者姓名： 陈振宇
