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文|晨晨不爱吃豆腐c
编辑|晨晨不爱吃豆腐c
前言：
随着技术的进步，人们和对能源的需求也逐渐增加，比如石油和天然气。与其他的运输方式相比，使用管道进行石油和天然气产品的运输是一种更安全的方法，但泄漏和破裂仍然可能发生，还会对人类构成重大危险。
除了威胁生命的方面，由于管道的退化而导致的故障可能会造成严重的经济损失，以及污染和野生动植物和海洋生物的污染等环境灾害。在石油和天然气工业中，腐蚀和磨损可以被视为故障和泄漏的主要原因之一。
原油中含有腐蚀性成分，如二氧化碳、硫化氢、有机酸、溶解气体和盐水，而油砂则由CO2和腐蚀性离子组成。天然气也具有腐蚀性，因为其中含有 CO2、H2S 以及一些钙和氯化物化合物。
另一方面，在石油产品的某些提取过程中，可能会将磨蚀颗粒与流动的流体混合形成多相固液混合物。在石油和天然气工业中，这些混合物的流动可能导致固体颗粒的侵蚀，除了腐蚀之外。磨损和腐蚀的结合可以大大减少设备的使用寿命，因为材料损失的速度更快。
虽然在恶劣的侵蚀性环境中，组件的腐蚀和磨损无法完全消除，但可以使用防护涂层来改善设备的使用寿命，并防止早期和不可预测的故障。选择适当的涂层材料取决于使用条件、财务因素和制造工艺。
在大规模应用中，比如输送管道，基于聚合物的防护衬里由于成本相对较低且易于制造而受到青睐。在聚合物防护衬里中，聚氨酯弹性体因其易加工性、优异的耐腐蚀性、抗侵蚀磨损性和相对较低的成本而受到广泛关注，这使其适用于大规模应用。
PU是一种有机聚合物 ，其化学结构中含有脲基，可以通过二异氰酸酯和聚醇的反应合成。尽管PU的制造过程与通常用于聚合物的方法类似，但其机械性能，如高断裂伸长率和最小塑性变形，与具有更复杂生产工艺的硫化橡胶相当。
与大多数聚合物、橡胶、不锈钢甚至一些硬质钨碳化钴涂层相比，PU具有更好的耐磨性。优异的耐磨和耐腐蚀性能，加上易于制造和低成本，使PU成为用于大规模应用如石油和天然气管道的理想选择。
磨粒磨损和冲蚀磨损
在表面与硬磨料颗粒之间的相对运动导致目标材料的损坏和磨损时，磨粒磨损和冲蚀磨损是两种主要的磨损机制。在磨粒磨损中，磨料颗粒在移动过程中被迫接触表面。磨料颗粒可以滑动或经历滑动旋转运动。
另一方面在冲蚀磨损中，材料逐渐损失是由于在气体或液体流中移动的硬颗粒的冲击。下面将讨论磨粒磨损和冲蚀磨损的磨损机制。
在磨粒磨损中，磨料颗粒被迫滑动在表面上。由于相对运动，滑动的硬颗粒会剥离表面的小碎片。这种磨损方式是磨损的主要类型之一， 称为微切削 。在磨料颗粒具有角形并且硬度高于目标表面的情况下，微切削通常是材料去除的主要机制。
除了表面的微切削之外，磨料颗粒还可以通过切削和塑性变形的组合作用来切槽表面，形成形状不规则的缺陷。微切削和切槽这两种磨损方式被归类为切削机制。
在磨料颗粒较钝的情况下，由于表面的重复变形引起的残余应变积累以及疲劳机制是从表面去除材料的主要机制。由材料缺陷形成的裂纹将通过重复的加载而扩展，导致表面强度降低和材料损失。
磨料磨损和冲蚀磨损的材料去除机制不仅取决于目标表面的性质，还取决于测试条件，如磨料颗粒的速度和撞击角度。在磨料颗粒与表面以低角度10至30°撞击的情况下，将主要出现类似磨粒磨损的切削机制。
在低角度下，颗粒的法向撞击力足够高，使颗粒部分穿透表面，而切向力将颗粒沿表面滑动，从目标表面微切削小碎片。随着撞击角度的增加，撞击产生的切向力不足以从表面切削碎片。
相反在 60-90° 的较高撞击角度下，韧性目标主要经历塑性变形，材料的去除是由于目标表面的微锻造和广泛变形引起的。
形成的切屑将由于残余应变的进一步积累和形成的脊的最终脱落而在后续的撞击中脱落。由于切削机制在斜向撞击时需要更多的撞击次数，相对于切削机制，韧性基底在高撞击角度下具有较低的冲蚀速率。
相反易碎的陶瓷在正撞击角度下具有最高的冲蚀速率，因为颗粒的法向力最大，导致易碎基底表面的更高断裂、裂纹和破坏。
在许多工程应用中，例如管道中颗粒的泥浆流动，材料去除机制可以看作是冲蚀磨损和磨粒磨损的结合。泥浆颗粒在管道中流动时，会被压向管道底部表面，同时受重力和液体重量的作用。
由流动液体和推动力引起的运动可能导致管道材料的磨粒磨损。另一方面，自由移动的颗粒沿着液流流动，并由于管道内的流动湍流突然撞击表面，代表了低撞击角度的冲蚀磨损。
在弯头中的泥浆流动可以作为另一个例子，这种情况下可能发生磨粒磨损和冲蚀磨损的结合。
聚氨酯衬里的磨损
聚氨酯弹性体对于磨料和冲蚀磨损的抵抗性是受测试条件和聚氨酯本身性质的影响。韧性或柔软度、屈服应力、弹性、弹塑性和粘弹*行为性**都是可能影响聚氨酯在磨料颗粒撞击下所产生应力和磨损抵抗性的参数。
在研究聚氨酯弹性体的磨损行为时，识别对聚氨酯磨损抵抗性影响最显著的性质是非常重要的。
硬度测试可以作为评估弹性体和塑料韧性的一种初步方法。弹性体的硬度可以通过根据ASTM标准D2240测试方法使用硬度计进行测量。
在这种方法中，弹性体的硬度是基于压入工具对基材表面的穿透深度来测量的。压痕深度是弹性模量和弹性体的粘弹*行为性**的函数。这种技术的简单性是其最大的优点之一，可以进行快速的实验室测试和现场评估。
虽然通过这种测试技术无法确定弹性模量的精确值，但所测得的数值非常适合进行弹性体柔软度的比较评估。
此外通过监测压痕深度随时间的变化，可以提供有关材料的粘弹性响应和蠕变行为的数据。根据ASTM标准D2240使用硬度计进行的硬度测试并不能提供有关弹塑*行为性**的任何信息。
在一些先前的研究中已经表明，通常用于评估金属和陶瓷硬度的维氏显微硬度测试可以用作提供关于聚合物粘弹性和弹塑*行为性**信息的工具。
由于弹性体的高弹性变形性能，其压痕形状与金属不同，表面上不会形成完全对称的压痕。在测试过程中，压入工具的停留时间变化以及通过时间监测所形成压痕的尺寸变化可以提供关于弹性体的粘弹性响应的信息。
拉伸和压缩测试
通过硬度计或维氏硬度测试获得的数据并不能提供关于弹性体性质的详细信息，例如杨氏模量和屈服强度。可以通过能够在受控载荷和位移下进行拉伸和压缩测试的测试设备来对聚氨酯弹性体进行全面的特性表征。
拉伸测试直至样品破裂可以提供关于聚合物的弹性模量、最终强度和断裂伸长的信息。这些参数可以影响聚合物材料对磨料和冲蚀磨损的最终抵抗性。
样品尺寸、施加的载荷和位移可以根据标准测试方法选择，或者可以选择与实际冲蚀或磨损过程中发生的加载类型类似的方式。拉伸测试还可以用于研究应变速率对材料刚度和强度的影响，通过在不同应变速率下进行测试。
这在研究聚合物弹性体的冲蚀磨损时非常重要，因为冲击在微秒内以非常高的应变速率发生。除了可以通过不同应变速率下的拉伸测试来提供有关聚合物材料粘弹性响应的信息外，该类型的测试设备还可以 进行松弛和蠕变测试 ，无论是以拉伸还是压缩应力形式进行。
在松弛测试中，材料在开始时经历了突然位移后的应力松弛被研究，而在蠕变测试中，材料的变形在暴露于一定应力值时被监测。此外可以在控制温度下进行拉伸测试，以评估温度对所研究的聚氨酯弹性体的力学响应的影响。
聚氨酯的弹塑*行为性**可以通过拉伸或压缩测试中的循环加载来确定。循环加载-卸载还可以提供有关弹性体的应力软化的信息，这是由于加载引起的对材料结构的永久性不可逆损伤。
在研究磨损行为时，了解弹性体的弹塑性响应非常重要，因为在磨粒磨损和冲蚀磨损中，磨粒颗粒的反复冲击会对弹性体表面产生重复的加载和卸载作用。
由于其柔软性和高弹性变形能力，聚氨酯弹性体具有比大多数金属更好的耐侵蚀性。实际上，聚氨酯的弹性变形能够吸收动能并逐渐减速冲击颗粒，从而使损伤最小化。以弹性应变能的形式吸收的动能将在稍后释放，以将冲击颗粒从表面反弹。
聚氨酯的回弹弹性可以作为表示弹性体在冲击时吸收冲击颗粒动能能力的参数。可以根据ASTM标准D2632对此属性进行测量。在这种测试方法中，将活塞从一定的高度落到样品表面上。
通过记录活塞的回弹高度，可以计算冲击过程中损失的能量。在完全弹性变形的情况下，活塞会回弹到初始高度。具有较大塑性变形的基材会恢复较小量的活塞能量，活塞会回弹到较低的高度。
尽管成功地使用有限元模型对冲蚀磨损进行建模，有助于更好地理解冲蚀过程中产生的应力和聚氨酯弹性体的材料去除机制，但是有限元模型在对弹性体磨粒磨损进行建模的研究数量有限。
虽然在一些研究中，使用了有限元技术来分析聚氨酯在粗糙、刚性表面上的滑动和接触导致的磨损现象，但对于由磨粒颗粒引起的磨损的建模仍然有限。
这样的模型可以更好地理解聚氨酯弹性体在磨粒磨损过程中的材料去除机制，并确定影响聚氨酯磨粒磨损抗性的关键参数。建议在未来的研究中开展有限元模型开发， 以模拟固体颗粒滑动 引起的磨损现象。
参考文献：
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[2] 聚氨酯泡沫的改性及其在臭气治理中的应用[J]. 赵珊;郭学彬;杨晓芳;王东升.环境工程学报,2020(09)
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