1.4 Характеристика умов експлуатації матеріалів у гідроабразивному середовищі

Руйнування робочих органів гідромашин, які використовують для роботи на теплових електростанціях, відбувається, головним чином, внаслідок інтенсивного гідроабразивного зносу, точніше внаслідок дії на матеріал абразивних часточок та ерозійного впливу води, яка сама по собі є активним зношувальним середовищем.

Дослідженнями авторів і аналізом умов експлуатації деталей у гідроабразивному середовищі установлено, що опір металів і сплавів гідроабразивному зношуванню залежить від їх хімічного складу та термічного оброблення, які забезпечують одержання структури металу з високими твердістю та зносостійкістю.

Зносостійкість сплавів у гідроабразивному середовищі є складною і неоднорідною функцією умов взаємодії деталей з абразивними часточками і середовищем [9…11]:

K = f ( T, П, d, K_Т, K_Ф, V, λ, β ), (1.1)

де Т – тривалість зношування;

П – концентрація абразиву в рідині;

d – розмір абразивних часточок;

K_Т – коефіцієнт, який характеризує твердість абразивних часточок;

K_ф – коефіцієнт, який характеризує форму абразивних часточок;

V – швидкість абразивних часточок у момент удару їх об поверхню деталі;

λ – кут атаки зносостійкої поверхні абразивними часточками;

β – коефіцієнт, який характеризує зниження механічних властивостей матеріалу внаслідок знеміцнюваної фізико-хімічної дії середовища.

Утрати маси матеріалу, який піддається гідроабразивній дії, прямо пропорційні тривалості цієї дії. При збільшенні швидкості потоку рідини та розмірів абразиву утрати маси змінюються за параболічним законом. Абразивний знос суттєво збільшується при підвищенні концентрації абразиву в пульпі [11].

Суттєвий вплив на зносостійкість деталей у гідроабразивному середовищі справляє кавітаційна ерозія. У випадку, коли в рідині знаходяться абразивні часточки, а сама рідина є агресивним середовищем, процес руйнування прискорюється в декілька разів внаслідок ерозії, корозії і механічного руйнування металу гострими окрайками абразивних часточок.

Основними абразивними матеріалами, які є основною причиною зношування деталей системи гідрозоловидалення на теплових електростанціях, є шлак і зола. Концентрація таких матеріалів в пульпі досягає 25…30 %.

Гранулометричний склад шлаку і золи, які попадають у систему каналів гідрозоловидалення, залежить від таких факторів [9]:

– конструкції топок (з рідким чи твердим шлаковидаленням);

– експлуатаційних умов роботи котлоагрегату;

– системи приготування і подачі вугільного пилу;

– типу млина для приготування вугільного пилу;

– устатковання, за допомогою якого шлак подається в систему гідрозоловидалення.

Куски шлаку, які потрапляють у систему гідрозоловидалення, мають розміри від 0,04 до 100 мм. Середня щільність шлаку залежить від класу вугілля, яке спалюється, і коливається в межах від 2, 13 до 2, 96 г/см³ [9].

Часточки шлаку мають різноманітну форму – від голчастої до кулястої.

Швидкість руху абразивних часточок залежить від кількості обертів робочого колеса насоса. Для різних за конструкцією насосів ця кількість знаходиться в межах від 375 хв^–¹ до 1460 хв^–¹

Максимально зношуються робочі поверхні насосів при кутах їх атаки близько 30°.

Руйнування посилюється внаслідок постійного зіткнення часточок з поверхнею деталі. Перетворення кінетичної енергії в механічну під час зіткнення абразивних часточок з поверхнею деталі призводить до деформації матеріалу і зменшення міцності від утоми, до цього додається руйнівна дія рідини внаслідок кавітаційної ерозії.

Збільшення маси часточок і швидкості їх переміщування призводить до утворення надрізів у вигляді подряпин [12]. За наявності агресивного рідкого середовища зменшення міцності поверхні деталі здійснюється внаслідок корозійних явищ, оскільки через хімічну активність утворюються оксидні плівки, які в свою чергу, швидко руйнуються гідроабразивним середовищем.

На основі аналізу умов експлуатації деталей в гідроабразивному середовищі, в роботі [13] запропоновані спрощені закономірності абразивного зносу, з якими, в основному, можна погодитись:

ρ = k·m·Р·V³·t, (1.2)

де ρ – відносний знос, мм;

k – коефіцієнт пропорційності;

m – маса часточок, мг;

Р – концентрація часточок, %;

V – середня швидкість потоку, м/с;

t – термін дії потоку на робочу поверхню деталей, с.

Проте варто зазначити, що дійсна картина гідроабразивного зносу скривляється впливом різних факторів, серед яких можуть бути: зміна швидкості руху часточок, неоднаковість їх мас, корозійні процеси, зміна кута атаки тощо.

Суттєвий вплив на гідроабразивний знос справляє твердість абразиву, особливо коли вона перевищує твердість матеріалу робочих деталей насосів. Установлено [14], що розмір часточок, їх концентрація, форма, структура та мінералогічний склад впливають на в’язкість гідросуміші, що, в свою чергу, змінює умови розвитку кавітації в потоці.

У роботі [9] відзначається, що за вмісту в рідині 0,1…0,5 % за об’ємом абразивних часточок, абразивний знос випереджає кавітаційну ерозію, а тому деталі багерних насосів мають гладенькі зношені ділянки внутрішньої поверхні, де переважає абразивний знос.

Під час гідроабразивного зношування руйнування шарів металу здійснюється одночасно за двома схемами: постійного в часі відокремлення дуже малих часточок металу, що порівнюються з глибиною проникнення абразивних часточок у поверхню (подряпина, передеформування) та періодичного відокремлення більш значних за товщиною мікрошарів металу в межах найбільш накладеного шару (малоциклова утома) [15].

Серед учених існує думка, що наші знання щодо поверхневого зносу від утоми відстають від розуміння явища утоми.

Сама множинність теорій зношування показує на те, що проблема ще недостатньо вивчена та поки що не відповідає вимогам практики.

Теорія зношування повинна установлювати в першу чергу природу явищ, що призводять до зносу, а також давати можливість знайти кількісний зв’язок між зовнішніми факторами тертя, природою тіл, що труться та величиною зносу [16].

Насамперед необхідно визначити справжні об’єкти та механізм руйнування поверхневих шарів, оскільки немає ясності в питаннях фізико-хімічної дії робочих середовищ, відсутня фундаментальна фізична основа, яка необхідна для розвитку та обґрунтування рішень завдань практики. Велика різноманітність причин зносу визначає труднощі розроблення такої теорії та аналітичних методів дослідження цього явища. Усе це є основою для ствердження, що створення єдиної та узагальненої теорії зносу в найближчому майбутньому малоймовірно. Більш реальні перспективи вивчення закономірностей окремих видів зносу або зносу, що має змішаний характер, але з домінуючим одним з перелічених явищ.

Крім того, із аналізу наведених робіт можна зробити висновок, що недостатня вивченість закономірностей гідроабразивного зносу та суперечливі судження з даного питання утруднюють рішення проблеми створення матеріалів з високими властивостями. Звідси виникає необхідність вивчення явищ у поверхневих шарах з метою визначення оптимальних характеристик шару, що забезпечував би максимальну зносостійкість матеріалу в гідроабразивному середовищі.