Критерии кавитационного износа

Аннотация

Дерябкина М.В. Критерии кавитационного износа В работе приведена классификация видов и используемых критериев кавитационного износа. Рассмотрен механизм кавитации, критерии кавитации и способы защиты от кавитационного износа на основе анализа и систематизации материалов, полученных от зарубежных фирм и из научных публикаций.

По известным данным США, Германии и России, появление эрозионно-коррозионных повреждений преобладает в системах, работающих во влажном паре. К наиболее характерным видам эрозии относят электрохимическую и химическую коррозии, каплеударную и кавитационную эрозии. В естественных условиях все они действуют одновременно и взаимосвязаны друг с другом. Преобладание того или иного вида эрозии зависит от параметров рабочего тела и поверхности металла.

При достаточно высоких скоростях двухфазного потока, числе Рейнольдса и резком изменении геометрии канала основной причиной разрушения металла считается кавитационная эрозия [1, 2]. Кавитационные явления способствуют разрушению поверхностей, имеющих соприкосновение с кавитирующей средой – лопастей гребных винтов, элементов гидропроводов, двигателей внутреннего сгорания, гидро- и паротурбин.

В настоящее время существует несколько основных теорий возникновения кавитационной эрозии: коррозионная, механическая, гидроэлектрическая, обобщённая и теория кумулятивных струй. Каждая из них описывает причины возникновения и предлагает меры защиты от кавитационных разрушений. Наиболее признанной является обобщённая теория, рассматривающая кавитационный износ как результат влияния на металл ударно-механических, коррозионных и электрических факторов. Открытым вопросом в ней остаётся определение соотношений скоростей коррозионного и механического износа, которое оценивается в достаточно широких пределах в зависимости от температуры воды.

В 60-е годы XX века была разработана теория, основанная на воздействии кумулятивных струй, возникающих при схлопывании кавитационного пузырька. Её основоположники Ф. Хаммит и М. Робинсон выдвинули предположение о том, что кавитационные разрушения обусловлены действием высокоскоростных микроструй воды, создаваемых при торроидальном схлопывании пузырьков.

В рамках этой теории не существует единого мнения об основной причине кавитационного износа. М.Г. Тимербулатовым отвергается главенствующая роль гидравлического удара, и основной причиной указывается высокочастотный импульс отрывного действия микрообъёмов жидкости, вызываемый высокочастотными срывами вихрей [3]. Это утверждение основывается на наличии рваных краёв неправильной формы у очагов эрозии. В исследовании М.М. Абачараева это утверждение опровергается, а наличие очагов неправильной формы объясняется хрупким разрушением и скалыванием металла «при достижении им твердости «насыщения» в результате наклёпа в процессе непрерывного бомбардирования кавитационными ударами» [4].

По мнению З. Кондрата кавитационное изнашивание связано с воздействием ударных волн и гидроударов импульсных струй жидкости во взаимосвязи с особенностями структуры металла. На основании этого структурно-энергетического подхода предложена модель процесса эрозии, учитывающая расход общей энергии на механическую и тепловую составляющие, а также на фазовые превращения [5]. Но этот подход не учитывает химические, электрические и тепловые явления, сопутствующие кавитационному разрушению.

Результаты, изложенные в изученной автором литературе, свидетельствуют об отсутствии единой теории кавитационного износа и, как следствие, эффективных универсальных мер её предотвращения при использовании энергооборудования.

Для моделирования процессов кавитационных разрушений металла чаще всего используют ударно-поршневые установки, где порция струи или отдельные капли бьют по неподвижному образцу. Достоинством таких аппаратов является возможность использования образцов любых размеров в нагружённом и ненагруженном состояниях, с предварительной подготовкой поверхности или без неё. К недостаткам можно отнести отсутствие постоянного контакта материала с омывающей жидкостью, что сильно отличается от реальных условий работы турбин в кавитирующих потоках.

Самое широкое распространение получили магнитострикционные вибраторы, с помощью которых можно исследовать кавитационную стойкость разнородных материалов в жидких средах с переменной температурой и давлением как в замкнутом объёме, так и в потоке. Испытания на этих установках имеют преимущества перед другими видами аппаратов, но основным недостатком является снижение коррозионного фактора из-за высокой интенсивности кавитации, часто не соответствующей реальным эксплуатационным условиям.

К одной из последних разработок можно отнести струйный гидродинамический излучатель, работа которого основана на возбуждении кавитации при истечении высоконапорной струи в изолированную затопленную камеру [6].

Такое многообразие установок для изучения кавитационной эрозии является одной из проблем, затрудняющей сопоставление полученных на них результатов, даже для одних и тех же материалов. Другая не менее важная проблема, связанная с кавитационной эрозией, состоит в определении зависимости между какой-либо характеристикой металла и его кавитационной износостойкостью.

По мнению Ю.Н. Цветкова хорошая корреляционная связь между кавитационной износостойкостью и пределом текучести, твёрдостью, пределом прочности, ударной вязкостью или комплексом этих характеристик наблюдается лишь для конкретного класса материалов [7]. Было предпринято много попыток установить эту взаимосвязь, но практически все оказались неудачными и были опровергнуты впоследствии. Это объясняется тем, что сопротивляемость металла кавитационной эрозии определяется не его механическими свойствами, а прочностью отдельных структурных составляющих и присутствием коррозионного фактора.

В работе А. Тирувенгадама был предложен энергетический критерий износостойкости Se, определённый как площадь диаграммы напряжение-деформация материала, доведённого до разрушения [8]. По мнению Ю.Н. Цветкова, удельная энергия является более общим критерием по сравнению с механическими свойствами металлов, а, значит, связь между этой величиной и кавитационной износостойкостью будет проявляться для большего количества сплавов. Однако существуют данные об отсутствии связи между Se и износостойкостью [9]. Это объясняется тем, что удельная энергия деформации есть величина, осреднённая по сечению, а процесс разрушения начинается с отдельных микроучастков металла, насыщенных предельной энергией деформации [10]. Поэтому кавитационную износостойкость необходимо связывать с критическим объёмом разрушения, который зависит лишь от типа кристаллической решётки. Основываясь на этом предположении в исследовании Р.Г. Перельмана, энергию деформации металла с иным типом кристаллической решётки предлагалось заносить в ряд кавитационной износостойкости только после корректировки значения энергии деформации [11].

Критерий является универсальным и подходит для кавитационной, гидроабразивной и других видов эрозии, но широкого применения не получил из-за сложности определения условий изнашивания с точки зрения масштабного уровня разрушения и напряжённого состояния поверхности.

Таким образом, в настоящее время остаётся ряд важных и перспективных направлений в области кавитационной эрозии:

• выявление надёжного критерия кавитационной износостойкости, однозначного для всех видов металлов и сплавов;
• разработка критерия сопоставимости результатов экспериментов, полученных на разных установках;
• исследование влияния электрохимической коррозии.

Список использованной литературы

1. Томаров Г.В. Повышение надёжности и эксплуатационного ресурса энергетического оборудования, работающего в двухфазных и многокомпонентных потоках : автореф. дис. … д-ра техн. наук: 05.14.14 / Г.В. Томаров ; Моск. гос. откр. ун-т. – М., 2003. – 46 с.
2. Фаддеев И.П. Эрозия влажнопаровых турбин / И. П. Фаддеев. – Л.: Машиностроение, 1974. – 208 с.
3. Тимербулатов М.Г. Влияние коррозии на кавитационную стойкость металлов / М. Г. Тимербулатов // Защита металлов. – 1972. – Т. 6, № 5. – С. 583-587.
4. Абачараев М.М. Кавитация и защита металлов от кавитационных разрушений / М. М. Абачараев. – Махачкала: Даг. кн. изд-во, 1990. – 170 с.
5. Кондрат З. Кавитационно-эрозионная стойкость материалов и покрытий в коррозионно-активных жидких средах : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.02.04 / З. Кондрат ; С.-Петербург. гос. техн. ун-т. – СПб., 2004. – 41 с.
6. Ворошнин Л.Г. Кавитационно-стойкие покрытия на железоуглеродистых сплавах / Л.Г. Ворошнин, М.М. Абачараев, Б.М. Хусид; под ред. М.Н. Бодяко. – Минск: Наука и техника, 1986. – 247 с.
7. Цветков Ю.Н. Кавитационное изнашивание металлов и оборудования / Ю.Н. Цветков. – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. – 153 с. 8. Тирувенгадам А. Обобщённая теория кавитационных разрушений / А. Тирувенгадам // Тр. американского общества инженеров-механиков. Серия Д. Техническая механика, Ил. – 1963. – Т. 85, № 3.
9. Погодаев Л.И. Повышение эффективности землесосных снарядов / Л.И. Погодаев, Ю.Т. Борщевский, И.М. Федоткин. – Киев: Будiвельник, 1974. – 247 с. 10. Иванова В.С. Усталостное разрушение металлов / В.С. Иванова. – М.: Металлургиздат, 1963. – 258 с.
11. Перельман Р.Г. Эрозионная прочность деталей двигателей и энергоустановок летательных аппаратов / Р.Г. Перельман. – М.: Машиностроение, 1980. – 245 с.
12. Погодаев Л.И. Теория и практика прогнозирования износостойкости и долговечности материалов и деталей машин / Л.И. Погодаев, Н.Ф. Голубев. – Спб.: СПГУВК, 1997. – 415 с.