Износостойкость рабочих органов гидроагрегатов химических производств при гидроэрозии в неоднородных агрессивных жидких средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат технических наук Кукинова, Галина Вячеславовна

• Кукинова, Галина Вячеславовна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кукинова, Галина Вячеславовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ И ИЗНАШИВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГИДРОАГРЕГАТОВ В НЕОДНОРОДНЫХ ЖИДКИХ АГРЕС- п СИВНЫХ СРЕДАХ.

1.1. Сущность и особенности кавитационной эрозии материалов.

1.2. Виды и характер изнашивания деталей различных гидромашин.

1.3. Влияние условий эксплуатации на интенсивность кавитационного 23 изнашивания.

1.4. Свойства жидкости и их влияние на разрушающую способность 27 при кавитации.

1.5. Особенности и основные закономерности поверхностного разру- 34 шения металлических материалов в химически агрессивных средах.

1.5.1. Влияние свойств химически агрессивных жидкостей на стойкость 34 сталей и наплавок

1.5.2. Влияние напряженного состояния деталей на процесс эро- 39 зии.

1.5.3. Влияние электрохимической коррозии.

1.6. Анализ потока отказов центробежных насосов, работающих в вы- 46 сокоагрессивных средах.

1.7. Определение общей цели и постановка научных задач исследо- 51 ваний

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕ- 53 ДОВАНИЙ НА КАВИТАЦИОННУЮ СТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ И НАПЛАВОК В ХИМИЧЕСКИ АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ.

2.1. Выбор типа лабораторной установки и ее модернизация для ис- 53 пытаний образцов в химически агрессивных средах.

2.2. Выбор и обоснование управляемых параметров для оценки кави- 61 тационной стойкости металлов.

2.3. Планирование многофакторного эксперимента.

2.4. Выводы по второй главе.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАВИТАЦИОН- 77 НОЙ СТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ И НАПЛАВОК В ХИМИЧЕСКИ АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ.

3.1. Влияние концентрации азотной кислоты на кавитационную стой- 77 кость сталей и наплавок.

3.2. Кавитационная стойкость сталей и наплавок в соляной кислоте

3.3. Влияние концентрации серной кислоты на кавитационную стой- 86 кость материалов и наплавок.

3.4. Оценка кавитационно-коррозионной стойкости материалов и на- 91 щ плавок.

3.5. Влияние pH среды на интенсивность развития кавитационной 104 эрозии.

3.6. Выводы по третьей главе.

4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1. Разработка научно-обоснованных рекомендаций по выбору мате- 113 риалов для рабочих органов гидромашин, стойких против совместной кавитационно-коррозионной эрозии.

4.2. Использование результатов исследований в учебном процессе.

4.3. Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Износостойкость рабочих органов гидроагрегатов химических производств при гидроэрозии в неоднородных агрессивных жидких средах»

В связи с возрастающими требованиями к новой технике, интенсивной работой механизмов в условиях низких и высоких удельных давлений и скоростей, решение проблемы износостойкости и долговечности деталей машин становится одной из главных задач современной науки.

Многие детали технологического и вспомогательного оборудования предприятий химической, пищевой и горно-обогатительной отраслей подвергаются кавитационно-эрозионному изнашиванию. Этот вид изнашивания характерен для деталей центробежных и вихревых насосов, трубопроводов и другого оборудования при интенсивном движение одно- и многофазных жидких сред.

Кавитация - процесс, приводящий к пульсациям давления, акустическим излучениям, а иногда и к опасным вибрациям всего агрегата, рабочим телом которого является жидкость [3,19,20, 21, 42, 47, 85, 86, 109, 113, 152, 157 и др.]. Кавитация вызывает ухудшение режимов работы гидромашин, снижение КПД, потери энергии агрегатов, происходит поверхностное разрушение (эрозия) обтекаемых поверхностей деталей.

Предполагается, что многократные удары жидкости по одному и тому же участку приводят к местному разрушению и образованию специфического рельефа на поверхности детали, поверхность металла деформируется и подвергается наклепу, появляется линия сдвига и происходит как бы своеобразное травление с выявлением границ отдельных зерен.

Существенную роль в процессе кавитационной эрозии играет коррозия. Например, в морской воде интенсивность изнашивания намного выше, хотя механическим воздействиям принадлежит основная роль, о чем свидетельствует низкая кавитационная прочность покрытий, имеющих малую механическую прочность. Скорость кавитационного изнашивания может быть в сотни раз и более выше скорости коррозионного разрушения поверхностного слоя.

Гидроэрозии, или кавитационному изнашиванию, подвергаются лопатки осевых и центробежных насосов, подшипники скольжения, лопасти гидравлических турбин и гребных винтов, охлаждаемая поверхность цилиндровых втулок ДВС дизельных двигателей, детали гидросамолетов, трубопроводы для транспортировки жидкости и многие другие элементы деталей машин и механизмов, работающих в жидких средах.

Если гидромашины работают с жидкостью, содержащей твердые частицы, то к кавитационной эрозии добавляется абразивная, такой вид изнашивания называется гидроабразивным [12,43,47,76, 106,122,136,137].

На предприятиях пищевой, горно-обогатительной и химической отраслей в настоящее время эксплуатируется огромное количество центробежных насосов, срок службы крыльчаток рабочих колес которых колеблется от 1 до 10 месяцев в зависимости от кислотности рабочей среды. Характерные признаки кавитационного износа, такие, как шум и вибрация, появляются иногда уже через несколько десятков часов после начала работы гидроагрегата.

Для замены указанных насосов требуются значительные капиталовложения, а приобретение эффективного оборудования зарубежных производителей не всегда «по карману» отечественным потребителям, поэтому исследование износостойкости рабочих органов гидромашин, работающих в агрессивных средах, является весьма актуальной технической и экономической задачей. Затраты труда и материалов на ремонтные работы по устранению последствий кавитационного и гидроабразивного изнашивания сопоставимы с изготовлением новых деталей или целых агрегатов гидросистем. Различные отрасли промышленности нашей страны имеют миллионы насосных агрегатов, обслуживающих объекты технологического назначения. Агрегаты состоят, как правило, из насосов лопастного типа (70% от парка насосов). В настоящее время, согласно статистике отказов, в 40-50 случаев из 100 срыв работы центробежных и осевых насосов происходит из-за кавитационных явлений, возникающих в отдельных элементах их проточной части. В большинстве случаев выходят из строя рабочие колеса по причине эрозионного износа их лопаток, существенно влияющего на гидродинамические свойства входной кромки лопасти. Даже незначительный износ лопатки приводит к потере производительности насоса, а дальнейший износ влечет за собой его остановку. Разнообразие рабочих сред насосов химической промышленности - от воды до высокотоксичных, взрывоопасных жидкостей - обуславливает необходимость прогнозирования реального срока службы насосов, работающих в агрессивных средах для своевременного проведения сервисных работ или капитального ремонта.

В настоящее время существует единое мнение о коррозионно-механическом характере кавитационно-эрозионного изнашивания деталей оборудования, работающих в химически активных средах [14,49,73,90,100]. Кавитационно-эрозионное изнашивание деталей является результатом сложного воздействия на них кавитации, эрозионных и химических процессов.

Исследованием кавитационно-эрозионного и гидроабразивного изнашивания материалов и различного оборудования занимались: В.А.Акуличев [3], М.А.Аскаров [4], В.И.Белый [80,81], Э.Е.Блюм [7], И.Н.Богачев с сотр. [8,9,10], Е.П.Георгиевская [21], Ю.А.Гривнин [25,26], Н.Н.Иванченко с сотр. [39], В.Я.Карелин [41,42], С.П.Козырев [46,47], З.Кондрат [49], Р.И.Минц [9,10], А.И.Некоз [73,74,80,81,96], Р.Кнепп с сотр. [45,164-166], Н.С.Пенкин [83], А.Д.Перник [85,86], Пимошенко [93], Л.И.Погодаев [11,30,36,90,92,95,97,98,99,100,138], Г.А.Прейс [103], К.Прис [152], Н.И.Пылаев [106-109], М.Г.Тимербулатов [124], А.Тирувенгадам [125],

B.В.Фомин [135], К.К.Шальнев [144,145], Ю.Н.Цветков [138,140],

C.Г.Чулкин [30,36,57,58,99,100], Ю.У.Эдель [149] и другие.

Большинство исследований выполнено при кавитации и гидроабразивном изнашивании в пресной водопроводной и в синтетической морской воде. Исследований, направленных на изучение кавитационностойких материалов для изготовления и ремонта рабочих органов механизмов, действующих в химически агрессивных средах, проведено недостаточно.

До сих пор остаются открытыми вопросы:

- создания достоверных физических моделей процессов изнашивания деталей гидроагрегатов, работающих в условиях гидроэрозии в неоднородных жидких средах, а также объективных критериев, определяющих износостойкость деталей;

- расчета и прогнозирования долговечности оборудования в условиях коррозионно-кавитационно-эрозионного изнашивания при наличии высоких температур в кислотных и щелочных средах;

- подбора материалов и выбора эффективных методов восстановления деталей гидроагрегатов.

Объектом настоящих исследований являются центробежные насосы, работающие при перекачивании агрессивных жидких сред.

Целью исследований является повышение долговечности гидроагрегатов путем изучения совместного влияния кавитации и химически агрессивной среды на износостойкость материалов, предназначенных для изготовления и восстановления при ремонте деталей гидроагрегатов и установления наиболее износостойких из них для конкретных условий эксплуатации.

Во введении представлена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации кратко изложено состояние вопроса по рассматриваемой проблеме и поставлены задачи исследования. Проведенный анализ работ отечественных и зарубежных авторов в области кавитационного изнашивания материалов позволил установить совокупность факторов, оказывающих существенное влияние на процесс изнашивания рабочих органов и определить их приоритетность.

Вторая глава посвящена разработке методики проведения экспериментов, описанию модернизованной лабораторной установки для испытания на кавитационную стойкость сталей и наплавок при воздействии агрессивных жидкостей, обоснованию условий испытаний.

Третья глава содержит материалы экспериментальных исследований закономерностей кавитационного изнашивания сталей и наплавок в химически агрессивных средах: азотной, соляной и серной кислотах разной концентрации. Приведены зависимости кавитационного износа от водородного показателя среды. Дана качественная оценка величины кавитационно-эрозионного изнашивания при работе оборудования в ряде агрессивных сред.

Все эксперименты условно разделены на четыре комплекса. Объектами исследования в каждом из них выбраны стали и наплавки, применяемые в ремонтных мастерских ОАО «Невинномысский Азот».

В первом комплексе экспериментов исследовалось влияние концентрации азотной кислоты на кавитационную стойкость сталей и наплавок.

Во втором комплексе экспериментов исследовалась кавитационная стойкость сталей и наплавок в соляной кислоте. По аналогии с первым комплексом в качестве рабочей жидкости использовались несколько значений концентраций НС1, а именно: 3; 6,4; 12 и 18%.

Третий комплекс экспериментов посвящен исследованию влияния серной кислоты на кавитационную стойкость сталей и электродных наплавок.

В четвертом комплексе экспериментов исследовалось влияние водородного показателя среды на интенсивность развития кавитационной эрозии.

В четвертой главе приведены результаты промышленных испытаний на кавитационно-коррозионную стойкость центробежных насосов, восстановленных электронаплавкой, в условиях цеха биохимической очистки и технического обезвреживания отходов производства объединения «Невинномысский Азот». Показано использование полученных результатов в учебном процессе в Невинномысском технологическом институте (филиале) ГОУ ВПО «СевКавГТУ».

В результате проведенных аналитических и лабораторных исследований автором получены следующие основные результаты:

1. Выявлено влияние условий эксплуатации на кавитационное изнашивание деталей гидромашин, а также особенности и основные закономерности поверхностного разрушения материалов в химически агрессивных средах.

2. Получено выражение для оценки кавитационной стойкости сталей и наплавок в химически агрессивных средах и значения коэффициента для определения весовых потерь вследствие кавитационного изнашивания, учитывающего влияние водородного показателя рабочей среды.

3. Модернизована лабораторная установка и разработана методика исследования влияния кавитации на изнашивание металлических материалов в условиях химически агрессивных жидкостей.

4. Результаты лабораторных исследований влияния азотной, соляной и серной кислот на кавитационную стойкость сталей 20X13, 18Х2Н2МА и наплавок ЦЛ-11, ОЗЛ-7 и НЖ-13, в том числе:

-кинетические кривые кавитационного изнашивания материалов в средах неорганических кислот;

-влияние различных концентраций агрессивных сред на интенсивность кавитационного изнашивания сталей и сплавов, применяемых в насосострое-нии;

-зависимость кавитационного износа от водородного показателя среды и значения коэффициента для определения весовых потерь вследствие кавитационного изнашивания, учитывающего влияние водородного показателя рабочей среды.

5. Методика выбора сталей для изготовления новых деталей, а также наплавок для ремонта изношенных поверхностей для центробежных насосов, работающих в условиях кавитационно-коррозионного воздействия.

6. Рекомендации для восстановления наплавкой изношенных участков лопастей рабочих колес центробежных насосов, исходя из требований технологичности, кавитационно-коррозионной стойкости и экономичности для работы в условиях кавитации в азотной, соляной и серной кислотах.

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Кукинова, Галина Вячеславовна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Выявлено влияние условий эксплуатации на кавитационное изнашивание деталей гидромашин, а также особенности и основные закономерности поверхностного разрушения материалов в химически агрессивных средах.

2. Получено выражение для определения потерь массы при кавитацион-ном изнашивании металлов в химически агрессивных средах. Построена зависимость кавитационного износа от водородного показателя среды.

3. Модернизована магнитострикционная лабораторная установка для возможности ее использования при испытании материалов на кавитацион-ную стойкость в присутствии агрессивных жидкостей, разработана методика испытаний и обоснован выбор управляемых параметров.

4. С целью сокращения продолжительности испытаний методом планирования многофакторного эксперимента установлены численные значения управляемых параметров установки.

5. Установлено, что:

- наибольший кавитационно-коррозионный износ сталей 20X13 и 18Х2Н2МА наблюдается при 50% концентрации азотной кислоты;

- скорость кавитационного изнашивания наплавок ЦЛ-11, НЖ-13 и ОЗЛ-7 неравномерна, при этом на кинетической кривой отмечается появление точек перегиба. Интенсификация электрохимического воздействия позволила сделать процесс кавитационной коррозии наплавок в азотной кислоте более наглядным и исключить возможную неоднозначность в толковании природы и нелинейного характера начального участка на кинетических кривых эрозии.

- износ сталей при кавитации возрастает с концентрацией соляной кислоты по экспоненциальной зависимости. При этом сталь 18Х2Н2МА оказывается более стойкой по сравнению со сталью 20X13;

- более высокой кавитационной стойкостью в соляной кислоте обладает наплавка ОЗЛ-7, менее стойкой оказалась наплавка НЖ-13, промежуточное положение занимает электродная наплавка ЦЛ-11;

- износ сталей возрастает с увеличением концентрации серной кислоты, при этом кавитационно-эрозионный износ сталей оказывается значительно больше, чем коррозионные потери.

- кавитационная стойкость электродных наплавок ЦЛ-11, ОЗЛ-7 и НЖ-13 в 20% растворе серной кислоты находится примерно на одинаковом уровне, несколько меньший износ имеет наплавка электродом ЦЛ-11.

6. Установлено, что кавитационное воздействие активизирует процесс коррозии, причем степень коррозионно - кавитационного воздействия зависит от рН раствора, в котором находится испытуемый образец. Получены значения коэффициента для определения весовых потерь вследствие кавитационного изнашивания, учитывающего влияние водородного показателя рабочей среды.

7. Разработана методика выбора сталей для изготовления новых деталей, а также наплавок для ремонта изношенных поверхностей для центробежных насосов, работающих в условиях кавитационно-коррозионного воздействия.

8. Разработаны рекомендации по выбору материалов для рабочих колес центробежных насосов, работающих при перекачке агрессивных жидкостей, а именно:

- для деталей насосов, подвергающихся интенсивному кавитационно-коррозионному изнашиванию предпочтительно применять сталь 18Х2Н2МА вместо штатной стали 20X13;

- ремонтные работы по заварке кавитационных разрушений следует производить электродами марки ЦЛ-11 для насосов, работающих в среде азотной и серной кислот и электродами марки ОЗЛ-7 - в среде соляной кислоты.

9. Разработки автора внедрены на производстве в ОАО «Невинномыс-ский Азот» с получением положительного экономического и экологического эффекта, а также в учебном процессе при преподавании дисциплин, читаемых на кафедре «Общеинженерные дисциплины» Невинномысского технологического института (филиала) ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кукинова, Галина Вячеславовна, 2006 год

1. Абачараев М.М. Выбор параметра кавитационной стойкости сплошных металлических материалов и покрытий// В сб. Защитные покрытия на металлах . Киев: Наукова думка, 1983. - вып. 17. - С. 70-74.

2. Адлер Ю.П., Марков Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. — М.: Наука,1976. — 280 с.

3. Акуличев В.А., Розенберг Л.Д. О некоторых соотношениях в кавитационной области. // Акустический журнал. -1965, т. 11, вып. 3, с. 287 -293.

4. Аскаров М.А. Кавитационное разрушение металлов и полимеров. -Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1974. 140 с.

5. Барков Н.К., Кузеванов Н.М. Влияние выпуска воздуха на кавитацион-ный износ радиально-осевых рабочих колес. // Электрические станции. -1968. №3. С. 80-81.

6. Береговенко А.Ю. О влиянии частоты колебаний на механизм эрозии материалов при вибрационной кавитации// Проблемы прочности. — 1987. —№12. —С. 64-66.

7. Блюм Э.Е. Влияние концентрации песка в воде на кавитационное разрушение стали при испытании на ударном стенде // Энергомашиностроение. 1961. №1.

8. Богачев И.Н. Кавитационное разрушение и кавитационно-стойкие сплавы М.: Металлургия, 1972. - 189 с.

9. Богачев И.Н., Минц Р.И. Кавитационное разрушение железоуглеродистых сталей. М., Свердловск: Машгиз, М.: 1959. - 128 с.

10. Богачев И.Н., Минц Р.И. Повышение кавитационно эрозионной стойкости деталей машин. - М: Машиностроение, 1964. - 144 с.

11. Борщевский Ю. Т., Федоткин И. М., Погодаев Л. И. Повышение эффективности землесосных снарядов Киев: Будивельник, 1983. - вып. 17. -С. 70-74.

12. Боуден Ф. П., Тейбор Д. Трение и смазка: Пер. с англ. М: Машгиз, 1960.-542 с.

13. Будяк В.В., Воробьева Г.А. Кавитационная эрозия стали как процесс усталостного разрушения// Известия ВНИИ гидротехники им. Б.Е. Веденеева. — 1987. — Т200. — С. 54 — 61.

14. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Износостойкость сталей и сплавов: Учебное пособие для вузов. М.: Изд-во «Нефть и газ», 1994. - 417 с.

15. Волин В.Э., Гринберг А.Я. Влияние электрохимической эрозии материалов // Тр. ВНИИ — Гидромаш, М.: Энергия, 1975. — вып. 46. — С. 44 — 53.

16. Воробьева Г. Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. Изд. 2-е. М.: Химия, 1975. - 816 с.

17. Гаврилов Л.Р. Исследование объемной прочности жидкости ультразвуковым методом // Труды ЦКТИ, 1967, вып. 79. С. 144-152.

18. Гаркунов Д. Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1989. 328 с.

19. Гаркунов Д.Н., Корник П.И. Виды трения и износа. Эксплуатационные повреждения деталей машин. М.: Изд-во МСХА, 2003. - 344 с.

20. Георгиевская Е. П. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней. Л.: Судостроение, 1978. 208 с.

21. Георгиевская Е. П., Мавлюдов М. А., Салазкин И. В. О влиянии масштаба на процесс кавитационной эрозии// В сб. статей по гидродинамике транспортных судов. Л.: 1981. С. 119-130.

22. Гликман Л.А. Коррозионно-механическая прочность металлов. — М. — Л.: Машгиз, 1955. — 175с.

23. Гонсеровский Ф.Г., Клец Ю.Я. Свойства наплавочных электродов: В сб. трудов JIM3. Технология сварочного производства. М.: Машиностроение, 1964. С. 229 243.

24. Гривнин Ю.А. О механизме кавитационной эрозии при пленочных формах кавитации в лопастных системах гидротурбин. // Труды ЦКТИ, 1971, вып. 106. С. 109-124.

25. Гривнин Ю.А., Эдель Ю.У. О кавитационной эрозии в гидротурбинах // Электромашиностроение, 1970, № 1. С. 5-8.

26. Дамаскин Б.Б., Петрий O.A., Цирлина Г.А. Электрохимия. — М.: Химия, 2001.

27. Дамаскина O.JL, Эпштейн С.И. Свойства металлов и термическая обработка крупногабаритных сварных рабочих колес гидротурбин Красноярской ГЭС:// Сб. трудов JIM3/ Материалы, применяемые в турбино-строении. JL: Машиностроение, 1971. С. 142-156.

28. Дель Т.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. — М.: Машиностроение, 1971,199с.

29. Долговечность, износостойкость и энергоемкость материалов при ка-витационном воздействии /Л.И.Погодаев, Ю.Н.Цветков, Н.Ф.Голубев, С.Г.Чулкин. // Пробл. машиностроения и надежности машин. 1997, №2. С. 47-63.

30. Думов В. И., Пешкин М. А. Исследование кавитации в колесе центробежного насоса.//Теплоэнергетика, 1959, №12. С. 32-35.

31. Духанин A.C., Шендеров И.Б. Исследование износостойкости материалов винтовых пар трубопроводной арматуры, работающих при температурах до 400° в коррозионных средах //Машиноведение, 1979, №2. -С.108-110.

32. Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980.-232с.34,35,36,37,38