Кавитационное изнашивание — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Кавитационное изнашивание
Cтраница 1
Кавитационное изнашивание связано с нарушениями сплошности потока жидкости, движущейся с большой скоростью. На участках, где давление жидкости падает ниже давления насыщения паров, возникают пузырьки пара, воздуха, газа. В зоне повышенного давления кавитационные полости и пузырьки захлопываются с большой скоростью, вызывая микрогидравлические удары жидкости о поверхность детали и ее разрушение. Кавитация связана с неправильной конструкцией проходных каналов гидравлического устройства и отклонением режима работы от проектного. Нередко кавитационное изнашивание сочетается с эрозионным процессом, если поток жидкости или газа загрязнен механическими частицами. Эрозионно-кавитационному изнашиванию подвергаются детали гидравлической части насосов, гидроциклонные установки, фонтанная и газлифтная арматура, отводы вертлюгов. [1]
Кавитационное изнашивание
Кавитационное изнашивание наблюдается в гидравлических турбинах, трубопроводах, на лопастях гребных винтов, подводных крыльях судов, гидравлических насосах, клапанах, а также в системах смазки и охлаждения двигателей, подвергающихся вибрации. Этот вид износа материалов, связанный с образованием или исчезнованием пузырьков в жидкости, возникает вследствие местного изменения давления. [3]
Кавитационное изнашивание — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости ( и наоборот), при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая тем самым местное повышенное давление. [4]
Кавитационное изнашивание — гидроабразивное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа лопаются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры. [6]Кавитационное изнашивание возникает в результате воздействия кавитацион-ных пузырьков, образующихся на поверхности деталей, омываемых жидкостью. Явление кавитации усиливается с повышением вибрации деталей и температуры нагрева жидкости. Кавитационный износ имеет место на наружной поверхности гильз цилиндров, омываемой охлаждающей жидкостью. [7]
Кавитационное изнашивание происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации. [8]
Кавитационное изнашивание — механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру. [9]
Кавитационное изнашивание возникает при перемещении потока жидкости относительно поверхности твердого тела в случае разрыва сплошности этой жидкости, образования каверн, заполненных газом ( паром), и последующего захлопывания каверн вблизи поверхности с большой скоростью. При этом ударные волны многократно воздействуют на участок поверхности и приводят к усталостному разрушению последней. [10]
Кавитационное изнашивание, как уже отмечалось, происходит в результате многократного воздействия на поверхность гидравлических ударов, возникающих при захлопывании навигационных полостей вблизи поверхности детали. Кавитационные полости ( пузырьки) образуются в гидродинамическом потоке вследствие появления в нем областей с давлением ниже давления насыщенного пара этой жидкости. Захлопывание пузырька происходит при увеличении внешнего давления со скоростью звука. [12]
Кавитационное изнашивание — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры. Кавитационное изнашивание характерно для внутренних поверхностей корпусов водяных насосов, водяных полостей блоков цилиндров и головок цилиндров. [13]
Кавитационное изнашивание — изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в потоке жидкости в условиях кавитации, когда в потоке жидкости создаются пузырьки пара и газа и при переходе в область с более высоким давлением происходит конденсация пара и создаются условия для местного гидравлического удара. [14]
Кавитационное изнашивание металла происходит в результате воздействия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков. [15]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
4.9 Кавитационное изнашивание
4.9.1 Гидродинамическое изнашивание
Кавитация дословно означает полость, каверна. Однако под кавитацией понимают явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости пустот в виде пузырей, полос и мешков, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Это явление обусловлено следующим. В движущемся с большой скоростью потоке при его сужении и наличии препятствий на его пути давление может упасть до давления, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может произойти разрыв, нарушение сплошности потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются, и в образовавшиеся пустоты с громадным ускорением устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемое ударом восстановление сплошности потока.
Исследования показали, что кавитационныи пузырек может вырасти за 0,002 с до 6 мм в диаметре и полностью разрушиться за 0,001 с. В определенных типах кавитации на площади в 1 см
Кавитация наблюдается в трубопроводах, в гидромониторах и в потоках, обтекающих лопатки центробежных и пропеллерных насосов и лопастей гидравлических турбин и гребных винтов. Явление кавитации вызывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепежных связей, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотнений и усталостным поломкам.
Предупредить кавитацию можно, проектируя гидромеханическую систему так, чтобы во всех точках потока давление не опускалось ниже давления парообразования.
Кавитационная стойкость материала определяется его составом и структурой. Повышение содержания углерода в углеродистой стали увеличивает ее стойкость. Однако, начиная с 0,8 % С, она начинает падать. Пластинчатый перлит более стоек, чем зернистый. Введение никеля и хрома в сталь повышает ее стойкость за счет снижения количества феррита, увеличения степени дисперсности и др. Шаровидная форма графита благоприятна. Наиболее стойким является низколегированный чугун (1 % Ni, 0,3 % Mo) с шаровидным графитом. Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, поверхностное упрочнение увеличивает стойкость.
4.9.2 Вибрационная кавитация
Возникает при колебании твердого тела относительно жидкости или жидкости относительно твердого тела. Давление в жидкости на границе раздела жидкости и твердого тела может упасть и вызвать образование кавитационных пузырей. Условия кавитации зависят от внешнего давления на систему и насыщенности жидкости воздухом.
Вибрационную кавитацию могут вызвать звуковые колебания, особенно ультразвуковые. Звуковые волны ускоряют окислительно-восстановительные реакции, вызывают внутримолекулярные перегруппировки веществ, усиливают диспергирование, ускоряют процессы мойки и обезжиривания поверхностей и вызывают коагуляцию мелких частиц.
Вибрационная кавитация проявляется в двигателях внутреннего сгорания, особенно на наружных поверхностях гильз в результате их колебаний от ударов поршня. Износ от кавитации наружной стенки гильзы может быть в 3 — 4 раза больше, чем износ внутренней поверхности от действия поршневых колес.
studfiles.net
Кавитационное изнашивание — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Кавитационное изнашивание
Cтраница 1
Кавитационное изнашивание связано с нарушениями сплошности потока жидкости, движущейся с большой скоростью. На участках, где давление жидкости падает ниже давления насыщения паров, возникают пузырьки пара, воздуха, газа. В зоне повышенного давления кавитационные полости и пузырьки захлопываются с большой скоростью, вызывая микрогидравлические удары жидкости о поверхность детали и ее разрушение. Кавитация связана с неправильной конструкцией проходных каналов гидравлического устройства и отклонением режима работы от проектного. Нередко кавитационное изнашивание сочетается с эрозионным процессом, если поток жидкости или газа загрязнен механическими частицами. Эрозионно-кавитационному изнашиванию подвергаются детали гидравлической части насосов, гидроциклонные установки, фонтанная и газлифтная арматура, отводы вертлюгов. [1]
Кавитационное изнашивание — это разрушение материала от соприкосновения его с движущейся жидкостью, в которой нарушается сплошность ее объема из-за образования полостей, заполненных паром, газом или их смесью. [2]
Кавитационное изнашивание наблюдается в гидравлических турбинах, трубопроводах, на лопастях гребных винтов, подводных крыльях судов, гидравлических насосах, клапанах, а также в системах смазки и охлаждения двигателей, подвергающихся вибрации. Этот вид износа материалов, связанный с образованием или исчезнованием пузырьков в жидкости, возникает вследствие местного изменения давления. [3]
Кавитационное изнашивание — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости ( и наоборот), при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, создавая тем самым местное повышенное давление. [4]
Кавитационное изнашивание — гидроабразивное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа лопаются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры. [6]
Кавитационное изнашивание возникает в результате воздействия кавитацион-ных пузырьков, образующихся на поверхности деталей, омываемых жидкостью. Явление кавитации усиливается с повышением вибрации деталей и температуры нагрева жидкости. Кавитационный износ имеет место на наружной поверхности гильз цилиндров, омываемой охлаждающей жидкостью. [7]
Кавитационное изнашивание происходит при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации. [8]
Кавитационное изнашивание — механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное высокое ударное давление или высокую температуру. [9]
Кавитационное изнашивание возникает при перемещении потока жидкости относительно поверхности твердого тела в случае разрыва сплошности этой жидкости, образования каверн, заполненных газом ( паром), и последующего захлопывания каверн вблизи поверхности с большой скоростью. При этом ударные волны многократно воздействуют на участок поверхности и приводят к усталостному разрушению последней. [10]
Кавитационное изнашивание, как уже отмечалось, происходит в результате многократного воздействия на поверхность гидравлических ударов, возникающих при захлопывании навигационных полостей вблизи поверхности детали. Кавитационные полости ( пузырьки) образуются в гидродинамическом потоке вследствие появления в нем областей с давлением ниже давления насыщенного пара этой жидкости. Захлопывание пузырька происходит при увеличении внешнего давления со скоростью звука. [12]
Кавитационное изнашивание — гидроэрозионное изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное повышение давления или температуры. Кавитационное изнашивание характерно для внутренних поверхностей корпусов водяных насосов, водяных полостей блоков цилиндров и головок цилиндров. [13]
Кавитационное изнашивание — изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в потоке жидкости в условиях кавитации, когда в потоке жидкости создаются пузырьки пара и газа и при переходе в область с более высоким давлением происходит конденсация пара и создаются условия для местного гидравлического удара. [14]
Кавитационное изнашивание металла происходит в результате воздействия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих при образовании и захлопывании кавитационных полостей и пузырьков. [15]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
ГОСы / Надежность и ремонт / 18
18. Кавитационное и эрозионное изнашивание. Сущность, механизм возникновения, меры предупреждения.
Кавитационное изнашивание. Кавитация дословно означает полость, пустота. Под кавитацией понимают явление образования в движущемся по поверхности твердого тела потоке жидкости полостей в виде пузырей, наполненных парами, воздухом или газами, растворенными в жидкости и выделившимися из нее. Это явление обусловлено следующим. В движущемся с большой скоростью потоке при его сужении и наличии препятствий на его пути давление может упасть до значения, соответствующего давлению парообразования при данной температуре. При этом, в зависимости от сопротивления жидкости растягивающим усилиям, может произойти разрыв, нарушение сплошности потока. Образующаяся пустота заполняется паром и газами, выделившимися из жидкости. Воздух, вовлекаемый в поток, облегчает возникновение кавитации. Образовавшиеся парогазовые пузыри размерами порядка десятых долей миллиметра, перемещаясь вместе с потоком, попадают в зоны высоких давлений. Пар конденсируется, газы растворяются и в образовавшиеся пустоты с большим ускорением устремляются частицы жидкости; происходит сопровождаемое ударом восстановление сплошности потока.
Киносъемка показала, что кавитационный пузырек может вырасти за 0,002 с до 6 мм в диаметре и полностью разрушиться за 0,001 с. По данным В. Я. Карелина, при определенных типах кавитации на площади в 1 см2 в течение 1 с могут образоваться и разрушиться более 30 млн кавитационных пузырьков.
Гидродинамическая кавитация наблюдается в трубопроводах, в гидромониторах и в потоках, обтекающих лопатки центробежных, пропеллерных насосов и лопасти гидравлических турбин и гребных винтов. Явление кавитации вызывает вибрации, стуки и сотрясения, что приводит к расшатыванию крепежных связей, обрыву болтов, смятию резьб, фрикционной коррозии стыков, нарушению уплотнений и усталостным повреждениям.
Кавитация понижает КПД машин и гребных винтов и вызывает непосредственное разрушение поверхностей деталей в зоне ее действия. Она способствует закоксовыванию распылителей форсунок двигателей внутреннего сгорания.
Труднообтекаемая форма и неровности поверхностей, включая неровности, образовавшиеся по причине кавитационного изнашивания, служат причиной образования вихрей и отставания струй от стенок рабочих каналов, что способствует возникновению или усилению кавитации.
Предпосылки для наступления и протекания кавитационного изнашивания следующие. При замыкании до полного исчезновения парогазовых пузырей у поверхности детали последняя подвергается микроскопическим гидравлическим удара. Из нескольких миллионов образовавшихся кавитационных пузырьков примерно один из 30 тыс. участвует в разрушении. Под действием ударов поверхность металла начинает деформироваться и подвергаться наклепу; появляются линии сдвига и происходит как бы своеобразное травление с выявлением границ отдельных зерен.
Предупредить кавитацию можно, проектируя гидромеханическую систему так, чтобы во всех точках потока давление не опускалось ниже давления парообразования. Однако возможность кавитации всегда следует учитывать.
Эрозионное изнашивание. Эрозия в широком понятии — процесс поверхностного разрушения вещества под воздействием внешней среды. В машиностроении эрозия имеет более узкое понятие — разрушение поверхности материалов вследствие механического воздействия высокоскоростного потока жидкости, газа или пара. Разрушение металлов под действием электрических зарядов также относится к эрозии. Л. А. Урванцев подразделяет эрозию на газовую, кавитационную, абразивную и электрическую. Каждый вид эрозии имеет подвиды, которые являются сочетанием отдельных видов, например, газовая эрозия может быть газоабразивной, газоэлектрической и т. д.
Эрозионное воздействие высокоскоростного потока жидкости, газа или пара слагается из трения сплошного потока и его ударов о поверхность. В результате трения происходит расшатывание и вымывание отдельных объемов материала. Вообще говоря, скорость изнашивания в этом случае мала. Большая роль принадлежит динамическому действию потока или струи. В зависимости от свойств материала возможны вырывы отдельных объемов или групп зерен с неблагоприятной ориентацией в отношении приложенных сил. В пластичных материалах, обладающих способностью к наклепу, вначале накапливаются микропластические деформации отдельных участков, а когда способность к упрочнению исчерпается, эти участки разрушаются, вымываются. Жидкость, внедряющаяся при ударах в образовавшиеся микротрещины, ведет себя подобно клину, раздвигая стенки трещины.
Эрозия в начальный период на гладкой поверхности развивается весьма медленно, но после появления пораженных мест усиливается. Это можно объяснить повышением хрупкости поврежденного поверхностного слоя в связи с накоплением микротрещин, расклинивающим действием жидкости и усилением ударного действия из-за большого вихреобразования у поверхности.
Разрушению от эрозии часто подвергаются рабочие кромки золотников гидравлических агрегатов. Струи топлива, проникая во время отсечки с большой скоростью в зазор между цилиндрическими поверхностями золотника и втулки, разрушают металл у рабочей кромки. Эрозионное изнашивание начинается часто с микроцарапин, возникающих при схватывании поверхностей трения. Эрозионному повреждению в данном случае сопутствует образование белого слоя. Уменьшить разрушение колец можно улучшением их приработки. Характерно, что на чугунных хромированных кольцах, работающих по азотированной поверхности цилиндра заводского производства, эрозия не наблюдалась.
studfiles.net
Кавитационное изнашивание — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4
Кавитационное изнашивание
Cтраница 4
При наличии в нефтепродуктах кислот, сероводорода и воды арматура подвергается коррозии. Быстрее всех обычно выходят из строя детали рабочего ( регулирующего) органа: уплотнительные кольца, золотники, плунжеры, пробки кранов, подвергающиеся механическому, коррозионному и кавитационному изнашиванию. При интенсивной эксплуатации запорной арматуры могут ускоренно выходить из строя детали ходового узла — ходовая гайка и шпиндель. [46]
Наличие агрессивных компонентов и пластовой жидкости вызывает образование на внутренних поверхностях деталей коррозионных пленок, которые затем разрушаются в результате ударов твердых частиц и капельной жидкости. Абразивный и кавитационный виды изнашивания способствуют активизации коррозионных разрушений деталей оборудования с увеличением скорости последней. Кавитационное изнашивание является распространенным видом изнашивания деталей газопромыслового оборудования. [47]
Первая группа включает в основном гидромеханические методы. Другим методом борьбы против кавитационного изнашивания элементов ПГА является создание режима суперкавитации. Суперкавитация — это такой вид течения, когда образовавшиеся в области пониженного давления пузырьки, заполненные газом и паром, сливаются в обширную полость, представляющую собой каверну больших размеров ( суперкаверна), которая распространяется далее по течению на расстояние, в несколько раз превышающее размеры местного сопротивления. В зависимости от давления за местным сопротивлением суперкаверна может заканчиваться в каком-либо месте трубопровода или гидравлической системы либо продолжаться далее по течению. При суперкавитационном течении уровень шума и вибрация значительно ослабляются, а разрушение в местном сопротивлении практически отсутствует. [48]
Основные дефекты — износ и задиры рабочей поверхности, а для гильз цилиндров — дополнительно деформация и изнашивание наружных посадочных поверхностей. В некоторых тракторных двигателях наблюдается кавитационное изнашивание поверхностей охлаждения. [49]
Была лишь отмечена тенденция увеличения стойкости металлов с увеличением твердости, хотя четких закономерностей обнаружено не было. Данные по стойкости материалов к кавитационному изнашиванию приведены в табл. 4.2 — 4.4. Терминология применена в авторском варианте. В табл. 4.2 приведена стойкость различных материалов, применяемых в США для элементов регулирующих клапанов. Значение индекса более единицы указывает на большую сопротивляемость действию кавитации по сравнению с эталоном. Приведенные данные не определяют предельной стойкости материалов действию кавитации, а показывают приблизительное соотношение стойкости к кавитационному изнашиванию. [50]
Такое разрушение происходит из-за попадания воды в систему смазки и образования в масле мельчайших паровоздушных пузырьков. Нередко вымывание баббитовой заливки вкладышей и резкое увеличение зазора на масло в подшипнике вызывается попаданием топлива в масло и последующим понижением его вязкости или длительной работой дизеля на окисленном масле. Кроме отмеченных факторов, на интенсивность кавитационного изнашивания влияние оказывает также степень нагруженности дизеля в целом, в том числе его форсировка. [51]
Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, поверхностное упрочнение в том числе твердые наплавки, сообщают стали значительную кави-тациониую стойкость. При малой толщине ( менее 20 мкм) разрушение происходит под слоем хрома; существенную роль играет прочность основания. Латунь благодаря своей вязкости стойка к кавитационному изнашиванию. Сравнительно хорошей кавитационной стойкостью обладает резиновое покрытие. [52]
Коррозионные явления играют существенную роль в процессе кавитационного изнашивания. Однако механическим воздействиям принадлежит основная роль, свидетельством чему может служить низкая кавитационная стойкость лакокрасочных, цинковых и алюминиевых покрытий, имеющих малую механическую прочность, эбонита и плексигласа, являющихся коррозионно-стойкими неметаллическими материалами. Скорость кавитационного изнашивания может быть в сотни и более раз выше скорости коррозионного разрушения поверхностного слоя. [53]
В дизелях наблюдаются случаи вибрации гильз цилиндров. Между поршнем и зеркалом цилиндра есть зазор, и перемещение поршня происходит с ударом. При этом изменяется давление на стенки цилиндра. Вибрация цилиндра вызывает его кавитационное изнашивание. [54]
Кавитационное изнашивание связано с нарушениями сплошности потока жидкости, движущейся с большой скоростью. На участках, где давление жидкости падает ниже давления насыщения паров, возникают пузырьки пара, воздуха, газа. В зоне повышенного давления кавитационные полости и пузырьки захлопываются с большой скоростью, вызывая микрогидравлические удары жидкости о поверхность детали и ее разрушение. Кавитация связана с неправильной конструкцией проходных каналов гидравлического устройства и отклонением режима работы от проектного. Нередко кавитационное изнашивание сочетается с эрозионным процессом, если поток жидкости или газа загрязнен механическими частицами. Эрозионно-кавитационному изнашиванию подвергаются детали гидравлической части насосов, гидроциклонные установки, фонтанная и газлифтная арматура, отводы вертлюгов. [55]
Появившиеся в масле парогазовые пузырьки в зоне минимального давления при движении масла попадают затем в зоны высокого давления. При сжатии давление в них достигает больших величин. Сжатый пузырек, находясь на поверхности металла, захлопывается, и мгновенные давления, возникающие при этом, а также быстрое втекание струи жидкости в объем, занимаемый пузырьком, приводят к повреждению трущихся поверхностей. На поверхности образуются беспорядочные микроуглубления с трещинами в основании. Кавитационное изнашивание подшипников скольжения значительно усиливается при понижении вязкости масла и наличии в нем воды. [56]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
Кавитационное изнашивание — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 4
Кавитационное изнашивание
Cтраница 4
При наличии в нефтепродуктах кислот, сероводорода и воды арматура подвергается коррозии. Быстрее всех обычно выходят из строя детали рабочего ( регулирующего) органа: уплотнительные кольца, золотники, плунжеры, пробки кранов, подвергающиеся механическому, коррозионному и кавитационному изнашиванию. При интенсивной эксплуатации запорной арматуры могут ускоренно выходить из строя детали ходового узла — ходовая гайка и шпиндель. [46]
Наличие агрессивных компонентов и пластовой жидкости вызывает образование на внутренних поверхностях деталей коррозионных пленок, которые затем разрушаются в результате ударов твердых частиц и капельной жидкости. Абразивный и кавитационный виды изнашивания способствуют активизации коррозионных разрушений деталей оборудования с увеличением скорости последней. Кавитационное изнашивание является распространенным видом изнашивания деталей газопромыслового оборудования. [47]
Первая группа включает в основном гидромеханические методы. Другим методом борьбы против кавитационного изнашивания элементов ПГА является создание режима суперкавитации. Суперкавитация — это такой вид течения, когда образовавшиеся в области пониженного давления пузырьки, заполненные газом и паром, сливаются в обширную полость, представляющую собой каверну больших размеров ( суперкаверна), которая распространяется далее по течению на расстояние, в несколько раз превышающее размеры местного сопротивления. В зависимости от давления за местным сопротивлением суперкаверна может заканчиваться в каком-либо месте трубопровода или гидравлической системы либо продолжаться далее по течению. При суперкавитационном течении уровень шума и вибрация значительно ослабляются, а разрушение в местном сопротивлении практически отсутствует. [48]
Основные дефекты — износ и задиры рабочей поверхности, а для гильз цилиндров — дополнительно деформация и изнашивание наружных посадочных поверхностей. В некоторых тракторных двигателях наблюдается кавитационное изнашивание поверхностей охлаждения. [49]
Была лишь отмечена тенденция увеличения стойкости металлов с увеличением твердости, хотя четких закономерностей обнаружено не было. Данные по стойкости материалов к кавитационному изнашиванию приведены в табл. 4.2 — 4.4. Терминология применена в авторском варианте. В табл. 4.2 приведена стойкость различных материалов, применяемых в США для элементов регулирующих клапанов. Значение индекса более единицы указывает на большую сопротивляемость действию кавитации по сравнению с эталоном. Приведенные данные не определяют предельной стойкости материалов действию кавитации, а показывают приблизительное соотношение стойкости к кавитационному изнашиванию. [50]
Такое разрушение происходит из-за попадания воды в систему смазки и образования в масле мельчайших паровоздушных пузырьков. Нередко вымывание баббитовой заливки вкладышей и резкое увеличение зазора на масло в подшипнике вызывается попаданием топлива в масло и последующим понижением его вязкости или длительной работой дизеля на окисленном масле. Кроме отмеченных факторов, на интенсивность кавитационного изнашивания влияние оказывает также степень нагруженности дизеля в целом, в том числе его форсировка. [51]
Закалка с нагревом ТВЧ, цементация, поверхностное упрочнение в том числе твердые наплавки, сообщают стали значительную кави-тациониую стойкость. При малой толщине ( менее 20 мкм) разрушение происходит под слоем хрома; существенную роль играет прочность основания. Латунь благодаря своей вязкости стойка к кавитационному изнашиванию. Сравнительно хорошей кавитационной стойкостью обладает резиновое покрытие. [52]
Коррозионные явления играют существенную роль в процессе кавитационного изнашивания. Однако механическим воздействиям принадлежит основная роль, свидетельством чему может служить низкая кавитационная стойкость лакокрасочных, цинковых и алюминиевых покрытий, имеющих малую механическую прочность, эбонита и плексигласа, являющихся коррозионно-стойкими неметаллическими материалами. Скорость кавитационного изнашивания может быть в сотни и более раз выше скорости коррозионного разрушения поверхностного слоя. [53]
В дизелях наблюдаются случаи вибрации гильз цилиндров. Между поршнем и зеркалом цилиндра есть зазор, и перемещение поршня происходит с ударом. При этом изменяется давление на стенки цилиндра. Вибрация цилиндра вызывает его кавитационное изнашивание. [54]
Кавитационное изнашивание связано с нарушениями сплошности потока жидкости, движущейся с большой скоростью. На участках, где давление жидкости падает ниже давления насыщения паров, возникают пузырьки пара, воздуха, газа. В зоне повышенного давления кавитационные полости и пузырьки захлопываются с большой скоростью, вызывая микрогидравлические удары жидкости о поверхность детали и ее разрушение. Кавитация связана с неправильной конструкцией проходных каналов гидравлического устройства и отклонением режима работы от проектного. Нередко кавитационное изнашивание сочетается с эрозионным процессом, если поток жидкости или газа загрязнен механическими частицами. Эрозионно-кавитационному изнашиванию подвергаются детали гидравлической части насосов, гидроциклонные установки, фонтанная и газлифтная арматура, отводы вертлюгов. [55]
Появившиеся в масле парогазовые пузырьки в зоне минимального давления при движении масла попадают затем в зоны высокого давления. При сжатии давление в них достигает больших величин. Сжатый пузырек, находясь на поверхности металла, захлопывается, и мгновенные давления, возникающие при этом, а также быстрое втекание струи жидкости в объем, занимаемый пузырьком, приводят к повреждению трущихся поверхностей. На поверхности образуются беспорядочные микроуглубления с трещинами в основании. Кавитационное изнашивание подшипников скольжения значительно усиливается при понижении вязкости масла и наличии в нем воды. [56]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
Исследования интенсивности кавитационного износа | Статья в журнале «Молодой ученый»
Проблема обеспечения заданных показателей надежности является ключевой при конструкторско-технологическом проектировании. В полной мере это относится к изделиям, работающим в условиях гидродинамического нагружения, к которым относятся, например, насосные агрегаты, движительно-рулевые колонки судов и др. В настоящее время активно развивается направления исследований, связанных с одновременным развитием данных изделий в области повышения мощности и увеличении ресурса их функционирования. Как следствие, основные ответственные детали изделий (гребные винты судов, рабочие колеса насос и т. д.) эксплуатируются во все более жестких условиях гидродинамического нагружения рабочих поверхностей, определяя тем самым все необходимые предпосылки к повышению интенсивности их износа. Одним из основных факторов, определяющих характер износа рабочих деталей, связан с интенсивностью протекания кавитационных процессов.
В настоящее время можно выделить пять существующих гипотез кавитационного износа деталей: коррозионная, механическая, гидроэлектрическая, обобщённая и теория кумулятивных струй.
Гипотеза о коррозионной природе кавитационного разрушения. В начале, когда природа кавитации была мало изучена, считали, что наблюдаемое специфическое разрушение металлов всецело происходит из-за химического влияния воды, т. е. имеет коррозионное происхождение. Эта теория впервые полно была изложена в трудах Вагенбаха (1906 г.), Рамзая (1930г.), Феттингера и их последователей. В дальнейшем при изучении этого процесса было обнаружено разрушение коррозионностойких материалов (нержавеющие стали, золото, бетон и др.) и тем самым коррозия сама по себе не является основным и единственным фактором, участвующим в кавитационном изнашивании. Примером этому служат факты, отмеченные в работах [4, 5, 6, 7] об особенностях разрушения коррозионностойких лаковых покрытий на втулках цилиндров дизелей, чугуна и др. моменты, противоречащие теории химической и электрической коррозии. Несмотря на большое количество работ, опровергающих чисто коррозионную природу кавитационного износа, некоторые исследователи пытаются доказать ее состоятельность. Определенный интерес представляют работы по применению катодной защиты [8–17] в целях подавления кавитационного изнашивания. Можно отметить, что чисто коррозионная теория не объясняет природы кавитационного износа, но это не является основанием для отрицания участия коррозионного фактора в данном процессе, т. к. в настоящее время известно, что сама кавитация интенсифицирует химические процессы окисления металла вследствие выделения активных химических веществ [18].
Гипотеза о механической природе кавитационного разрушения. Одновременно с коррозионной теорией кавитационных разрушений возникла и механическая гипотеза. Впервые ее выдвинули и отстиавли немецкий инженер Рюбель (1906 г.), английские исследователи О. Зильберрад (1912 г.), Ц. Парсонс и С. Кук (1919 г.), Я. Аккерт (1932 г.). Так О. Зильберрад для обоснования данной гипотезы впервые проводил испытания образцов материалов на струеударной установке. В работе [8] была раздельно изучена глубина проникновения разрушений на различных металлических сплавах при кавитационном и коррозионном процессах в синтетической морской воде. Автором обнаружено, что скорость кавитационного разрушения превосходит скорость коррозии рассмотренных им материалов в 50000–100000 раз. Сами по себе коррозионное и кавитационное разрушения — несопоставимые явления, поэтому раздельное изучение их не позволяет делать заключение о роли коррозионного фактора в кавитационном изнашивании.
Гипотеза о воздействии кумулятивных струй на кавитационные разрушения. Разработанная в 60-е годы 20-го столетия теория кавитационного износа, основанная на воздействии кумулятивных струй, возникающих при коллапсе кавитационного пузырька, является по мнению многих исследователей [19–24], более достоверной, чем все предыдущие. М. Робинсон и Ф. Хэммит высказывают убеждение в том, что кавитационные повреждения происходят главным образом под действием высокоскоростных микроструй жидкости (явление кумулятивного течения), создаваемых при тороидальном смыкании кавитационных пузырьков, обнаруженных ими экспериментально. В доказательство они приводят расчеты Р. Айвени, согласно которым давления, развиваемые при обычном смыкании пузырьков, недостаточны для того, чтобы вызвать повреждения металлических тел. По их подсчетам скорость кумулятивных струй в момент удара составляет 1200 м/с. Кроме того, при конденсации пара, находящегося в кавитационном пузырьке, образуется капля, которая при сильном соударении с преградой также вызывает эффекты, подобные кумулятивной струе [20]. С. П. Козырев [19] приводит большое количество кинокадров, подученных скоростной съемкой, на которых видна картина втекания струй в кавитационную полость.
Данную гипотезу можно проиллюстрировать:
При гидродинамической кавитации на поверхности детали в области пониженного давления образуются кавитационные полости (пузырьки или каверны) из ядер кавитации, которые присутствуют в любой жидкости. Эти полости расположены как непосредственно на поверхности детали, так и на расстоянии от неё. При попадании полостей в область повышенного давления происходит их сжатие с образованием микроструй, механически воздействующие на поверхность детали в случае схлопывании пузырька у поверхности. При периодическом воздействии этих микроструй происходит унос массы материала с образованием лунок на поверхности детали.
Гипотеза о вихревой природе кавитационного разрушения. Несколько иной точки зрения придерживался М. Г. Тимербулатов. Сущность его гипотезы состоит в том, что при столкновении быстрых потока жидкости с препятствием образуются завихрения, которые периодически срываются и уносятся потоком. Те участки поверхности тела (или стенка канала), которые приходятся на место отрыва вихря, оказываются под действием высокочастотных импульсов отрыва жидкости и подвергаются изнашиванию. Данная гипотеза экспериментально не подтверждена.
Гипотеза о гидроэлектрической природе кавитационного разрушения. Данная гипотеза описывает процесс износа как результат воздействия электрических разрядов, возникающих при смыкании кавитационных пузырьков на разрушаемой поверхности. По мнению Я. И. Френкеля и С. Е. Бреслера электрические разряды в жидкости возникают фотохимические явления, ускоряющие коррозию, а В. А. Константинов и Г. Е. Рудашевский считают, что эрозия является результатом непосредственного действия обнаруженных электрических разрядов и, отчасти, связанных с этим химических процессов. Однако экспериментов по данной гипотезе крайне мало и роль этих разрядов в кавитационном износе остается окончательно не решенным.
Обобщенная теория кавитационного разрушения. Как выяснилось, ни чисто механическая, ни коррозионная, ни гидроэлектрическая теории не раскрывают всех сторон сложного явления кавитационного изнашивания. Как известно, при кавитационном изнашивании материал находится в особых условиях, способствующих увеличению, например, скорости коррозии, наблюдается местная деформация, обусловленная тем, что при замыкании пузырьков разрушаемая поверхность бомбардируется большим числом многократно повторяющихся гидравлических ударов значительной интенсивности, что приводит к созданию неоднородно напряженных участков, которые ведут себя в электролите по разному: более напряженные являются анодом, а слабонапряженные — катодом. К этому следует добавить: в зонах воздействия гидравлических ударов происходит мгновенный разогрев материала, приводящий к тепловому удару. Все эти явления вместе и вызывают кавитационное разрушение материалов. Опубликовано значительное количество работ, в которых исследователи пытаются дать оценку количественного соотношения потерь от коррозионных и механических факторов в общее объеме кавитационного износа.
Абачерев М. М. выделяет следующую схему обобщенной теории физической природы кавитационного износа:
- Захлопывания кавитационных пузырьков, сопровождающиеся искрами и тепловыми ударами, вызывают мгновенное окисление мест бомбардировки и создают в них тепловые сжимающие напряжения.
- Гидравлические удары разрушают поверхностные окисные слои материала, вследствие чего он ве время находится в активном состоянии
- Поверхностные слои, изношенные из-за механических усталостных воздействий, дополнительно разрушаются от коррозионной усталости.
- Промывающее действие кавитационных пузырьков завихряет жидкость у поверхности материала и устраняет слои, задерживающие дифузию: облегчается вывод ионов металла, который под воздействием сильных завихрений незамедлительно проникают в жидкость, т. е. происходит местное растворение металлической поверхности.
Эта гипотеза природы кавитационных разрушений не является исчерпывающей и не дает возможности определения критерия кавитационностойкости материалов.
В настоящее время ни одна отдельно взятая теория не раскрывает полной картины сложного явления кавитационного износа деталей.
В настоящее время имеются три основных методики испытаний материалов на стойкость к кавитационной эрозии — гидродинамическая (естественная) кавитация, гидроструйное (ударное) воздействие на образец и ультразвуковая (вибрационная) кавитация.
Первый метод позволяет имитировать кавитационную эрозию более близко к действительной (происходящей в проточной части гидромашин [2]), однако требует непропорционально больших затрат времени и энергии, так как в этом случае время подконтрольного разрушения может составлять сотни и даже тысячи часов непрерывной работы стенда.
Второй метод разрушения подразумевает исполнение гидроструйной установки и вращающегося с высокой скоростью образца [8]. В этом случае, время, требуемое для эрозии, снижается примерно на 2 порядка по сравнению с первым методом. Однако здесь не достигается равномерное разрушение образца, физика процесса далека от реально кавитации.
Третий метод, применяемый в настоящей работе — метод вибрационной (ультразвуковой) кавитации, согласно которому образцу, находящемуся в жидкости, сообщаются высокочастотные колебания вдоль вертикальной оси. При этом на торцевой поверхности образца возникает ультразвуковая кавитация, приводящая к кавитационной эрозии.
Соотношение времени кавитационной эрозии образца (что выражается скоростью уноса материала с поверхности образца) и гидродинамической или ударной может быть найдено только экспериментально, однако в работах [4, 5] приводится что оно линейно
В настоящей работе была применена ультразвуковая схема получения кавитационной эрозии — наиболее удобна для проведения экспериментов с точки зрения стоимости оборудования и времени исследования образцов.
В результате проведенных экспериментов было исследовано развитие кавитационной эрозии на примере стали Ст3. Развитие эрозии оценивалось с помощью динамики уноса материала и глубины образовавшихся каверн.
Изначально образец имел массу 26.18572 гр. С шероховатостью вдоль бороздок 0,5 мкр. На рисунке 1 представлено изначальное состояние поверхности.
Рис. 1
После третьего эксперимента, когда был разрушена оксидная пленка скорость уноса материала резко возросла вместе с изменением шероховатости, которая составила 5 мкр и появление каверн 125 мкр.
Рис. 2
К окончанию серии экспериментов шероховатость достигла 15 мкр и глубина отдельных каверн достигла 300 мкр.
Рис. 3
На рис. 4 представлена скорость изменение массы образца после каждого эксперимента.
Рис. 4
Серия экспериментов показала применимость данной методики для оценки сравнительной кавитационной стойкости материала. Однако для получения более полной картины необходим ряд испытаний на различных материалов и сравнение их кавитационного износа в кавитаторе с реальным износом.
Литература:
- Ковалев А. А., Спокойный И. А., Шашурин В. Д. Оценка кавитационной стойкости узлов и деталей машин, работающих в жидких агрессивных средах // Вестник машиностроения. 2014 № 5 С. 50–55
- Карелин В. Я. Кавитационные явления в центробежных осевых насосах. М.: Машиностроение, 1976. 325с
- Петров А. И., Скобелев М. М., Ханычев А. Г. Исследование сравнительной стойкости и кавитационной эрозии образцов материалов и покрытий проточной части гидромашин //Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. «Машиностроение» 2015. № 2 С. 128–137
- Гликман Л. А. Коррозионно-механическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1955. 187с.
- Богачев И. Н. Кавитационное разрушение и кавитационностойкие сплавы. М.: Металлургия, 1972. 232с
- Тимербулатов М. Г. Влияние коррозии и интенсивность кавитации на характеристики металлов в лабораторных и эксплуатационных условиях // Гидротехническое строительство. Москва, 1974 № 4 С. 29–32
- Ноде Ц. П., Эллис А. Т. О механизме кавитационных разрушений полусферическими пузырьками, смыкающимися при контакте с твердой органической поверхностью // Труды Американского общества инженеров-механиков: Теоретические основы инженерных расчетов. М.; Мир, 1961. Серия Д, № 4 с.84
- H. Zhang, J. Duncan, G. L. Chahine. The Final Stage of the Collapse of a Cavitation Bubble near a Rigd Wall // Journal of Fluid Mechanics, 1993. P. 147–181
Основные термины (генерируются автоматически): кавитационный износ, кавитационное разрушение, кавитационная эрозия, кавитационное изнашивание, гипотеза, поверхность детали, материал, время, работа, кавитационный пузырек.
moluch.ru