Кавитационно-эрозионное изнашивание

Эрозия металла отличается от абразивного износа тем, что мельчай-шие доли металла срываются капельками воды или струйками газа. В па-ровых турбинах скорость капелек воды по отношению к лопаткам ступе-ней низкого давления достигает 300 м/с. При открывании задвижки струя приобретает давление и сверхзвуковые скорости.

В слое жидкости, прилегающем к металлу, при определенных усло-виях обтекания возникают области пониженного давления, где зарождают-ся кавитационные пузырьки.

На кавитационно-эрозионное изнашивание оказывает влияние корро-зионная среда и температура эксплуатации, которые дополнительно уско-ряют износ металла.

Кавитационное изнашивание металла происходит в результате воз-действия на его поверхность микроударных нагрузок, возникающих приобразовании и захлопывании кавитационных пузырьков. При замыкании кавитационных пузырьков поверхность металла испытывает значительные по величине многократные микроударные воздействия, приводящие к воз-никновению усталостного разрушения пластичных зон и выкрашиванию хрупких составляющих на рабочей поверхности детали. Присутствие кор-розионно-активной среды интенсифицирует процессы микроусталостного разрушения и электрохимического растворения металла.

Кавитационное изнашивание происходит в потоке жидкости, движу­щейся с переменной скоростью в закрытом канале, в участках сильно пони­женного давления, например, при обтекании препятствий, возникают мест­ные разрывы сплошности с образованием каверн. Попадая с потоком в об­ласть более высокого давления, каверны захлопываются, и, если это проис­ходит у поверхности детали, жидкость с большой скоростью ударяется о стенку. Многократные повторные удары жидкости по одному и тому же уча­стку металла (каверны возникают и захлопываются периодически, иногда с большой частотой) приводят через некоторое время к его местному разруше­нию, образованию углублений. К такому износу подвержены: проточный тракт гидротурбин, лопасти гребных винтов, насосы, гидропрессы и стенки трубопроводов.

В настоящее время можно считать общепризнанной точку зрения, что кавитационная эрозия поверхности твердых тел обусловлена замыканием вблизи нее или на ней парогазовых пузырьков. Попавшие в зону нормаль-ного давления пузырьки подвергаются многократному сжатию, в результа-те чего давление и температура внутри них могут достигать величин десят-ков тысяч атмосфер и нескольких тысяч градусов соответственно. Хотя прямых измерений этих показателей никому пока не удалось выполнить, косвенные доказательства такого термодеформационного воздействия на металл имеются.

Сложность изучения кавитационной эрозии обусловлена как быстрым протеканием самого процесса кавитации, так и многообразием явлений, имеющих место в различных материалах, подверженных многократному воздействию поля замыкающихся пузырьков. Поэтому характер кавитационных разрушений, с одной стороны, зависит от энергии и концентрации кавитационных пузырей и с другой стороны – от прочностных характеристик материалов.

Анализ характера рельефа поврежденной поверхности алюминие-вого образца показал, что образовавшиеся лунки являются следствием ме-ханических воздействий разной интенсивности, причем вероятность появ-ления лунок большего размера уменьшается, то есть с ростом энергии удара вероятность реализации воздействия падает.

Другие последствия термодеформационного воздействия – микротрещины, линии сдвига, упрочнение металла являются следствием замыкания пузырьков с меньшей энергией, так как они появляются значительно позже вмятин – лунок.

Явление кавитации имеет место при разрыве сплошности в отдель-ных участках потока движущейся жидкости (в переводе с латинского CAVITAS означает «делать пустым»).

Разрывы сплошности обычно происходят там, где местное давление понижается до некоторого критического при данной температуре, когда происходит закипание жидкости с образованием парогазовых пузырьков, быстро возрастающих в объеме по мере увеличения скорости течения или снижения давления (рис. 2.30).

1 – зона пониженного давления; 2 – парогазовые пузырьки;

Рисунок 2.30 – Схема образования кавитационной зоны при

движении жидкости в гидродинамической трубе

При быстром движении металлического изделия внутри жидкости или при скоростном течении жидкости внутри изделия (рис. 2.31), ударное действие пузырей, возникающих при колебаниях давления, создает на ме-таллической поверхности большую циклическую нагрузку, вызывающую износ, обычно называемым кавитационным.

При наличии в потоке растягивающих напряжений растет число кавитационных пузырьков, они целиком заполняют собой область, захваченную кавитацией, образуя крупные каверны, постоянно связанные с обтекаемым телом или несущей поверхностью, а само движение потока приобретает струйный характер.

1 – зона разрушения пузырей, создающего большое давление на стенку

изделия; 2 – зона низкой скорости потока и высокого давления;

3 – зона высокой скорости потока и низкого давления

Рисунок 2.31 – Модель кавитационного изнашивания

Этому явлению подвержены многие детали гидромашин, взаимодей-ствующие с турбулентными потоками жидкости.

Например, при обтекании лопастей гребного винта быстроходных су-дов на их поверхности возникает разрежение, величина которого определя-ется скоростью поступательного движения и вращения двигателя, а также степенью неравномерности потока набегающего на двигатель вследствие наклона оси гребного вала к осевой линии. На первой стадии, характерной для небольших скоростей потока, гидродинамические характеристики гребного винта не изменяются. При значительной турбулизации потока наступает вторая стадия кавитации: к.п.д. винта снижается из-за уменьшения упора, развиваемого двигателем, скорость движения судна снижается, появляется вибрация. При попадании в зону повышенного давления парогазовые пузырьки мгновенно смыкаются и, если это происходит вблизи стенки поверхности детали, развивающиеся при этом местные импульсные давления настолько велики на поверхности лопасти, что приводит к разрушению практически всех известных материалов (рис. 2.32).

Рисунок 2.32 – Кавитационно-эрозионное разрушение гребного винта судна на подводных крыльях «Метеор»

Дата добавления: 2015-10-28