автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Износостойкость рабочих органов гидроагрегатов химических производств при гидроэрозии в неоднородных агрессивных жидких средах

КУКИНОВА ГАЛИНА ВЯЧЕСЛАВОВНА

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ГИДРОАГРЕГАТОВ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ПРИ ГИДРОЭРОЗИИ В НЕОДНОРОДНЫХ АГРЕССИВНЫХ ЖИДКИХ СРЕДАХ

Специальность 05.02.04 - трение и износ в машинах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Невшшомысском технологическом институте (филиале) государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет»

Научный руководитель: Доктор технических паук, доцент Чулкин Сергей Георгиевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Лысенков Павел Михайлович

Кандидат технических наук Тополянский Павел Абрамович

Ведущее предприятие:

ОАО «Невинномысский Азот» (г. Невинномысск)

Защита состоится « 19 » декабря 2006 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д.212.229.19 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29, лабораторно-аудиторный корпус, кафедра «Машины и обработка металлов давлением».

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « 17» ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета доктор технических наук, профессор

В.Н.Востров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. 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 аэродинамические 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.

На предприятиях пищевой, авиационной 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 кавитаци-онного 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 исследования износостойкости рабочих органов гидромашин, работающих в агрессивных средах, является актуальной технической и экономической задачей.

Представленные в работе результаты основаны на использовании лабораторных методов изучения объекта, включающих оптимизацию параметров исследования и последующее внедрение полученных результатов в производство.

Тема диссертации разработана в соответствии с проводимой автором НИР «Исследование износостойкости рабочих органов при кавитации», номер государственной регистрации № 01.200.208031.

Цель работы: повышение долговечности элементов 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.

Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением теоретического анализа процессов кавитациоино-коррозионного изнашивания материалов, теории экспериментов, теории трения, изнашивания,

смазки, шероховатости, определения износа. При выполнении работы применялись методы математической статистики и регрессионного анализа.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением математической статистики при обработке экспериментальных данных, оценкой адекватности разработанных математических моделей реальным процессам. Подтверждена внедрением результатов исследований в производство.

Новые научные результаты. В результате проведенных исследований :

1. Установлены основные закономерности и механизм кавитационного изнашивания сталей и наплавок в средах неорганических кислот различной концентрации.

2. Выявлена зависимость интенсивности кавитационного изнашивания металлов от водородного показателя среды (рН). Для рабочих сред с различными характеристиками подсчитаны коэффициенты, позволяющие оценить потери металла при кавитации в той или иной агрессивной среде.

Практическая ценность.

1. На основе комплексных теоретических и экспериментальных исследований сформулирована методика подсчета потерь массы материала при кавита-ционном воздействии в агрессивных средах.

2. Модернизирована установка для возможности проведения опытов по исследованию кавитационной стойкости материалов в агрессивных рабочих средах, требующих соблюдения техники безопасности.

3. Разработаны рекомендации по выбору материалов для изготовления и ремонта изношенных поверхностей рабочих колес центробежных насосов, перекачивающих кислые среды различной концентрации.

4. Материалы теоретических и практических разработок диссертации использованы в учебном процессе Невинномысского технологического института (филиала) ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет (НТИ (филиал) «СевКав ГТУ»).

Реализация результатов работы. На основании рекомендаций по замене изношенных деталей рабочих колес центробежных насосов и их ремонту с помощью электродных наплавок были проведены промышленные испытания в цехе БХО и ТООП ОАО «Невинномысский Азот». Натурные испытания показали, что рекомендованные паплавки имеют повышенную износостойкость по сравнению с ранее применявшимися на производстве. Получен экономический и экологический эффекты.

Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при оформлении отчета по НИР «Исследование износостойкости рабочих органов при кавитации», номер Государственной регистрации № 01.200.208031.

_Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: 8-й Международной практической конференции-выставке «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», Санкт-Петербург, 2006 год; Третьем Международном Симпозиуме по транспортной триботехнике

«Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на трансторте «Транстрибо-2005», Санкт-Петербург, 2005 год; Всесоюзной научно-технической конференции «Износостойкость машин», Брянск, 1991 год; Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2000 год; XV-XXIX научно-технических конференциях СтПИ и СтГТУ, Ставрополь, 1995-1999 годы; I-IV межрегиональных научных конференциях «Студенческая наука - экономике России», Ставрополь, 2000-2003 годы; 1V-IX региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону», Ставрополь, 2003-2005 годы, на Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин», Пенза, 2005.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 1 монография и 6 статей.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 189 наименований и приложений. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 6 таблиц и 50 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, представлена общая характеристика работы, сформулирована цель и приведены основные результаты работы.

В первой главе диссертации кратко изложено состояние вопроса по рассматриваемой проблеме и поставлены задачи исследования. В основу материалов этой главы положен анализ работ отечественных и зарубежных авторов в области кавитационного изнашивания материалов, в том числе Богачева С.П., Георгиевской Е.П., Карелина В.Я., Козырева С.П., Минца Р.И., Пенкина Н.С., Перника А.Д., Погодаева Л.И., Пылаева Н.И., Цветкова Ю.Н., Шальнева К.К., Эделя Ю.У., Приса K.M., Р.Кнеппа, А.Тирувенгадама и др.

Показана сущность и особенности кавитационной эрозии материалов. Значительное внимание в главе уделено анализу условий работы, причин выхода из строя рабочих органов центробежных насосов и других гидроагрегатов, виду и характеру изнашивания деталей различных гидромашин.

Рассмотрены особенности и основные закономерности поверхностного разрушения металлических материалов в химически агрессивных средах. Проведенный анализ позволил установить совокупность факторов, оказывающих существенное влияние на процесс изнашивания рабочих органов и определить их приоритетность.

Проведен анализ потока отказов центробежных насосов, работающих в высоко агрессивных средах. Учитывая важность и актуальность проблемы износостойкости рабочих органов гидроагрегатов при кавитации в агрессивных средах, в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать критерий оценки кавитационно-коррозионной стойкости сталей и наплавок при гидроэрозии в неоднородных агрессивных жидких средах.

2. Разработать методику и модернизировать лабораторную установку для возможности исследования износостойкости металлических материалов при воздействии кавитации в агрессивных средах.

3. Провести экспериментальные исследования износостойкости сталей и наплавок, применяемых для изготовления и ремонта деталей гидроагрегатов, при кавитации в серной, азотной и соляной кислотах различной концентрации.

4. Разработать рекомендации по выбору материалов для деталей центробежных насосов, стойких против кавитационно-коррозионной эрозии.

Вторая глава посвящена разработке методики проведения испытания на кавитациоиную стойкость сталей и наплавок, описанию лабораторной установки, разработке специального приспособления, обоснованию условий испытаний и методике проведения экспериментов.

Основной задачей лабораторных исследований была воспроизводимость физической картины процессов изнашивания рабочих органов центробежных насосов, имеющих место в условиях эксплуатации, а основным принципом моделирования - физическое подобие основных процессов, главным критерием которого является соблюдение механизма кавитациопно-коррозионного изнашивания.

Анализ показал, что по всем вышеприведенным условиям наиболее предпочтительным будет применение установки вибрационного типа. Основные экспериментальные результаты получены на магнитострикционном вибраторе - ультразвуковой установке ИЛ 100-6/1 (рис.1).

Рабочая шжссть

Псдатаиа

1 - кчжух; 2 —ультразвуковой генератор: 3 - подача воды для охлаждения; 4 — ма^нитострикционный преобрапта-тель; 5 - волновод; 6 - охлаждающая вода; 7 -рабочая жидкость; 8 - подставка; 9 - образец

' Образец.

Рис. 1. Схема лабораторной установки

Рис. 2. Приспособление для закрепления образцов с контейнером для рабочей жидкости и сосудом для ее охлаждения

В связи с задачей исследования навигационной стойкости металлов в агрессивных средах было спроектировано приспособление для крепления образцов в процессе испытаний (рис.2). Образцы цилиндрической формы устанавливались неподвижно непосредственно под концентратором на расстоянии АЬ от его торца. Приспособление позволило проводить испытания в небольшом количестве постоянно охлаждаемой рабочей среды, образец не требовал дополнительной механической обработки, был доступен для свободной установки и извлечения, при этом соблюдались требования техники безопасности при работе с химически агрессивной жидкостью.

Предварительными исследованиями установлено, что неровности поверхности оказывают значительное влияние на кавитационный износ образца. Чтобы исключить этот фактор из числа существенных параметров, проводилась обработка исследуемой поверхности образца с помощью шлифовального круга на вулканитовой основе.

Оценку кавитационного износа согласно стандарту АБТМ С-32 Комитета по износу и эрозии Американского общества испытания материалов проводили путем взвешивания образцов на аналитических весах ВЛА-200-М.

Задача оптимизации параметров лабораторной установки решалась методом математического планирования эксперимента. За параметр оптимизации (функцию отклика у) принята потеря массы ДО, мг образца за определенный промежуток времени кавитационного воздействия на лабораторной установки ультразвукового типа. Задача решалась методом «симплекс-планирования». В результате для дальнейшего исследования кавитационной стойкости материалов были приняты следующие факторы (параметры) лабораторной установки: амплитуда колебаний концентратора 18 мкм; частота колебаний возбудителя кавитации 22 кГц; зазор между поверхностью образца и торцом волновода 0,5 мм, температура 20...22 °С.

В третьей главе рассмотрены особенности и основные закономерности кавитационного изнашивания сталей и наплавок в химически агрессивных средах: азотной, соляной и серной кислотах разной концентрации.

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

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

Для поиска надежных материалов для ремонта и восстановления рабочих колес центробежных насосов, перекачивающих азотную кислоту, были проведены эксперименты по кавитационному воздействию ее растворов 20, 30, 40, 50 и 55% концентрации на кислотостойкие стали 20X13 и 18Х2Н2МА, а также наплавки ЦЛ-11, НЖ-13, 03Л-7.

Анализ полученных данных позволил установить (рис. 3), что при 50% концентрации азотной кислоты наблюдался наибольший кавитационно-коррозионный износ образцов. Учитывая это, и кавитационные испытания наплавок, предназначенных для ремонта изношенных в азотной кислоте крыльча-

ток центробежных насосов, проводили также при 50% содержании азотной кислоты в водном растворе.

Влияние электрохимической коррозии на вид кинетических кривых изнашивания очень существенно при испытании на МСВ (рис.4), так как из-за малого масштаба струй, генерируемых на этих установках при высокой частоте колебаний, толщина пластически деформированного слоя поверхности оказывается сравнительно малой и соизмеримой с толщиной слоя, пластифицированного вследствие хемомеханнческого эффекта. Кинетика изнашивания электродных наплавок практически не отличается от таковой в пресной воде и происходит с четко выраженным инкубационным периодом, хотя у электродной наплавки НЖ-13 в течение инкубационного периода происходит, вероятно, значительное электрохимическое растворение поверхности, подверженной микроудариому воздействию. 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.

/

1 ^ч

/ /

20

10 40 60 35

1) у=0.1 +0.6х+0.2х -0.|х'+0.001о"

И"-0.9776

2)у-0.|+2.7х-0.02х'+0.002сЧ|.6х"

1^=0.9586

3) у=].1х1-1.03-0.9х'+|.03с"

1^=0.9999

Рис. 4. Кавитационная стойкость электродных наплавок в 50% растворе 1ШОз при испытании на МСВ с амплитудой колебаний А = 18 мкм: 1 - электрод ЦЛ - 11; 2 — электрод ОЗЛ - 7; 3 — электрод НЖ -13

1)1пу-0.2х-2.5-0.0002х"

К' -0.9707 гцпу-о.зх-и-о.оогх1

II1 -0.9789

Рис.3. Износ в зависимости от концентрации азотной кислоты. Условия испытания: зазор ЛИ = 0,5 мм; частота/=22 КГц; амплитуда А = 18 мкм; температу-раТ = 20°С

Как видно из графика (рис. 4), металл, наплавленный электродом ЦЛ-11, будет иметь высокую стойкость против кавитационного разрушения. Худшими кавитационно-коррозиопными свойствами при испытании в растворе азотной кислоты обладает наплавка электродом НЖ-13.

Таким образом, в результате проведенных исследований можно рекомендовать электрод ЦЛ-11 для наплавки изношенной поверхности рабочих колес центробежных насосов, перекачивающих азотную кислоту.

Во втором комплексе экспериментов исследовалась кавитационная стойкость сталей и наплавок в соляной кислоте.

Оценка кавитационной стойкости сталей в соляной кислоте проводилась с концентраций последней 3; 6,4; 12 и 18% продолжительностью 6 часов.

Ион хлора делает соляную кислоту очень агрессивной, поэтому применять даже кислотостойкие стали специалисты советуют только в растворах с малой концентрацией HCl. Повышение концентрации и температуры способствует переходу кислоты в химически активное состояние.

Результаты кавитационных испытаний сталей в растворах HCl различной концентрации представлены на рис.5. Износ сталей при кавитации в соляной кислоте возрастает с концентрацией HCl по экспоненциальной зависимости. Сталь 18Х2Н2МА оказывается более стойкой по отношению к стали 20X13. Анализ результатов опытов показывает, что при переходе от водной среды к испытаниям в растворе HCl, что значительно интенсифицирует коррозию металла, продолжительность инкубационного периода сильно сокращается, потери металла происходят практически сразу после начала испытаний. Сравнительная износостойкость исследуемых материалов в воде и растворе соляной кислоты приведена на рис.6.

1)у'-0.0091пх + 0.07/lnx - 0.04; R! - 0.9999;

2)у»|22+9.4(|пх)г-2476.5с'; Rs - 0.9999

Рис. 5. Зависимость кавитационногой износа сталей от концентрации HCl

I - стань 20X13 в 18% растворе HCl; 2 - сталь 20X13 в пресной воде; 3— сталь 18Х2Н2МА в 18% растворе HCl; 4- сталь 18Х2Н2МА в пресной воде

Рис. 6. Сравнительная износостойкость сталей 20X13 и 18Х2Н2МА

В связи с тем, что результаты опыта (см.рис.5) не показывают значения концентрации HCl, дающей максимальный износ при кавитации, было принято решение проводить кавитационное испытание наплавок в 6,4% растворе, как наиболее часто встречающемся на практике в химических отраслях.

Данные испытаний представленные на рис. 7, показывают, что более высокой кавитационной стойкостью в соляной кислоте обладает наплавка ОЗЛ-7, менее стойкой оказалась наплавка НЖ-13, промежуточное положение занимает электродная наплавка ЦЛ-11.

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

Одними из важнейших факторов, определяющих коррозионное поведение металлических материалов в растворах серной кислоты, являются эксплуатационные условия работы деталей гидромашин. Как правило, это температура и концентрация кислоты. При достижении некоторой критической температуры, зависящей главным образом от химического состава стали и концентрации кислоты, скорость коррозии катастрофически возрастает, что обусловлено переходом металла из пассивного состояния в активное.

Как видно из рисунка 8, кавитациошю-эрозиошшй износ материала (кривая 2) в среде серной кислоты оказывается значительно больше, чем коррозионные потери (кривая 1).

Ü^l, мг

1) у»142.1/(1"Нх/14.1)"1 т); R1-1.0000

2) |пу-3.4+0.002с'-Я.Эе"*; Ra-0.9999

3)у-120.5/91+<х/2.4)"); R'-l.OOO

Рис. 7. Кавитационная стойкость наплавок в 6,4% растворе HCl

1) уо,-0,2+О.Зх-О.О! х!+0.0002х' ; Я3 -0.9998

2) У^-О.Тх-О.г-О.Огх^Ю.ОООЗх' ;Н'=0.9999

3)1пу-3.8+0.0003х"-167.7е"; Я'-0.9999

Рис. 8. Износ сталей в зависимости от концентрации Н2504

Результаты испытаний сталей и наплавок показали, что в отсутствие ка-витационного воздействия, зависимости коррозионных потерь от времени линейны (кривые 1 на рис. 8-10). При одновременном с коррозией наложении микроударного воздействия четко видно появление точек перегиба на кинетических кривых изнашивания (кривые 2,3,4 на рис. 9).

При этом зависимость износа электродной наплавки ЦЛ-11 от времени при совместном действии кавитации и коррозии (рис. 10) можно разбить на ряд характерных участков.

Судя по всему, уменьшение скорости электрохимической коррозии и появление точек перегиба па кинетических кривых изнашивания находится в тесной связи с процессами деформирования и разрушения поверхностных слоев.

Можно предположить, что на участке АВ (см.рис.Ю) идет коррозия лишь пластически деформированной поверхности, а в точке В начинается процесс трещинообразования поверхностных слоев. Визуальное наблюдение поверхности образцов показывает наличие мелких трещин. Это подтверждается и в работах зарубежных ученых, где на ряде металлов показано, что максимум сопротивления кавитациошюму изнашиванию соответствует концу инкубационного

периода. В этой связи можно предположить следующий механизм поверхностного разрушения металла: с развитием процесса трещинообразовапия коррозия образца уменьшается, а число отделяющихся от микроударного воздействия частичек растет, что в свою очередь при наступлении равенства скоростей указанных процессов, обуславливает появление точки перегиба С.

».Ч

1) у=4.05х-0.001-6.06х' '+3.7х!-0.7х! '; 1{! - 0.9966

2) у=0.05+4.3х-1 .Зх"+0.8х'-0.04и"; Я1 -0.9994

3) у-34ЫЭ5.7х+270.7х' '-43.1х'-341.1е "; К' -0.9970

4) у" *=5.2х-0.2-3.4х3+1.2х3-0.2х4-Ю.01 х5; И1 «0.9999

Рис 9. Кощюзиошшя стойкость наплавки ЦЛ-11 (1) и кавитационная стойкость наплавок ЦЛ-11(2), ОЗЛ-70), НЖ-13(4)

1)у-2х

Я1-1.0000

2) У--0.01 -0.1 х-Ю.08х"-0.008х'

К1 -0.9988

Рис.10. Кавитационная стойкость электродной наплавки ЦЛ —II в 20 % растворе П£0< (2) и коррозионные потери при статических испытаниях (I)

В то же время из рис. 9 видно, что кавитационная стойкость электродных наплавок в 20% растворе серной кислоты мало чем отличается друг от друга, но наименьший износ имеет наплавка электродом ЦЛ-11.

В четвертом комплексе экспериментов исследовалось влияние водородного показателя среды на интенсивность развития кавитационной эрозии. Исследования Л.И.Погодаева, Н.И.Пылаева и Ю.Н.Цвсткова и опыт эксплуатации центробежных насосов в агрессивных средах показывает, что оценку кавитаци-онно-коррозионной стойкости материалов, особенно при существенном вкладе коррозионной составляющей на общий износ, следует производить с учетом и коррозионного фактора.

Установленные закономерности изнашивания с учетом коррозии с трудом поддаются точному определению и требуют сбора множества параметров, измерение которых связано с большими трудностями или вообще невозможно. Проведенный анализ показал, что пока отсутствует общепринятый критерий кавитационной износостойкости, надёжно работающий для всех металлических материалов и условий изнашивания. Несомненно, что его значение для конкретного материала не может быть постоянным, а должно изменяться в зависимости от условий кавитационного и коррозионного воздействий, и в обозримом будущем создание такого критерия вряд ли возможно.

По аналогии с формулами профессора Л.И.Погодаева для определения потерь массы при кавитациоином изнашивании металлов как суммы износов от механического и коррозионного факторов, для качественной оценки совместного кавитационно-коррозионного изнашивания в химически агрессивных средах можно предложить выражение

АО..

(1)

где АС0ст — потеря массы образца при изнашивании на МСВ в пресной воде; ккор — коэффициент, учитывающий коррозионный эффект.

Коэффициент ккар определяется по таблице 1, исходя из зависимости, получаемой в результате испытания металлов на кавитационный износ на установке МСВ в средах, имеющих различный водородный показатель рН.

Для того чтобы иметь представление, как изменяется величина кавита-ционного износа при изменении концентрации водородных ионов, были проведены опыты на МСВ по кавитационному воздействию на образцы из стали 20X13 в средах с различными уровнями рН (рис.11).

к

\

\

\

- V N —-

V

\

\

\

\

V

\

V.

ч

е а л » « 7 « 9 10 —Г ' 12" * и... 9 14

Рис. 11. Зависимость кавитационного износа от водородного показателя среды

Влияние рН на кавитационный износ металла имеет сложный характер. В некотором интервале значений рН (6-8) скорость эрозионной коррозии становится почти постоянной, здесь, вероятно, процесс контролируется скоростью диффузии кислорода к поверхности металла. Отметим, что испытуемый материал имеет тенденцию к резкому увеличению скорости эрозии в узком интервале диаграммы при специфическом уровне концентрации кислой среды (рН < 2). Это характерное поведение материалов в кислоте объясняется не столько склонностью к депассивации, сколько степенью депассивации и особенной

12

комбинацией кавитационного и коррозионного воздействий, при которой это явление происходит. Наибольший износ материала наблюдается в интервале диаграммы рН = 1 ...2 и значительно менее он выражен при других рН.

Таблица 1

Значение коэффициента для определения массовых потерь кавитационного износа, учитывающего влияние водородного показателя рабочей среды

Характср| 1сти ка среды Интервал значении рН Величина А"к„р

Сильпокнслая 0 < рН < 4 -71,2х+33 1,1 0,995

Слабокислая 4 < рН <6 14,3х3-199,2х2+89х 0,9999

Нейтральная 6 < рН < 8 1

Щелочная 8<рН< 14 2,6х-14,9 0,976

Максимальный кавитационный износ наблюдается при испытании металлов в кислых электролитах. Процесс изнашивания материала ускоряется за счет увеличения концентрации кислоты, что повышает содержание в растворе анионов, которые увеличивают скорость катодного процесса коррозии. Кавитация в кислых средах, или перемешивание электролита, способствует отводу от поверхности металла продуктов его растворения. В нейтральной среде, которой служит дистиллированная вода, растворимость кислорода ограничена, поэтому довольно быстро наступает снижение концентрации кислорода у поверхности металла, подвергаемого кавитационному воздействию, и процесс износа сильно замедляется, т.е. происходит значительное снижение кавитационного износа в нейтральных и слабощелочных растворах. Это объясняется процессом деполяризации водорода, контролируемым диффузией. В этом случае на поверхности металла образуется слой продуктов коррозии, которые экранируют поверхность металла и во многих случаях вызывают значительное повышение электрического сопротивления на границе металл-электролит.

Таким образом, можно сделать вывод, что кавитационное воздействие активизирует процесс коррозии. Степень коррозионно-кавитационпого воздействия зависит от рН раствора, в котором находится испытуемый образец.

Результаты исследований показали тесную связь уменьшения скорости электрохимической коррозии и появления точек перегиба на кинетических кривых кавитационного изнашивания с процессами деформирования и разрушения поверхностных слоев.

В ходе сопоставления данных, полученных экспериментальным путем, с теоретическими расчетами по предложенной формуле (1), установлено, что

13

практически полученная величина износа в выбранном масштабном уровне четко коррелирует с теоретическим значением ДОо6,ц . Данное выражение может быть использовано для оценки износостойкости сталей и наплавок при кавитации в агрессивных средах с различным уровнем рН.

Следовательно, при выборе стали для изготовления деталей центробежных насосов, работающих в условиях кавитационно-коррозионного воздействия, а также при выборе наплавок для ремонта нх изношенных поверхностей, следует руководствоваться следующей методикой:

1. В условиях кавитационно-коррозионного воздействия износостойкость металла определяется двумя факторами:

-стойкостью к механическому воздействию кавитации, т. е. микроударам струй и жидкости," потери от которой предварительно определяются при испытании на кавитациопную стойкость в пресной воде;

-коррозионной стойкостью металла в жидкости, в которой происходит кавитация. Относительное влияние коррозии на износостойкость металла возрастает со снижением интенсивности кавитации и увеличением агрессивности жидкости. Качественную оценку величины совместного кавитационно-коррозионного изнашивания можно произвести по формуле (1), значения коэффициентов для которой определяются по таблице 1. Водородный показатель рабочей среды измеряется на универсальном иономере.

2. В случае низкой интенсивности кавитационного воздействия в агрессивных жидкостях механической энергии ударов микроструй жидкости при кавитации достаточно лишь для удаления продуктов коррозии с поверхности, при этом обнажается чистая поверхность металла, и процесс коррозии не затухает. В условиях средне- и высокоинтснснвного кавитационного воздействия доля коррозионных потерь в общем износе снижается. Однако влиянием коррозионного фактора пренебрегать нельзя, потому что агрессивная жидкость вызывает не только коррозионные потери, но и изменяет свойства поверхностных слоев металлов (снижает их прочность), уменьшая тем самым сопротивление поверхности механическому воздействию кавитации. Поэтому там, где это возможно, предпочтение следует отдавать коррозионностойким сталям и наплавкам.

В четвертой главе приведены результаты внедрения результатов исследования в условиях цеха биохимической очистки и технического обезвреживания отходов производства объединения «Невинномысский Азот» и в учебном процессе в Невинномысском технологическом институте (филиале) ГОУ ВПО «СевКавГТУ». Рабочие колеса действующих центробежных насосов проработали с рекомендованными наплавками 4190 часов и показали отличные результаты по сравнению с ранее применяемыми материалами.

По результатам лабораторных исследований и промышленных испытаний для защиты деталей центробежных насосов от кавитационной эрозии в агрессивных средах производства объединения «Невинномысский Азот» рекомендовано:

1.Для деталей насосов, подвергающихся интенсивному кавитационно-коррозионному износу предпочтительно применять сталь 18Х2Н2МА (табл. 2).

Таблица 2

Результаты промышленных испытаний насосов 7КХ13

Среда Материал наплавки Срок службы

Кислые органо-загрязненные стоки Сталь 20X13 После 4190 часов работы 20% износ. Требуется ремонт.

Сталь 18Х2Н2МА После 4190 часов работы незначительная матовость. Продолжает работать.

20% раствор серной кислоты Электрод НЖ-13 После 4190 часов работы следы явных кавитационных разрушений. Требуется ремонт.

Электрод ЦЛ-11 2 слоя После 4190 часов работы незначительная пластическая деформация поверхности. Продолжает работать.

2. 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 (табл. 3).

Таблица 3

Результаты промышленных испытаний электронаплавок_

Марка электрода Потери массы ДО, мг

20 % Н2504 6,4 % НС1 40 % НЫОз

ОЗЛ-7 78 33 41

ЦЛ-11 68 80 18

НЖ13 98 102 85

Рекомендуемая наплавка ЦЛ-11 ОЗЛ-7 ЦЛ-11

Основные выводы.

1. Получено выражение для определения потерь массы при кавитацион-ном изнашивании металлов в химически агрессивных средах. Построена зависимость кавитационного износа от водородного показателя среды, получены значения коэффициента для определения весовых потерь вследствие кавитационного изнашивания, учитывающего влияние водородного показателя рабочей среды.

2. Разработана методика проведения испытаний на кавитационную стойкость сталей и наплавок при воздействии агрессивных жидкостей, обоснован выбор управляемых параметров.

3. Модернизована магнитострикционная лабораторная установка для возможности ее использования при испытании материалов на кавитационную стойкость в присутствии агрессивных жидкостей.

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

5. Установлено, что:

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

7. Разработана методика выбора стапсй для изготовления новых деталей, а также наплавок для ремонта изношенных поверхностей для центробежных насосов, работающих в условиях кавктациопно-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;

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

9. Разработки автора внедрены на производстве в ОАО «Невинномысский 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) Государственного общеобразовательного учреждения высшего профессионального образования «Северо-Кавказский государственный технический университет».

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Чулкин С.Г., Кукинова Г.В. Долговечность гидроагрегатов при работе в неоднородных агрессивных жидких средах. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2006. - 109 с.

2. Чулкин С.Г., Кукинова Г.В. Влияние водородного показателя среды на интенсивность развития кавитационной эрозии//Научно-тсхничсские ведомости СПбГТУ, 2006. № 4, с.86-89.

3. Чулкин С.Г., Кукинова Г.В. Некоторые результаты исследования коррозионно-стойких сталей для деталей центробежных насосов //Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: Материалы 8-й Международной практической конференции-выставки. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2006.-С. 311-318.

4. Чулкин С.Г., Кукинова Г.В. Методика определения кавитационной стойкости сталей и наплавок для центробежных насосов, работающих в химически агрессивных средах //Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки: Материалы 8-й Международной практической конференции-выставки. - СПб.: Изд-во Политехи. Ун-та, 2006. — С.303-310.

5. Кукинова Г.В., Чулкин С.Г. Некоторые результаты исследования коррозионно-стойких наплавок деталей центробежных насосов //Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте: Труды третьего международного симпозиума по транспортной триботехнике «Трапс-трибо-2005». - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. - С. 164-167.

6. Кукинова Г.В., Чулкин С.Г. Разработка методики экспериментальных исследований на кавитационную стойкость сталей и наплавок в химически агрессивных средах //Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте: Труды третьего международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транстрибо-2005». - СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. - С. 235-244.

7. Кукинова Г.В. Влияние легирующих элементов на кавитационную стойкость //Сборник научных трудов. Серия «Естественнонаучная» Ссвсро-

17

Кавказский Государственный Технический университет. Выпуск 5. Ставрополь, 2002. - С.52 - 55.

8. Кукипова Г.В. Влияние условий эксплуатации на интенсивность ка-витационного износа// Материалы IV региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо — Кавказскому региону». Ставрополь, 2000. - С.77.

9. Кукипова Г.В. Некоторые виды лабораторных стендов для исследования кавитационной эрозии //Материалы V региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо — Кавказскому региону». 42. Ставрополь, 2001. —С.48 —49.

10. Кукинова Г.В. Выбор кавитациопно-стойкого материала наплавок //Материалы второй межрегиональной научной конференции «Студенческая паука — экономике России». Т2. Ставрополь, 2001. - С.79.

11. Кукинова Г.В. Способы ослабления кавитации проточной части центробежного насоса// Материалы третьей межрегиональной научной конференции «Студенческая наука — экономике России».Т1.Ставрополь, 2002. — С.117-118.

12. Кукинова Г.В. Методика проведения испытания на магнитострик-ционном вибраторе //Материалы VI региональной научной-технической конференции « Вузовская наука — Северо — Кавказскому региону». 42. Ставрополь, 2002. - С.69 - 70.

13. Кукинова Г.В. Влияние свойств жидкости на кавитациоппый износ //Материалы четвертой межрегиональной научной конференции «Студенческая паука — экономике России». Т1. Ставрополь, 2003. — с.70.

14. Кукинова Г.В. Зависимость кавитационного износа от агрессивности среды //Материалы XXXII Региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону». Т2. Ставрополь, 2003. — С.58 -59.

15. Кукинова Г.В. Исследование кавитационно-коррозионной стойкости материалов лабораторными методами //Материалы VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону». Т1. Ставрополь, 2003. — С.20.

16. Кукинова Г.В. Металлографические исследования кавитационного износа материалов в агрессивной среде //Материалы VIII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука — Северо-Кавказскому региону». Т1.Ставрополь, 2004.-С. 154.

17. Кукинова Г. В. Об оценке интенсивности кавитационно-коррозионного изнашивания материала// Материалы Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин». Пенза, 2005.-С.254-255.

18. Кукинова Г.В. Комплексный подход при оценке потерь кавитационно-коррозионого изнашивания// Материалы IX региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказкому региону». Т1. Ставрополь,2005.-С. 163-164.

Лицензия ЛР №020593 от 07.08.97

Подписано в печать 13.11.2006. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 971Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: 550-40-14

Тел./факс: 297-57-76

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.

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.

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».

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