Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Пояснительная записка содержит 55 страниц, включая 24 рисунка, 3 таблицы, 21 литературный источник.

Абразивный износ, эрозия, коррозия, механизм абразивной эрозии, численное моделирование

Работа состоит из 3 глав.

В первой главе отражена актуальность задачи, описаны основные виды коррозионно-механического разрушения, механизмы абразивной эрозии и способы защиты металла от разрушения абразивными частицами.

Во второй главе отражены принципы получения экспериментальных данных для создания и корректировки моделей абразивной эрозии и CFD подход, отражающий ее моделирование.

Третья глава посвящена поэтапному численному моделированию абразивной эрозии и получению зависимостей величины эрозии от различных факторов.

Исследования проводятся в программном комплексе ANSYS CFX 14.0.

Содержание

• Глава 1. Проблема абразивного износа металла трубопроводов и оборудования
• 1.1 Актуальность проблемы
• 1.2 Классификация видов коррозионно-механического разрушения материалов
• 1.3 Особенности механизма абразивной эрозии
• 1.4 Защита металлов от разрушения абразивными частицами
• 1.5 Цель работы
• Глава 2. Моделирование абразивной эрозии
• 2.1 Основные принципы получения экспериментальных данных для создания и корректировки моделей абразивной эрозии
• 2.2 CFD подход к моделированию эрозии - коррозии
• 2.2.1 Методология
• 2.2.2 Моделирование эрозии
• 2.2.3 Скорость коррозии
• Глава 3. Численное моделирование абразивной эрозии в гибах
• 3.1 Создание геометрической модели
• 3.2 Использование программного комплекса ANSYS CFX
• 3.2.1 Создание конечно-элементной сетки
• 3.2.2 Описание физических свойств исследуемой области
• 3.2.3 Анализ результатов
• 3.3 Прочностной расчет
• Вывод
• Список использованных источников и литературы

Глава 1. Проблема абразивного износа металла трубопроводов и оборудования

1.1 Актуальность проблемы

Абразивное изнашивание является наиболее распространенным и быстропротекающим видом износа, при котором разрушение поверхностного слоя происходит под действием твердых частиц, находящихся в различных состояниях и по- разному воздействующих на материал. Распространенность абразивного изнашивания обусловлена не только тем, что многие детали по характеру выполняемых функций неизбежно соприкасаются с материалами, способными вызвать абразивный процесс изнашивания. Абразивный износ подавляет менее интенсивные процессы изнашивания деталей и в тех случаях, когда контакт с посторонними твердыми частицами не связан с работой техники, а обусловлен загрязненностью среды. Часто крайне сложно исключить загрязненность твердыми частицами окружающего воздуха, воды, горюче - смазочных материалов, различных технологических сред, контактирующих с трущимися поверхностями деталей машин. Абразивное изнашивание является одним из распространенных видов повреждаемости элементов авиационных конструкций, деталей узлов трения автомобилей, деталей сельскохозяйственных, строительных, горных и других машин путем попадания на их поверхности в процессе эксплуатации частиц минерального происхождения , глинозема, горных пород, продуктов износа поверхностей самих деталей с выступами шероховатостей более твердых поверхностей с их твердыми структурными составляющими (оксидные пленки и др.) [12].

Расходы на восстановление деталей машин в результате износа огромны и они ежегодно увеличиваются. На симпозиуме, проведенном в США по вопросу снижения износа в технике [5], общее мнение свелось к тому, что управление изнашиванием является центральным звеном в решении таких национальных проблем, как экономия энергии, сокращение расходов материалов, обеспечение надежности и безопасности механических систем. На симпозиуме также отмечалось, что для промышленности США, за счет эффективного внедрения результатов триботехники в практику, экономия может составить более 16 млрд. дол.

Абразивному изнашиванию также подвержены лопатки газовых турбин, рабочие колеса и направляющие гидравлических турбин, трубы и насосы, и другие детали, выполненные из различных материалов. Например, наличие взвешенных наносов в воде, перекачиваемой насосом, вызывает абразивное разрушение его рабочих органов. Интенсивность этого вида разрушения определяется концентрацией наносов, их гранулометрическим и минералогическим составом, формой частиц, длительностью воздействия взвесенесущего потока на детали насоса и материалом, из которого эти детали изготовлены. При одновременном воздействии кавитации и наносов общий износ насосов, как правило, увеличивается.

Технико-экономические последствия износа насосов вследствие кавитации и истирания взвешенными наносами проявляются двояко. Во-первых, это ухудшение энергетических характеристик насосов (снижение напора и КПД) и связанное с этим увеличение потребляемой электроэнергии. Если при этом принять во внимание, что стоимость электроэнергии для насосных станций достигает 90 % общих эксплуатационных расходов, то становится понятным, что поддержание высокого КПД оборудования имеет решающее значение для экономичности работы насосных станций. Во-вторых, это значительные затраты труда и материалов на ремонтные работы по устранению последствий износа деталей проточной части насосов [8].

Абразивный износ сопловых и рабочих лопаток турбины приводит к снижению надежности облопачивания ступени. Разрушенные выходные кромки сопловых лопаток являются источником увеличенных возмущающих импульсов, действующих на рабочие лопатки и вызывающих их вибрацию и усталость. Подвергнувшиеся износу рабочие лопатки обладают меньшей прочностью и создают опасность поломок и разрушения лопаток последующих ступеней. Также абразивный износ приводит к уменьшению экономичности ступени, вызванной нарушением потока в проточной части; к сокращению межремонтного периода, увеличению длительности ремонта и ремонтных затрат. По оценкам американских специалистов годовой ущерб от абразивного износа в среднем составляет 1 долл. на 1 кВт установленной мощности; в некоторых случаях он увеличивается в 3-3,5 раза. Если в 1969-1977 гг. затраты на устранение повреждений составляли около 7 % от всех ремонтных затрат, то в 1977-1985 гг. они достигли 25 %. Абразивный износ характеризуется своим быстрым развитием, так катастрофический износ лопаток может произойти за 1-3 года.

По информационным источникам GreenPeace [10], в России аварии на нефтепроводах происходят, в основном, по причине износа труб (более 1/3 нефтепроводов имеют возраст более 30 лет), из-за внутренней коррозии (внутри промысловые нефтепроводы) и из-за внешней коррозии (магистральные нефтепроводы).

На внутри промысловых нефтепроводах 42% труб служат менее 5 лет из-за внутренней коррозии. Техническое состояние особенно сложное на предприятиях естественных монополий, в нефтегазовых отраслях, которые по праву рассматриваются "валютным цехом" страны. Большая часть нефтегазовых сооружений выработала плановый ресурс на 60-70 процентов. 25 процентов газопроводов работают больше 20 лет, 50 процентов - от 10 до 20 лет, а 5 процентов вообще превысили нормативный резерв - 33 года.

По магистральным нефтепроводам показатели аналогичны: свыше 30 лет - 26 процентов, от 20 до 30 лет - 30 процентов; от 10 до 20 лет - 34 процента, до 10 лет только 10 процентов.

К началу 2000 года доля нефтепроводов с возрастом более 20 лет составила 73 процента, а более 30 лет - 40,6 процента. По оценкам экспертов, большая часть нефтегазопроводов выработала плановый ресурс на 60-70%, что представляет огромную экологическую опасность. На территории России примерно 34 % газопроводов, 46 % нефтепроводов эксплуатируются свыше 20 лет. Из них: 15 % газопроводов, 25 % нефтепроводов, 34 % продуктопроводов построены более 30 лет тому назад (условно нормативный срок службы), в том числе 3,5 % газопроводов - более 40 лет.

Через 20-25 лет эксплуатации число аварий стабильно растет вследствие того, что образовавшиеся дефекты в стенке трубы и циклические нагрузки оказывают отрицательное воздействие на прочностные характеристики металла и сварных соединений. Основная причина отказов нефтегазовых сооружений - в коррозионном факторе. В России 40-50 процентов машин и сооружений работают в агрессивных средах, 30 процентов - в слабоагрессивных, и только около 10 процентов не требуют активной антикоррозийной защиты. На внутри промысловых трубопроводах нефти, воды и газа 95 процентов отказов приходится на внутритрубную и наружную коррозию. Ежегодно на внутри промысловых трубопроводах происходит до 40 тысяч аварий. По данным Совета Безопасности РФ, потери нефти в России в результате аварий ежегодно составляют 1,2 процента от ее добычи, т.е. не менее 3 миллионов тонн [6].

Анализ причин аварий на нефтегазопроводах, зафиксированных в актах технического расследования, свидетельствует о превалирующем влиянии коррозионного фактора.

Особую опасность представляет разрушение конструкций по причине коррозионного растрескивания под напряжением (КРН). КРН - самопроизвольное разрушение металла в результате одновременного воздействия агрессивной среды и статического механического напряжения. КРН характерно для трубопроводов большого диаметра с высоким уровнем внутреннего давления. Коррозионное растрескивание наносит огромный экономический ущерб народному хозяйству, вызывая повреждения деталей транспортных средств, газо- и нефтедобывающего оборудования, подземных трубопроводов, теплоэнергетического оборудования, турбин, насосов и др. Растрескиванию преимущественно подвержены высокопрочные стали, аустенитные нержавеющие стали, а также титановые, алюминиевые и магниевые сплавы.

Технический прогресс во многих отраслях промышленности тормозится из-за ряда нерешенных проблем борьбы с коррозией. Это является наиболее актуальным (особенно в последние годы) в промышленно развитых странах с большим металлофондом в связи с все более широким использованием в промышленности не только высокопрочных материалов, но и особо агрессивных сред, высоких температур и давлений.

Коррозия приводит ежегодно к миллиардным убыткам. Экономические убытки от коррозии металлов огромны. Например, в США они превышают $100 млрд. в год. А в целом, по оценкам специалистов различных стран, эти потери в промышленно развитых странах составляют от 2 до 4% валового национального продукта. При этом потери металла, включающие массу вышедших из строя металлических конструкций, изделий, оборудования, составляют от 10 до 20% годового производства стали [11].Различают два вида потерь от коррозии: прямые и косвенные. Прямые - это безвозвратные потери металла, стоимость замены оборудования, металлоконструкций, расходы на противокоррозионную защиту. Косвенные - простой оборудования, снижение мощности, снижение качества продукции, расход металла на утолщение стенок и т.п.

Неизбежными последствиями технического прогресса является загрязнение нашей среды обитания - процесс, ускоряющий коррозию металлов, поскольку внешняя окружающая среда проявляет к ним все большую агрессию. Каких-либо способов полностью исключить коррозийное разрушение металлов не существует, все, что можно сделать, это максимально замедлить этот процесс.

1.2 Классификация видов коррозионно-механического разрушения материалов

Износ может происходить одновременно с действием различных физических и химических процессов, происходящих во время эксплуатации. Эти процессы могут усиливать абразивный износ, увеличивая скорость последнего.

К наиболее известным процессам относятся:

- коррозия (в основном ржавление во влажных условиях эксплуатации или в присутствии влаги);

- высокие рабочие температуры (эффект разупрочнения).

Коррозией металлов называется их разрушение вследствие химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой. В широком понимании, коррозии подвергаются не только металлы, но и любые материалы, будь то бетон, пластмасса, резина или керамика. Коррозия протекает в самых разных средах, но в основном, это газообразные и жидкостные (грунт, вода, окружающая атмосфера и т.д.).

Виды коррозии по условиям протекания:

- атмосферная коррозия - наиболее распространенный вид коррозии, связанный с разрушением металлов в атмосфере воздуха;

- газовая - коррозионное разрушение металла под воздействием газов при высоких температурах;

- жидкостная - вид коррозии металла в жидкой среде, который подразделяется на коррозию в электролитах и неэлектролитах;

- почвенная - коррозия металла в грунтах и почвах;

- биокоррозия - вид коррозии, связанный с разрушением под влиянием живых микроорганизмов;

- структурная - связанная с неоднородностью структуры металлов;

- коррозия блуждающими токами - вид электрохимического разрушения под воздействием блуждающих токов;

- внешним током - электрохимическое разрушение металла под влиянием тока от внешнего источника;

- контактная коррозия - возникает при контакте разнородных металлов (имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите);

- щелевая коррозия - явление повышения скорости коррозионного разрушения в зазорах и щелях в металле;

- коррозия под напряжением - разрушение металла при одновременном воздействии агрессивной среды и механических напряжений;

- кавитация - разрушение металла при одновременном воздействии ударного воздействия внешней среды и коррозионного процесса;

- фреттинг-коррозия - вид коррозии, возникающий при колебательных перемещениях двух поверхностей относительно друг друга в условиях коррозионной среды;

- коррозия при трении (коррозионная эрозия) - происходит при одновременном воздействии на металл трения и коррозионной среды.

Причиной возникновения и протекания процессов коррозии является термодинамическая неустойчивость материалов к определенным компонентам, находящимся в окружающей их среде. Результатом коррозии являются продукты коррозии (например, ржавчина), испорченное оборудование, разрушение конструкций. Развитию коррозийных процессов способствуют радиация, продукты жизнедеятельности микроорганизмов и бактерий. Совокупность воздействия механических напряжений и внешней среды многократно ускоряет коррозию металлов - снижается их термоустойчивость, повреждаются поверхностные оксидные пленки, а в тех местах, где появляются неоднородности и трещины, активируется электрохимическая коррозия.

По механизму протекания процесса коррозии она бывает двух видов: химическая и электрохимическая.

Электрохимической коррозией является процесс разрушения металла при соприкосновении его с жидкостями, проводящими электрический ток (электролитами). Это разрушение происходит на границе между металлом и жидкостью и вызвано электрохимической реакцией, возникающей между ними, аналогично явлению, протекающему в гальваническом элементе. Происходит следующее: металлы (сплавы) утрачивают часть атомов (они переходят в электролитический раствор в виде ионов), электроны, замещающие утраченные атомы, заряжают металл отрицательным зарядом, в то время как электролит имеет положительный заряд. Образуется гальваническая пара: металл разрушается, постепенно все его частицы становятся частью раствора. Электрохимическую коррозию могут вызывать блуждающие токи, возникающие при утечке из электрической цепи части тока в водные растворы или в почву и оттуда - в конструкции из металла. В тех местах, где блуждающие токи выходят из металлоконструкций обратно в воду или в почву, происходит разрушение металлов. Особенно часто блуждающие токи возникают в местах движения наземного электротранспорта (например, трамваев и ж/д локомотивов на электрической тяге).

Химической коррозией называется процесс разрушения металлов без электрического тока, происходящий в среде сухих газов или в жидкостях, не проводящих электрический ток. Химической коррозии подвержены абсолютно все металлы - и черные, и цветные. Активные цветные металлы (например - алюминий) под воздействием коррозии покрываются оксидной пленкой, препятствующей глубокому окислению и защищающей металл. А такой малоактивный металл, как медь, под воздействием влаги воздуха приобретает зеленоватый налет - патину. Причем оксидная пленка защищает металл от коррозии не во всех случаях - только если кристаллохимическая структура образовавшейся пленки сообразна строению металла, в противном случае - пленка ничем не поможет. Химической коррозии подвергаются поверхности корпусных конструкций при соприкосновении с перевозимыми нефтепродуктами, солью, углем и другими минералами.

Виды коррозии по характеру разрушения:

- сплошная (общая коррозия) - охватывающая всю поверхность металла, которая находится под воздействием коррозионной среды;

- местная - распространяется лишь на некоторых участках поверхности металла.

Сплошная коррозия подразделяется на: равномерную, неравномерную и избирательную. Местный вид коррозии бывает: пятнами, питтинговой, язвенной, сквозной, нитевидной, межкристаллитной, подповерхностной, ножевой, коррозионным растрескиванием и коррозионной хрупкостью[4].

Рисунок 1.1 Виды коррозии: а - сплошная равномерная; б - сплошная неравномерная; в - структурно-избирательная; г - пятнами; д - язвами; е - точками (питтинговая); ж - подповерхностная; з - межкристаллитная

Износ металлических деталей обычно классифицируется в зависимости от механизма уноса материала с поверхности: абразивный износ, трение, усталость и эрозия.

Абразивный износ является неизбежной проблемой эксплуатации многих видов промышленного оборудования: насосы, грохоты, шнеки, желоба, циклоны и др. Абразивный износ, как правило, вызывается движением или соударением частиц, содержащихся в потоке, с поверхностью изделия, это вызывает ускоренное разрушение поверхности, сопровождаемое потерей массы. При гидроабразивном износе разрушение ускоряется как за счет вымывания продуктов разрушения жидкостью, так и за счет добавления факторов кавитации и коррозии. Абразивный износ - это износ, вызываемый движением твердых частиц под действием силы по поверхности твердого тела. Абразивный износ является наиболее распространенным и наиболее быстрым механизмом износа, встречающимся в различных областях промышленности. Это явление может развиваться в любой среде, в почве, на воздухе, в жидкости в присутствии абразивных частиц, и в более общем случае при погрузке-разгрузке и переработке сырьевых материалов. В зависимости от степени повреждения поверхности, абразивный износ различают трех типов - царапающий, истирающий и истирающий с ударными нагрузками.

Царапающий износ: этот вид также называют износом при свободном скольжении, и он является наименее тяжелым, так как частицы абразива не ломаются и не сжимаются. Он происходит под действием повторяющихся царапаний твердыми, острыми и мелкими частицами, движущимися по твердой поверхности с разными скоростями.

Истирающий износ: это один из наиболее тяжелых видов абразивного износа, он происходит, когда мелкие абразивные частицы прижимаются к поверхности металла с силой достаточной для разрушения и дробления металла. В результате образуются свежие острые режущие кромки. Это приводит к увеличению скорости износа по сравнению с округлыми абразивными частицами.

Ударно-истирающий износ. Из указанных трех видов износа этот механизм приводит к наиболее тяжелым повреждениям. Он происходит в том случае, когда абразивный износ сочетается с сильным воздействием крупных и тяжелых тел, которые с силой давят на твердую поверхность, оставляя на ней заметные выемки и вмятины.

Трение: износ металла при трении о металл, этот термин используется для описания износа в результате скольжения двух металлических деталей без присутствия абразивных частиц.

Усталость: усталостный износ вызывается периодическими нагрузками (поверхностная усталость), механизмом износа является подповерхностные микротрещины.

Эрозия: эрозионный износ вызывается режущим действием движущихся частиц, несомых потоком жидкости или газа, который уносит фрагменты материала с твердой поверхности. Эрозией называется разрушение поверхности металла, вызванное коррозионно-механическим воздействием быстро движущейся среды. По характеру наносимых при этом повреждений и механизму процесса различают следующие виды эрозии: кавитационная, струйная и коррозия при трении.

Кавитационные разрушения, часто называемые кавитационной эрозией, возникают при быстром движении жидкости относительно металла вследствие образования и исчезновения ("схлопывания") пузырьков пара вблизи металлической поверхности. Такому виду эрозии подвержены гидравлические турбины, гребные судовые винты, высокооборотные роторы насосов, охлаждающие рубашки дизелей и другие механизмы, в которых имеют место большие скорости потоков жидкости, а также изменения давления в этих потоках. Повреждения поверхности металла похожи на язвенные. Явление кавитации можно объяснить следующим образом. С понижением давления до определенной величины жидкость (вода) начинает кипеть при температуре окружающей среды; в ней появляются пузырьки пара, которые мгновенно схлопываются при увеличении давления. Если перепады давления будут повторяться очень быстро (например, в работающем водяном насосе), пузырьки пара будут столь же быстро возникать и исчезать, причем схлопывание пузырьков порождает ударные волны с фронтальным давлением. Такое давление может вызвать пластическую деформацию многих металлов. Причиной возникновения кавитации могут также быть препятствия на пути потока жидкости (сужение трубы, острые перегородки, щели, неровности поверхности, посторонние тела - раковины, наросты, камни и т. д.). В таких случаях следует говорить о гидродинамической кавитации. Кавитация, вызываемая контактом быстро вибрирующей поверхности металла с неподвижной или относительно медленно текущей жидкостью (стенки цилиндров дизельных двигателей с водяным охлаждением), называется акустической кавитацией.

Механические и коррозионные факторы в процессе кавитационной эрозии могут влиять в различной степени в зависимости от условий. Обычно доминируют первые. Скорость образования кавитационных разрушений зависит от скорости потока и состава среды, от температуры, коррозионной стойкости металла и его склонности к пассивации, от состояния поверхности и прочностных характеристик металла.

Струйная (гидроударная) эрозия - разрушение металла или сплава под действием потока жидкости, движущейся в турбулентном режиме и содержащей пузырьки воздуха. Такой вид эрозии является причиной преждевременного разрушения многих элементов трубопроводов (колен, тройников, задвижек), теплообменников, циклонов, лопаток паровых турбин и т. д. Эрозия возрастает, если в жидкости имеется взвесь твердых частиц. Струйная (гидроударная) эрозия разрушает многие металлы и сплавы, которые в неподвижной коррозионной среде или при небольшой скорости движения последней успешно сопротивляются коррозии. Интенсивность процесса, определяемая как убыль массы металла с единицы его поверхности в единицу времени, обычно растет с ростом скорости потока электролита.

По сравнению с кавитационным разрушением гидроударная эрозия протекает при значительно большем влиянии коррозионного фактора. Поэтому здесь важнее состав и рН среды, коррозионная стойкость металла и т. д.

Ударяющий в поверхность металла поток разрушает в некоторых ее местах защитную пленку (пленку продуктов коррозии), обнажая чистый металл. Контактируя со средой, незащищенный металл корродирует, образуя новую защитную пленку, которая, в свою очередь, удаляется под действием потока.

Коррозия при трении - это разрушение, идущее по границе раздела между двумя контактирующими поверхностями, одна из этих поверхностей (или обе) - металлическая, и они перемещаются относительно друг друга под нагрузкой. Иногда перемещение поверхностей имеет колебательный характер (например, вибрация) и сравнительно невелико (доли миллиметра). Разрушение заметно по изменению цвета поверхности металла и образованию язв, которые часто становятся зародышами усталостного растрескивания. На месте возникновения коррозии при трении образуются рыхлые продукты окисления металлов (окислы), нередко вызывающие заклинивание конструкций. Убыль металла ведет к уменьшению размеров детали, превышающему допуск, и к разбалтыванию элементов конструкции.

Коррозия при трении - причина разрушения рессор, головок болтов и заклепок, поворотных шкворней в рулевых механизмах, часовых подшипников, контактов электродатчиков и некоторых других элементов машин, подвергающихся вибрации. Характерным примером коррозии при трении является постоянное суживание стыковых накладок у железнодорожных рельсов, которые приходится периодически поджимать.

Коррозия при трении часто протекает в атмосферных условиях под действием кислорода воздуха. Влажность уменьшает интенсивность разрушения. Скорость коррозии возрастает с понижением температуры и с ростом контактной нагрузки. Коррозия при трении имеет химико-механический характер. Контакт двух поверхностей происходит в точках их соприкосновения по выступам шероховатости. Небольшое перемещение одной поверхности относительно другой (под нагрузкой) вызывает истирание этих выступов; при обнажении чистый металл немедленно покрывается слоем адсорбированного кислорода и окисляется. Дальнейшее истирание приводит к разрушению пленки окислов и новому обнажению металла. Одновременно может происходить скалывание неровностей с поверхности металла, их отрыв в виде мельчайших частиц, которые также незначительно или полностью окисляются.

1.3 Особенности механизма абразивной эрозии

Износ - прогрессивная потеря материала с поверхности тела, вызванная механическими причинами, то есть контактом и относительным движением о твердое, жидкое или газообразное тело. Признаки износа - небольшие отдельные частицы износа удаляются с одного тела трения к другому и изменения материала формируются трибологическим образом нагруженной материальной зоны одного или обоих тел трения.

Процессы изнашивания могут быть классифицированы в различные типы, согласно типу трибологических нагрузок и материалов. Изнашивание вызывается многими механизмами, следующие четыре, являются особенно важными[17]:

* Поверхностная усталость

* Трение

* Прилипание

* Трибохимическая реакция

При микрорезании, усталость из-за частой вспашки и разрушения основного тела, вызванного жесткими неровностями другого тела или твердыми частицами в окружающей среде, приводят к износу.

При прилипании, после того, как существующие защитные поверхностные слои прорвались, формируются атомные связи, прежде всего, на пластично деформированных микроконтактах между основным телом и противотелом. Если сила клейких связей больше, то материал, в конечном счете, отделяется от деформированной поверхности более мягкого тела и передается, т.е. прилипает к более твердому. Переданный материал может или остаться на более твердом теле или отделиться, или даже вернуться обратно.

В трибохимических реакциях, трение, вызванное активной нагрузкой поверхностных зон элементов, является причиной химической реакции тел со смазкой или окружающей средой. По сравнению с основным телом и противотелом, продукты реакции обладают измененными свойствами и, после достижения определенной толщины могут подвергнуться хрупкому разрушению или наоборот, уменьшить трение и/или износ [16].

Представим основные механизмы износа и вызываемые ими повреждения в виде таблицы.

Таблица 1.1 Типичные явления износа, вызванные основными его механизмами

Механизмы износа	Явления износа
Прилипание	Поверхностные царапины или истирание поверхности, отверстия, пластический сдвиг, прилипание материала
Трение	Канавки, борозды, волны
Поверхностная усталость	Трещины, коррозия
Трибохимическая реакция	Продукты реакции

Частицы могут удалить часть материала с поверхности микрорезанием, микроразломом, отделением отдельного зерна или усталостью повторных деформаций.

Первый механизм, показанный на рисунке 1.2 а, резание, представляет собой классическую модель, где острые частицы или жесткие неровности режут мягкую поверхность. Материал, который вырезан, удаляется в виде частиц износа. Когда материал является хрупким, например керамический, может произойти разлом поверхности (рис.1.2 б). Когда пластичный материал истирается тупыми зернами, затем путем резания поверхность многократно деформируется (рис.1.2 в). В этом случае частицы износа есть результат усталости металла. Последний механизм, проиллюстрированный на рис.1.2 г, представляет отделение зерна. Этот механизм относится в основном к керамике, где границы между зернами относительно слабые. В этом механизме все зерно теряется в виде продуктов износа [18].



Рисунок. 1.2 Механизмы абразивного износа

То, как частицы проходят над изнашиваемыми поверхностями, определяет характер абразивного износа.

В литературе обозначают два основных способа абразивного износа: с участием двух тел, с участием трех тел.

Абразивный износ двух тел - пример действия наждачной бумаги на поверхность. Жесткие неровности поверхности действуют, как режущий инструмент. В абразивном износе трех тел частицы могут свободно катиться или скользить по поверхности [14]. Эти способы показаны на рисунке 1.3.

До недавнего времени эти два механизма считались очень похожими, однако были выявлены некоторые существенные различия. Было выявлено, что абразивный износ с участием трех тел происходит в 10 раз медленнее, чем с участием двух тел. Следовательно, удаление поверхности материала происходит медленнее при абразивном износе с участием трех тел.

Какой бы тип износа не рассматривался, его механизм сильно зависит от угла наклона и формы абразивных частиц (округлые или острые). В случае ударно-абразивного износа, характеризуемого большими углами наклона, накопление повреждений в поверхностных слоях выражается в присутствии глубоких вмятин, которые возникают в результате повторяющихся ударов или сжимающих нагрузок, оказываемыми тяжелыми и крупными абразивными частицами (рис.1.4).

Рисунок 1.3 Способы абразивного износа

Рисунок 1.4 Ударный износ (абразивный износ при высоких напряжениях)

На микроуровне такой механизм износа контролируется пластической деформацией контактной поверхности. Заметьте, что новая вмятина, появляющаяся при ударе, не приводит к отрыву материала с поверхности износа, так как в зоне повреждения материал деформируется упруго-пластически, растекаясь вниз и навстречу частице абразива. Однако потери объема будут происходить при повторных ударах из-за отрыва осколков от поверхностных слоев. Таким образом, в условиях высоких напряжений и ударных нагрузок для увеличения стойкости к абразивному износу при эксплуатации износостойкие материалы должны иметь высокую вязкость в сочетании со способностью к пластической деформации. В противном случае хрупкий материал будет растрескиваться в подповерхностной зоне, окружающей вмятину, что может приводить к значительному ускорению износа при эксплуатации.

В случае абразивного износа в условиях скольжения под низким напряжением, которые определяются малыми углами падения, накопление повреждений на микроуровне в поверхностных слоях реализуется по одному из следующих механизмов:

Рисунок 1.5 Износ при скольжении (абразивный износ при низких напряжениях)

Образование борозд. Этот механизм износа в основном контролируется пластической деформацией. Действительно, скольжение сжатой частицы абразива происходит без удаления материала с поверхности износа, так как он смещается к краям борозды.

Резание. И в этом случае износ частично управляется пластической деформацией. Фактически, частица абразива действует как режущий инструмент и перед режущей кромкой частицы образуется стружка. В этом случае потери материала на изнашиваемой поверхности по объему равны объему следа (канавки).

Растрескивание (хрупкое разрушение). Всегда происходит под действием высокой концентрации напряжений, создаваемой абразивной частицей. Вследствие низкой деформационной способности рассматриваемого материала большие фрагменты отделяются от поверхности износа путем образования микротрещин и их распространения. Растрескивание является важным механизмом износа в хрупких материалах, в которых твердость считается адекватным способом противостоять износу в процессе работы.

Ключевую роль в стойкости поверхности к износу играет соотношение твердости абразивного материала и поверхности. В некоторых (довольно редких) случаях более мягкий материал может успешно сопротивляться абразивному износу за счет свойств упругой деформации. Однако в большинстве случаев правило достаточно просто - чем более тверд материал изделия по сравнению с абразивным материалом - тем лучше поверхность может противостоять износу. Наиболее распространенными абразивными материалами являются, к сожалению, материалы, более твердые, чем большинство промышленных металлов и сплавов, даже после химико-термической обработки - кварцевый песок, оксиды, минералы.

1.4 Защита металлов от разрушения абразивными частицами

Для минимизации разрушения металлов можно сделать следующее: снизить агрессию среды, окружающей металлическое изделие; повысить устойчивость металла к коррозии; исключить взаимодействие между металлом и веществами из внешней среды, проявляющими агрессию.

Человечеством за тысячи лет испробованы многие способы защиты металлических изделий от химической коррозии, некоторые из них применяются по сей день: покрытие жиром или маслом, другими металлами, коррозирующими в меньшей степени (самый древний метод, которому уже более 2 тыс. лет - лужение (покрытие оловом)).

Покрытия можно наносить как на внутренние, так и на внешние поверхности трубопровода. Защитное покрытие образует защиту трубопровода, которая бывает активного или пассивного типа. В некоторых случаях могут сочетаться оба типа защиты. В случае активной защиты покрытие создает условия, препятствующие распространению коррозии металла. Поверхность стальных труб покрывается более или менее плотным слоем электрохимически менее благородного металла (обычно цинка), который, защищая основной металл, берет на себя воздействие коррозии. Активная защита в большей степени защищает внутреннюю поверхность трубы от коррозийного воздействия протекающей жидкости. С внешней стороны такая защита образует базовое покрытие, усиленное пассивной защитой. Задача пассивной защиты - предохранить металлические трубы от разрушающего воздействия окружающей среды. На заглубленных участках водопроводов очень важно бывает надежно защитить металл от непосредственного контакта с грунтом. Аналогичная защита используется для достижения - при помощи внутреннего покрытия - в трубопроводах предназначенных для доставки воды особо агрессивного типа.

Для этой цели чаще всего используются битумные продукты, получаемые от перегонки угля или нефти или из синтетических смол, термопластичных (полиэтилен, полипропилен, полиамиды) и термоотверждающихся (эпоксидные, полиуретановые, сложные полиэфиры).

Неметаллические покрытия - краски, лаки и полимеры образуют защитную пленку на поверхности металлов, исключающую (при своей целостности) контакт с внешней средой и влагой. Применение красок и лаков выгодно тем, что наносить эти защитные покрытия можно непосредственно на монтажной и строительной площадке. Методы нанесения лакокрасочных материалов просты и поддаются механизации, восстановить поврежденные покрытия можно "на месте" - во время эксплуатации, эти материалы имеют сравнительно низкую стоимость и их расход на единицу площади невелик. Однако их эффективность зависит от соблюдения нескольких условий: соответствие климатическим условиям, в которых будет эксплуатироваться металлическая конструкция; необходимость применения исключительно качественных лакокрасочных материалов; неукоснительное следование технологии нанесения на металлические поверхности. Лакокрасочные материалы лучше всего наносить несколькими слоями - их количество обеспечит лучшую защиту от атмосферного воздействия на металлическую поверхность. В роли защитных покрытий от коррозии могут выступать полимеры - эпоксидные смолы и полистирол, поливинилхлорид и полиэтилен. В строительных работах закладные детали из железобетона покрываются обмазками из смеси цемента и перхлорвинила, цемента и полистирола.

Существует два типа металлических покрытий - ингибиторов - протекторные (покрытия цинком, алюминием и кадмием) и коррозионностойкие (покрытия серебром, медью, никелем, хромом и свинцом) [7]. Ингибиторы наносятся химическим способом: первая группа металлов имеет большую электроотрицательность по отношению к железу, вторая - большую электроположительность. Наибольшее распространение в нашем обиходе получили металлические покрытия железа оловом (белая жесть, из нее производят консервные банки) и цинком (оцинкованное железо - кровельное покрытие), получаемые путем протягивания листового железа через расплав одного из этих металлов. Часто цинкованию подвергаются чугунная и стальная арматура, а также водопроводные трубы - эта операция существенно повышает их стойкость к коррозии, но только в холодной воде (при проводе горячей воды оцинкованные трубы изнашиваются быстрее не оцинкованных). Несмотря на эффективность цинкования, оно не дает идеальной защиты - цинковое покрытие часто содержит трещины, для устранения которых требуется предварительное никелирование металлических поверхностей (покрытие никелем). Цинковые покрытия не позволяют наносить на них лакокрасочные материалы - нет устойчивого покрытия.

Лучшее решение для антикоррозийной защиты - алюминиевое покрытие. Этот металл имеет меньший удельный вес, а значит - меньше расходуется, алюминированные поверхности можно окрашивать и слой лакокрасочного покрытия будет устойчив. Кроме того, алюминиевое покрытие по сравнению с оцинкованным покрытием обладает большей стойкостью в агрессивных средах. Алюминирование слабо распространено из-за сложности нанесения этого покрытия на металлический лист - алюминий в расплавленном состоянии проявляет высокую агрессию к другим металлам (по этой причине расплав алюминия нельзя содержать в стальной ванне).

Введение в стальной сплав хрома, титана, марганца, никеля и меди позволяет получить легированную сталь с высокими антикоррозийными свойствами. Особенную стойкость стальному сплаву придает большая доля хрома, благодаря которому на поверхности конструкций образуется оксидная пленка большой плотности. Введение в состав низколегированных и углеродистых сталей меди (от 0,2% до 0,5%) позволяет повысить их коррозийную устойчивость в 1,5-2 раза. Введение в сталь легирующих элементов так же увеличивает эрозионную стойкость металла.

Защиту металлов от кавитационной эрозии осуществляют следующими способами:

- изменением формы изделий и чистовой обработки их поверхностей; цель здесь - уменьшить возможности появления перепадов гидродинамического давления при протекании жидкости;

- уменьшением вибрации элементов, контактирующих с жидкостью;

- подбором высокотвердого металла или наплавкой на поверхность элемента, которому грозит разрушение, более твердого металла;

- нанесением на поверхность металла эластичных резиновых или полимерных покрытий, амортизирующих гидравлические удары;

- катодной или протекторной защитой;

- подавлением образования пузырьков путем повышения давления и подбора соответствующей температуры, а также добавления к раствору поверхностно - активных веществ; цель последнего - понижение поверхностного натяжения жидкости.

Металлы или сплавы, имеющие плотные, хорошо прилегающие окисные пленки (нержавеющие стали, титан), по большей части отличаются высоким сопротивлением струйной эрозии. Часто, однако, окисная пленка (или пленка продуктов коррозии), очень хорошо защищающая металл от дальнейшей коррозии в неподвижной среде, оказывается неэффективной при быстром движении последней. Струйную эрозию можно уменьшить или даже предотвратить следующими способами:

- подбором очень стойкого в данной среде материала;

- удалением из среды агрессивных компонентов (например, обескислороживание воды) или добавлением ингибиторов;

- удалением из жидкой среды твердой фазы (например, песка);

- использованием защитных металлических покрытий, более стойких к эрозионному действию среды, чем основной металл;

- электрохимической защитой.

1.5 Цель работы

Целью данной работы является отработка принципов и методологии численного моделирования эрозионного износа в программном комплексе Ansys CFX, а также проведение численного параметрического моделирования с целью получения оценок для величины и зоны расположения максимальной эрозии в фасонных элементах трубопроводов энергетических объектов и дальнейшее применение, полученных результатов в прочностных расчетах.

Глава 2. Моделирование абразивной эрозии

2.1 Основные принципы получения экспериментальных данных для создания и корректировки моделей абразивной эрозии

До сих пор существует острая потребность в экспериментальных данных по моделированию эрозии; для проверки результатов CFD, для развития и проверки достоверности моделей эрозии, а также для оценки новых концепций разработок. Существует большая потребность в экспериментальных методах, которые способны генерировать точные измерения эрозии с высоким разрешением и сложной геометрией, какая встречается в промышленном оборудовании и приборах.

Прогрессивная метрология измерительных приборов, такая как томография, с помощью профилометра, способна к удовлетворению этих потребностей, но до сих пор это было ограничено сведениями о рассмотрении износа деталей небольших образцов для испытаний, чем в масштабах лабораторного потока геометрий с размерами значимыми для промышленного оборудования. В [13] был использован профилометр для сравнения экспериментальных данных относительных скоростей эрозии гиба и тройника и CFD моделирования. В [21] использовали поверхностный профилометр для измерения весовых потерь от струйного износа в зависимости от материала и сравнивали с результатами CFD. Проблема метода, использующего профилометр, состоит в том, что он подходит для изделий с малой и простой геометрией.

Были найдены два возможных способа для количественного измерения распределения эрозии в полном или лабораторном масштабе для обработки оборудования; координатно-измерительная машина (КИМ), которая использует физический зонд для отображения поверхности материала, и 3D - лазерный сканер, который представляет и использует триангуляцию для отображения поверхности материала. КИМ имеет лучшее разрешение, чем лазерный сканер, 5 микрон против 100 микрон, так что лазерный сканер больше подходит для довольно крупных геометрий и повреждением эрозии не менее 1 мм.

Для того чтобы рассчитать скорость эрозии с помощью КИМа, необходимо рассчитать вектор разности между измерениями до воздействия суспензии и после ее воздействия. Этот вектор разности импортируют в программный комплекс Tecplot для визуализации. Скорость эрозии рассчитывают путем деления измеренной эрозии в единицах длины к известному времени воздействия и умноженная на плотность металла, чтобы скорость эрозии была в .

2.2 CFD подход к моделированию эрозии - коррозии

Инструмент вычислительной гидродинамики (CFD) был выбран для моделирования поля потока внутри трубопроводов и для моделирования траекторий частиц и их влияния на изгиб стенки. CFD в настоящее время является одним из наиболее сложных и перспективных подходов к анализу и решению широкого класса проблем, связанных с областями потока, и широкого набора исследований и промышленного применения. CFD коды способны решать полный набор гидродинамических уравнений баланса, как правило, в формулировке Навье - Стокса для уравнения баланса количества движения. Могут быть выбраны различные модели турбулентности.

CFD модель была разработана для оценки влияния концентрации частиц на эрозию-коррозию внутренней поверхности гиба, представляющего собой участок трубы, согнутый под углом , при комнатной температуре. CFD подходит для обеспечения локальной оценки механических воздействий потока жидкости и влияния механических параметров взвешенных твердых частиц в потоке. В исследованиях по моделированию эрозии - коррозии, были использованы два метода: конечных элементов (FE) и вычислительной гидродинамики (CFD), для исследования потери массы материалов и оценки влияния различных параметров на управление процессами эрозии и коррозии.

2.2.1 Методология

В [19] был подробно описан используемый для оценки величины эрозии металла метод и приведены основные соотношения.

Разбавленный поток суспензии, состоящий из воды и частиц глинозема размером в четырех объемных долях, т.е. 0,025, 0,05, 0,075 и 0,1, проходит через поперечное сечение гиба с диаметром отверстия (D) равным 0,078 м и c отношением () 1,2 (отношение радиуса изгиба трубы к диаметру), где R-радиус изгиба трубы. CFD моделирование использует конечные элементы на основе метода конечных объемов для решения основных уравнений. В таблице 2.1 приведены используемые уравнения, операционные и граничные условия, используемые в этом исследовании, в то время как в таблице 2.2 приведены механические и физические свойства суспензии и целевого материала. Проверку достоверности моделирования проводили для сплава SS304L нержавеющей стали с использованием модели эрозии [15], как в этом исследовании, и результаты были смоделированы для мягкой стали, с использованием модели [20].

Таблица 2.1 Уравнения CFD моделирования, операционные и граничные условия

Параметр модели	Вода	Частицы песка
Решение уравнений	Навье - Стокс	DPM
Турбулентная модель	Стандартная
Взаимодействие со стеной	Стандартная функция - без проскальзывания
Связь		Односторонняя
Рабочая проводимость	Окружающая среда
Скорость на входе,	3.0	3.0

Стандартная модель турбулентности справедлива для полностью развитого турбулентного потока, где прямое влияние вязкости на структуру турбулентности пренебрежимо мало. Для типичных пристеночных течений это означает, что безразмерное расстояние до стенки:

, (2.1)

где - динамическая скорость, - напряжение трения на обтекаемой поверхности.

Турбулентная вязкость в этой модели определяется по формуле:

, (2.2)

где - постоянная модели турбулентности.

Турбулентная кинетическая энергия и скорость ее диссипации находятся из уравнений переноса

(2.3)

где ,,.

Коэффициенты в формулах имеют следующие значения , , , [9].

Таблица 2.2 Физико-механические свойства для суспензии и материала цели

	Жидкость (вода)	Частицы (глинозем)	Цель (мягкая сталь)
Плотность,	998	2670	7850
Размер частиц,		10-3
Расход,	14.3	Переменный
			1.398

2.2.2 Моделирование эрозии

Модель [20] состоит из двух частей, описываемых уравнениями; одно определяет локализованную деформацию при воздействии на точку, другое,- механизм пластичной резки вследствие удара. Общая скорость эрозии является суммой этих двух механизмов:

(2.4)

, (2.5)

где - эрозия за счет резания, - эрозия за счет деформации, измеряемые в ; - температура плавления железа (1808), ; - коэффициент деформационного упрочнения (0.3); - числовая константа (0.025); - удельная теплоемкость,; - нормальный коэффициент восстановления; - коэффициент формы частиц (0.0); - коэффициент трения (0.1); - коэффициент критического трения, который рассчитывается по формуле:

(2.6)

и соотношение нормального восстановления:

(2.7)

Для единичной последовательности, скорость эрозии должна быть преобразована в в соответствии с расчетными скоростями коррозии. скорость удара.

2.2.3 Скорость коррозии

В активной области, предполагается, что коррозия оценивается из выражения о плотности растворения тока:

, (2.8)

где - плотность чистого анодного тока, ; - плотность тока обмена,; - число электронов (2); а напряженность определяется как:

(2.9)

и и являются прикладными и обратимыми потенциалами соответственно.

Постоянная Фарадея, обозначенная выше в уравнении (2.8), как и коэффициент передачи ионов в реакции.

Скорость коррозии, следовательно, определяется по формуле

, (2.10)

где - чистая скорость коррозии, ; - относительная атомная масса железа (55.8),; - константа Фарадея (96.485), .

Для механизма пассивации (поверхностная протравка), мы предполагаем, что скорость чистой коррозии () достаточно мала, чтобы ей можно было пренебречь, и скорость коррозии усиливается аддитивным эффектом эрозии (). Выражение для скорости коррозии в условиях пассивации включает эффект косого воздействия [19].

, (2.11)

где - количество массы, влияющей на удаление частиц, ; - пи (3.142); - плотность оксидного слоя (5240), ; - плотность частицы (2650), ; - твердость субстрата, ; - скорость частицы, .

Постоянная определяется как отношение масс между металлом и оксидами, созданными в коррозионной реакции, умноженной на количество молей металла, участвующего в реакции, и связана с (константа материала равная 1.398) по определению, как (). Можно предположить, что толщина пассивного слоя , изменяется в зависимости от разности потенциалов и может быть дана в предположении линейной зависимости между перенапряжением и толщиной пассивного слоя:

(2.12)

и ; исходная толщина оксида, ; приложенный потенциал, В; применимый потенциал; пассивация.

Единица, данная в уравнении (2.11), измеряется в .Чтобы преобразовать в ,она умножается на воздействие потока частиц. Например, если поток однороден, то частота ударов частиц может быть использована и задана как:

(2.13)

где масса соударяющейся частицы, ; концентрация частиц, .

Границы определены в терминах отношения как

(преобладает эрозия)

(доминирует эрозия - коррозия)

(преобладает коррозия - эрозия)

(доминирует коррозия)

Границы перехода для потерь приведены следующим образом:

(низкие потери)

(средние потери)

(высокие потери)

Где коэффициент общих потерь, ; чистая скорость эрозии, .

Предполагается однородное распределение частиц на входе трубы, таким образом, концентрация частиц зависит от скорости массового потока частиц в соответствии с соотношением:

, (2.14)

где площадь входного отверстия трубы, ; угол воздействия.

Глава 3. Численное моделирование абразивной эрозии в гибах

3.1 Создание геометрической модели

Первым этапом для осуществления численного моделирования является создание геометрической модели исследуемого объекта, который можно построить в любой системе автоматизированного проектирования и черчения.

Создадим геометрическую модель гиба трубы в программе AutoCAD (рис.2.1). Покажем ее геометрические характеристики на рис.2.2.

Рисунок 2.1 Геометрическая модель.

Рисунок 2.2 Размеры гиба.

3.2 Использование программного комплекса ANSYS CFX

коррозионный абразивный эрозия металл

Для осуществления нашей задачи мы используем модуль ANSYS CFX версии 14.0. Импортируем геометрическую модель из AutoCADa в CFX - DesignModeler.