Эрозионно-кавитационное разрушение металла

Эрозионно-кавитационные повреждения деталей машин и оборудования возникают при действии на металл потоков жидкости или газа, движущихся с большой скоростью. При наличии непрерывного контакта со струей жидкости или газа разрушение металла может происходить весьма интенсивно. Механизм эрозии металла в потоке жидкости или газа сводится к непрерывному разрушению и удалению окисных пленок, покрывающих поверхность металлических деталей. Этому в значительной степени способствует наличие в потоке минеральных частиц. Газовой эрозии подвергаются лопатки газотурбинных установок, трубы экономайзеров, лопатки дымососов.

Основными факторами газовой эрозии, определяющими интенсивность разрушения металла, являются скорость и температура потока, а также степень его запыленности.

Процесс разрушения значительно интенсифицируется по мере повышения температуры газа вследствие ускорения процесса окисления металла. Образующиеся на поверхности детали окисные пленки разрушаются тем быстрее, чем выше скорость потока и чем больше в нем различных механических примесей, выполняющих роль абразивных частиц.

Таким образом, для повышения долговечности деталей машин оборудования, подвергающихся действию газовой эрозии, необходимо прежде всего повышать сопротивление металла окислению в данной газовой среде, по возможности снижать скорость потока газа и защищать рабочие поверхности металла от непосредственного воздействия на металл механических примесей, содержащихся в газе.

Жидкостная эрозия при определенных значениях скорости потока по своей природе мало чем отличается от газовой. Трение потока жидкости о металл вызывает разрушение продуктов коррозии (окисных пленок), которые обычно образуются в результате протекания на поверхности детали химических или электрохимических процессов. Жидкостная эрозия весьма интенсивно разрушает металл гребных винтов, деталей гидротурбин, различных трубопроводов, по которым жидкость течет с достаточно большой скоростью.

Разрушение металла в результате жидкостной эрозии в чистой воде имеет вид пятен, полос, рубцов, вымоин. При наличии в воде абразивных частиц, например песка и глины, процесс разрушения протекает более интенсивно. На поверхности деталей образуются характерные вымоины достаточно большой глубины.

Наиболее вероятный механизм разрушения металла в данных условиях имеет коррозионно-механическую природу, поэтому эффективным средством увеличения долговечности материала является увеличение его коррозионной стойкости и износостойкости.

Кавитационное разрушение металла возникает при определенных условиях взаимодействия потока жидкости с поверхностью металла.

Повреждение имеет каверны диаметром от 0,2 до 1,5 мм. Вокруг каверн имеются наплывы, создающие впечатление выдавленных кратеров. Таким образом, вид повреждения металла в чистой воде свидетельствует о том, что поверхность металла подвержена механическому воздействию.

Кавитация возникает в тех участках, на которых нарушается сплошность потока жидкости, в результате чего образуются пустоты и полости, заполненные воздухом или паром. Эти так называемые кавитационные пузыри, находясь у поверхности металла, сокращаются с большой скоростью и затем разрываются, что приводит к гидравлическому удару жидкости о поверхность металла. При наложении на поверхность металла огромного количества таких ударов образуются очаги разрушения.

Величина максимальных напряжений, возникающих на микроучастках металла, подверженных «бомбардировке», превышает предел текучести. Об этом свидетельствует наличие наклепанного слоя в зоне такой кавитационной «обработки» металла. Коррозионный фактор при кавитационном разрушении металла имеет лишь вспомогательное значение. Влияние коррозии в данных условиях сводится к снижению сопротивления металла циклическим механическим воздействиям.

Для увеличения долговечности деталей, подверженных действию кавитации, необходимо повышать сопротивление материала пластической деформации, применять гомогенные материалы, которые упрочняются при пластической деформации.