L НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
L. л
УДК 620.16
© Л.И. Селезнев, А.Ф. Медников, А.Б. Тхабисимов, 2015
Влияние угла атаки газоабразивного потока на эрозионный износ плоской мишени из стали 20Х131
Л.И. Селезнев, д.т.н., А.Ф. Медников, к.т.н., А.Б. Тхабисимов
(Научный центр «Износостойкость», Национальный исследовательский университет «МЭИ»)
Адрес для связи: abt-bkt@mail.ru
Ключевые слова: энергетическое оборудование, элементы газо- и нефтепроводов, конструкционные материалы, абразивный износ, газоабразивный поток, угол атаки, механизм разрушения.
Gas-abrasive flow attack angle influence on the erosive wear of flat X20Cr13 steel target
L.I. Seleznev, A.F. Mednikov, A.B. Tkhabisimov (Scientific Research Center Wear Resistance, National Research University Moscow Power Engineering Institute, RF, Moscow)
E-mail: abt-bkt@mail.ru
Key words: power engineering equipment, elements of gas and oil pipelines, construction materials, solid particle erosion, gas-abrasive flow, attack angle, failure mechanism.
Solid particle erosion of construction materials under the influence of hard abrasive particles is relevant to many elements of power equipment, gas and oil pipelines. Despite the large amount of experimental and theoretical studies, there is no sufficiently complete understanding of the dynamics of this process because of its statistical nature. The aim of this study was to research the influence of the gas-abrasive flow different attack angles on the erosive wear of flat X20Cr13 steel target. The studies found that with decreasing of gas-abrasive flow attack angle the depth of «the abrasive track» reduces, the length increases, and generally was marked increase in the area of the damaged area. Maximum of wear of flat X20Cr13 steel target observes at the gas - abrasive flow attack angle a close to 30 degrees. The results of these tests can be used for further researches of the solid particle erosion processes of steels used for the manufacture of power equipment, gas and oil pipelines.
Абразивный износ конструкционных материалов актуален для многих элементов энергетического оборудования, газо- и нефтепроводов. Несмотря на большой объем экспериментальных и теоретических исследований [1-7], в настоящее время нет достаточно полного понимания динамики развития этого процесса вследствие его статистического характера [8, 9]. Поэтому в большинстве случаев проблема прогнозирования абразивного износа без проведения экспериментальных исследований является труднорешаемой.
Как правило, твердые частицы имеют различную неправильную и грубую форму, движутся в потоках несущей среды (газ, жидкость) по случайным траекториям и взаимодействуют с рабочими поверхностями элементов оборудования с разными скоростями и под разными углами, вызывая их травмирование и износ. В большинстве случаев проблема прогнозирования этого процесса на основе результатов детального, пусть даже достаточно глубокого анализа отдельных стадий эрозийного процесса, не имеет решения.
Проведение исследований процесса абразивного износа с использованием экспериментальных стендов и установок позволяет моделировать соответствующие процессы, протекающие, в частности, в элементах энергетического оборудования, газо- и нефтепроводов. В соответствии со стандартом ASTM G76 в «НИУ «МЭИ» создана экспериментальная установка для проведения комплексных системных исследований процессов абразивного износа конструкционных материалов и защит-
ных покрытий при различных скоростях и углах атаки реального газоабразивного потока, а также при разных температурах мишени [10].
В данной статье представлены результаты абразивных испытаний плоской мишени из стали 20Х13 при углах атаки газоабразивного потока а, равных 15°; 30°; 45°; 60°; 90°). Испытания проводились с определенным шагом по времени, одинаковым для каждого значения а. До и после каждого испытания мишень взвешивали с точностью 0,0001 г, что позволяло оценивать потерю массы мишени Дт за определенное время экспонирования на стенде. После каждого испытания определялась также площадь поврежденной области поверхности мишени Д5, так называемого «абразивного следа». Таким образом, кривые абразивного износа представляли собой зависимость уноса массы с единицы площади поврежденной области поверхности мишени m/ДS от времени экспонирования на стенде
В качестве твердого эродента выступали частицы А1203 (электрокорунд). На рис. 1, а показан внешний вид частиц электрокорунда в состоянии поставки (до проведения испытаний). Исходный эродент, как видно из рис. 1, б, является полимодальным со следующими статистическими характеристиками: математическое ожидание М = 331-10-6 м, среднеквадратическое отклонение а = 200-10-6 м.
На рис. 2 представлены экспериментальные данные о влиянии угла атаки газоабразивного потока а на эрозионный износ рассматриваемой стали при расходе не-
1Промежуточные результаты работы получены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках выполнения соглашения № 14.574.21.0011 от 17 июня 2014 г. (уникальный идентификационный номер RFMEFI57414X0011).
Таблица 1
Рис. 1. Внешний вид эродента в состоянии поставки (а) и гистограмма распределения размеров его частиц (б)
0,06
0.07
0,06
X 7- 0,05
V) 0,04
Е (Ш
<3
и,02
0,01
0
.1
Л
« г/ < . -,
-15 — —30 ----45 -----60 ---90
А Г л/* Г
?
600
1200
1800
2400
зооо
3600
Рис. 2. Кривые абразивного износа стали 20Х13 при различных углах атаки а
сущей среды (воздух) = 5-10-4 кг/с и твердых частиц Gэ = 5,8-10-5 кг/с, т.е. при расходной массовой концентрации эродента хэ* = Gэ/(Gэ + Gв) = 0,1039. В результате испытаний установлено, что максимальный износ поверхности мишени из стали 20Х13 наблюдается при угле атаки газоабразивного потока, близком к 30°. Соответствующие интерполяционные уравнения приведены в табл. 1. Отметим, что экстраполяция представленных интерполяционных зависимостей в нулевой момент времени недопустима, поскольку она представляет собой состояние мишени до проведения испытаний, которое всегда будет нулевым, каким бы длительным период этого состояния ни был.
Угол атаки а, градус Интерполяционное уравнение 2
15 Ат/Ав = 0,00130 + 0,0016 1 -7,16-10-612 2,42
30 Ат/Ав = 0,0047 + 0,0016 1 - 6,32-Ю-612 2,66
45 Ат/Ав = 0,00017 + 0,00125 Г-5,17-Ю-612 1,81
60 Ат/Ав = -0,00141 + 0,00142 Г-6,1710-612 2,07
90 Ат/Ав = -0,000865 + 0,0015 7-5,42-Ю"612 2,32
В целом интерполяционные зависимости достаточно хорошо отражают экспериментальные значения и их монотонный рост во времени для каждого угла атаки а. Более отчетливо влияние угла атаки а можно показать, если ввести его некоторый функционал Z, сопоставляющий численные значения с динамикой износа для каждого угла атаки на протяжении единого для всех вариантов промежутка времени 60 мин.
Наиболее простым предложением для указанного функционала будет значение определенного интеграла на интервале 5-60 мин 2(а)=/6°, а^, гдеа) - интерполяционная зависимость для каждого угла атаки а, выражающая общее количество удаленного материала за время испытаний (см. табл. 1).
На рис. 3 приведена зависимость численных значений общего количества удаленного материала мишени за время испытаний 60 мин от угла атаки газоабразивного потока а. При построении данной зависимости принято, что при а=0 износа мишени не происходит, по крайней мере, в течение 55 мин: Z (а = 0) = 0. Это допущение можно подвергнуть критике, поскольку, как отмечено выше, движения частиц случайны и некоторые из них вполне могут травмировать поверхность мишени и при а = 0 в результате случайных отклонений в сторону поверхности от некоторой средней линии тока частиц, параллельной плоскости мишени.
Рис. 3. Зависимость массы удаленного материала мишени Z за время испытаний 60 мин от угла атаки газоабразивного потока а
Из рис. 3 видно, что в интервале углов атаки а = 0-30о эрозионный износ повышается, при этом производная dZ/dа с ростом угла атаки уменьшается. Последнее связано с уменьшением средней касательной составляющей скоростей частиц при росте средней нормальной состав-
Таблица 2
а, градус ¿„ 10-6 м Л, 10-6 м
15 14700 60
30 9500 88
45 8500 99
60 8125 103
90 7500 115
Рис. 4. Пример профилограммы поврежденной области поверхности мишени по потоку в плоскости его оси для а=15° через 60 мин наблюдений
ляющей. Здесь можно предположить, что в рассматриваемом интервале углов атаки а основной механизм износа состоит в «подрезывании» поверхности мишени значительными касательными составляющими скоростей частиц, которые уменьшаются с увеличением угла атаки а, и отделении элементов мишени при последующих соударениях частиц с травмированной поверхностью. В интервале углов атаки а = 30-45о уменьшающаяся средняя касательная составляющая скоростей частиц вместе с возрастающей нормальной составляющей в сумме не в состоянии вызвать рост абразивного износа, что приводит к его снижению. По-видимому, в дальнейшем большую роль приобретают нормальные составляющие скорости частиц, направленные к поверхности мишени, хотя при этом касательные составляющие уменьшаются вплоть до нуля. Это приводит к повышению износа в интервале углов атаки а=45-90° с более слабым ростом производной dZ/dа по сравнению с износом в интервале углов а=0-30°. Эти наблюдения свидетельствуют о существенной роли касательной составляющей в эрозионном износе, особенно при малых значениях углов атаки а.
В табл. 2 приведены длины поврежденной области поверхности мишени Li и ее глубины hi для всех значений а, на рис. 4 в качестве примера представлена одна из полученных профилограмм поврежденной области поверхности мишени по потоку в плоскости его оси для а=15° по истечении 60 мин наблюдений.
Видимо, при а<30°, разворот потока несущей среды не столь значителен, поэтому крупные частицы имеющегося эродента не успевают отреагировать на соответствующие ускорения. Однако, как отмечено выше, значительные касательные составляющие более мелких по размеру частиц, оказывающих «подрезывающее» воздействие
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.