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.
- 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
- 8)Коррозионный и коррозионно-механический износ.
- Модели коррозионного разрушения трубопроводов
- Типы коррозионных разрушении
- 1.3. Виды коррозионных разрушений
- 5.6. Коррозионно-механические разрушения элементов оборудования
- 39. Виды коррозионных разрушений.
- 2.5.1. Коррозионно-механическое разрушение металлов