Некоторые виды процессов старения, протекающих в по­верхностных слоях деталей

Классификация типовых процессов старения

В технической и научной литературе потерю работоспособности с течением времени оценивают на основании законов старения, т.е. закономерностей, описывающих изменения необратимых процессов.

Поскольку процессы старения характеризуются сложными и раз­нообразными явлениями, происходящими в материалах деталей ма­шины, их классификацию целесообразно провести в зависимости от того внешнего проявления, к которому привёл данный процесс.

Классифицируя необратимые процессы старения, следует так же определить ту область, в которой проявляется данный процесс, т.е. затрачивает ли он весь объём материала детали, проявляется ли в по­верхностных слоях, или протекает при контакте двух сопряжённых поверхностей.

В таблице 3.1. приведена классификация процессов старения по их внешнему проявлению и указаны основные разновидности каждого процесса.

Тело детали может подвергаться разрушению, которое является наиболее опасным проявлением процессов старения, деформировать­ся или изменять свойства материалов - его пластичность, электропро­водность, магнитные свойства и т.п.

Таблица 3.1. - Классификация основных процессов старения.

Объект	Внешнее проявление	Разновидность процесса
Поверхность (поверхностные явления)	Пары	Износ	Износ (истирание), усталость поверхностных слоев, смятие, пе­ренос материала
	Детали	Разъедание Нарост Изменение поверхностного слоя	Коррозия, эрозия, прогар, трещино-образование Налипание (адгзия, когезия, адсорбция, диффузия), нагар, облитерация (заращи-вание) Изменение шероховатости, твёрдости, отражательной способности, напряжённого состояния
Тело детали		Разрушение Деформация Изменение свойств материала	Хрупкое, вязкое, усталостное Пластическая деформация, ползучесть, коробление Изменение структуры материала, механических свойств (пластич­ность 0, химиче­ского состава, магнитных свойств, газопроницаемости, загрязнение жидкостей (смазки, топлива)

Наиболее часто процессы старения протекают в поверхностных слоях. При этом поверхность детали может подвергаться темпера­турным, химическим, механическим и иным воздействиям внешней среды. В результате могут происходить явления, связанные с потерей материала поверхности, в результате коррозии, эрозии, кавитации и др. процессов, которые объединены одним термином - разъедание поверхности.

На поверхности могут происходить и такие процессы как адге­зия, когезия, абсорбция, нагар и др., которые связаны с присоедине­нием к поверхности других материалов. В результате внешних воз­действий возможно изменение свойств поверхностного слоя - шеро­ховатости, твёрдости и др. специфические процессы протекают при контакте двух сопряжённых поверхностей, что характерно для меха­низмов и элементов машин - прежде всего протекают разнообразные процессы износа.

В связи с многообразием факторов, действующих на оборудова­ние нефтепереработки и нефтехимии, процессы старения могут про­являться в их сочетании, например, коррозия + эрозия + усталость для коксовых камер установок замедленного коксования.

Классификация основных процессов старения, протекающих в поверхностных слоях отдельных изделий, приведена в таблице 2. В данном разделе будут рассмотрены некоторые из них, поскольку от­дельные виды разрушений составляют специальный раздел (например, коррозия) или же механизм разрушений ещё находится на стадии разработки.

Эрозия.

Термин " эрозия " или " размывание " поверхностного слоя объе­диняет широкий класс видов поверхностного разрушения изделий под действием больших скоростей потоков газа, жидкости и сыпучих ма­териалов.

По механизму разрушения эрозия может быть распределена на механохимическую, микроударную и термическую.

По характеру разрушения эрозия бывает общая и локальная, а по условия протекания - гидро, газовая, абразивная и кавитация.

Наблюдаемые на практике виды эрозийного разрушения редко протекают по одному механизму, что значительно затрудняет раскрытие закономерностей при эрозии.

Однако рассмотрим некоторые из них, которые проявляются в преимущественном виде.

Гидро и газоабразивное изнашивание.

Этот вид изнашивания происходит в случаях, когда совместно с газовым или жидкостным потоком двигаются твёрдые частицы. Такой вид изнашивания на нефтеперерабатывающих и нефтехимических за­водах встречаются при работе с катализаторами (особенно при транс­порте по трубопроводам), очистке твёрдых частиц от жидких или га­зовых потоков (гидроциклон, циклоны), транспорт смесей масел и глин на установках контактной очистки и т.п. К абразивному износу можно также отнести износ, когда рабочие поверхности машин всту­пают во взаимодействие с абразивным материалом, например, дро­бильное оборудование установок замедленного коксования и т.п.

При абразивном разрушении поверхностей, можно выделить два механизма износа, модели которых приведены на рисунке.

Рисунок 3.1. - Схемы разрушения поверхностных слоев при аб­разивном изнашивании: а - микрорезание; цикловой усталости.

Повреждения от эрозии в первый период развиваются, как пра­вило, с малой интенсивностью, затем с повышением хрупкости по­верхностного слоя из-за действия на него потока появляются микротрещины и процесс разрушения протекает всё с большей скоростью.

В первом случае (рисунок 3.1.а) происходит микрорезание, т.е. отделение частиц от поверхности за счёт механического воздействия (среза или царапанья) острыми кромками.Во втором случае (рисунке 3.1 б) - в результате многократного

упругого деформирования появляются усталостные трещины и отде­ление микроскопических чешуек металла или его окислов.

На основании приведённых данных можно сделать вывод, что интенсивность изнашивания является функцией многих переменных

j = φ(С,V_п,V_ч, Н_ч, Ф_ч, Э_ч...),

где С - концентрация частиц,

V_п,V₄ - соответственно твёрдость частиц и материала;

Ф_ч - форма частиц;

Э_ч - энергия удара частиц.

Отметим, что в нефтепереработке и нефтехимии процессы абра­зивного износа протекают совместно с процессом коррозии.

Кавитация.

Характерным для деталей гидравлических машин является кави­тация, когда в потоке жидкости пузырьки пара и газа и при переходе в область с более высоким давлением происходит конденсация пара и создаются условия для местного гидравлического удара.

Разрушение при этом носит ярко выраженный локальный харак­тер с образованием каверн, кратеров или даже сквозных отверстий. Глубина каверн может достигать 100 мм.

Описанный выше процесс кавитации чаще всего наблюдается в насосах, гидротурбинах и т.п. Причём, кавитация не только приводит к локальным разрушениям, но может вызвать отказы и другого харак­тера: снижение К.П.Д., напора и подачи. При сильном развитии ка­витации может полностью наступить отказ, т.е. насос срывает.

Нагар.

К процессам, приводящим к потере материала поверхности или же к патологическому отказу относится нагар, который характерный для деталей, работающих в условиях высоких температур и соприка­сающихся с горячей средой. Наиболее часто этому виду повреждений подвержены змеевики печных труб и гарнитура печей. Температура топочных газов обычно составляет 800 - 1300 °С. Кроме того, в газо­вых средах, образующихся при сжигании топлива, содержатся: азот, окись и двуокись углерода, водяной пар и кислород. При использо­вании сернистого топлива в продуктах сгорания появляется сернистый газ и сероводород. В топочных газах могут находится взвешенные частички золы. В случае применения мазутов не сернистых нефтей зола характеризуется повышенным содержанием ванадия, соединения которого при высоких температурах выступают в роли катализаторов,

способствующих образованию сернистого ангидрида из сернистых топлив. Ванадий, соединяясь с кислородом, образует окислы в виде рыхлой окалины.

Таким образом, поверхностное разрушение материалов при на­гаре носит коррозионно-механический характер. В процессе работы твёрдые продукты нагара отделяются от поверхностей и уменьшают толщину стенки или же изменяют механические свойства материала.

Патологический процесс (прогар) является результатом локаль­ной деформации обычно печных труб. На некоторых промышленных установках (каталитического и термического крекингов, ABT, AT и т.п.) в период эксплуатации в трубчатых змеевиках откалывается кокс и различные соли. Отложившиеся на стенках трубы твёрдые отложе­ния являются плохим проводником тепла, поэтому интенсивность те­плопередачи сырью снижается.

Для поддержания технологического режима повышают темпера­туру дымовых газов. В результате наблюдается местный перегрев стенок труб, которые начинают подвергаться пластической деформа­ции: при высоком внутреннем давлении сырья в наиболее слабых местах труб происходит раздувание стенок (отдулина). В местах отдулин стенки труб становятся тоньше и, если в этот момент не оста­новить печь на ремонт, отдулина приводит к прогару трубы и пожару в печи, т.е. происходит патологический отказ.

Процессы наростообразования.

Многие поверхности изделий, взаимодействуя с окружающей средой, претерпевают такие изменения, в результате которых проис­ходит нарост другого материала и поверхность меняет свою форму и приводит, в конечном счёте, к постепенным отказам. Процессы на­ростообразования особенно развиты при эксплуатации теплообменно-го оборудования, которые в нефтепереработке и нефтехимии состав­ляют значительную долю. Немаловажную роль играют и процессы наростообразования при переработке парафинистых нефтей. Отложе­ние парафинов на стенках трубопроводов и другом оборудовании час­то является результатом низких наработок. Кроме того, отложение кокса и солей в промышленных печах не является желательным про­цессом.

В промышленной практике нефтепереработки и нефтехимии можно выделить два характерных процесса наростообразования - налипание и облитерация.

Налипание - это процесс осаждения на поверхности частиц в ре­зультате процессов адгезии, слипания разнообразных твёрдых или жидких частиц, когезии (сцепление однородных частиц) за счёт мо­лекулярных взаимодействий, проявления различных химических свя­зей и действия сил электрического происхождения.

Облитерация - этот процесс связан с осаждением и отложением частиц, но он относится к гидросистемам с малыми проходными ка­налами. В результате этого процесса изменяется расход жидкости че­рез канал, изменяется давление в системе, что может привести сис­тему к параметрическому, а иногда и к патологическому отказу.

Приведённый выше пример прогара печенных труб является ха­рактерным случаем облитерации.

Разрушение металлов и изделий из них.

Стали и сплавы, являясь сложными системами мо мтатическим распределением физико-механических свойств в объёме, определя­ют многообразие форм разрушения под действием внешних возму­щающих факторов. Задача проектировщика - определить все возмож­ные направления изменения свойств и структуры конструкционных материалов уже на стадии проектирования и тем самым заложить вы­сокую эксплуатационную надёжность аппаратов и машин.

Многообразие форм и видов разрушения невозможно однозначно определить без рассмотрения микроструктуры материалов. Образова­ние многих кристаллических тел связано с осуществлением так назы­ваемой металлической связи атомов. Эта связь обусловлена обобще­ствлением внешних электронов атомных оболочек и образования " электронного газа ", несущего отрицательный заряд. Положительно заряженные ионы взаимодействуют с "электронным газом" (силы притяжения), а также друг с другом (силы отталкивания). Естест­венно предположить, что между силами притяжения и отталкивания устанавливается энергетически выгодное равновесие, которое и опре­деляет структуру кристаллических тел. Кристаллическая структура образуется путём трансляции (повторения) элементарных ячеек, ко­торые носят название решёток Браве. Наиболее распространёнными решётками являются объёмно - центрированный куб (ОЦК), гране-центрированным куб (ГЦК) и гексагональная плотная упаковка (ГПУ). В зависимости от внешних условий металлы могут кристаллизоваться в различные кристаллические решётки. Это явление носит название -полиморфизм. Так, при низких температурах железо кристаллизуется в ОЦК решётку (ά- железо), a при высоких - перекристаллизуется в ГЦК решётку (γ - железо). Надо учитывать полиморфизм при выборе металлов, т.к. механические свойства при этом резко могут изменять­ся.

При кристаллизации металлов из расплава первоначально обра­зуется центры кристаллизации (кластеры). Количество центров, их ориентировка подчиняются вероятностным законам. Поэтому кри­сталлические решётки отдельных зёрен кристаллические тела непре­менно имеют дефекты структуры. Различают точечные дефекты за­мещения, внедрения, а также вакансии и двумерные дефекты типа дислокаций, которые имеют наибольшее значение при структурообразовании. Дислокации можно представить в виде полуплоскости, которую характеризует вектор Бюргерса (рисунок 3.2.)

а) б)

Рисунок 3.2. - Дислокация: а - контур Бюргерса, включающий дислокацию (1); б - тот же контур в совершенном кристалле, MQ -вектор Бюргерса.

Система дислокаций, образую пространственные структуры (сетки франка), имеют большую подвижность, чем элементы правиль­ной кристаллической решётки. За счёт их движения тела освобожда­ются от дополнительной энергии получаемой при флуктуациях внеш­них воздействий. Нужно отметить, что природа пластической дефор­мации металлов непосредственно связана с дислокациями.

Дата добавления: 2014-01-07