Idea Transcript
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина))
Кафедра технологии газанефтяного машиностроения
И.Н. Карелин
ВЫБОР КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ АБРАЗИВНОЙ ЭРОЗИИ ЭЛЕМЕНТОВ Г АЗОНЕФТЯНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Методические указания к расчетной работе по курсу:
«Технологические методы обеспечения качества машин» для студентов специальности
Москва
2007
120100
2
Введение
К
деталям
газонефтяных
машин
в
оборудования,
трубопроводов
прочности,
контактной
и
предъявляются
жесткости
или
элементам
к
частности,
общей
требования
податливости,
и
износостойкости,
ний коррозионной стойкости, вибростойкости и т.д. Выполнение этих требова в
совокупности
назначением
правильным
обеспечивается
размеров,
обеспечивающих
выбором
прочность
материалов,
изделий,
выбором
гии рациональных конструктивных форм деталей и соответствующей техноло бы изготовления в целом. Выбор материала, который полностью отвечал как на условиям работы деталей, является сложной задачей, решаемой, уровне
проектирования,
так и
на уровне
модернизации
(модификации)
взаимного детали. В этом направлении перспектинным является принцип дополнения
качества,
состоящий
в
создании
неоднородности детали по
взаимно сечению, что обусловлено применением различных материалов,
дополняющих по своим свойствам друг друга. Способы реализации целевой макроскопической неоднородности детали следующие:
•
химико-термическая обработка;
•
облицовка поверхностей;
•
применение накладок и вставок;
•
биметаллизация.
3 Многообразие
современных
и
детали
на
воздействия
поверхностного
методов
технологических
материалов
конструкционных
ть в поверхностном слое газанефтяного оборудования позволЯет обеспечива овольно
Однако
конструкторской
в
документации
ши
диапазона.
окого
физико-механиЧеские
и
чих поверхностей ряда деталей в геометрические показатели качества рабо НRС или НV, толщиной слоя основном регламентируются твердостью нения, а также стандартными наплавки или глубиной поверхностного упроч 1
показателями микро-
и макронеровностей поверхности.
сопротивления
характеристик
Определение же слоя
поверхностного
материала
детали
воздействиям, имеющим место различного рода специфическим нагрузкам и расчетного ии, с целью прогнозирования или в реальных условиях эксплуатац оп
технического
их
еделения
категории
к
относится
ресурса
исследовательских задач.
Эффективность
применения
и
накладок
вставок
из
керамических
й, но и в газанефтяной технике. материалов доказана не только в космическо (как при трении с абразивной Коррозионная стойкость, износостойкость
ц), сопротивление разрушению прослойкой, так и в потоке абразивных части при
сжатии
-
ических материалов, это те характеристики керам
обусловливают минимизации
указанную известных
эффективность негативных
и
обеспечивают
свойств
этих
которые и
возможность
нетрадиционных
те иалов в газоне тяном оборудовании. ~елыо
методических
указаний
является
научить
студентов
тных керамических материалов обоснованно подходить к задаче выбора защи
работающего в условиях потоков для деталей газанефтяного оборудования, рабочих сред с механическими примесями. при выполнении расчетной Указания предназначены для студентов
я качества машин», а работы по курсу «Технологические методы обеспечени омным проектами по дисциплине также при работе над курсовым и дипл
ия». «Технология газанефтяного машиностроен
4 ТЫ Часть 1. РУКОВОДСТВО К ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНОЙ РАБО абразивной В инженерной практике сопротивление материала детали парамеrру количественно оценивают по известному·
эрозии
массы
потери
отношение
собой
представляющему
изнашивания,
инrенсивности
материала детали к изнашиваемого при воздействии потока твердых частиц массе твердых частиц, вызвавших эту потерю
Такой параметр является
(1].
я о характере оценки результата выражением компромиссного представлени 1
в данном случае абразивной эрозии. Компромиссность этого параметра етров изнашиваемого материала в состоит в привлечении в него как парам характеризующих эксплуатационные виде потери массы, так и параметров,
потоке рабочей среды, факторы в виде массы твердых частиц в набегающем не в явном виде. Ведь причем с учетом временного аспекта изнашивания, но является
время
потока.
любого
параметром
неотъемлемым
А
процесс
сов старения деталей абразивной эрозии, относящийся к категории процес
машин,
частиц)
и
времени
явного
отсутствие
параметре
данном
потока в
характеристики
Поэтому
потоком.
с
связан
непосредственно
ограниченность
(фигурирует только
делает
его
масса
малопригодным
для
путем. прогнозирования долговечности деталей расчетным Инженера
изнашивания полезным
в
детали
разрушения
разрушающихся
в
И
именно
скорость
деталей
является
наиболее
практике
инженерной
поверхностного
скорость
эксплуатации.
условиях
поверхностно
показателем
интересует
всего
прежде
(2],
поскольку
· он
ров или формы. С непосредственно отражает изменение линейных разме йся в наличии только учетом специфики абразивной эрозии, заключающе
одного
изнашиваемого
сопряженных
тел,
т.е.
тела пар
(в
отличие
трения)
от
абразивного
показатель
изнашивания
минимальной
скорости
защитных материалов с изнашивания следует принять крИтерием при выборе учетом существующих ограничений.
действующих
Обобщение многочисленных
факторов
следующим образом.
в
в
процессе
системной
абразивной
постановке
эрозии
представляется
5 Результат функционирования трибосистемы абразивной эрозии виде линейной представлять
«деталь»
скорости
результат
и
«твердая
изнашивания
физически
взаимодействия
фаза
двух
и
формально
целостных
абразивосодержащего
[3]
должен
элементов
потока».
в
-
Целостность
1
означает наличие у каждого эл~мента только тех свойств, которые внутренне присущи данному элементу.
На уровне
рассматриваемой
связи
наиболее
. значимым
свойством
элемента «деталь» является материал. Данное свойство при формировании связи
между
указанными
:ш~ментами
-~-
.
;т
У:Jунк11ин1
_в
,
вид~
сопротивления (не во временном смысле) поверхностному разрушению. Функция элемента «твердая фаза абразивосодержащего потока», свойствами
которого в данном случае являются скорость и концентрация абразивных частиц,
заключается
в
""·
множественном
мйкроударном
натружении
поверхности детали, причем с явно выраженным временным аспектом.
При выборе количественных параметров функций данных элементов при
наличии
требований
количественного
к
целостности
параметра
элементов
их
взаимодействия
формальное
с
учетом
решение
задачи
методически строится так: априори выбирается количественный параметр функции одного из элементов и, определив вид связи между параметром
взаимодействия и параметрами функций элементов, функции второго элемента.
находится параметр
__..;
Анализ существующих работ по исследованию явления абразивной эрозии
показал,
что
наибольшее
износостойкости материалов. параметром
функции
поверхностному
внимание
Поэтому в данном
элемента
«деталь»,
разрушению,
из
т.е.
уделялось
вопросам
случае количественным
сопротивления
многочисленных
материала
известных
в
исследовательской практике параметров принят адекватный энергетический параметр
в
обобщенном
выражении
в
виде
удельных
энергозатрат
на
поверхностное разрушение:
N
= AIV,
[Дж' м" 3 ]
(1)
где А - работа, затраченная на образование об:ьемного изнqс~. V, в рамках определенных условий нагружения.
. .,.
б
Искомая связь между параметрами сопротивления и нагружения по
в
известным
динамического
Полагая скорость изнашивания
U обратно
закона
линейного
[4].
зависимость.
оператора принята пропорциональная
Поэтому в качестве
N
виде
в
установрева
изнашивания
моделирования
результатам
эрозии
абразивной
теории
пропорциональной сопротивлению
и прямо пропорциональной определяемой нагрузочной характеристике
G,
функции элемента «абразивосодержащий потою> аналогично
выражение
известному в физике показателю плотности потока энергии:
G = U N = ( h/T) ( AlllS) =А 1 Т S где Т
-
время,
h -
линейный износ,
[Дж м- 2 с -I]
(2)
единица площади изнашиваемой
S -
поверхности.
В_ выражении долю
собой
(2)
нагрузочного показателя
работа А представляет потока,
абраздвосодержащег~
энергии
кинетической
G
затрачиваемую на изнашивание. Определение этой доли для керамических материалов,
механизмом
отличающихся
хрупкого
разрушения,
возможно,
поскольку хрупкое разрушение при соударении сопровождается значительно
меньшим поглощением подводимой энергии, нежели пластичное. Важно
отметить, что показатель
аспект скорости
обусловливает временной
G
изнашивания.
В
целом
машин
надежности
расчетной
на
полученные
параметры
соотнесения
принципу
реализации
отвечают
означает
известному
нагрузки
однородность
и
в
теории
прочности,
размерностей
что
в
параметров
зки и п очности, конечно же, с учетом сnецифики нагрузки и характера
разрушения. Задача расчетного определения критерия Umin выбора твердых защитных материалов сводится к получению количественоой информации для определения значений параметров
( 1)
и
(2)
функций рассматриваемых
элементов трибосистемы. Энергетическая
параметра
нагрузочного
интерпретация
(2)
представляется наиболее универсальной, поскольку в изменениях энергии выражаются '
изменения
«абразивосодержащий
всех
поток».
А
показателеи v
так
как
своиств v
нагрузочный
элемента
параметр
(2)
представляет собой эффективную в плане изнашивания (т.е. расходуемую на
7 поверхностное разрушение)
энергии
долю
арразивосодержащего
определить
ее
как
подводимой
потока
разность
между
GэФ
к
преград е
методически
полной
кинетической
целесообразнее
кинетической
энергией
абразивосадержащего потока и затратами энергии, которые не расходуются на изнашивание. В методическом отношении эти затраты энергии потока моделировать, и измерять проще, поскольку в большинстве своем особенно для
твердых
хрупких
материалов
они
связаны
только
со
свойствами
абразивосадержащего потока. В первом приближении основные виды затрат энергии потока частиц или, точнее, потерь плотности потока кинетической энергии обусловлены разрушением абразивных частиц при соударении с преградой и уносом частицами после их контакта с преградой. Несомненно, источников затрат
энергии больше (например, теплообразование, свет, звук и т.д.), однако при условии
доступности
потока их можно
инженеру
отнести
количественном
на счет
ошибки.
В
ин
ормации
этом
суть
о
своиствах
идеализации
изучаемого объекта или явления, присущая любому методу моделирования. Однако в данном случае ошибка получается в сторону большей фактической износостойкости
материала,
т.е.
использование
на
практике
результатов
моделирования не приведеi к неiаiивным последсшиям.
Плотность потока полной кинетической энергии абразивосадержащего потока
согласно
размерностей,
выражению
позволяющим
с
(2)
использованием
устанавливать
связи
метода
между
анализа
физическими
величинами, представляется в следующем виде: з
з
,2
(3)
где \jf - концентрация частиц абразива в потоке (или плотность потока частиц), проходящем через единицу площади поверхности, расположенной
под углом атаки аФ к вектору скорости частиц, при этом О < аФ ~ 90°, а индекс «Ф» означает «фактический»;
О