Износ материалов: Виды износа и коррозии — Технические статьи

Ученые из Пермского Политеха придумали, как сократить износ оборудования без импортных материалов

2 мин

…

Статья опубликована в журнале «Chemical and Petroleum Engineering» (№58, 2022).

Источник: Пресс-служба ПНИПУ


Пермь, 21 фев — ИА Neftegaz.RU. Ученые из Пермского Политеха определили, как заместить отслужившие импортные детали пластинчатых компрессоров без вреда для оборудования.


Об этом сообщила пресс-служба вуза.


Исследование выполнено в рамках реализации программы академического стратегического лидерства «Приоритет 2030».


Статья опубликована в журнале «Chemical and Petroleum Engineering» (№58, 2022).


Для транспортировки попутного нефтяного газа через трубопроводы в них необходимо поддерживать определенный уровень давления.


Для этого строятся газокомпрессорные станции, оборудование для которых прежде закупалось за рубежом.


Давление в компрессоре (часть газотурбинной установки, где происходит сжатие газа, за счет чего газ движется по трубам магистрального трубопровода) может достигать довольно больших значений — до 11,8 МПа.


Для сравнения, в сети, к которой подключены жилые дома, давление газа не превышает 0,03 МПа.


Для транспортировки попутного нефтяного газа часто используют пластинчатый компрессор, он, в отличие от винтовых и поршневых компрессоров, не нуждается в хорошо очищенном газе и проще обслуживается.


Пластинчатые компрессоры чаще всего закупали за рубежом, и сейчас остро встала проблема замены замены импортного оборудования, выработавшего свой ресурс.


На сегодняшний день пластины для таких компрессоров изготавливаются, в основном, из композиционных материалов.


Исследователи провели ряд опытов с 4мя композитными материалами, обладающими наиболее близкими свойствами к органопластику производства США, из которого изготавливаются пластины импортных компрессоров Ro-Flo.


Эксперименты были направлены на определение коэффициента трения и интенсивности износа образцов.


Ученые провели в т.ч. испытания на сухое трение, и выяснили, что нормальная работа пластинчатого компрессора без смазки невозможна, в т.ч. для импортного материала.


Далее провели ряд испытаний со смазкой моторным маслом.


Выяснилось, что наиболее близкие к базовому материалу характеристики имеет один из видов органопластика (из ткани ТТСВМ и связующего ЭП-5122).


Этот материал легок и прочен, его используют не только в машиностроении, но и авиации и изготовлении амуниции.


Эксперты сформулировали ряд рекомендаций, позволяющих снизить коэффициент трения для «лидера» эксперимента.


Они предложили, например, нанести на поверхность пластин пленку с фторсодержащими веществами или использовать в качестве смазки моторное масло с фторсодержащими эмульсиями.


Такие дополнения, помимо прочего, позволят придать материалу пластин
гидрофобность и изменить поверхностную энергию трения, благодаря чему
оборудования сможет прослужить еще дольше.

Автор: А. Шевченко

#пнипу
#ученые
#импорт
#детали
#газокомпрессорные станции
#оборудование
#пластинчатый компрессор

Испытания на износ


Испытание на износ – это опытное определение ресурса конкретного материала при его эксплуатации в заданных условиях.


Износостойкость – это способность сопротивления разрушению, деформации и другим повреждениям при трении (то есть сопротивление изнашиванию).


В результате испытаний измеряется:


  • Уменьшение размера образца – линейный износ


  • Изменение веса изделия


  • Скорость изнашивания


Испытания на износ могут осуществляться как для конкретных материалов с целью определения их свойств – изучение сухого трения, так и для смазочных жидкостей для измерения их противоизносных характеристик.


Измерение износостойкости проводится в несколько этапов:


  • Прогнозирование ресурса материалов на основе их основных свойств


  • Ускоренные испытания в лаборатории с применением специального оборудования – машин трения


  • Стендовые испытания


  • Исследование в реальных условиях


Испытания в реальных условиях дают наиболее полную картину работоспособности материала в конкретной обстановке. Однако для этого необходимо большое количество времени, во многих случаях срок изучения достигает нескольких лет.


Поэтому предварительно проводятся испытания на специальном аппарате – машине трения. В ней соединяются элементы пары трения и создаются условия, максимально приближенные к реальным – нагрузка, скорость вращения, наличие/отсутствие влияния внешних факторов, например, воздействия абразивных частиц.


Некоторые компании оказывают услуги по проведению ускоренных испытаний на износ. Например, компания «Моденжи», расположенная в городе Брянске, имеет в своей лаборатории все необходимое для этого оборудование, включая трибометр со схемой трения «шар-диск», а также со схемой испытаний по методу Райхерта.



Испытания трением в специальных машинах начинаются с установки материалов относительно друг друга. Один из них называется «образцом», второй – «контртелом».


В зависимости от типа установки вращению может подвергаться как один элемент, так и оба.


Основные элементы машины трения:


  • Устройство нагружения – механизм, создающий необходимую нагрузку на образцы


  • Электропривод – система, проводящая один или несколько элементов в движение


  • Камера – закрытое пространство, в котором создаются необходимые условия для испытаний: температура, вакуум или другие особенности окружающей среды. Кроме этого, камера выполняет функции предотвращения случайного воздействия на испытуемую пару трения извне и снижения уровня шума


  • Пульт управления – аппарат, с помощью которого настраиваются необходимые характеристики для исследования: скорость вращения, величина нагрузки, окружающие условия и так далее


  • Измерительные приборы – устройства для фиксации силы трения, давления, скорости, температуры и других параметров в процессе эксперимента


После проведения испытаний на неподвижном образце образуется лунка – пятно износа. Вращающийся элемент деформируется равномерно по всей своей поверхности.



Для измерения отклонений используют несколько методов, самыми распространенными являются взвешивание и микрометрирование.


Первый заключается в нахождении разницы веса образца до и после испытаний, второй – в использовании оптических и других приборов, способных измерять микроскопические отклонения.

Возврат к списку

Применение материалов

: Износостойкость — MetalTek

Износ, вероятно, является наиболее распространенной причиной замены материалов в промышленности. Втулки и подшипники являются распространенными примерами компонентов, которые должны обеспечивать износостойкость металла по металлу. Износ является универсальной константой движущегося оборудования во всех областях применения.

В некоторых областях, таких как пищевая промышленность, использование некоторых материалов, обеспечивающих превосходную износостойкость (например, сплавы на основе меди), ограничено или запрещено. Для этих применений были разработаны специальные сплавы для устранения определенных видов износа, таких как заедание, без реакции с окружающей средой. Например, для пищевой промышленности была разработана серия «молочных металлов» для предотвращения таких видов износа. Когда главной задачей является коррозионная стойкость, часто выбирают высокоэффективные сплавы на основе кобальта.

Другие области применения, связанные с износом, включают абразивный или скользящий износ из-за стекания материала по изнашиваемому металлу; примерами этого могут быть конвейеры для материалов, скребковые линии, горнодобывающие дробилки и т. д. В этих приложениях твердость материала часто является ключевым фактором, определяющим конечную износостойкость основного металла. Часто выбирают легированные чугуны, аустенитные марганцевые стали или твердую бронзу.

Обсуждение некоторых типов износа поможет прояснить, почему один материал может быть выбран вместо другого:

Адгезионный износ

Адгезионный износ возникает, когда две металлические поверхности с недостаточной смазкой соприкасаются и испытывают относительное движение, особенно при циклической нагрузке. Когда поверхности соприкасаются друг с другом, локальное давление заставляет их сплавляться вместе, так что мелкие частицы одного материала прилипают к другому. Многократное действие этого переноса металла приводит к ухудшению состояния поверхности и образованию продуктов износа.

Адгезионный износ зависит от совместимости металлов, находящихся в контакте друг с другом. Компоненты из идентичного или очень похожего материала с большей вероятностью будут слипаться. Материалы, которые растворяются друг в друге или образуют сплав в рабочих условиях, с большей вероятностью проявляют адгезионный износ. Совместимость материалов хорошо изучена и должна учитываться при проектировании.

Абразивный износ

Абразивный износ возникает, когда твердые частицы или выступы на одной поверхности сталкиваются со второй поверхностью и движутся по ней. Это может быть желаемым состоянием (например, наждачной бумагой или шлифованием), но также может привести к нежелательному состоянию, когда необходимо преждевременно заменить компоненты или добавить фильтрацию для удаления загрязняющих веществ из системы. Если частицам также позволено двигаться или катиться, также может произойти катящееся или трехчастное истирание.

Эрозия

Эрозия возникает, когда взвешенные в газах или жидкостях частицы ударяются о твердую поверхность. Исходный материал постепенно теряется из-за этого взаимодействия. Этот тип износа особенно заметен в таких устройствах, как трим клапана, характеризующийся высоким расходом и наличием загрязняющих веществ. Совокупный эффект множества мелких ударов может быть значительным, и этот эффект усугубляется, если частицы имеют острые края.

Коррозионный износ

Коррозионный износ возникает, когда химическая или электрохимическая коррозия способствует фрикционному, абразивному или деформационному износу. Это происходит, например, в оборудовании, перекачивающем шламы при переработке угля и руды.

Кавитационная эрозия

Названная так из-за образующихся пузырьков или «полостей», кавитационное повреждение вызывается образованием и схлопыванием пузырьков пара в жидкости вблизи поверхности металла. Этот тип повреждения часто возникает в высокоскоростных устройствах, таких как гидравлические системы, рабочие колеса насосов и задние поверхности гребных винтов. В этих средах встречаются высокоскоростные потоки жидкости и изменения давления, а пузырьки пара могут образовываться и быстро схлопываться. Расчеты показали, что быстро схлопывающиеся пузырьки пара создают ударные волны с давлением, превышающим 60 000 фунтов на квадратный дюйм, что более чем достаточно для повреждения поверхности детали из большинства сплавов.

Было проведено множество исследований кавитации и эрозии, и относительное сопротивление обычно используемых сплавов широко известно.

Фреттинг

Фреттинг-износ возникает в результате малоамплитудных колебательных движений; или, проще говоря, вибрации. Это форма износа «поверхность-поверхность», при которой смазка может выдавливаться под нагрузкой, что приводит к контакту металла с металлом. Это также может произойти в соединениях или муфтах, которые скреплены болтами и не предназначены для перемещения. Почти все машины вибрируют, так что это распространенная форма выхода из строя из-за износа из-за усталости в высоконагруженных компонентах, таких как валы.

Истирание

Другой важной формой износа при сцеплении металла с металлом является истирание. При истирании материал с одной поверхности компонента, двигаясь под нагрузкой по другой противоположной поверхности, сплавляется с другой поверхностью и отрывает металл от второй поверхности. Истирание необходимо учитывать в компонентах подшипника, втулки, уплотнительного кольца и компенсационного кольца или везде, где два металла скользят друг относительно друга. Там, где истирание является серьезной проблемой, предпочтение отдается применению сплавов на основе меди из-за их меньшей склонности к истиранию.

Внимание! Иногда требуется поверхностная оксидная пленка, которую добавляют для защиты от коррозии. Если этот защитный оксидный слой разрушается из-за плохих условий защиты от истирания или эрозии, ожидаемая коррозионная стойкость теряется.

Выкрашивание

Деформационный износ или выкрашивание — это механизм, при котором изнашиваемая поверхность испытывает достаточную деформацию от повторяющихся контактов, что приводит к мелким трещинам и выбросу частиц продуктов износа с поверхности. По мере роста они могут появляться на поверхности металла в виде больших ямок.

Поверхностная усталость

Поверхностный усталостный износ является результатом трещин и отслоений, вызванных повторяющимися циклами переменного напряжения, такими как прокатка. Например, такой тип износа может проявляться в рельсовых или колесных системах. Образуются микротрещины, которые могут быть как на поверхности, так и под поверхностью. В конце концов, детали могут выйти из строя из-за повторяющихся растягивающих и сдвигающих напряжений.

Заключение

Важно, чтобы ни один критерий не использовался для оценки пригодности сплава для данного применения. Например, хорошие противозадирные свойства могут быть неэффективными, если поверхность сплава разрушена коррозией или на его размерную стабильность повлияли неправильные методы изготовления компонента. Поэтому следует учитывать и оценивать все критерии для каждого предполагаемого применения.

Что такое износ и как его предотвратить? » DGE

Трибология — это наука, изучающая трение, износ и смазку соприкасающихся поверхностей при относительном движении. Он опирается на концепции, заимствованные, среди прочего, из материаловедения, физики и химии, что делает его междисциплинарной областью. По этим трем пунктам (трение, износ и смазка) износ представляет собой серьезную проблему для промышленных предприятий, поскольку на его долю приходится более 50% потери работоспособности машин. Следовательно, контроль влияющих на него условий не только предотвратит отказ оборудования, но и в конечном итоге позволит оптимизировать производственный процесс.

Но прежде чем начать указывать, как следует предотвращать износ, мы должны спросить себя… что такое износ точно ?

Что такое износ?

Износ можно определить как повреждение или удаление материала, которому подверглась твердая поверхность в результате скольжения, качения или удара о другую твердую поверхность. Это не материальное свойство, а реакция системы. Как правило, износ нежелателен, так как может привести к увеличению трения и, в конечном счете, к выходу материала из строя или потере функциональности. Таким образом, для уменьшения износа (и, следовательно, трения) между трущимися поверхностями прокладывается тонкая пленка смазки.

Износ можно классифицировать в зависимости от того, как происходит повреждение поверхностей. Обычно это:

  1. Адгезивный износ
  1. Абразивный износ
  1. Поверхностная усталость
  1. Фреттинговый износ
  1. Эрозионный износ
  1. Коррозионный и окислительный износ

Каждый тип износа вызывается одним или несколькими механизмами. Эти механизмы могут синергетически перекрываться, что приводит к увеличению скорости износа.

 

Типы износа

В этом разделе приводится более подробная информация о каждом из ранее перечисленных типов износа. Наиболее распространенными типами износа являются как адгезионный, так и абразивный износ, но поверхностная усталость, фреттинг, эрозионный и коррозионный износ также могут проявляться во многих промышленных приложениях при определенных условиях.

2.1. Адгезионный износ

Адгезионный износ — это тип износа, возникающий в результате контакта и взаимодействия неровностей между двумя соприкасающимися поверхностями с большой силой сцепления. Другими словами, противоположные неровности соединяются друг с другом и срезаются, когда одна поверхность скользит по другой. Его интенсивность зависит от нескольких физических и химических факторов, но, как правило, увеличивается при более высоких значениях поверхностной плотности энергии. Окислительные пленки, присутствие смазочных материалов, загрязнений или более низкие нагрузки, тем не менее, подавляют его действие.

2.2. Абразивный износ

Абразивный износ происходит, когда шероховатая твердая поверхность скользит по относительно более мягкой поверхности. Это также наиболее часто встречающийся в промышленности механизм износа. Абразивный износ может быть вызван тремя видами механизмов, а именно вспахиванием (если нет удаления материала с поверхностей, а образуются канавки из перемещаемого материала), резкой (если происходит удаление материала в виде мусора) или осколочным (при наличии удаления материала и одновременном локализованном разрушении соприкасающихся поверхностей за счет удаленного мусора).

2.3. Поверхность Усталость

Поверхностная усталость — это тип износа, при котором поверхность материала ослабевает в результате циклической нагрузки. Он возникает при отделении частиц износа от твердых поверхностей за счет накопления микроповреждений в материале. Механизм изнашивания в действии сочетает в себе образование трещин и пустот в твердых поверхностях, которые усиливаются при прохождении циклов.

2.4. Фреттинг-износ

Фреттинг-износ возникает между двумя контактирующими поверхностями при постоянном циклическом трении малой амплитуды. Он инициирует усталостные трещины, которые часто приводят к усталостному разрушению валов и других сильно нагруженных компонентов.

2.5. Эрозионный износ

Эрозионный износ — это тип износа, возникающий в результате коротких скользящих движений в течение очень короткого промежутка времени. Он возникает, когда частицы постепенно удаляют материал с поверхности путем непрерывного удара, деформируя и повреждая ее. На воздействие эрозионного износа может влиять природа соударяющихся частиц (их размер, форма и твердость), а также скорость и угол, с которым они соприкасаются с поверхностью, среди прочего.

2. 6. Коррозионный и окислительный износ

Коррозионный и окислительный износ возникают как комбинированный эффект химического и механического воздействия. Химическое воздействие увеличивает пористость поверхности, а механическое приводит к износу. Существует также ряд факторов, влияющих на износ в этом случае, таких как неправильная конструкция механизма или невозможность отвода достаточного количества тепла или влаги из области контакта.

  1. Как предотвратить износ?

Существует множество способов предотвращения износа. Чаще всего самое простое, что можно сделать, — это использовать износостойкие материалы или использовать продукты (такие как клей для сверления сугру), которые сами по себе могут предотвратить износ. Вы также можете изменить свойства материала соприкасающихся поверхностей. Последнее можно осуществить, например, закалкой или химической модификацией поверхностей. Когда это невозможно, современные масла и смазки представляют собой простое и быстрое решение проблемы износа.