Теплоэнергетика, 2022, № 7, стр. 85-94

ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальный стенд по изучению кавитационной эрозии конструкционных материалов и защитных покрытий (рис. 1) относится к тому типу струйных кавитационных установок, испытания на которых выполняются согласно стандарту ASTM G134-17. Стенд предназначен для проведения исследований кавитационной стойкости конструкционных материалов, изучения физической природы и основных закономерностей кавитационного износа. Испытания на струйном кавитационном стенде моделируют механическое воздействие на поверхность конструкционных материалов микроструек жидкости или ударных волн при полостной и профильной кавитации рабочих колес гидротурбин и центробежных насосов. Погруженная под воду кавитирующая струя жидкости, выпускаемая из сопла, сталкивается с поверхностью образца таким образом, что полости (кавитационные пузырьки) внутри жидкости схлопываются, тем самым вызывая разрушение поверхности.

Рис. 1.

Схема кавитационного стенда. 1 – игольчатый вентиль; 2 – фильтр высокого давления; 3 – насос; 4 – регулятор давления; 5, 7, 11 – манометр; 6 – эластичная трубка; 8 – теплообменник; 9 – испытательная камера; 10 – термометр; 12 – сливной вентиль

В качестве объекта исследований в данной работе были выбраны конструкционные стали 20ГЛ и 30Л, широко используемые для изготовления ответственных элементов проточных частей гидротурбин и центробежных насосов, к которым предъявляют требования повышенной прочности и высокого сопротивления износу. Химический состав сталей приведен в табл. 1.

Из сталей 20ГЛ и 30Л изготавливали экспериментальные образцы в виде цилиндров диаметром 20 мм с прямоугольной “ножкой” для крепления в державке (рис. 2, а). Поверхность образцов полировали до шероховатости Ra = 0.04–0.06 мкм.

Рис. 2.

Характерный вид образца до кавитационного воздействия (а) и после него (б)

Для исследования разрушения поверхности образцов в области кавитационного воздействия были выделены характерные зоны (рис. 2, б):

зона I, расположенная на оси сопла (в ядре струи) – зона максимального износа, в которой наблюдались образование и рост кавитационной каверны;

зона II, в которой происходили небольшая деградация поверхности и унос материала.

После окончания испытаний исследовали состояние поверхности образцов с помощью сканирующего электронного микроскопа и механического стилусного профилометра. Для определения характера разрушения поверхности использовали изображения (размер областей сканирования составлял от 100 мкм до 6 мм) в режиме вторичных (SE) и обратно отраженных (BSE) электронов. На профилометре измеряли профили. Для определения глубины износа и параметров шероховатости были построены 3D-карты поверхности. Размер зон сканирования при построении 3D-карт составлял 2.5–3.0 мм. Шероховатость и глубину деформаций определяли внутри каверны (зона I) и вне ее (зона II). При этом внутри каверны оценку параметров шероховатости проводили после вырезания из полученной 3D-карты соответствующего участка поверхности и удаления наклона и кривизны с использованием программного обеспечения профилометра. По высотным параметрам шероховатости в соответствии с ГОСТ [23] оценивали среднее арифметическое отклонение профиля Ra и высоту неровностей профиля по десяти точкам Rz. По шаговым параметрам шероховатости рассчитывали средний шаг неровностей профиля Sm. Определяли также параметры шероховатости, связанные с расшифровкой кривой опорной поверхности [24], которые описывают поверхность как трехкомпонентную, состоящую отдельно из выступов (характеризуется средней высотой единичных вершин, выступающих над сердцевиной профиля, Rpk), основного профиля (характеризуется глубиной сердцевины профиля Rk) и впадин (характеризуется средней высотой единичных впадин, находящихся под сердцевиной профиля, Rvk).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Испытания образцов сталей 20ГЛ и 30Л проводили в режиме, обеспечивающем максимальный износ. Время испытаний t варьировалось в диапазоне от 15–30 до 210–240 мин. Далее приведены значения параметров испытаний:

Полученные в процессе испытаний данные (рис. 3) свидетельствуют о том, что имеются характерные периоды кавитационного износа сталей 20ГЛ и 30Л: инкубационный, с максимальной и установившейся скоростями износа. Выявлена лучшая стойкость стали 30Л к струйному кавитационному воздействию по сравнению со стойкостью стали 20ГЛ: увеличение длительности инкубационного периода почти в 2 раза и снижение скорости износа до 1.5 раза в условиях проведенного эксперимента.

Рис. 3.

Зависимость массы уноса Δm от продолжительности эксперимента t для сталей 20ГЛ (1) и 30Л (2)

Разница в кинетике разрушения исследуемых сталей нашла подтверждение и при качественном анализе динамики разрушения зоны I, который был проведен с использованием SEM-изображений и 3D-карт поверхности образцов. Характер разрушения материала в зоне I для обеих сталей показан в табл. 2.

Таблица 2.  

Разрушение поверхности сталей 20ГЛ и 30Л в области попадания ядра кавитирующей струи

Изменение шероховатости и возникновение деформаций в зоне II наблюдались с постоянной динамикой, но с отсутствием каверн и развивающихся признаков разрушения, поэтому основное внимание было направлено на исследование динамики разрушения поверхности в зоне I. Характерные изображения разрушения поверхности исследуемых сталей в зоне I показали, что в течение инкубационного периода на поверхности с локальными разрушениями образуются вмятины, а по границе и внутри ядра кавитирующей струи – малые каверны. На протяжении периода с максимальной скоростью износа глубины образовавшихся малых каверн росли, происходило их локальное объединение, был зафиксирован унос материала и разрушенная поверхность приобретала губчатое строение. Для периода установившейся скорости износа характерно возникновение сформировавшейся разрушенной области (диаметром до 2 мм) с проникающей внутрь (глубиной до 200 мкм) каверной.

Топограммы вмятин на поверхности стальных листов размером 2.5 × 2.5 мм, полученные с использованием 3D-карт, показаны на рис. 4. Область кавитационного воздействия занимает 50–60% площади образца, средний диаметр кавитационной каверны на участке с установившейся скоростью износа составляет не более 10% диаметра образца. Характер износа для двух исследуемых сталей практически идентичен и различается началом его возникновения и последующим развитием формы и размера образующейся кавитационной каверны.

Рис. 4.

Изменение рельефа поверхности сталей 20ГЛ (а) и 30Л (б) в зоне I

Вследствие максимальной интенсивности схлопывания пузырьков вблизи поверхности в ядре кавитирующей струи кавитационное воздействие в зоне I обладает ярко выраженными следами пластической разрозненной деформации в течение инкубационного периода. За это время наложение нескольких импульсов в одном месте не происходит и точечные повреждения на поверхности не перекрывают одно другое. Форма и размер области кавитационной каверны с учетом динамики ее расширения (роста диаметра D) и углубления (роста глубины каверны h) показаны на профилограммах (рис. 5) и сводном графике изменения данных параметров (рис. 6).

Рис. 5.

Зависимость глубины каверны от ее диаметра для сталей 20ГЛ (а) и 30Л (б) в зоне I. t, мин: 1 – 210; 2 – 150; 3 – 90; 4 – 60; 5 – 30

Рис. 6.

Зависимость диаметра зоны наибольшего износа материала (1, 2) и глубины износа (3, 4) от времени для сталей 20ГЛ (1, 3) и 30Л (2, 4)

С увеличением времени испытаний наблюдается плавный переход от неповрежденной плоской полированной поверхности к постепенному углублению и развитию рельефа. Первоначально глубина образующейся каверны меньше, чем ее диаметр, затем картина меняется. При медленно растущем диаметре каверны ее глубина начинает увеличиваться. В свою очередь, необходимо заметить, что динамика роста диаметра и глубины кавитационной каверны коррелирует с полученными ранее сравнительными показателями кавитационной стойкости обеих сталей.

На рис. 7–9 показаны зависимости, характеризующие изменение шероховатости поверхности образцов сталей в зонах I, II.

Рис. 7.

Зависимость Ra для сталей 20ГЛ (1) и 30Л (2), Sm для сталей 30Л (3) и 20ГЛ (4) от времени в зонах I (а) и II (б)

Рис. 8.

Зависимость Rvk (1), Rpk (2) от времени для стали 20ГЛ в зонах I (а) и II (б)

Рис. 9.

Зависимость Rvk (1), Rpk (2) от времени для стали 30Л в зонах I (а) и II (б)

Выявлен резкий рост параметров шероховатости в зоне I после окончания инкубационного периода в течение периода с максимальной скоростью износа. В дальнейшем рост высотных и шаговых параметров шероховатости приостанавливается и достигает колеблющегося постоянного значения. Особенно ярко это проявляется у пиков и впадин поверхностей обеих сталей. Диапазон значений (в зоне I) от 15–20 мкм для стали 30Л и 20–25 мкм для стали 20ГЛ может быть обусловлен постоянной скоростью износа и удалением характерного слоя, что, возможно, зависит от микроструктуры материала. Имеющиеся, помимо преобладающих нормальных составляющих ударного импульса, касательные составляющие ударов способствуют раскачиванию и скалыванию частиц металла по межзеренной границе. Также может происходить внутризеренное разрушение, что хорошо видно на BSE-изображениях, полученных на поперечных шлифах (рис. 10).

Рис. 10.

Разрушение стали 20ГЛ (а) и 30Л (б) в зоне максимального кавитационного воздействия (зона I)

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В процессе исследований сталей 20ГЛ и 30Л было выявлено, что в течение инкубационного периода происходит пластическая деформация поверхности с образованием вмятин и малых каверн без уноса материала. Изменение параметров шероховатости на данном этапе незначительно (рис. 11). После окончания инкубационного периода в течение периода с максимальной скоростью износа одновременно начинают расти диаметр повреждаемой области и глубина кавитационной каверны, образовавшейся вследствие слияния малых каверн. Внутри каверны резко увеличиваются высотные характеристики шероховатости (Ra, Rvk) и средний шаг неровностей Sm, коррелирующий с шагом губчатой структуры, возникающей в разрушенной области. В течение периода с установившейся скоростью износа наблюдается удаление изнашивающегося слоя, скорости роста диаметра и глубины износа становятся постоянными. Изменение параметров шероховатости при этом приостанавливается и достигает колеблющегося постоянного значения. Масса удаляемого слоя (за одно и то же время воздействия в период с установившейся скоростью износа), возможно, связана с микроструктурой исследуемых материалов и зависит от размера зерна. Характер изменения параметров шероховатости поверхности исследуемых сталей коррелирует с кинетикой кавитационного износа.

Рис. 11.

Кинетика кавитационного износа и изменение параметров шероховатости стали 30Л

Выявленные закономерности могут быть использованы в процессе прогнозирования полостной и профильной кавитации рабочих колес гидротурбин и центробежных насосов, изготовленных из литых сталей, при условии мониторинга параметров шероховатости их поверхностей в течение эксплуатации и определения периода износа путем набора статистических данных и фиксации изменения параметров шероховатости.

На износ поверхности рабочего колеса оказывают влияние, помимо кавитации, коррозионное и абразивное воздействия. Отделение одного фактора от другого невозможно, но предложенный способ прогнозирования износа основного материала, где превалирует кавитационное воздействие, может быть применен при определении зон износа в совокупности с проведением необходимого в данном случае натурного эксперимента по выявлению статистики разрушения и изменений характеристик поверхности при конкретных условиях эксплуатации агрегата.

ВЫВОДЫ

1. Определение высотных и шаговых параметров рельефа поверхности позволяет выявить различные периоды процесса кавитационного разрушения сталей 20ГЛ и 30Л.

2. Колеблющиеся значения шероховатости поверхности в диапазоне 15–20 мкм для стали 30Л и 20–25 мкм для стали 20ГЛ при установившейся скорости износа могут быть обусловлены удалением слоя, масса которого зависит от микроструктуры исследуемых материалов.