Файл: Балякин, О. К. Технология и организация судоремонта учеб. пособие.pdf

В процессе эрозионного изнашивания рассматривают четыре

наиболее интенсивное изнашивание; заканчивается при дости­ жении максимальной скорости изнашивания;

снижение интенсивности изнашивания; стабилизация изнашивания (наиболее длительный, определяю­

щий работоспособность элемента).

В судовых энергетических установках эрозионному изнашива­ нию подвержены гребные винты, рабочие колеса центробежных и осевых насосов, наружные и внутренние поверхности нагрева па­ ровых водотрубных котлов, рабочие, направляющие и сопловые лопатки паровых и газовых турбин и др.

Эрозионное изнашивание может быть результатом явления ка­ витации, при котором образуются и сокращаются (замыкаются) кавитационные каверны, появляются ударные волны, действующие на поверхность деталей. Явление кавитации и связанное с ним эрозионное разрушение возможно у лопастей гребных винтов и рабочих колес центробежных и осевых насосов.

Для борьбы с эрозионным изнашиванием в настоящее время применяют материалы с высокой эрозионной стойкостью, металли­ ческие и неметаллические покрытия; при проектировании учитыва­ ют конструктивные особенности деталей, обеспечивающих мини­ мальную интенсивность эрозионного изнашивания, выбирают оп­ тимальные режимы работы.

§31. КОРРОЗИОННОЕ И УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ. ПОЛЗУЧЕСТЬ МЕТАЛЛОВ

Коррозионное разрушение. Коррозией металла называется са­ мопроизвольное его разрушение вследствие физико-химического взаимодействия с окружающей средой.

Различают химическую и электрохимическую коррозию.

При химической коррозии окисление металла и восстановление окислительного компонента происходит в одном акте.

Электрохимический коррозионный процесс предполагает при­ сутствие электролитической токопроводящей среды. Окисление ме­ талла и восстановление окислительного компонента происходит не в течение одного акта; скорость протекания коррозии зависит от величины электродного потенциала металла.

При химической коррозии воздействующей внешней средой являются воздух, газы и жидкие вещества, не проводящие элект­ рического тока. Например, окисление металла на сухом воздухе — это химическая коррозия; в паровых котлах на поверхностях на­ грева, в паровых коллекторах, в арматуре возможна химическая коррозия в результате взаимодействия металлической поверхно­ сти с перегретым паром или газом высокой температуры.

Поверхности судна и трубопроводов, омываемые морской во­ дой, маслом и т. д., подвергаются электрохимической коррозии; при этом воздействующей средой являются электролиты (раство­ ры солей, кислот, щелочей), металл переходит в раствор (напри­ мер, разрушение листов наружной обшивки в подводной части корпуса судна).

По характеру распространения коррозию подразделяют на рав­ номерную, местную и межкристаллитную.

Местная коррозия наиболее опасна, так как приводит к уси­ ленному местному утонению и образованию свищей.

При межкристаллитной коррозии разрушению подвергаются границы между зернами металла и между отдельными кристал­ лами, вследствие чего сцепление между ними нарушается, обра­ зуются межкристаллитные трещины и металл теряет механическую прочность. Частным случаем межкристаллитной коррозии является так называемая щелочная (или каустическая) хрупкость, возни­ кающая в котлах при неправильной водообработке в местах не­ плотностей заклепочных соединений и развальцовок.

Рассмотрим некоторые характерные для узлов и деталей су­ довых технических средств химические и электрохимические про­ цессы.

Для судовых условий распространенным видом химического коррозионного разрушения является газовая коррозия, которой подвержены ответственные детали и узлы судовых механизмов и

мер, кислорода) поверхностью металла, переходящей в химическое взаимодействие между ними. При этом на поверхности металла об­ разуется пленка окисла, способная при определенных условиях за­ труднять дальнейший доступ агрессивного газа к металлу, т. е. замедлять процесс коррозионного разрушения.

Скорость протекания газовой коррозии зависит от внешних и внутренних факторов. К внешним следует отнести температуру, при которой протекает процесс, состав агрессивной среды, ско­ рость обтекания этой средой металла и режим нагрева. С ростом температуры и скорости обтекания, а также при наличии агрессив­ ных компонентов во внешней среде (кислорода, соединений серы и паров воды) процесс ускоряется.

Пароводяная коррозия наблюдается при непосредственном контакте воды или водяного пара со стальной поверхностью (на­ пример, потока пароводяной смеси с внутренней поверхностью

98

стенки водогрейной трубки котла). При этом при температуре рвыше 400° С возможно химическое взаимодействие с образова­ нием окиси-закиси железа:

3Fe+4H 20 — HF30 4+ 4H 2.

Процесс пароводяной коррозии протекает особенно интенсивно при повышении температуры и наличии застойных зон. Такая зона может образоваться, например, при отслаивании участка накипи на внутренней поверхности трубки. Здесь следует ожидать и по­ вышения температуры материала трубки. Образовавшийся газооб­ разный водород частично уносится потоком пароводяной смеси, частично диффундирует в металл трубки. Распространяясь по границам зерен стали, водород разрушает связи между ними, де­ лая металл более хрупким. Это явление называется водородной коррозией.

Водород, проникающий в глубь структуры металла, кроме раз­ рушения металла, вступает в химическое взаимодействие с угле­ родом:

C-f2H2— >-СН4.

Образовавшийся газообразный метан усиливает хрупкость ме­ талла, что ведет к его разрушению от давления пароводяной сме­ си внутри трубки.

К о р р о з и о н н о е р а с т р е с к и в а н и е металла бывает при одновременном воздействии на металл коррозионной среды, вызы­ вающей процесс электрохимической коррозии, и статически при­ ложенных внешних или внутренних сил.

В настоящее время имеется несколько теорий, объясняющих явление коррозионного растрескивания металла. В большинстве из них отмечается, что в результате воздействия на металл внеш­ них или внутренних сил и наличия на поверхности металла кон­ центраторов напряжений (раковин, пор, микротрещин и т. д.) по­ являются микрогальванические пары. При этом дно концентрато­ ра служит анодом, а наружная (неповрежденная) поверхность металла — катодом. Разность электродных потенциалов между кон­ центратором напряжений и неповрежденным металлом может до­ стигать 100 мВ и более. В результате появления гальванических пар происходит коррозионное разрушение металла с образовани­ ем межкристаллитных и тракскристаллитных трещин.

Примером коррозионного растрескивания может служить раз­ рушение стальных гребных винтов, валов, турбинных лопаток, трубопроводов соленой забортной воды, изготовленных из не­ скольких сплавов и т. д.

При одновременном воздействии циклических растягивающих напряжений и коррозионной среды возникает коррозионная уста­ лость, т. е. понижение предела усталости металла.

В отличие от обычного усталостного разрушения металл, ра­ ботающий в условиях циклических нагрузок в коррозионной сре­ де, не имеет явно выраженного предела усталости. В связи с этим

под пределом коррозионной выносливости условились понимать максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения эле­ мента (образца) при заданном числе циклов напряжения и при одновременном воздействии на элемент коррозионной среды и переменных напряжений.

Сопротивление коррозионной усталости зависит главным обра­ зом от устойчивости металла перед коррозией. Специальные обра­ ботки металла (например, азотирование) значительно увеличива­ ют его сопротивление коррозионной усталости.

В а н а д и е в а я к о р р о з и я замечена при попытках использо­ вать тяжелые сорта топлива, содержащие ванадий и серу, для сжи­ гания в котельных установках и газотурбинных двигателях. Уже при содержании ванадия 0,001% срок службы рабочих и направ­ ляющих лопаток очень мал.

При температуре 600—850° С на поверхности металла образу­ ется окисная пленка, состоящая главным образом из окисла же­ леза a —Fe20 3. С повышением температуры до 700° С наряду с а—Fe203 образуется и продукт окисления а —Сг20з. Образовав­ шиеся оксидные пленки тормозят дальнейшее разрушение метал­ ла. Если же на поверхности металла окажется продукт окисления

и уносятся потоком газов. При наличии в продуктах сгорания топ­ лива Ыа20 и Na2S 0 4 температура плавления окисной пленки сни­ жается, что ускоряет ее разрушение, вызывая диффузию кислоро­ да в незащищенную поверхность металла и дальнейшее коррозион­ ное разрушение металла.

Ванадиевая коррозия, кроме непосредственного разрушения металла, особенно на основе железа, сопровождается снижением длительной и усталостной прочности металла, пластичности и ударной вязкости.

Методами борьбы с ванадиевой' коррозией в настоящее время являются использование топлива, содержащего оптимальное ко­ личество серы и ванадия, и введение в топливо специальных при­ садок. Известно, например, что эффективно снижает ванадиевую коррозию добавление в топливо окиси магния MgO и сернокисло­ го магния M gS04.

Усталостное разрушение. Усталостью металла называется про­ цесс постепенного накопления повреждений под действием пов­ торно-переменных напряжений, приводящих к уменьшению дол­ говечности материала, образованию трещин и разрушению его.

Свойство материала противостоять усталости называется вы­ носливостью.

При эксплуатации судов наиболее часто приходится встречать­ ся с усталостным разрушением.

Согласно энергетической теории, процесс усталостного разру­ шения проходит три последовательных периода (рис. 16), после которых деталь разрушается:

накопление упругих искажений кристаллической решетки;

100