Гидроабразивный износ

Что собой представляет гидроабразивный износ?

Под понятием «гидроабразивный износ» понимают разновидность разрушения материалов в результате воздействия абразивов, содержащихся в потоке движущейся жидкости, на соприкасающуюся с ними поверхность.

Наиболее подвержены такому износу:

• насосное и трубопроводное оборудование гидротранспортных систем горно-обогатительных предприятий по добыче и переработке минерального сырья, перекачивающее взвешенные в гидросреде частицы шлама, руды, песка и других твердых фракций;
• гидравлический транспорт и нефтегазовое оборудование, обеспечивающие перемещение добываемой нефти, газового конденсата и продуктов их переработки вместе с содержащимися в них абразивами;
• пульпопроводы и насосные системы гидрозолоудаления теплоэлектростанций;
• объекты гидроэнергетики, пропускающие через рабочие колеса гидротурбин большое количество воды с содержащейся в ней твердой взвесью;
• оборудование водопроводно-канализационного хозяйства, подающего воду и отводящего стоки коммунальных и промышленных потребителей.

Гидроабразивному износу подвергаются и другие объекты, работающие в жидкостной среде, например, ковши экскаваторов на добыче полезных ископаемых и мелиорации земель, насосы грунтовые и песковые (разновидность шламовых насосов), оборудование для промывания пород.

Активное воздействие перемещаемых вместе с потоком жидкости абразивных частиц на рабочие узлы механизмов и поверхность трубопровода приводит к процессу интенсивного разрушения конструкционных материалов, из которого они изготовлены. Например, срок эксплуатации трубопровода, транспортирующего крупно фракционный материал в жидкой среде, составляет всего 6 – 8 месяцев. Трубопроводы для перемещения мелкофракционного минерального сырья служат чуть дольше – до 1 года.

Виды гидроабразивного износа

Абразивные частицы, находящиеся в потоке транспортируемой жидкости, оказывают силовое воздействие на соприкасающиеся с ними поверхности различными способами:

• при ударе (соударение);
• при трении (скольжение);
• при качении.

В зависимости от способа, интенсивности, частоты взаимодействия абразивов на конструкционные материалы происходят разрушительные процессы режущего или царапающего характера:

• сначала на поверхности появляются малозаметные отдельные риски и царапины, количество и глубина которых со временем увеличивается;
• появляются пластические деформации (канавки, лунки);
• на металлических поверхностях в местах наиболее интенсивного взаимодействия образуются блестящие отполированные участки, чаще всего с углублениями по направлению воздействия абразивных частиц;
• в отдельных случаях наблюдается вдавливание в поверхность менее твердых частиц, что приводит к разрыхлению материала;
• возможен и обратный процесс с наклепом деформируемого слоя;
• в работе оборудования наблюдается нехарактерная вибрация, шумы;
• между контактными элементами оборудования появляются зазоры, которые постепенно увеличиваются.

В результате через некоторое время ответственные элементы оборудования теряют прочность, выходят из строя. Предприятия обычно формируют ремонтный фонд с целью предотвращения аварийных ситуаций. Это позволяет производить своевременную замену и ремонт материально-технической базы.

Какие факторы влияют на интенсивность гидроабразивного износа

При расчете износостойкости оборудования во время проектирования учитывают целый комплекс факторов. На интенсивность гидроабразивного износа прямо влияют:

• состав и качество изнашиваемого материала;
• конструкционные особенности оборудования и изнашиваемых элементов: размер, форма, твердость;
• плотность абразивных твердых частичек, перемещаемых в составе гидросмеси;
• концентрация абразивов в гидросмеси;
• показатели плотности, вязкости жидкости;
• коррозионная активность (группа агрессивности) жидкой среды;
• скорость движения абразивов относительно изнашиваемых поверхностей;
• угол набегания гидросмеси с абразивами на поверхность 
  

и другие характеристики технологического процесса, гидросмеси и конструкционных материалов, использованных для изготовления оборудования.

Что касается твердых фракций, содержащихся в гидросмеси, то их характеристики также оказывают влияние на интенсивность износа. Учитываются:

• размеры;
• форма;
• твердость;
• ориентация абразивов относительно поверхности, на которую они воздействуют.

Понятно, что частицы с острыми гранями, ребрами, движущиеся с большой скоростью или резкими ускорениями, при ударении о поверхность оставляют более глубокие следы резания, чем медленно перетекающие мягкие фракции взвеси.

Направление атаки – еще один важный фактор, который учитывают при проектировании ответственного оборудования, так как он влияет на скорость разрушения его отдельных элементов.

От чего зависит стойкость конструкционных материалов к гидроабразивному износу?

Обычно ответственные детали и части оборудования и трубопроводов, предназначенных для перекачивания и транспортирования жидкого продукта, содержащего твердые абразивные частицы, изготавливают из металла. Как правило, для этого используют стали разных марок.

В зависимости от условий эксплуатации с учетом факторов, влияющих на гидроабразивный износ, одна и та же марка стали коррозирует по-разному. В связи с этим при проектировании машин и механизмов, работающих с гидросмесями, учитывают требования государственных стандартов:

• по обеспечению износостойкости изделий – ГОСТ 23.225-99;
• по методологии испытаний на абразивный износ различных конструктивных материалов – ГОСТ 17367-71.

В стандартах приводятся различные методики подтверждения износостойкости используемых материалов в расчетно-экспериментальном, экспериментальном, расчетном порядке.

В их основе заложена информация:

• физико-химические свойства материалов;
• виды износа;
• условия, режимы трения;
• износостойкость аналогов;
• результаты предшествующих испытаний

и прочих данных, которые имеет в своем распоряжении проектировщик на момент проведения исследования по подтверждению износостойкости.

Если говорить об общих правилах, позволяющих повысить стойкость материала к воздействию абразивов в жидкой среде, то существуют следующие правила:

• чем однороднее химическая структура металла, тем лучше он сопротивляется износу;
• с технической и экономической точки зрения наиболее приемлемой считается разница в твердости рабочей поверхности по отношению к абразиву с коэффициентом 1,3;
• положительно влияет на износостойкость ответственных узлов и деталей, работающих с гидросмесями, обработка поверхности путем напыления, гальванопокрытия, анодирования, азотирования и других способов защиты.

Способы защиты от гидроабразивного износа

Подводя итог, можно обобщить способы борьбы с гидроабразивным износом, позволяющие увеличить срок службы ответственных узлов и деталей:

1. Подбор материалов. Для изготовления металлических элементов предпочтение следует отдавать высокохромистым сталям. По возможности использовать керамику, композитные материалы, устойчивые к износу.
2. Нанесение специальных защитных покрытий на рабочие поверхности.
3. Изменение (оптимизация) конструкции элементов оборудования, наиболее сильно подвергающихся воздействию твердых частиц, с целью сведения к минимуму контакта жидкого потока, содержащего абразив, с рабочей поверхностью.
4. Очистка воды. Предварительное удаление абразива из водного потока до подачи его в оборудование. Здесь возможна фильтрация, осаждение в водосборниках и другие способы.

Эффективная защита от гидроабразивного износа позволяет заметно увеличить срок службы дорогостоящего водопроводного, насосного, топливного оборудования и трубопроводов, снизить расходы на их приобретение, ремонт и монтаж.