Erozja uderzeniowa wywołana odziaływaniem cieczy

W wyniku intensywnego uderzania kropel lub strugi cieczy o powierzchnię ciała stałego następuje degradacja materiału. Erozja wywołana jest skumulowanym odziaływaniem sił na powierzchnię materiału, które powodują odkształcenia plastyczne⁸⁸, generują wgłębienia, pęknięcia, zmatowienie powierzchni, utratę przepuszczalności optycznej oraz utratę masy erodowanego materiału⁸⁹. Odporność materiałów na erozję na ogół związana jest z właściwościami mechanicznymi badanego materiału: absorpcji energii, twardości, udarności, modułu sprężystości i wytrzymałości⁹⁰. Degradacja materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych spowodowana działaniem cieczy jest istotnym zagadnieniem, w różnych aplikacjach przemysłowych⁹¹.

Erozja rurociągów w elektrowniach jądrowych wywoływana odziaływaniem cieczy jest ważnym tematem z punktu widzenia niezawodności i zarządzania bezpieczeństwem elektrowni⁹². Wewnętrzne powierzchnie rur narażone są na uszkodzenie spowodowane

86 M. Takaffoli, M.Papini: Numerical simulation of solid particle impacts on Al6061-T6partI: Three-dimensional representation of angular particles. Wear 292–293, 2012, s. 100–101.

87 J.Z. Yang, M.H. Fang, Z.H. Huang, X.Z. Hu, Y.G. Liu, H.R. Sun, J.T. Huang, X.C. Li: op. cit., s. 283–289;

D.R. Lester, L.A. Graham, J. Wub: op cit., s. 449–457.

88 A. Sahaya Grinspana, R. Gnanamoorthyb: Impact force of low velocity liquid droplets measured using

piezoelectric PVDF film. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 356, 2010, s. 162–168.

89 J. Zhao, K.Chen, R. Liu, M. Liang: op. cit., s. 65–70.

90 N. Kamkar, F. Bridier, P. Bocher, P. Jedrzejowski: Water droplet erosion mechanisms in rolled Ti–6Al–4V.

Wear 301, 2013, s. 442–448.

91 S. Hattori, M. Kakuichi: op. cit., s. 1–7; N. Fujisawa, T. Yamagata, K. Saito, K. Hayashi: op. cit., s. 909–317.

92 S.A. Romoa, J.F. Santa, J.E. Giraldo, A. Toro: Cavitation and high-velocity slurry erosion resistance of welded Stellite 6 alloy. Tribology International 47, 2012, s. 16–24.

37

uderzeniami kropel cieczy lub pary, przy prędkości przepływu ponad 100 m/s⁹³. Degradacji ulegają szczególnie elementy rurociągów, w których następuje zmiana kierunku przepływu cieczy, takie jak łuki, kolana, trójniki lub elementy regulujące przepływ cieczy, kryzy i zawory (rys. 4)⁹⁴.

Erozja wywoływana odziaływaniem kropel cieczy uderzających z dużą prędkością o powierzchnię stanowi poważny problem w wielu aplikacjach: degradacja aerodynamicznych powierzchni kadłuba samolotu podczas lotów w trakcie burzy, przy dużych prędkościach poddźwiękowych lub naddźwiękowych, wirników śmigłowców⁹⁵. Erozja wywoływana kroplami wody jest znaczącym problemem w turbinach gazowych wyposażonych we wlot do zamgławiania, gdzie kropelki wody są rozpylane w celu ochłodzenia wpływającego do silnika powietrza⁹⁶.

a) b)

Rys. 4. Przykłady zużycia wywołanego oddziaływaniem cieczy: a) element rurociągu [200], b) rurki skraplacza [206]

Procesy technologiczne w systemach wykorzystujących ciekły metal jako ciecz roboczą, mogą także sprzyjać szybkiej erozji elementów. Zużywaniu ulegają elementy narażone na oddziaływanie pary wodnej zawierającej krople cieczy, między innymi łopatki w niskociśnieniowych turbinach parowych⁹⁷. Erozja łopatek turbiny parowej jest istotnym problemem w energetyce przemysłowej. Na podstawie wielu wyników badań, zidentyfikowano różne aspekty tego zagadnienia⁹⁸. Kluczowymi parametrami

93 N. Fujisawa, T. Yamagata, K. Hayashi, T. Takanoa: Experiments on liquid droplet impingement erosion by high-speed spray. Nuclear Engineering and Design 250, 2012, s. 101–107.

94 S. Hattori, M. Kakuichi: op. cit., s. 1–7; S. Hattori, M. Takinami: Comparison of cavitation erosion rate with liquid impingement erosion rate. Wear 269, 2010, s. 310–311.

95 N. Fujisawa, T. Yamagata, K. Saito, K. Hayashi: op. cit., s. 909–917.

96 N. Kamkar, F. Bridier, P. Bocher, P. Jedrzejowski: op. cit., s. 442–448.

97 N. Fujisawa, T. Yamagata, K. Hayashi, T. Takanoa: op. cit., s. 101–107.

98 N. Kamkar, F. Bridier, P. Bocher, P. Jedrzejowski: op. cit., s. 442–448; J. Zhao, K.Chen, R. Liu, M. Liang:

op. cit., s. 65–70; M. Ahmad, M. Schatz, M.V. Casey: op. cit., s. 83–86.

38

przyczyniającymi się do erozji łopatek są wielkość i prędkość kropli oraz prędkość obwodowa wirnika w miejscu uderzenia kropel. Spośród trzech najważniejszych parametrów, precyzyjnie można określić tylko rzeczywistą prędkość łopatek, podczas gdy wielkość kropli i ich prędkość są niezwykle trudne do zmierzenia, dlatego mogą zostać jedynie wyznaczone na podstawie modeli teoretycznych. Na podstawie badań przeprowadzonych w The Institute of Thermal Turbomachinery and Machinery Laboratory (ITSM) Stuttgart, eksperymentalnie udowodniono, że wielkość kropli znacząco wpływa na erozję łopatek turbiny niskiego ciśnienia pary wodnej. Wraz ze wzrostem wielkości kropel wody zwiększa się prędkość zużywania. Wielkość siły wywołującej odkształcenie na powierzchni podczas uderzenia kropli nie są jeszcze w pełni wyjaśnione. Wynika to głównie z powodu przejściowego charakteru zjawiska oraz trudności w pomiarze czasu oddziaływania⁹⁹.

W trakcie uderzenia cieczy o powierzchnię następuje deformacja kształtu kropel.

Odkształcenie kropli wywołuje lokalny wzrost ciśnienia wytwarzający falę uderzeniową, która po odbiciu od powierzchni przekształca się w strumień. Maksymalna prędkość odbitej strugi jest około 10 razy większa niż prędkość uderzenia kropel cieczy.

Ciśnienie wytwarzane przez falę uderzeniową jest proporcjonalne do prędkości kropel¹⁰⁰. Niektórzy badacze [69, 153, 154] wskazują, że materiały zachowują się identycznie, jak również uszkodzenia są podobne, zarówno pod wpływem uderzenia kropel cieczy jak i erozji kawitacyjnej. W obu przypadkach powierzchnia materiału jest degradowana przez fale ciśnienia powstającego podczas uderzenia przez mikropęcherze powietrza w kawitacji oraz przez drobne krople w erozji wywołanej oddziaływaniem cieczy¹⁰¹. Prędkość uderzenia, średnica i liczba kropel¹⁰², napięcie powierzchniowe oraz gęstość cieczy są głównymi parametrami, które wpływają na siłę uderzenia¹⁰³. Fizyczny mechanizm uderzenia kropel cieczy nie został jeszcze w pełni wyjaśniony w związku z trudnościami w obserwacji zjawiska, które przebiega w ciągu mikrosekund¹⁰⁴.

Z powodu dużej liczby parametrów, które wpływają na proces erozji, opracowanie modeli analitycznych, które mogą odwzorować cały proces erozyjny, jest zadaniem trudnym do zrealizowania. Prowadzone są prace dotyczące opracowania modelu erozji, który umożliwi precyzyjne określenie głównych aspektów erozji, takich jak maksymalna szybkość utraty

99 S. Hattori, M. Kakuichi: op. cit., s. 1–7.

100 S.A. Romoa, J.F. Santa, J.E. Giraldo, A. Toro: op. cit., s. 16–24.

101 H.S. Grewal, H.Singh, A. Agrawal: Understanding Liquid Impingement erosion behaviour of nickel–alumina based thermal spray coatings. Wear 301, 2013, s. 414–433.

102 S.A. Romoa, J.F. Santa, J.E. Giraldo, A. Toro: op. cit., s. s. 16–24.

103 A. Sahaya Grinspana, R. Gnanamoorthyb: op. cit., s. 36.

104 S.A. Romoa, J.F. Santa, J.E. Giraldo, A. Toro: op. cit., s. s. 16–24.

39

masy oraz głębokość penetracji materiału. Aby przewidzieć reakcję materiału na erozję wywołaną oddziaływaniem cieczy, podejmowane są próby zdefiniowania relacji między odpornością na erozję i właściwościami mechanicznymi materiałów, takimi jak twardość, wytrzymałość na rozciąganie i odporność na kruche pękanie. Opracowanie modelu umożliwi przewidywanie zużywania się elementów instalacji przemysłowych, których monitorowanie podczas procesu produkcyjnego jest utrudnione lub niemożliwe¹⁰⁵.