Erozja uderzeniowa wywoływana oddziaływaniem cząstek stałych

Zużycie erozyjne materiałów jest jednym z najczęściej spotykanych problemów eksploatacyjnych w urządzeniach i instalacjach przemysłowych. Erozja uderzeniowa jest procesem stopniowej utraty materiału z powierzchni na skutek wielokrotnych i powtarzających się oddziaływań cząstek materiału ściernego zawartych w strumieniu gazu⁷⁰. Degradacja elementów maszyn, urządzeń oraz instalacji przemysłowych wywołana erozją jest przyczyną strat ekonomicznych wynikających z nieplanowanych przerw w procesach produkcyjnych, spowodowanych m.in. losowymi awariami. Uszkodzeniu ulegają elementy konstrukcyjne, takie jak wentylatory⁷¹, rurociągi, zawory⁷², łopatki turbin wiatrowych oraz łopatki silników odrzutowych (rys. 2)⁷³. Zużycie erozyjne jest poważnym problemem w wielu rozwiązaniach inżynierskich, między innymi w kotłach fluidalnych, w transporcie pneumatycznym podczas przesyłania sproszkowanego węgla. W krajach uprzemysłowionych następuje dynamiczny rozwój badań z zakresu erozji uderzeniowej, w celu ograniczenia negatywnego oddziaływania erozji na materiały konstrukcyjne i funkcjonalne. Precyzyjna

65 B. Saleh, S.M. Ahmed: Slurry Erosion–Corrosion of Carburized AISI 5117 Steel. Tribol Lett 51, 2013, s. 135–142.

66 H.S. Grewal, A. Agrawal, H. Singh: Design and Development of High-Velocity Slurry Erosion Test Rig Using CFD. Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 22(1) January 2013, s. 152–161; M.G. Lipsett, V. Bhushan: Modeling Erosion Wear Rates in Slurry Flotation Cells. Journal of Failure Analysis and Prevention 12, 2012, s. 51–65.

67 J. K. Choi, A. Jayaprakash, G.L. Chahine: Scaling of cavitation erosion progression with cavitation intensity and cavitation source. Wear 278-279, 2012, s. 53–61.

68 C. Liu, J. Li, H. Chen: Cavitation Erosion on Solid Polymers of Polytetrafluoroethelyene. Tribol Lett 47, 2012, s. 17–20.

69 M. Dojčinović: Comparative cavitation erosion test on steels produced by ESR and AOD refining. Materials Science-Poland, 29(3), 2011, s. 216–222.

70 L. Ćurković, I. Kumić, K. Grilec: op. cit., s. 29–35; H. Ashrafizadeh, F. Ashrafizadeh: A numerical 3D simulation for prediction of wear caused by solid particle impact. Wear 276-277, 2012, s. 75–76.

71 T. Jin, K. Luo, J. Fan, J. Yang: Immersed boundary method for simulations of erosion on staggered tube bank by coal ash particles. Powder Technology 225, 2012, s. 196–197.

72 G.W. Stachowiak, A.W. Batchelor: op. cit.

73 A. Patnaika, A. Satapathyb, N. Chandc, N.M. Barkoulad, S. Biswasb: Solid particle erosion wear characteristics of fiber and particulate filled polimer composites: A review. Wear 268, 2010, s. 249–250.

34

identyfikacja mechanizmu zużywania erozyjnego umożliwia skuteczne zapobieganie destrukcji materiałów, elementów maszyn i urządzeń⁷⁴.

a) b)

Rys. 2. Przykłady zużycia elementów maszyn wywołanego erozją uderzeniową: a) łopata elektrowni wiatrowej [202], b) łopatki turbiny gazowej [203]

Erozja uderzeniowa jest złożonym zjawiskiem, które obejmuje kilka procesów.

Główną przyczyną niszczenia materiałów jest oddziaływanie mechaniczne cząstek erozyjnych na powierzchnię ciała stałego. Podczas zużywania zachodzą również procesy wtórne, reakcje termiczne, chemiczne i fizyczne⁷⁵. Cząstki twarde porywane przez gaz mogą być przyspieszane lub opóźniane, a struga gazu może zmienić kierunki ruchu cząstek⁷⁶. Główne parametry wpływające na intensywność zużywania wywołanego erozją uderzeniową to: właściwości materiału ściernego, kształt, wielkość, koncentracja cząstek erozyjnych w strudze gazu, kąt padania cząstek oraz temperatura powietrza. Na podstawie wyników badań odporności erozyjnej materiałów stwierdzono, że istotna jest korelacja między warunkami, w jakich przebiega proces erozji oraz właściwościami erodowanych materiałów⁷⁷. Niektóre materiały mogą wykazywać dobre właściwości przeciwzużyciowe dla małych kątów uderzenia cząstek materiału ściernego, natomiast intensywnie erodować, przy dużych kątach lub odwrotnie⁷⁸. Zużycie wywołane erozją uderzeniową następuje przez odkształcenia plastyczne i kruche pękanie, w zależności od materiału i parametrów procesu erozji⁷⁹. W materiałach kruchych, takich jak ceramika, szkło pod wpływem oddziaływania cząstek erodenta na powierzchnię materiału, występują pęknięcia, szczeliny, a następnie

74 B. A. Uryukov, G. V. Tkachenko: Theory and technology of sintering, thermal and chemicothermal treatment.

Semiemoirical erosion model of plastic materials in a stream of solid particles. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, Vol. 49, Nos. 9-10, 2011, s. 581–587.

75 A. Patnaika, A. Satapathyb, N. Chandc, N.M. Barkoulad, S. Biswasb: op. cit., s. 249–250.

76 G.W. Stachowiak, A.W. Batchelor:… op. cit.

77 A. Patnaika, A. Satapathyb, N. Chandc, N.M. Barkoulad, S. Biswasb: op. cit., s. 249–250.

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

79 G.W. Stachowiak, A.W. Batchelor: op. cit.

35

złuszczenia i odpryski. Powstałe złuszczenia są usuwane z powierzchni materiału poprzez wielokrotne i intensywne uderzenia strumienia gazu oraz cząstek ścierniwa. W materiałach plastycznych (metale) degradacja powierzchni następuje na skutek odkształceń plastycznych, następnie krateracji lub nacinania⁸⁰. Wielkość, postać odkształcenia plastycznego oraz ilość materiału usuwanego podczas uderzenia cząstek o powierzchnię, zależy głównie od kształtu ziaren erodenta⁸¹. Intensywność zużywania erozyjnego wynika również ze sprzężenia zwrotnego pomiędzy powierzchnią materiału erodowanego, polem przepływu płynu oraz cząstkami stałymi. Na skutek oddziaływania ścierniwa na powierzchnię materiału powstają wżery, które wywołują lokalne wiry w strudze powietrza. Powstałe zawirowania powodują przyspieszone zużycie erozyjne, powstają nowe kratery, a następnie zagłębienia w powierzchni materiału (rys. 3)⁸².

Rys. 3. Wpływ przepływu turbulentnego na zużywanie erozyjne Źródło: opracowanie własne na podstawie [163].

W celu zrozumienia i przewidywania procesu zużywania oraz projektowania materiałów odpornych na erozję uderzeniową niezbędne jest opracowanie dedykowanych modeli procesów erozyjnych⁸³. Wraz z dynamicznym rozwojem technik komputerowych metody numeryczne są wykorzystywane w celu modelowania erozji uderzeniowej oraz symulowania przepływu gazów oraz ciał stałych⁸⁴. Numeryczne symulacje oddziaływania erozji uderzeniowej na powierzchnię materiału obejmują następujące zasadnicze aspekty: rozmieszczenie cząstek stałych w strudze gazu, dynamikę przepływu strugi, złożoność geometrii elementów lub instalacji poddawanych erozji oraz modele zderzenia cząstek ścierniwa z powierzchnią erodowaną⁸⁵. Modelowanie kształtu oraz kąta

80 B. A. Uryukov, G. V. Tkachenko: op. cit., s. 581–587.

81 G.W. Stachowiak, A.W. Batchelor: op. cit.

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

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

84 Z. Lin, X. Ruan, Z. Zhua, X. Fua: Numerical study of solid particle erosion in a cavity with different wall heights. Powder Technology 254, 2014, 150–151.

85 T. Jin, K. Luo, J. Fan, J. Yang: op. cit., s. 196–197.

Krater Przepływ turbulentny

Podłoże

Kierunek przepływu strugi ścierniwa

36

uderzenia cząsteczek erodenta jest konieczne w celu uzyskania lepszego zrozumienia mikromechanizmów odpowiedzialnych za usuwanie materiału podczas erozji uderzeniowej.

Większość modeli opisujących ubytki materiału spowodowane oddziaływaniem cząstek wykorzystuje jeden reprezentatywny kształt cząstek, najczęściej kulisty.

Modelowanie cząstek ściernych jest złożone, ze względu na ich różnorodność kształtu.

Trudnością jest znalezienie parametrów reprezentatywnych dla odpowiedniej formy ścierniwa, ograniczenia związane z pomiarami kształtów oraz brak odpowiednich technik klasyfikowania kształtu cząstek⁸⁶. Ze względu na złożoność procesu erozji uderzeniowej adekwatne modelowanie zjawiska oraz odwzorowanie rzeczywistych warunków eksploatacji materiałów jest utrudnione. W celu skutecznego przewidywania, zapobiegania lub ograniczania skutków erozji uderzeniowej niezwykle cenne jest połączenie wyników badań symulacyjnych oraz badań eksperymentalnych⁸⁷.