Systemy z medium powietrznym

W systemach z medium powietrznym nośnikiem materiału ściernego, wykorzystywanym do rozpędzania cząstek stałych jest sprężone powietrze. Wartość ciśnienia powietrza wpływa na prędkość ścierniwa, które oddziałuje na badany obiekt. Prędkość mieszaniny jest jednym z głównych czynników, który wpływa na intensywność zużywania erozyjnego. Dlatego ważną kwestią jest możliwość dokładnego sterowania ciśnieniem powietrza, z wykorzystaniem cyfrowych regulatorów ciśnienia. Istotna jest również jakość powietrza wykorzystywanego w testach, ponieważ powietrze zanieczyszczone, o dużej wilgotności może zaburzać proces dozowania materiału ściernego. W celu odwzorowania rzeczywistych warunków eksploatacji materiałów oraz międzylaboratoryjnej weryfikacji wyników badań urządzenia z medium powietrznym powinny zapewnić precyzyjne sterowanie parametrami procesu erozji oraz stabilne warunki badań.

Stanowisko (rys. 22) zaprezentowane w [104], [105], [177] umożliwia przeprowadzanie testów zużycia erozyjnego w temperaturze pokojowej. Materiał ścierny grawitacyjnie opada na tarczę stołu obrotowego i jest zasysany rurą ssącą. Ilość dozowanego materiału ściernego, zależy od prędkości obrotowej tarczy oraz prędkości strugi powietrza, która zasysa erodent z tarczy. W badaniach normatywnych istotne jest dokładne dozowanie materiału ściernego

±0,5 g/min. Zaprezentowane stanowisko nie daje możliwości przeprowadzania badań

233 E. Huttunen-Saarivirta, M. Honkanen, S.A. Tsipas, H. Omar, D. Tsipas: Microstructure and elevated-temperature erosion-oxidation behaviour of aluminized 9Cr-1Mo Steel. Applied Surface Science 259, 2012, s. 674–684.

234 D. K. Goyal, H. Singh, H. Kumar, V. Sahni: Slurry erosion behaviour of HVOF sprayed WC–10Co–4Cr and Al2O3+13TiO₂ coatings on a turbine steel. Wear 289, 2012, s. 46–57.

235 W. Wan, J. Xiong, Z. Guo, L. Tang, H. Du: Research on the contributions of corrosion, erosion and synergy to the erosion–corrosion degradation of Ti(C,N)–based cermets. Wear 326–327, 2015, s. 36–43.

93

normatywnych, nie tyko w odniesieniu do precyzyjnego dozowania erodenta, ale również ze względu na rodzaj zastosowanej dyszy, której średnica wewnętrzna wynosi 4,7 mm, a długość 260 mm.

Rys. 22. Schemat stanowiska do badania erozji uderzeniowej wywoływanej strugą mieszaniny ścierniwa i materiału ściernego

Źródło: opracowanie własne na podstawie [104].

Stanowisko badawcze (rys. 23) opracowane przez A.W. Mombera różni się od uprzednio opisanego systemem podawania ścierniwa. Aparatura jest wykorzystywana do badania betonu oraz geomateriałów takich jak granit oraz wapień. Wyposażona jest w dwa moduły dozowania materiału ściernego: gruboziarnistego oraz drobnoziarnistego.

Zakres wielkości cząstek materiału ściernego, jaki można stosować, zawiera się w granicach 0,3÷0,6 mm. Materiałem ściernym stosowanym w testach jest kwarc o sferycznych ziarnach.

W celu precyzyjnego dozowania ścierniwa drobnoziarnistego dozownik wyposażono we wstrząsarkę, która zapewnia płynne przemieszczanie się ścierniwa przez przewężenie do głównego przewodu powietrznego. W sekcji wlotowej materiał ścierny łączy się ze sprężonym powietrzem, następnie powstała mieszania przemieszcza się w lufie.

W celu zwiększenia prędkości strugi średnica wewnętrzna zmniejsza się w kierunku wylotu z lufy. Prędkość strugi zmienia się wraz ze wzrostem ciśnienia powietrza. Zakres prędkości mieszaniny, jaki można uzyskać zawiera się w przedziale 40–140 m/s. Wewnętrzna średnica

ścierniwo

zasobnik ścierniwa

rura ssąca

kierunek obrotu tarczy

tarcza wlot cząsteczek ściernych

”T” przyłącze (eżektor) rurka Venturiego (wlot powietrza)

pozycjoner próbki

próbka

szklana dysza

wspornik próbki

komora pomiarowa

94

dyszy przy wylocie wynosi 10 mm, natomiast odległość od próbki 80 mm. Urządzenie nie posiada możliwości zmiany kąta pochylenia próbki, który wynosi 90°²³⁶.

Rys. 23. Schemat stanowiska do badania erozji uderzeniowej, opracowanej w Cavendish Laboratory, University of Cambridge

Źródło: opracowanie własne na podstawie [131].

Stanowisko (rys. 24) zaprezentowane w [186] wykorzystywane jest do badania odporności erozyjnej przewodów powietrznych o średnicy 100 mm. Badania realizowane są w temperaturze pokojowej, materiałem ściernym wykorzystywanym do badań jest piasek szklany o gramaturze 50÷500 µm. Przepływ powietrza w urządzeniu wymuszany jest przez dmuchawę. Do komory mieszania zasysane jest powietrze oraz materiał ścierny, który dawkowany jest z cyklonu przez zawory kontrolne. Powstała mieszanina eroduje odcinek testowy rurociągu, następnie cząstki stałe opadają do cyklonu. Materiał ścierny przepływa w obiegu zamkniętym, natomiast powietrze pobierane i odprowadzane jest z zewnątrz urządzenia. Maksymalna wartość prędkość strugi mieszaniny powietrza i materiału ściernego wynosi 80 m/s²³⁷.

236 A.W. Momber: Effects of target material properties on solid particle erosion of geomaterials at different impingement velocities. Wear 319, 2014, 69–83.

237 J. Wu, L.J.W. Graham, D. Lester, C.Y. Wong, T. Kilpatrick, S. Smith, B. Nguyen: op. cit., s. 598–605.

osuszone powietrze oscylator transporter

taśmowy erodent (gruboziarnisty)

erodent (drobnoziarnisty)

wlot ścierniwa lufa

komora pomiarowa próbka

wyciąg ścierniwa

95 Rys. 24. Schemat stanowiska eksperymentalnego Źródło: opracowanie własne na podstawie [186].

W kraju opracowano kilka stanowisk badawczych: na Politechnice Śląskiej (rys. 25a), Politechnice Białostockiej (rys. 25b) oraz Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie (rys. 25c). Są to stanowiska o niezbyt złożonej konstrukcji, przystosowanej do indywidualnych wymagań badaczy. Zasadnicze różnice pomiędzy nimi wynikają z zastosowanych systemów dozowania. W aparaturze opracowanej na Politechnice Białostockiej w systemie dozowania ścierniwa wykorzystywany jest efekt Venturiego.

Rozwiązanie pozwala na niezależne sterowanie prędkością strugi powietrza i ilością dozowanego ścierniwa. Struga sprężonego powietrza zasysa materiał ścierny z zasobnika.

Następnie struga materiału ściernego i powietrza wypływa z dyszy i oddziałuje na badaną próbkę. W stanowisku zbudowanym na Akademii Górniczo-Hutniczej erodent opada grawitacyjnie do przewodu powietrznego, w którym łączy się ze strugą sprężonego powietrza.

Powstała mieszanina jest rozpędzana w dyszy, która umieszczona jest w pozycji poziomej.

Najbardziej zaawansowany konstrukcyjnie jest dozownik w stanowisku opracowanym na Politechnice Śląskiej. Ścierniwo z zasobnika wypływa z dyszy na obrotową tarczę, następnie zgarniacz zsuwa materiał ścierny do komory mieszania.

odcinek testowy

dmuchawa cyklon

zawory kontrolne

wlot powietrza

komora mieszania wylot powietrza

96

Rys. 25. Stanowiska eksperymentalne: a) Politechnika Śląska, b) Politechnika Białostocka, c) Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Źródło: opracowanie własne.

Do kolejnej grupy aparatury stosowanej w badaniach erozyjnych można zaliczyć urządzenia komercyjne umożliwiające realizację badań w temperaturze pokojowej.

Urządzenie K 93700 firmy KOEHLER Instrument (rys. 26), wyposażone jest w zestaw sześciu stolików do mocowania próbek. Stoliki umożliwiają ustawienie badanych próbek pod kątem 15°, 30°, 45°, 60°, 75° oraz 90°. Istotne jest odpowiednie przygotowanie próbek, które przed przystąpieniem do testów poddawane są badaniom mikrotwardości. Pomiary przeprowadzane są w czterech różnych punktach. W celu zapewnienia jednolitej chropowatości powierzchni (poniżej 1 µm), próbki są polerowane papierem ściernym o rozmiarze ziarna 400. Następnie oczyszczane w myjce ultradźwiękowej przez 10 minut, suszone, po czym ważone z dokładnością 1 mg.

W urządzeniu do podawania materiału ściernego wykorzystywany jest podajnik taśmowy, który umożliwia dozowanie erodenta w zakresie 1÷5 g/min. Wydatek regulowany jest prędkością obrotową napędu podajnika. Materiał ścierny z zasobnika opada grawitacyjnie na pas transportera taśmowego, który dozuje ścierniwo do komory mieszania. W komorze erodent łączy się ze sprężonym powietrzem, następnie powstała mieszanina przepływa przez dysze i eroduje badaną próbkę materiału. Prędkość strugi jest regulowana poprzez zmianę wartości ciśnienia powietrza za pomocą pokrętła. Zakres prędkości strugi, w jakim można realizować badania, zawiera się w zakresie 30÷100 m/s. Urządzenie wyposażone jest w jeden

a) b) c)

97

filtr powietrza, natomiast nie posiada osuszacza powietrza, który zapewniałby odpowiednią wilgotność powietrza wpływającego na dokładność dozowania materiału ściernego²³⁸.

Rys. 26. Urządzenie do badania erozji uderzeniowej wywoływanej oddziaływaniem mieszaniny materiału ściernego i powietrza: a) schemat ideowy urządzenia [117], b) zdjęcie urządzenia firmy KOEHLER Instrument, c) widok komory mieszania oraz wspornika próbek

System do badania zużycia erozyjnego (rys. 27) zaprojektowany i wykonany w National University of Singapore wyposażony jest w sprężarkę powietrza o dużej pojemności. Zastosowana sprężarka GXe22 Atlas Copco posiada zbiornik o pojemności 500 l i może pracować przy maksymalnym ciśnieniu roboczym 13 barów. W celu zapewnienia wysokiej klasy czystości powietrza wykorzystywanego do testów powietrze wprowadzane do urządzenia przepływa przez zestaw filtrów oraz osuszacz powietrza. Urządzenie umożliwia precyzyjne sterowanie prędkością przepływu powietrza za pomocą cyfrowego regulatora ciśnienia oraz miernika przepływu FOX. System zapewnia maksymalną prędkość przepływu 3Ma. Zasobnik materiału ściernego może maksymalnie zawierać do 10 kg ścierniwa, dodatkowo wyposażony jest w funkcję ciśnienia zwrotnego, która kontroluje dozowanie materiału ściernego w sposób ciągły. Mieszanina powietrza i ścierniwa jest przyspieszana w rurze o długości jednego metra i średnicy 8 mm, zakończonej dyszą

238 J. Malik, I.H. Toor, W.H. Ahmed, Z.M. Gasem, M.A. Habib, R. Ben-Mansour, H.M. Badr: Evaluating the Effect of Hardness on Erosion Characteristics of Aluminum and Steels. Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 23(6), 2014, s. 2274–2282.

a) zasobnik b) c)

ścierniwa

napęd podajnika

podajnik ścierniwa sprężarka

zawór kontroli ciśnienia powietrza rura

redukcyjna

komora mieszania

dysza

próbka wspornik próbki

98

z węglika boru. Wspornik próbki umożliwia zmianę kąta pochylenia próbki względem osi dyszy, dodatkowo odległość próbki od dyszy może być regulowana²³⁹.

Rys. 27. Schemat stanowiska do badania erozji szlamowej Źródło: opracowanie własne na podstawie [135].

Na rynku dostępna jest także grupa urządzeń do badania erozji uderzeniowej w temperaturze pokojowej, której zasada działania i budowa jest prawie identyczna: FALEX (rys. 28a), Solotest (rys. 28b) oraz GE Aircraft Engines (rys. 28c). Aparatura wyposażona jest w zasobnik materiału ściernego, dozownik, komorę mieszania, komorę pomiarową wyposażoną w uchwyt do mocowania próbek, z możliwością zmiany kąta pochylenia próbki względem osi dyszy. Różnice w budowie urządzeń wynikają z zastosowanych systemów dozowania. Urządzenia firmy FALEX oraz Sollotest wyposażone są w precyzyjne dozowniki ścierniwa, natomiast aparatura firmy GE posiada zasobnik ścierniwa, którego materiał ścierny zasysany jest przez strugę sprężonego powietrza. Dozownik ścierniwa zastosowany przez GE, umożliwia stosowanie materiałów ściernych o zróżnicowanej gramaturze, jednak charakteryzuje się niską precyzją dozowania. W przypadku urządzenia firmy FALEX system skalibrowany jest do dozowania tylko tlenku glinu o gramaturze 50 µm, co umożliwia realizację badań normatywnych. Dodatkowo urządzenia (rys. 28a oraz rys. 28c) wyposażone

239 Q.B. Nguyen, V.B. Nguyen, C.Y.H Lim, Q.T. Trinh, S. Sankaranarayanan, Y.W. Zhang, M. Gupta: Effect of impact angle and testing time on erosion of stainless steel at higher velocities. Wear 321, 2014, 87–93.

komora pomiarowa regulator przepływu

przekaźnik czasowy

regulator ciśnienia zasobnik ścierniwa

rura akceleracyjna

automatyczny stabilizator ciśnienia

regulator ścierniwa

sprężarka zasobnik

zużytego ścierniwa wizjer

99

są w okna optyczne, które umożliwiają obserwację erodowanej próbki bez konieczności otwierania komory pomiarowej. Najbardziej zaawansowane konstrukcyjnie jest urządzenie firmy FALEX, które posiada możliwość zmiany odległości dyszy od próbki w zakresie 1,9÷24,4 mm. System wyposażony jest w cyfrowy regulator ciśnienia, który umożliwia precyzyjne sterowanie prędkością strugi ścierniwa²⁴⁰.

Rys. 28. Urządzenia komercyjne do badania zużycia erozyjnego w temperaturze pokojowej: a) FALEX [201], b) Solotest [145], c) GE Aircraft Engines [190]

Schemat systemu do badania zużycia erozyjnego w podwyższonych temperaturach opracowany przez S. Sharma [156] zaprezentowano na rysunku 29.

Aparatura jest wyposażona w moduł dozowania, komorę mieszania, osadnik zużytego materiału ściernego oraz komorę pomiarową wyposażoną w piec oporowy.

Komora grzewcza umożliwia nagrzewanie próbek do zadanej temperatury oraz stabilizację temperatury próbek podczas wygrzewania. W urządzeniu nie jest nagrzewana mieszanina materiału ściernego i sprężonego powietrza, która jest wprowadzana do komory pomiarowej.

Podczas procesu erodowania nieogrzana struga mieszaniny obniża temperaturę próbek, co może wpływać na wyniki zużycia erozyjnego²⁴¹.

240 A. Zbrowski, W Mizak: op. cit. s. 235–250; E. Prestes, J. Medeiros, D.T. Gomes, J.L.B.C. Veiga, V.C.Pandolfelli: op. cit., s. 57, http://www.bluesphere.be/images/sites/114/editor/files/FalexAirJetErosion.pdf.

241 S. Sharma: Erosive Wear Study of Rare Earth-Modified HVOF-Sprayed Coatings Using Design of Experiment. Journal of Thermal Spray Technology Vol. 21(1), 2012, s. 99.

a) b) c)

100

Rys. 29. Schemat urządzenia do badania erozji uderzeniowej w warunkach wysokotemperaturowych opracowanego przez S. Sharmę

Źródło: opracowanie własne na podstawie [156].

Schemat stanowiska GW/CS-MS opracowanego przez Y. Wanga [181] do badania zużycia erozyjnego w podwyższonej temperaturze przedstawiono na rysunku 30.

Urządzenie wykorzystywane jest do symulowania środowiska pracy rur w kotle fluidalnym.

W opracowanej aparaturze piec oporowy ogrzewa do zadanej temperatury równocześnie próbkę oraz mieszaninę ścierniwa i powietrza, przepływającą przez przewody powietrzne.

Badania temperaturowe można realizować w zakresie temperatur 20÷650°C.

Urządzenie umożliwia zmianę kąta pochylenia próbki w zakresie 30÷90°. Wartość zużycia określana jest ubytkiem masy próbki, która ważona jest przed i po przeprowadzeniu testu z dokładnością 0,1 mg. Zużycie wyznaczane jest na podstawie przeprowadzenia pięciu testów, z których obliczana jest wartość średnia²⁴².

242 Y. Wang, C. Sun, J. Sun, W. Zhao, L. Dong, L. Li, F. Meng: Erosion behavior of arc sprayed FeTi/CrB MMC coating at elevated temperature. Surface & Coatings Technology 262, 2015, s. 100.

lej

101

Rys. 30. Schemat stanowiska GW/CS-MS do badania erozji w podwyższonych temperaturach opracowanego przez Y. Wanga

Źródło: opracowanie własne na podstawie [181].

Urządzenie opracowane przez L. Caia [27] umożliwia realizację badania zużycia erozyjnego elementów turbiny parowej w elektrowni, w podwyższonych temperaturach.

System (rys. 31) pozwala na przeprowadzanie testów w zakresie temperatur 20÷700°C, z maksymalną prędkością strugi 420 m/s oraz możliwością regulacji kąta pochylenia próbki względem osi dyszy 12÷90°. Materiałem ściernym wykorzystywanym w testach jest tlenek żelaza o średnicy ziarna 42 µm, co odpowiada średnicy cząstek stałych tlenków żelaza występujących w elektrowni. System składa się z trzech głównych modułów: dozowania materiału ściernego, instalacji gazowej wysokiej temperatury, systemu kontroli erozji badanej próbki. Powietrze ze sprężarki o przepływie 10 Nm³/min ogrzewane jest w komorze spalania.

Następnie strumień gazu o wysokiej temperaturze rozdzielany jest na dwa przewody powietrzne. Gaz jednym rurociągiem wpływa do komory pomiarowej, gdzie ogrzewa próbki.

Natomiast z drugiego rurociągu wpływa do dyszy. Erodent dozowany jest przez podajnik śrubowy do przewodu wtórnego powietrza, następnie przepływa przez gardziel dyszy i łączy się z gorącym powietrzem. Jednorodna mieszanina cząstek stałych oraz powietrza przyspieszana jest w dyszy, po czym oddziałuje na badaną próbkę.

Pomiar prędkości strugi ścierniwa realizowany jest przez system PIV (Particle Velocity Imaging). Strumień przepływającej mieszaniny oświetlony jest wiązką lasera. W wyniku przecięcia wiązki lasera oraz strugi mieszaniny ścierniwa i powietrza powstaje płaszczyzna,

zasobnik materiału ściernego

rura spustowa

piec oporowy

dysza

próbka rura wydechowa

rura wstępnego ogrzewania powietrza

termoelement

trzpień regulujący przepływ ścierniwa

komora mieszania

termoelement

102

której obraz jest rejestrowany kamerą skierowaną prostopadle do płaszczyzny. Następnie na podstawie przeprowadzonej analizy obrazu wyznaczona jest prędkość cząstek ściernych²⁴³.

Rys. 31. Schemat stanowiska do badania erozji szlamowej Źródło: [27].

Urządzenie firmy Solotest z Brazylii (rys. 32), dedykowane jest bo badania materiałów ogniotrwałych wykorzystywanych w przemyśle petrochemicznym, głównie dla materiałów stosowanych w cyklonach oraz jednostkach fluidalnego krakingu katalitycznego.

Urządzenie składa się z modułu wstępnego ogrzewania powietrza, zespołu czterech dysz, komory pomiarowej oraz panelu sterowania. System umożliwia badania wysokotemperaturowe do 1000°C. Sprężone powietrze wprowadzane do układu jest rozdzielane na zestaw czterech przewodów powietrznych. W komorze wstępnego ogrzewania powietrza, na każdej z czterech rur zainstalowane są grzałki oporowe, które ogrzewają przepływające powietrze. Następnie powietrze wprowadzane jest do dyszy, gdzie łączy się z materiałem ściernym. W celu zapewnienia stabilności wymiarów dyszy w warunkach wysokotemperaturowych, dysza zakończona jest rurką ceramiczną, która wykorzystywana jest tylko raz. Po przeprowadzeniu testu wkładka ceramiczna jest wymieniana na nową.

Komora wyposażona jest w zestaw czterech dysz i stolików z próbkami. Podczas testów próbki nie są erodowane równocześnie, po zakończeniu badań na jednej próbce erodowane są następne zamocowane pod kolejnymi dyszami. Zaletą aparatury jest wygrzewanie w komorze pomiarowej czterech próbek równocześnie, co znacznie skraca czas realizacji testów

103

w podwyższonych temperaturach. Ponieważ nie ma opracowanych standardów do wysokotemperaturowych badań zużycia erozyjnego, aparatura jest kalibrowana w temperaturze pokojowej przed badaniami. Wadą urządzenia jest brak zasobnika zużytego materiału ściernego. Po procesie erodowania cząstki materiału ściernego razem z cząstkami badanych próbek pozostają w komorze pomiarowej. Podczas badania struga mieszaniny sprężonego powietrza i ścierniwa podrywa z dna komory pomiarowej zużyte ścierniwo oraz cząstki erodowanego materiału, które mogą się osadzać lub erodować badaną próbkę.

Proces ten może wystąpić szczególnie podczas testów wysokotemperaturowych.

Osadzanie się materiału ściernego na próbce uniemożliwia poprawną ocenę zużycia erozyjnego testowanego materiału.²⁴⁴

Rys. 32. Schemat stanowiska do badania erozji szlamowej Źródło: [145].

Na rynku światowym dostępne są również urządzenia komercyjne do badania zużycia erozyjnego w podwyższonych temperaturach (rys. 33): firmy Magnum, Ducom oraz KOEHLER Instrument. Systemy umożliwiają badania wysokotemperaturowe w pojedynczym cyklu badawczym na jednej próbce. Prezentowana aparatura daje możliwość sterowania wydatkiem materiału ściernego, temperaturą próbki, kątem pochylenia próbki względem osi dyszy oraz prędkością strugi. Jednym z głównych czynników wpływających na intensywność zużywania erozyjnego jest prędkość strumienia mieszaniny ścierniwa i powietrza. Wadą prezentowanej aparatury jest brak cyfrowych regulatorów ciśnienia sprężonego powietrza. Prędkość strugi mieszaniny uzależniona jest od wartości ciśnienia,

244 E. Prestes, J. Medeiros, D.T. Gomes, J.L.B.C. Veiga, V.C. Pandolfelli: op. cit., s. 2611–2617.

moduł

104

dlatego istotne jest precyzyjne i powtarzalne ustalanie wartości ciśnienia powietrza.

Zasadnicze różnice w konstrukcji urządzeń wynikają z budowy komory pomiarowej.

W urządzeniu firmy KOEHLER komora termiczna ma kształt cylindra. Centralnie w osi komory umieszczona jest badana próbka. Przed zamocowaniem obiektu badań na stoliku pomiarowym komora za pomocą siłowników jest podnoszona, po ustaleniu pozycji próbki komora jest opuszczana.

Rys. 33. Urządzenia komercyjne do badania erozji uderzeniowej w podwyższonych temperaturach: a) firmy Magnum [205], b) firmy KOEHLER Instrument [172], c) firmy DUCOM [156]

Na podstawie przeprowadzonej analizy systemów do badania zużycia erozyjnego z medium powietrznym można zauważyć, że większość opracowanych systemów dedykowana jest do badań konkretnych elementów, materiałów, eksploatowanych w ściśle zdefiniowanych warunkach. Brakuje natomiast aparatury, która umożliwi realizację badania zużycia erozyjnego materiałów w szerokim zakresie parametrów z możliwością przeprowadzania testów na kilku próbkach w pojedynczym cyklu badawczym.

W dokumencie PRACA DOKTORSKA (Stron 92-104)