Badanie nad doborem tworzyw do wytwarzania pomp wirnikowych, transportujących ciecze zanieczyszczone

(1)

Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ś L Ą S K I E J

23 Odlewnictwo 1 1960

W a cła w S akw a

B A D A N IE N A D DOBOREM TWORZYW DO W YTW ARZANIA PO M P W IRNIKOW YCH, TRANSPO RTUJĄCYCH CIECZE

ZANIECZYSZCZONE

STRESZCZENIE

Dobór tworzywa na pompy uzależniany jest przede wszystkim od rodzaju trnasportow anej cieczy. Przeprowadzone badania na specjalnym aparacie wykazały, że najlepszym stopem do wyrobu pomp wirowych transportujących odpady flota

cyjne są żeliwa i staliw a chromowe. Odporność ich w stosunku do odporności stali

wa 035L, dotychczas stosowanego w produkcji, jest dwa do trzech razy większa.

Ze względów ekonomicznych i technologicznych najracjonalniejszym do tych celów jest zastosowanie żeliwa średniochromowego (—' 4 % Cr).

1. W stęp

Dobór m ateriałów do w yrob u pom p p racujących w trudnych w arun

kach jest zagadnieniem , ze w zględ u na często bardzo krótką żyw otność tych m aszyn, bardzo w ażn ym dla przem ysłu. P om ijam tu całk ow icie za

gadnienia praw id łow ej konstrukcji, w łaściw ego doboru param etrów pracy, popraw nego m ontażu i dobrej ob słu gi pom py. P rob lem atyka ta bow iem n ależy do konstru ktorów a od lew n ik a -w yk on aw cę nie w iele już interesuje.

N iszczące działanie ośrodka p rzepływ ającego przez pom pę w irnikow ą m oże m ieć różny charakter. N ajogóln iej działanie to m ożna podzielić na trzy grupy. Są te: kaw itacja, korozja, erozja.

Znaczenie p rak tyczne tych zjaw isk dla ży w otn ości pomp jest zależne w p ierw szym rzędzie od rodzaju przetłaczanej cieczy (ciecze gorące, zam u

lane, agresyw n e pod w zględ em chem icznym , lep k ie czy ścierające) oraz w arun k ów pracy sam ej m aszyny.

K aw itacja (cavus = próżny, p usty, w ydrążony) polega na tw orzeniu się w obszarze ciek ły m p rzestrzen i w yp ełn ion y ch parą tej cieczy [1 ].

Z jaw isko to zaobserw ow ano po raz p ierw szy pod koniec u biegłego stu lecia, ale pom im o liczn ych i różnorodnych badań w laboratoriach w od

nych do dnia dzisiejszego nie w yjaśn ion o jeszcze p rzyczyn niszczenia ma

teriału pom py na sk utek k aw itacji. Stw ierdzono ty lk o w p ły w różnych czyn n ik ów na w ielk ość k aw itacji oraz określono odporność (względną)

(2)

110 W a cła w S a kw a

stopów m etalow ych na n iszczące działanie k aw itacji, czego ilustracją m oże być w ycin k ow y w y k res p rzed staw ion y na rys. 1 .

W pom pach w irow ych zjaw isko k aw itacji p ow staje w jej w nętrzu w d ow olnym punkcie w irnika, w k tórym ciśn ien ie cieczy spadnie poniżej ciśnienia pary nasyconej przy danej tem peraturze. W ów czas pow stają bardzo drobne pęcherze pary tej cieczy oraz rozpuszczonych w niej gazów . P ęcherzyk i te poryw ane są przez przepływ ającą ciecz do m iejsc o w y ż  szym ciśn ien iu , gdzie para p onow nie się skrapla. Skraplanie to odbyw a się dość gw ałtow n ie (czas skraplania t 0,003 sek) przy rów noczesnym bardzo dużym w zroście ciśn ien ia, które działa jak u derzenie w ódne. U d e

rzenia te następują szybko po sobie przy czym pęch erzyk i pary pękają zarówno w n ajb liższym sąsied ztw ie ak tyw n ej pow ierzchni, jak i w jej w głęb ien iach (porach, pęknięciach, rysach itp.), pow odując niszczące dzia

łan ie w łaśn ie w m iejscach n ajsłabszych. B om bardow anie pow ierzch ni od

lew u przez pękające p ęch erzyk i pary pow oduje drgania, które m ogą p rzy

bierać duże rozm iary i przenosić się aż na fun dam en ty.

O gólnie biorąc k aw itacji sprzyjają n astępujące okoliczności:

1. P rzekroczenie nom inalnej w yd ajn ości pom py.

2. G w ałtow ń e zm iany kierunku p rzep ływ u cieczy.

3. Z byt n isk ie ciśn ien ie w stosu nk u do ciśn ien ia parow ania cieczy przy danej tem peraturze.

4. W ady konstrukcyjne.

5. N ierów n a pow ierzchnia (pęcherze, pęknięcia, w żarcia itp.) w irnika.

Pom iar k aw itacji m ożna przeprow adzić różnym i sposobam i (np.

w sp ecjaln ych dyszach). Na podstaw ie w yn ik ó w ty ch pom iarów można ogólnie pow iedzieć, że zniszczenie k aw itacy jn e m ateriałów spada w ta z ze w zrostem jego w ytrzy m ałości na rozciąganie. W yjątek stanow ią tu staliw a au sten ityczne, które m im o stosu nk ow o niskiej w y trzy m a ło ści w yk azu ją dobrą odporność na kaw itację.

K orozja m etali w yw ołan a jest procesam i ch em iczn ym i i elek tro -ch e- m icznym i. D ziałanie k orozyjne przetłaczanej cieczy na części m etalow e pom py zależy od norm alnych czyn n ik ów w p ływ ający ch na przebieg reak

cji chem icznych, a m ianow icie: tem p eratu ry, ciśn ien ia i koncentracji.

K orozja m oże b yć rów ńież w y n ik iem in n ych czynników , jak np. n iejed n o

rodności chem icznej lub strukturalnej stopu, n iew łaściw ej napraw y wad od lew n iczych itp. K orozja jest zjaw iskiem pow szechn ie znanym , a m etod y jej pom iaru są u jęte u nas w norm y p ań stw ow e, d latego d okład niejszy opis tych zjaw isk jest w tym m iejscu zbędny.

Erozja części m etalow ych pomp polega na ścieraniu p ow ierzch ni ścian m etalow y ch przez ciała stałe i ciecze przepływ ające przez te pom py.

Erozja pomp, g łów n ie w irnika, je st w yn ik iem różnorodnego działania przepom pow yw anego ośrodka. D ziałanie erozyjn e różnych ośrodków m oż

na ująć w n astępujące punkty:

1 . uderzenie kroplow e, 2 . erozja piaskowa

a) ścieranie posuw iste, b) ścieranie strum ieniow e, c) ścieranie opłukujące.

U derzenia poszczególnych kropel, szczególn ie w części w iru jącej pom py, działają niszcząco w sposób m echaniczny, w y w o łu jąc na m ateriale

(3)

B adanie n a d doborem tw o r z y w do w y tw a rza n ia po m p w irn ik o w y c h m

m iejscow e dość duże naprężenia zm ienne. U derzające krople cieczy powto- dują w w irn ik u podobne naprężenia i zniszczenia, jak to ma m iejsce przy k aw itacji.

C elem ok reślen ia erozyjn ego w p ły w u uderzenia k roplow ego na po

szczególne rodzaje m ateriałów , z których w yk on u je się w irniki, przepro

w adzane są badania na próbkach m ocow anych na obw odzie w irującej tarczy, na którą puszcza się strum ień w ody.

Ta m etoda badań ze w zględ u na sw ą prostotę je st n ajczęściej stoso

w an ym spraw dzianem przydatności m ateriału do w yrob u pomp, tym w ięcej, że jak w yk azały dośw iadczenia m oże b yć ona rów nież m iernikiem odporności na działanie niszczące k aw itacji. M ateriały b ow iem odporne na działanie erozyjn e uderzeń k rop low ych są rów nież odporne na działanie kaw itacji, stąd podana próba spełnia w praktyce podw ójne działanie i d latego jest ona ch ętn ie stosow ana.

N iszczące działanie erozyjn e na pom py w yw iera sam p rzep ły w trans

portow anej cieczy. Z agadnienie erozji znacznie się jeszcze kom plikuje w w ypadkach, gd y ciecz transportow ana jest zanieczyszczona częściam i sta ły m i np. piaskiem . Badanie erozji pomp, w ch w ili obecnej jest, można pow iedzieć, w p oczątkow ym stad ium dośw iadczeń. Do niedaw na jeszcze jedyną p raw ie m etodą określania p rzydatności m ateriału do w yrobu pomp b yło przeprow adzenie, często bardzo dłu gotrw ałych , a zaw sze kosztow  nych prób na w łaściw ej pom pie przy u życiu cieczy dla której m aszyna została skonstruow ana. O statnio przeprow adzane próby w' ZSRR, USA, N R F i Szw ajcarii u m ożliw iają z d użym p rzyb liżen iem ocenę jakości tw o

rzyw a na podstaw ie sp ecjaln ie opracow anych prób technologicznych. Ro

dzaj stosow an ych prób zależy od charakteru pracy pom py, a w ięc i dzia

łania erozyjn ego cieczy i części stałych (piasku) w niej zaw artych. Roz

różniam y ogólnie w erozji piask ow ej ścieranie p osuw iste, strum ieniow e i opłukujące. Z ależnie od charakteru pracy urządzenia przew aża któraś z ty c h odm ian erozji. Próba technologiczna określająca przydatność m a

teriału do konstrukcji m u si być w ięc rów ńież odpow iednio dobrana.

Istn ieje kilka różnych prób tech n ologiczn ych na ok reślen ie erozji pomp.

N ajlep sze stosu nk ow o w y n ik i uzyskano na aparacie S ta u ffer’a, który z d użym przyb liżen iem odtw arza w arunki pracy m ateriałów w pom pie w irn ikow ej. W arto nadm ienić, że poszczególne czyn n ik i jak kaw itacja, erozja uderzeniow a, opłukująca itd. od działyw u ją w zajem n ie na siebie.

Pom iar w ięc każdego z tych czyn n ik ów z osobna nie daje po zsum ow aniu w y n ik ó w obrazu zgodnego z rzeczyw istością.

2. M ateriały do w yrobu pomp

Do w yrobu pomp stosow an e są praw ie że w yłą czn ie od lew y. T w orzy

wo ze w zględ u na duże w ym agan ia m u si charakteryzow ać się dużą w y  trzym ałością, odpornością na erozję oraz czasem dobrą odpornością na korozję. Z tych w zględ ów n ajczęściej u żyw an ym do w yrobu pomp m ate

riałem są odleWy staliw n e o w ytrzym ałości na rozciąganie pow yżej 50 kG /m m 2. Mogą to być zarów no staliw a w ęg lo w e jak rów nież nisko i w ysok o-stop ow e. Szczególnie ch ętn ie stosow ane są staliw a w ysok o-ch ro-

(4)

112 W a cła w S a k w a

m ow e (Cr ^ 1 3 %) lub ch rom ow o-m olib d en ow e z ew en tu a ln y m dodatkiem nik lu lub wanadu. N ajczęściej stosow an e składy ch em iczn e sta liw u żyw a  nych do w yrobu pomp i urządzeń w od n oparow ych podaje tablica 1 .

Jak w ykazują dośw iadczenia zagraniczne odporność m a teriałów na ścieranie jest zu p ełnie nieproporcjonalna do ich tw ardości, czy w y tr zy  m ałości, a w ięc do w łaściw ości, które p rzy w y k liśm y uw ażać praw ie zaw sze za m iernik w p ew n ym sen sie ścieralności. Stw ierdzono np., że m ateriałem kilkakrotnie w ięcej odpornym od sta li na ścieranie p osu w iste piasku jest guma. Przy ścieraniu n atom iast stru m ien io w y m bazalt okazał się k ilkanaście razy w*ięcej odporny na działanie szkła m ielon ego, kwarcu, korundu, w ęglik a krzem u od stali w ę g liw e j, stop ow ej czy żeliw a u tw ar

dzonego.

3. Badania w łasn e

C elem ok reślen ia odporności pomp na d ziałan ie szlam ów flo ta cy jn y ch z zakładu „Orzeł B ia ły ” zbudow ano aparat (rys. 2), k tóry w sw ej kon

strukcji zb liżon y jest do aparatu S tau ffer’a. A parat ten daje w arun k i pracy zbliżone do w arunków panujących w pom pach W ilfle y ’a, zain stalo

w an ych w w sp om n ianym zakładzie. W pom pach ty ch m am y w' p ierw szym rzędzie do czynienia ze ścieraniem opłukującym .

Transportow ana ciecz (odpady flotacyjn e) jest słabo zasadow a o pH =

= 9,2. Zawiera ona znaczne ilości części stałych o ziarn istości 0,2— 0,3 mm . Jej w p ły w ero zyjn y na w irn ik pom py badano na przedstaw ionym sch e

m atyczn ie aparacie m ocując na tarczy próbki (rys. 3) badanych m ateria

łów . Szybkość obw odow a trzpieni przym ocow anych do tarczy w yn o siła 7,5 m /sek, co odpowiada szyb k ości przepływ u cieczy w w irn iku pom py.

W szystkie badane próbki b y ły obrabiane m ech anicznie (toczone i szli

fow ane). Na tarczy b y ły m ocow ane do każdego pom iaru po trzy próbki badanego tw orzyw a oraz jedna próbka w zorcow a. Do badań jako próbki w zorcow ej u żyto stali M 50, co gw arantow ało w ięcej jednorodne w yn iki.

U zyskane rezu ltaty przeliczone zostały następnie w stosunku do staliw a 0 3 5 L tzn. m ateriału, z którego d otych czas w yk on u je się pom py w ir n i

kowe.

Badane stopy w ytapiano:

— w żeliw iak u — żeliw o szare, b iałe i żeliw o przeznaczone do pro

dukcji żeliw a sferoidalnego,

— w p iecu łu k ow ym — żeliw o średnie i w ysok o-ch rom ow e, staliw o 0 3 5 L i staliw o H adfielda,

— w piecu ind u kcyjn ym — staliw a m anganow e i m an gan ow o-k rze- m ow o-chrom ow e.

W szystkie próbki odlew ano do form w ilg o tn y ch za w y ją tk iem próbek żeliw a białego od lew an ych do kokil oraz żeliw a szarego i sferoidalnego, które odlew ano do form suszonych.

Składy chem iczne badanych stopów podaje tablica 2.

M iernikiem odporności m ateriałów na ścieranie w przeprow adzanych badaniach jest stosu nek k u bytk ów ciężarow ych próbek badanych b do takiegoż ubytku próbki w żorcow ej a:

b

K = —

a

(5)

Najczęściej stosowanestaliwa stopowe dowyrobupomp wirnikowych

B adanie na d d o borem tw o r z y w do w y tw a rza n ia pom p w irn ik o w y c h

to *—(

I I I

to o

O O (M

I I I

0 3 O lO

O O O

*9

£

>>.

fi

Z

OJ

» fi

o O

XCS

co

z

l l l l

_{o ©^ o}

H ri CO

»H rH lO O O co ci ^

i l i T

_to _{o o}

r-T T-H I>

o o CO

o o o o o o.

o" ©~

T3 CO

C/3

co o

O r H

to to co co

CO

to to eo co O o - o o

I I o I

CO CO rQ co

o o o o o

I I I o

t o O CO T J 03 03 ©

O

£

>>

N

(-4 o

£ H

oj

£ o 0) a

£ 2 5 g

SS 01

f » !>1

£ 'S £

CO

js

13-4-»

co

OJ s

o £ Ili 9? <3.

£

>>"

fi

N

O s fi

»f i

O TJ

CO

X

CO

O

co

o

cd o? w

C O D - © C O C O C O C O C O

H 03 © CO C O CO 03 © © © O O

H H n 05 N H CO CO

C O C O C O © C O O r H © © ©

Oj CO Tf tO COI >CO ©0

fia o

CO

fiJN

tóo

t o t o

N

OJu

co

N

OJfi

13 s OJ o CO <D

■ fi» f i co

<u

£0 fi co W)

i fi

co

z

₁_w

o o ^

Sh

u

T3 CO HO) | O C fi «M . w fi T3 'O

>> <D CO c

& -a -a w £

. g

N01

o

g l o-4-» co

(6)

114 W acław Sakw a

Badanie odporności różnych m a teriałów na ścieranie op łu k ujące p rze

prowadzono w dw óch seriach. W p ierw szej serii, której w y n ik i podaje n iniejsza publikacja w zbiorniku aparatu pom iarow ego przez ca ły okres czasu trw ania ( 8 godzin) próby nie zm ieniano cieczy, co m iało naturalnie w p ły w na aktyw ność erozyjn ego od d ziaływ an ia ośrodka na próbki.

Części stałe w odpadach flo ta c y jn y ch u le g a ły rozdrobnieniu, co zm niejszało ich niszczące działanie. Ilustracją zm iany tej ak tyw n ości m oże być w yk res podany na rys. 4 z którego w yn ik a, że pewkia zaw artość części stałych w cieczy znacznie podw yższa n iszczące jej działanie opłukujące oraz, że działanie niszczące takiej cieczy jest ty m w ięk sze im ziarnistość części stałych jest w iększa (ew en tu alnie są rów nież w ięcej ostre kraw ędzie ziaren).

W yn ik i pierw szej serii prób ilu stru je tab lica 3. Na w ielk ość w sk aź

nika ścieralności, jak w yn ik a z tego zestaw ien ia, w p ły w a n ie tylk o sam rodzaj stopu (skład chem iczny), lecz rów nież jego struktura, a w ięc obróbka cieplna, którą zaznaczono w tab licy w sposób sch em atyczn y.

Ż eliw o szare (Z 122) posiadało strukturę p erlityczn ą z n iew ielk im i ilościam i ferrytu. W yd zielan y grafit m iał rozłożenie m ięd zy-d en d rytyczn e.

Ż eliw ó b iałe m iało norm alną strukturę led eb u ry tu przem ienionego.

Ż eliw o sferoidaln e daw ało stosunkow o n ajlep sze w y n ik i w stanie norm alizow anym , przy którym próbki w y k a zy w a ły struk tu rę p erlityczn ą z pew ną ilością ferry tu rozłożonego w okół sferoidów (rys. 5). Ż eliw o s f e  roidalne o osn ow ie sorbitycznej lub trostytyczn ej przy znacznej ilości ferrytu w yk azyw ało gorszą odporność na ścieranie.

N ajlep sze w łasn ości przeciw cierne w yk a za ły żeliw a w y so k o - i śred - nio-chrom ow e, których m ik rostruk tu ry podają rys. 6 i 7. Dobre w łaści

w ości p rzeciw cierne (odporność na erozję opłukującą) w yk azu ją rów nież:

— staliw o H adfielda,

— staliw o M n-Si-Cr,

— staliw o w ysok o-ch rom ow e.

Stru k tu ry tych stopów ’ podają rys. 8 i 9.

M ateriałem odniesienia (oznaczonym nr. 10) b y ło norm alizow ane sta  liw o w ęg lo w e 0 3 5 L, którego m ikrostrukturę podaje rys. 10.

4. W nioski

P rzed staw ion e w y n ik i dośw iadczeń są tylk o fragm en tem (pierwszą częścią) badań nad doborem m ateriału do w yrobu pomp. N a podstaw ie tych w yn ik ów m ożna stw ierd zić, że n ajlep szym m ateriałem do. w yrobu pom p w irn ik ow ych są żeliw a chrom ow e. Ze w zględ u na cenę, n ależy ra

czej zalecać żeliw a o średniej zaw artości tego p ierw iastk a (4 % Cr), gdyż żeliw a w ysok och rom ow e (Cr = 28 °/o) ty lk o w nieznacznym stop n iu dają

lep sze w y n ik i w pracy.

Przy om aw ianiu w yn ik ó w i w yciągan iu w n iosków n a leży pam iętać o konieczności u zupełnienia badań określających:

1. Odporność m ateriałów na działanie cieczy zanieczyszczonej przy stały m jej p rzep ływ ie przez zbiornik.

2. Zależność erozji m ateriału od czasu.

(7)

B adanie n a d doborem tw o r z y w do w y tw a rza n ia pom p w irn ik o w y c h H g

T a b l i c a 3 W skaźnik ścieralności różnych m ateriałów (wg tablicy n r 2)

w stosunku do ścieralności staliw a 035 L Oznacz.

m ate

riału

Rodzaj stosow .-obróbki cieplnej

Twardość HB w kG/m m '

Średni wskaźnik

ścierania

S t r u k t u r a

1 ^— 184 1,00 perlity czna

2 — 467* 0,50 ledeburytyczna

3 a) normaliz. 900 °C 321* 0,65 rys. nr 5

b) hartow.

odpuszcz.

860 °C

350 °C 484* 0,69 trostytyczna

c) hartow.

odpuszcz.

860 °C

500 °C 408* 0,75 sorbityczna

4 — 265* 0,36 rys. nr 6

5 — 448* 0,44 rys. n r 7

6 a) normaliz. 820 °C 258 1,00 sorbityczna

b) hartow . odpuszcz.

820 °C

600 °C 280 0,85 gruboigl. m artenzyt

7 — 192 0,62 rys. nr 8

8 a) normaliz. 870 °C 587* 0,50 rys. nr 9

870 °C

400 °C 497* 0,64 trostyt.-sorbityczna

c) hartow.

odpuszcz.

870 °C

620 °C 400* 0,76 sorbityczna

d) w yżarzanie w 870 °C 269* 0,84 perlityczna

9 a) hartow . odpuszcz.

w 970 °C

w 300 °C 480* 0,53 wydz. węglików

w 970 °C

w 660 °C 271* 0,66 wydz. węglików

c) wyżarz, zup. w 970 °C 254* 0,73 wydz. węglików

10 normaliz. 156 1,00 rys. 10

Tw ardość m ierzenia na aparacie B rinella przy użyciu kulki 0 2,5 mm i obcią

żeniu 187,5 kG.

* Tw ardość m ierzona aparatem Rockwella i przeliczana na skalę HB.

W artość k je st obliczona jako średnia z trzech próbek.

(8)

116 W acław Sakw a

3. Zależność pom iędzy w yn ik am i badań laboratoryjnych o rzeczy

w istą odpornością pomp.

Badania te są w K atedrze już na ukończeniu. Dadzą one m ożliw ość szybkiego określania p rzydatności różnych tw orzyw do produkcji pomp w irow ych.

LITERATURA

[1] W. Łazurkiewicz, T. Troskolański: P o m p y w i r o w e . PWT. W arszawa 1954.

[2.] H. W erner, A. Stauffer: N e u e r e E n t w i c k l u n g e n a u f d e m G e b i e t e des S t a h l f o r m  gusses. Giesserei 8, 1955.

[3.] K. Wellinger, H. Uetz: G l e i t - , S p ü l - u n d S tr a h lv e r s c h le i s s p r ü f u n g . Schweizer Archiv — Annales Suisses 1/1958.

[41 A. Kocot, M. Ziob: P ra c a d y p l o m o w a w y k o n a n a w K a t e d r z e O d l e w n i c t w a P o  l i te c h n i k i Ś lą s k iej.

(9)

50 100 150 200 ¿ZO 3 0 0 3 5 0

C io s

h

godzinach

Rys. 1. Ubytek różnych m etali wywołany niszczącym działaniem kaw itacji (wg doświadczeń H. Sćhrótera)

Rys. 3. W ymiary próbek (różnych m ateriałów ) badanych w aparacie przedstawionym

(10)

Rys. 2. Schem at ap aratu do badania odporności różnych tw orzyw na działanie opłukujące cieczy

(11)

I ~ krzyua ścierania pieruszej(próby.

i ~ krzyua ścierania przy poutórnym użyciu tej samej mieszaniny ścierającej.

Rys. 4. Wpływ czasu ścierania na odporność tw orzyw a (stali) oraz „aktyw ność”

cieczy ścierającej

(12)

Rys. 5. M ikrostruktura normalizowanego z t J 9G0°C żeliwa sferoidalnego.

Pow. X 150; traw . HNOa

Rys. 7. M ikrostruktura żeliwa średniochromowego (4 Cr) — bez obróbki cieplnej.

Pow. X 600; traw . — HNOj

(13)

Rys. 9. M ikrostruktura normalizowanego z l'870°C staliw a M n-Si-Cr.

Pow. X 600; traw . — HNOi

M ikrostruktura staliwa Iladiielda — bez obróbki cieplnej.

Pow. X 150; traw* — FeCb

Rys. 10. M ikrostruktura normalizowanego z V 860°C staliw a węglowego (035 L).

Pow. X 150; traw . — HNCh