Исследования WARMAN в области шламовых насосов

Материал подготовлен к публикации А.Ю.Федосеевым и Я.В.Тимофеевым (представители фирмы Warman)

Каждый, кто использует шламовые насосы, прекрасно знает, какую проблему представляет износ. К сожалению, до настоящего времени наши знания о механизмах износа недостаточны и, соответственно, объяснение процессов, ведущих к износу, вызывает затруднения. WARMAN занимается изучением явления износа в рамках своей научно-исследовательской деятельности, направленной на снижение затрат при эксплуатации насосов. В этой публикации рассматриваются некоторые физические основы механизма эрозионного износа и описываются научно-исследовательские работы по его изучению.

Эрозионный износ

WARMAN постоянно стремится увеличить износостойкость своих изделий. Наряду с энергопотреблением (КПД), эрозионный износ — наиглавнейший фактор, определяющий эксплуатационные издержки насосов. Поэтому WARMAN постоянно ведет исследования механизмов износа. Только полное понимание этих механизмов позволит достичь успехов в разработке новых износоустойчивых материалов и новых конструкций насосов.

Эрозионный износ происходит в насосах, когда твердые частицы, содержащиеся в потоке пульпы, соударяются с поверхностью проточных частей насоса, вызывая «вымывание» материала с поверхности. Скорость износа определяется как потеря единицы массы или объема материала за единицу времени.

Систематическое изучение эрозионного износа осуществляется специалистами WARMAN при помощи специальной лабораторной установки. Работа ведется по двум основным направлениям:

•модели износа и механизмы износа;

•прогнозирование процессов износа и их учет при проектировании.

Течение процесса эрозионного износа зависит, прежде всего, от величины угла, под которым частицы сталкиваются с поверхностями насоса. Угол столкновения варьируется от 0° до 90° и определяется взаимодействиями типа «жидкость-частица» и «частица-частица». В потоке шлама высокой плотности можно выделить три основных вида эрозионного износа, показанных на рис. 1, а именно:

•направленное соударение: почти все частицы налетают на поверхность материала под определенным углом. Силы лобового сопротивления жидкости и силы трения играют основную роль в определении траекторий и скорости частиц в каждый определенный момент времени

•хаотичное соударение: в этом случае угол падения частицы может варьироваться, что наиболее характерно для турбулентного потока, возникающего вблизи стенки. На частицы в этом случае действуют рассеянная нагрузка и «подъемная сила Магнуса»;

•эрозия «скользящего слоя» происходит, когда воздействующие частицы прижаты друг к другу и двигаются по касательной к поверхности материала. Столкновения типа «частица-частица» и «частица-материал» происходят под воздействием, в основном, кулоновской «силы трения».

Наиболее характерные типы износа различных элементов проточных частей приведены в таблице.

Основными факторами, обуславливающими эрозионный износ, являются:

•поток жидкости — скорость, температура, химические и физические свойства и т.д.;

•твердые частицы — угол соударения, скорость, форма, размер, температура, концентрация, физические свойства, взаимодействие с другими частицами и т.д.;

•поверхности — физические свойства, изменение формы, внутренние напряжения, температура, коррозия и т.д.

Механизмы насоса

Различные материалы, применяемые при производстве насосов, ведут себя при абразивном износе по-разному. Исследования, проведенные WARMAN, позволяют говорить о следующих тенденциях.

Износостойкость белых чугунов зависит от двух главных компонентов их состава: карбида и матрицы. Обычно матрица (как правило, мартенсит с включениями аустенита) разрушается с большей скоростью, чем карбиды. Это хорошо видно на фотографии, полученной при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) (см. рис. 2).

Процесс износа начинается с появления микрораковин между карбидом и матрицей. Образование раковин — это результат отрыва матрицы от карбида, который происходит в момент удара частицы. По мере того, как частицы продолжают воздействовать на поверхность, микрораковины расширяются и объединяются. Менее прочная матрица разрушается в первую очередь. Позже сочетание незащищенных и не скрепленных матрицей карбидов и наличие микротрещин приводит к постепенному удалению (размыву) карбидов.

В эластомерах (в особенности в резине) процесс износа обычно сопровождается удлинением материала в точке контакта с частицей с последующим растяжением и деформацией остального материала в выступ. Продолжительное воздействие такого рода может постепенно привести к образованию рядов гребней, расположенных перпендикулярно направлению движения потока. Процесс разрыва при длительном воздействии может быть смоделирован как развитие трещин от усталостного напряжения и механического разрушения. На рис. 3 приведен пример разрыва, образовавшегося в неопреновой резине S42 после испытаний с песковым шламом.

Последовательные столкновения частиц с поверхностью керамики приводят к возникновению трещин и их распространению в процессе работы. По мере углубления трещин частички керамики отламываются, накапливается усталостная деформация, и происходит постепенное разрушение. В моменты мощных столкновений могут появляться глубокие трещины и происходить разлом материала. Механизм удаления частиц материала из керамики зависит от ее композиции и внутренней микроструктуры и специфичен для различных видов керамики.

Крупные трещины хорошо видны на фотографии, полученной при помощи СЭМ (см. рис. 4). Образец, представленный на фотографии, подвергался направленной «бомбардировке» частицами на установке WARMAN для изучения износа в шламовых насосах.

Прогноз формы износа

Износ поверхностей может быть равномерным (с гладкой или грубой полировкой), квазиравномерным (волнистая поверхность) или локальным (локальные канавки или точечная эрозия). Основным фактором, определяющим итоговую шероховатость поверхности, является размер налетающей частицы. Однако в целом процесс износа как таковой определяется полем потока внутри насоса. При одновременном воздействии коррозии и/или кавитации процесс эрозии ускоряется.

Для обнаружения влияния геометрии частей на износ в различных деталях насоса WARMAN проводит эксперименты на специальном стенде. Основное направление этой экспериментальной работы — разработка математических методов прогнозирования специфических видов износа. Имея данные о поле потока, можно определить вероятные типы износа в каждой конкретной точке и, в конечном счете, зная тип износа, определить его скорость. WARMAN использует целый ряд программ, позволяющих прогнозировать износ проточных частей насоса. Степень износа в любой точке корпуса насоса определяется как сумма воздействий различных типов износа: направленных и случайных ударов и «скользящего слоя».

Методика WARMAN для прогнозирования износа достаточно совершенна, что подтверждается графиком на рис. 5.

В процессе своих научных исследований основ механизма износа WARMAN разрабатывает новые усовершенствованные материалы и конструкции, что, несомненно, выгодно потребителям, так как позволяет снизить эксплуатационные расходы.

Специалисты WARMAN готовы поставить вам высококачественные насосы, задвижки и циклоны, а также оказать содействие во всех вопросах, связанных с перекачиванием шламов.

Журнал "Горная Промышленность" №2 1999