Интенсивной конденсации

Изучение распределения сульфидных включений по периметру трубы (см. рис. 11) показало, что их количество проходит через максимум, что связано с принятой технологией прокатки, приводящей к вытеснению включений на края стального листа. Кроме того, вблизи края стальной лист подвергается интенсивной деформации в процессе изготовления труб. С другой стороны, при сооружении трубопроводов изоляция таких мест полимерными пленками осложняется "палаточным" эффектом. Совокупность указанных факторов и обусловливает наблюдаемую низкую стойкость таких участков к КР.

Изучение распределения СВ по периметру трубы (см. рис. 1.4} показало, что их количество проходит черев максимум, что связано с ..ринятой технологией прокатки, приводящей к вытеснению вкдюче-гтй на края стального листа. Кроме того, вблизи края стальной лист подвергав' оя интенсивной деформации в процессе изготовления труб, с друг-й стороны, изоляция таких мест на МТ полимернылк

Деформация кручением под высоким давлением. Установки, в которых деформация кручением была проведена под высоким давлением, впервые были использованы в работах [20, 21]. Их конструкция является развитием известной идеи наковальни Бриджмена [22]. В первых работах эти установки были использованы для исследования фазовых превращений в условиях интенсивных деформаций [20], а также изучения эволюции структуры и изменения температуры рекристаллизации после больших деформаций [23]. Новым и принципиально важным моментом явились доказательства формирования наноструктур с неравновесными болынеугловыми границами зерен при использовании интенсивной деформации кручением [3, 8, 12], что позволило рассматривать этот метод как новый способ получения наноструктурных материалов.

Рассмотрим вначале механические аспекты интенсивной деформации кручением. При деформации кручением под высоким давлением (рис. l.la) полученные образцы имеют форму дисков.

В чистых металлах ИПД кручением обычно приводит к формированию равноосной структуры, средний размер зерен в которой составляет около 100 нм, а РКУ-прессование обеспечивает размер зерен, равный 200-300 нм. На рис. 1.7а, б показаны типичные микроструктуры Си, подвергнутой ИПД кручением, наблюдаемые в просвечивающем электронном микроскопе в светлополь-ном и темнопольном изображениях, вместе с соответствующей дифракционной картиной [8]. Видно, что интенсивная деформация приводит к формированию в Си однородной ультрамелкозернистой структуры уже при комнатной температуре. Многочисленные рефлексы на электронограмме, расположенные вдоль окружностей, указывают на большеугловые разориентировки соседних зерен. Присутствие преимущественно большеугловых границ в структуре металлов после интенсивной деформации было подтверждено также прямыми измерениями разориентировок индивидуальных границ зерен [56], и это является важной особенностью материалов, подвергнутых ИПД [3,8,13,38].

В сплавах, подвергнутых интенсивным деформациям, конечная структура определяется не только условиями обработки, но и исходной микроструктурой, а также фазовым составом. В однофазных твердых растворах формирование наноструктуры происходит аналогично чистым металлам, но получаемый размер зерен может быть значительно меньше. Например, в закаленных А1 сплавах после ИПД кручением средний размер зерен обычно составляет 70-80 нм [63,64]. Добавки в чистый А1 от 1 до 3 вес. %Mg приводит к уменьшению размера зерен в результате ИПД РКУ-прессованием примерно в 3 раза [44]. В многофазных сплавах существенную роль при измельчении структуры играют природа и морфология вторых фаз. Так, при интенсивной деформации двухфазного сплава Zn-22 %A1 наблюдали измельчение обеих фаз и после ИПД кручением (5 оборотов) уже при комнатной температуре сформировалась дуплексная наноструктура с размером зерен обеих а- и /3-фаз менее 100нм [65] (рис. 1.9). При наличии

Еще одной особенностью интенсивной деформации в сплавах является возможность развития двойникования. Напри- Fe мер, после ИПД кручением в Mg сплаве МА8 [70] было обнаружено, наряду с сильным измельчением структуры появление большого количества микродвой- Рис. 1.13. Энергодисперсионные спек-

В интерметаллидных соединениях после интенсивной деформации наблюдали не только формирование наноструктуры, но и атомное разупорядочение. Подробно этот вопрос исследовался в интерметаллидах NisAl [71, 72] и TiAl [73]. В NiaAl, как показали электронно-микроскопические наблюдения, после ИПД кручением (Р = 8ГПа, е = 7) формируется наноструктура со средним размером зерен около 30нм (рис. 1.14), которая также содержит много дисперсных микродвойников толщиной всего 1-2 нм. В то же время методом рентгеноструктурного анализа (РСА),

используя соотношение между интегральными интенсивностями пиков (100) или (110) сверхрешетки и (200) или (220) основной решетки соответственно, была оценена степень упорядочения. Эти измерения показали полное разупорядочение атомной структуры в интерметаллиде №зА1 после интенсивной деформации, однако при нагреве уже при 350°С наблюдали частичное восстановление дальнего порядка (см. также §3.1). В интерметаллиде TiAl после ИПД кручением также было достигнуто разупорядочение со степенью порядка 0,1 [73], но здесь использовали еще более высокое приложенное давление (Р = ЮГПа).

При этом анализ темнопольных изображений показал, что наноструктуры в Ge и Si характеризуются нормальным распределением по размерам зерен со средним размером 24 и 17 нм соответственно. Изучение электронограмм, снятых с площади 2 мкм2, выявило концентрические кольца, состоящие из многочисленных точечных рефлексов. В то же время в Ge и Si при интенсивной деформации кручением под давлением 7ГПа, происходили полиморфные превращения. Так, в Ge наблюдали появление тетрагональной фазы с кристаллической решеткой типа P4s2i2[74],a в Si — кубической фазы с кристаллической решеткой типа 1аЗ [75].

Суммируя представленные в данном параграфе результаты, следует подчеркнуть, что многочисленные исследования демонстрируют возможность получения наноструктур методами интенсивной деформации в различных металлических материалах, а также некоторых полупроводниках и композитах. При этом характер формирующейся наноструктуры определяется как самими материалами (исходной микроструктурой, фазовым составом, типом кристаллической решетки), так и условиями интенсивной деформации (температура, скорость, метод деформации и т. д.). В целом, снижение температуры, увеличение приложенного давления, степень легирования способствуют измельчению структуры и достижению наименьшего размера зерен.

Возвращаясь к распределению давлений вдоль образующих каналов (рис. 7.14, в), можно отметить, что с ростом влажности значения р во всех точках по обводам канала увеличиваются; при этом несколько снижаются поперечные градиенты в канале. Графики р позволяют заключить, что наибольшее переохлаждение достигается в точках минимального давления на выпуклой стенке, где и возникает область интенсивной конденсации. С увеличением угла поворота снижение давления в точках выпуклой стенки значительно возрастает, что свидетельствует об увеличении переохлаждения и более интенсивной конденсации пара в этой зоне потока.

Подчеркнем еще раз, что если при течении в криволинейном канале отрывы приводят к интенсивной конденсации пара, то в потоке недогретой жидкости отрывы вызывают интенсивное парообразование. Опыты показали, что при различных начальных параметрах распределение давлений сохраняется качественно неизменным. Однако обнаружено значительное влияние геометрического параметра bja на коэффициент сопротивления канала и его зависимость от недогрева АГН. Соответствующие графики приведены на рис. 7.19,а в виде зависимости относительного коэффициента сопротивления ? = ?/?о от недогрева, где ?о—коэффициент сопротивления канала в однофазной среде. Кривые расслаиваются по геометрическому параметру Ъ\ при относительном недогреве AfH^30-10~3. Можно полагать, что при малых недогревах<. в канале последовательно формируется пузырьковая, а затем и паро-капельная структура; коэффициенты потерь при этом достигают максимальных значений. Источниками дополнительных потерь кинетической энергии являются интенсификация вторичных вихревых течений, расширение отрывных зон, фазовые переходы, взаимодействие фаз, неравновесность и метастабильность процесса.

личением ее длины возрастает величина р "ш" ). Кроме того, расчеты показывают, что в условиях интенсивной конденсации пара высокого давления течение пленки конденсата на большей части трубы должно быть заведомо турбулентным. Так, в приведенных опытах число Renjl менялось от 1000 до 32 600.

Четвертую зоны течения (рис. 7.4) можно рассматривать как канал для сверхзвукового потока пара. При взаимодействии со струей жидкости, образующей «стенку канала», пар передает ей часть своей кинетической энергии и тормозится, что определяет появление скачка уплотнения. Однако одновременно с этим происходит и разгон пара за счет оттока массы из парового потока вследствие интенсивной конденсации. На этом режиме доминирующим оказывается процесс разгона пара, сопровождающийся падением статического давления на оси канала. Это происходит из-за того, что импульс пара намного выше поперечного импульса жидкости, которая практически не оказывает влияния на геометрию «канала» на начальном участке.

Согласно [Ы2] при расчете пограничного слоя на плоской пластине с учетом скольжения можно пользоваться обычными уравнениями пограничного слоя. В уравнениях пограничного слоя на криволинейной поверхности при учете скольжения необходимо сохранять члены порядка Re~°'5, учитывающие продольную и поперечную кривизну стенки. Точно так же необходимо учитывать и другие эффекты второго порядка в теории пограничного слоя, вклад которых имеет тот же порядок, что и скольжение. Особенности, возникающие в течении за пределами •кнудсеновского слоя при весьма интенсивной конденсации, когда поперечная макроскопическая скорость в слое Кнудсена соизмерима со скоростью теплового движения молекул, рассмотрены в работах М. Н. Когана и Н. К. Макашева [2-2, 2-6](.

За узким сечением, где темп изменения живого сечения невелик, от подвода теплоты в скачке при дозвуковой скорости поток должен разгоняться, а при сверхзвуковой скорости — тормозиться. Таким образом, в зоне интенсивной конденсации на очень коротком участке, где скорость еще сверхзвуковая, под влиянием подведенной теплоты поток тормозится, пока р •< рк, и ускоряется, как только становится р > рк. Если недалеко за горлом сопла темп роста живого сечения [(l/f)df/dl] невелик, то следующие друг за другом замедление и ускорение потока из-за подвода теплоты могут оказаться настолько значительными, что в зоне конденсации, в том месте, где давление становится выше критической величины (меняется знак ускорения), в потоке происходит резкое понижение давления и столь же резкое повышение интенсивности конденсации, вызывающее эффект, аналогичный скачку уплотнения. Этот скачок на какое-то мгновение уравновешивает силы инерции. При этом за скачком прекращаются процесс конденсации и подвод теплоты, разгоняющей дозвуковой поток. В результате в расширяющейся части сопла дозвуковой поток замедляется, зона же процесса конденсации отодвигается в расширяющуюся часть сопла. В сверхзвуковой же зоне в момент провала давления появляется ударная волна разрежения, которая смещает начало процесса конденсации в сторону горла сопла. После появления скачка в месте бурного роста капель, процесс конденсации на этом участке резко тормозится и зона интенсивной конденсации смещается вниз по потоку.

Хотя амплитуды этих пульсаций обычно значительно меньше, чем могут быть от ПАС под влиянием потенциальной и вязкой неравномерности потока, все же может создаться ситуация, когда неустойчивый скачок конденсации может быть опасным для вибрационной прочности лопаток. Поэтому необходимо достаточно точно определять зону возможной интенсивной конденсации пара при сверхзвуковом течении и выбирать геометрию профилей лопаток, исключающую появление интенсивных нестационарных скачков конденсации. Обычно за горлом сопел паровых турбин темп роста живых сечений настолько велик, что нет опасности появления нестационарного скачка конденсации.

Общее количество крупнодисперсной влаги, размеры капель и их распределение по радиусу зависят от большого числа факторов: от параметров пара, от места начала конденсации, скоростей пара и рабочих лопаток, геометрии проточной части, включая размеры межвенцовых зазоров, от степени влажности, режима работы, отборов пара и влаги из проточной части и от многих других особенностей проточной части турбины. Заметим, что местоположение начала интенсивной конденсации неустойчиво, а его влияние на размеры капель в месте измерения при небольшой степени влажности может быть заметным. Все это приводит к нестабильности относительного количества крупнодисперсной влаги перед последним РК в различных агрегатах и даже в одной и той же турбине.

Скачок уплотнения будет перемещаться в дозвуковую часть сопла и, как только его влияние на характер последующего течения станет бесконечно малым, зона интенсивной конденсации вновь переместится в прежнее положение — возникнет новый скачок уплотнения.

В первый момент возникновения скачка уплотнения статическое давление не достигло еще своего минимального значения внутри сопла, так как предыдущий скачок находится еще достаточно близко от минимального сечения и его влияние на последующий поток велико. В дальнейшем происходит уменьшение давления внутри сопла, зона интенсивной конденсации и скачок

если эти линии вообще не пересекаются (линия а"), время одного периода будет равняться конечной величине. Действительно, для возникновения нестационарного скачка уже не потребуется полного восстановления исходного, «бесскачкозо-го», режима течения. Нестационарный скачок уплотнения возникает в этом случае при повышенном статическом давлении, как это показано схематически на рис. 2-8,а. Место интенсивной конденсации переместится по потоку; таким образом, следующее пересечение линий а и Ь вновь возникает в зоне максимального ядрообразования, т. е. в точке 5 (рис. 2-8,а). Интегрирование в формуле (2-28) для этого случая производится до сечения ха, в котором повышение давления в скачке равняется уже не нулю, а конечной величине Лрмин. Точное значение места возникновения нового скачка и минимальное значение повышения давления Армип может быть получено путем решения си-

Питательная вода поступает в ПНД через патрубок Г в нижней водяной камере /, имеющей разделительную перегородку. Вода поступает в верхнюю водяную камеру 13 и выходит через патрубок Д, пройдя два последовательных хода. На обеих камерах, перегородке нижней водяной камеры и на корпусе имеются люки для осмотра и ремонта узлов присоединения трубок к трубным решеткам. Воздухоохладитель 10 установлен на последних по ходу пара рядах труб в зоне первого хода по воде. Здесь при интенсивной конденсации пара очень мала его скорость и образуется застойная область, что способствует накоплению неконденсирующихся газов, а следовательно, ухудшению теплообмена, развитию коррозионных процессов. Воздухоохладитель увеличивает скорость пара, повышая эффективность системы отвода воздуха. Вертикальные перегородки 18 расположены между горизонтальными направляющими перегородками 12 под углом друг к другу.