Кавитационная стойкость

При разрушении от коррозионного растрескивания и коррозионной усталости основное воздействие механического фактора определяется действием растягивающих напряжений первого рода, т. е. макронапряжений, уравновешиваемых в объемах, соизмеримых с размерами детали. Для кавитационных разрушений основную роль играют напряжения второго рода — неоднородные микроискажения, уравновешивающиеся в пределах элементов микроструктуры металлов. При эрозии и фреттинге характерным является искажение кристаллической решетки. Механическое воздействие в этих случаях распространяется главным образом на поверхностные слои атомов металла или окисные пленки.

Еще в 1937 г. [Л. 61] Фатер констатировал аналогию характера эрозионных разрушений от ударов капель конденсата по лопаткам паровых турбин и кавитационных разрушений деталей, омываемых скоростным потоком воды. Однако прямых доказательств того, что механизм и первопричины этих разрушений одинаковы, до последнего времени не было опубликовано. В последние годы в разных странах появилось несколько экспериментальных работ, анализ которых позволяет достаточно конкретно обрисовать эти связи и составить определенное представление о механизме эрозионного разрушения при многократно повторяющихся ударах капель.

В турбинах, работающих на водяном паре, относительные скорости капель конденсата при ударе о передние кромки лопатки рабочих колес не настолько велики, чтобы непосредственно вызывать разрушение материала, поскольку известно, что эрозионный износ лопаток появляется не сразу. Здесь основную роль в эрозионном разрушении (во всяком случае на первом его этапе, когда еще не образовались глубокие язвины и не происходит выкрашивание зерен материала под воздействием ударов отдельных капель) играют, по-видимому, гидравлические удары, возникающие при несимметричном смыкании кавитационных пузырей, которые появляются при растекании капли по поверхности лопаток. При таком объяснении становится очевидным давно установленный факт [Л. 61], заключающийся в том, что одинаков характер эрозионных разрушений от удара капель конденсата по лопаткам паровых турбин и кавитационных разрушений деталей, омываемых скоростным потоком воды.

105. Ноде, Эллис, О механизме кавитационных разрушений неполусферическими пузырьками, смыкающимися при контакте с твердой пограничной поверхностью, «Техническая механика», 1961, № 4, стр. 204—212 (перевод Trans. ASME, Ser. D).

Способы повышения кавитационной стойкости деталей гидроагрегатов. Известными в настоящее время способами можно лишь частично повысить стойкость деталей гидроагрегатов против кавитационных разрушений, поэтому в первую очередь следует устранять причины возникновения кави-тационного режима.

Миличенко Семен Логинович Ремонт кавитационных разрушений гидротурбин

Рис. 9. Схема кавитационных разрушений на поворотнолопастных гидротурбинах.

Объем эрозионных разрушений на камерах гидроагрегатов с увеличением длительности эксплуатации возрастает, а зона эрозии увеличивается в основном вниз по ходу потока. После 6—10 тыс. ч эксплуатации площадь кавитационных разрушений на камерах достигала 1 м2 при грубине до 18 мм, а еще через 10—15 тыс. ч эксплуатации площадь разрушений возросла до 16 ж2 при глубине 20 — 25 мм. Это можно объяснить не только тем, что металл в этой зоне уже «подготовлен» к разрушению при предыдущих воздействиях, но и тем, что в данном случае большую роль начинает играть «вторичная» кавитация — появление местных кавитационных образований при обтекании ранее возникших эрозионных раковин, т. е. кавитация неровностей поверхности.

Рис. 10. Внешний вид кавитационных разрушений по кромке лопасти радиально-осевой турбины. Сталь ЗОЛ.

И у поворотнолопастных, и у радиально-осевых гидротурбин характер кавитационных разрушений поверхности деталей одинаков. При внешнем осмотре обнаруживаются локальные крайне неравномерные поврежде-

Работа турбин в кавитационном режиме также приводит к увеличению эрозионных разрушений. На некоторых ГЭС вследствие неправильного выбора компоновочных схем агрегатов работа их в таком режиме неизбежна. Это относится в первую очередь к выбору отметки заглубления рабочих колес для обеспечения требуемой высоты отсасывания. Уменьшение этого параметра, например на Каунасской ГЭС, привело к тому, что требовалось производить ежегодный ремонт рабочих колес гидротурбин, так как площадь кавитационных разрушений на камерах, изотовленных из Ст. 3, достигала от 4 до 18 м2 за 5—6 тыс. ч эксплуатации. На Днепровской ГЭС имени В. И. Ленина до создания Каховского водохранилища также приходилось почти ежегодно ремонтировать турбины (сталь ЗОЛ). С повышением уровня в нижнем бьефе при пуске Каховской ГЭС объем эрозионных разрушений значительно снизился. В качестве примера, подтверждающего большое влияние заглубления рабочих колес на интенсивность эрозии, можно привести данные эксплуатации гидроэлектростанций на Днепре. Так, Каховская, Днепродзержинская и Кременчугская гидроэлектростанции имеют примерно одинако-• вый режим работы по мощности и многим другим показателям. Однако уровень кавитационной эрозии на этих ГЭС различен. На Каховской ГЭС, у агрегатов которой высота отсысывающих труб уменьшена, интенсивность эрозионных разрушений значительно выше, чем на Дне-продзержинской и Кременчугской ГЭС, имеющих больший подпор со стороны нижнего бьефа.

Кавитационная стойкость стали после азотирования возрастает(рис. 40 к Так стойкость стали марки 38ХМЮА после азотирования более чем в 17 раз превышает стойкость ее в улучшенном состоянии и в 8 раз — стойкость цинкового покрытия с пассивированием этой же стали. Положительное влияние оказывает азотирование и на кавитационную стойкость аустенитной стали марок 1Х18Н9Г, ЭИ123 и др. Наличие е фазы в слое снижает сопротивление кавитации. Поэтому шлифование азотированных деталей приводит к повышению сопротивления кавитационной эрозии.

За последнее время появились работы, показывающие в ряде случаев целесообразность замены хромоникелевых сталей хромо-марганцевыми. Так, например, разработанная И. Н. Богачевым и Р. М. Минцем сталь ЗОХ10Г10 нашла применение в качестве ка-витационностойкого материала для лопастей гидротурбин. "Высокая кавитационная стойкость этой стали объясняется метаста-бильностью марганцевого аустенита (по сравнению с никелевым), который в процессе воздействия кавитационных ударов претерпевает фазовые превращения с образованием а- и е-фазы.

Кавитационная стойкость стали определялась на магнитострик-ционном вибраторе при частоте колебаний вибратора 8 кгц и двойной амплитуде 0,07 мм.

Из сказанного следует, что кавитационная стойкость определяется не столько усредненными свойствами макроскопических объемов, сколько свойствами микроскопических объемов, т. е. прочностью отдельных структурных составляющих и их групп. При неблагоприятном распределении малопрочной структурной составляющей разрушение ее приводит к выкалыванию сравнительно больших частиц более прочных структурных составляющих. Зарождение трещин и выкрашивание происходит по границам зерен.

65. П ы л а е в Н. И., Кавитационная стойкость материалов гидротурбин в натурных и лабораторных условиях, «Энергомашиностроение», 1960, № 9, стр. 28—31.

В гидротурбостроении эти методы пока еще не получили распространения, хотя поверхностный наклеп повышает не только усталостную прочность, но и коррозионно-усталостную прочность. При этом кавитационная стойкость сталей существенно не изменяется, а для коррозионностойких материалов может повыситься [21, 86].

§ 7. КАВИТАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ГИДРОМАШИНОСТРОЕНИИ

Способность материалов сопротивляться кавитационной эрозии обычно называют кавитационной стойкостью. Кавитационная стойкость материалов изменяется в широких пределах в зависимости от их физико-механических свойств и состояния, а также, как об этом уже говорилось ранее (см. § 4), от гидродинамических характеристик потока и свойств жидкости.^

Критерием кавитационной стойкости 'материала при всех испытаниях принято считать потери веса образца вследствие кавитационной эрозии в течение времени, которое определяется условиями опыта. Кавитационная стойкость тем выше, чем меньше потери веса. При определении кавитационной стойкости неметаллических материалов определяющим показателем в отдельных случаях может быть изменение объема образца, а не потери веса.

Кавитационная стойкость металлов

Высокая кавитационная стойкость нержавеющих сталей определяется их физико-химическим состоянием, обеспечивающим, в частности, образование поверхностной защитной (пассивирующей) пленки и однородность внутреннего строения.