POROVNÁNÍ KAVITACE A EROZE VLIVEM DOPADU KAPALNÉ FÁZE (S OHLEDEM K PROTIEROZNÍM OCHRANÁM SYSTÉMEM TENKÁ VRSTVA-SUBSTRÁT) Marek Tengler a Ivo Šěpánek b THE COMPARISON BETWEEN EROSION BY LIQUID IMPINGEMENT AND CAVITATION a) S&A CZ Sevenson and Associaes Czech Republic, Lábkova 8/34, Plzeň 318 06, ČR, engler@email.cz a) Západočeská univerzia v Plzni, Univerziní, 306 14 Plzeň, ČR, ivo.sepanek@volny.cz Absrak Erosion for our purpose, denoes he gradual loss of original maerial from a solid surface, usually in he form of small paricles or fragmens, due o repeaed dynamic or impulsive forces acing on he surface. Many cases of wear in echnical pracice combine he basic kinds of wear and which leads o many alernaives. The six basic kinds of wear are disinguished according o he sandard ČSN 015050: abrasion, adhesion, caviaion, erosion, faigue and vibraions. In our case of sudy - proecion agains he erosion wih he help of hin film sysems, we are concerned o gain daa from same few experimenal sources. In our conribuion, we would like o concenrae on he explanaion how very similar are maer of caviaion and maer of erosion by liquid impingemen. Acion of boh of hem gives he same resuls. Tha s way he maerials resising o caviaion wear can be used wih success also in cases of erosion aach o funcional surface by liquid impingemen are vice-versa. ÚVOD Eroze, ak jak popisuje norma ČSN 01 50 50, předsavuje jednu z nejdrasičějších forem opořebení povrchu a funkčních ploch srojních součásí. Degradace vlivem eroze se projevuje na zařízení sníženou účinnosí, nepříznivým povrchovým reliéfem se vznikem možných iniciačních cener rhlin a lomů aj. V praxi se eroznímu působení bráníme různou formou: - zvýšením rezervy exponovaných součásí - řešení srojů se zřeelem na snadnou údržbu - vhodným usměrněním oku erozního média - příznivým elekro-chemickým prosředím - snížením objemu erozního média - použiím vhodných maeriálů - chemicko-epelným zpracováním maeriálů - proierozní bariérou - 1 -
Tenké vrsvy se uplaňují v širokém spekru srojírenských aplikací. Konkréní zkušenosi našeho pracovišě jsou zahrnué v následujícím přehledu úspěšného nasazení enkých vrsev v exrémních podmínkách záěže: - anifrikční povlaky kulových uzávěrů, šroubových čerpadel a převodových mechanismů - proišokové epelné a korozní bariéry násrojů ve sklářském průmyslu - řezné, sřižné a vářecí násroje - nelepivé a proierozní filmy plasikářských forem a lisů Na vývoji proierozní ochran enkou vrsvou v současné době spolupracujeme s parnery: Škoda Energo spol. s r.o. a Cink Vodní elekrárny a.s. Se spolupracujícími firmami řešíme problém ochran lopaek roorů, přičemž první z nich, parních urbín mokrá pára na oběžných lopakách koncových supních nízkolakých dílů a druhý kaviaci lopaek Bánki- Cinkovy urbíny. 1. METODIKY STUDIA TENKÝCH VRSTEV Vývoj nové aplikovaelné enké vrsvy lépe vyjádřeno: sysému enká vrsvasubsrá, probíhá podle specifického scénáře. Velká pozornos se sousřeďuje na přípravnou sudii, v keré se snažíme zachyi úvodním experimenem, založeným na sandardně deponovaných ealonech, podsau problému. Experimen zpravidla probíhá na vybraném zkušebním sendu a meodami svěelného opického zobrazování, případně ŘEMu analyzujeme rozsah a charaker poškození. V další fázi sudia připravíme program depozičních paramerů, sanovených podle úvodní fáze. Vybrané depozičními paramery jsou: - maeriál kaod - poměry vsupních komponen deopzice (různé druhy a umísnění kaod, parciální laky pracovních a pomocných plynů) - proud kaod - velikos záporného předpěí na vzorku - Kolekci deponovaných ealónů podrobíme analýze na dosupných přísrojích a dosaečně zdokumenujeme obrazovým maeriálem. V současné době disponujeme ímo přísrojovým vybavením, jehož výběr odpovídá našim meodikám sledování sysému enká vrsva-subsrá: - nanoindenor DUH 0 s.. - scrach-eser CSEM. - ribomer CSEM. - konakní únava. - Posouzením výsledku analýz zvolíme paramery depoziční echnologie a aplikujeme na vzorky, keré podrobíme experimenu na zkušebním sendu a z výsledků rozhodujeme o možnosi funkční aplikace na srojní součás. Řešení problému eroze a proierozních ochran jak na kaviujícím povrchu lopaek vodních urbín, ak na kapénkami bombardovaných plochách lopaek parních urbín, vyžaduje nákladné a provozem nákladné zařízení. Naším záměrem je minimalizova experimeny na daných zařízení a přenés zkoumaní vzorku do laboraoří. Silným argumenem je en fak, že náš zájem se sousřeďuje na enkou vrsvu s loušťkou jednoek mikromerů, a sandardními posupy hodnocení erozní odolnosi získáváme pouze kvanifikovaný přehled - -
o poškození. A o nás neuspokojí. Abychom mohli opusi hrubý experimen na zkušebním sendu, vyipujeme akové mechanicko-fyzikální paramery, keré jsou vůdčími hybaeli nejlépe vyjadřující posuzovaného opořebení, a keré můžeme simulova a měři na našem přísrojovém vybavení. Znovu musíme zdůrazni, že HODNOTÍME PŘILEHLÝ POVRCH S HLOUBKOU MAXIMÁLNĚ DESÍTEK MIKROMETRŮ.. KAVITACE EROZE VLIVEM DOPADU KAPEK Problemaice eroze vlivem dopadu kapalin a kaviaci bylo věnováno mnoho odborných saí a publikací. Exisují významné monografie i českých auorů, jakým je například Noskievič[1] v oblasi kaviace. Z ěcho pramenů můžeme čerpa řadu informací, především eorií a apará maemaických vzahů, keré uplaňujeme v implemenaci a přenosu na naše laboraorní přísroje. Odolnos kriických součásí namáhaných erozí limiuje provozní spolehlivos zařízení, a proo se v minulosi hledalo vhodné kriérium určující jakos maeriálu nebo povrchové ochrany. Musíme připomenou, že exisuje celá řada modifikací a posupů pro klasifikaci kvaliy maeriálu, ale v obecném vyjádření pro hodnocení erozní sabiliy se usálilo kvalifikační kriérium obecně vyjádřeném jako závislos husoy erozních čásic na erozním úbyku hmoy. Graf éo závislosi je obvykle označován jako erozní křivka. Speciálně pro hodnocení erozní odolnosi maeriálů a ochran lopaek parních urbín se ao křivka používá jako vyjádření rendu v úbyku hmoy a k predikaci spolehlivosi olopakovaného rooru v provozu celého urbosousrojí. Na základě experimenů z erozním sendu se jednolivé křivky maeriálů srovnávají a vybírá se maeriál nebo aplikovaná ochrana, kerá bude co nejlépe vyhovova drsnému eroznímu prosředí. Pro kaviaci a erozi vlivem dopadu kapek jsou průběhy erozních křivek srovnaelné, zn. po inkubační periodě následuje fáze rapidního přírůsku úbyku hmoy a poé následuje fáze usálení úbyku hmoy. Působení kaviace a eroze vlivem kapek můžeme simplifikova na klasický výraz rázu dvou ěles. Impuls je v prvním případě evokován zánikem kaviy a v případě druhém nárazem kapky na funkční povrch. Oba dva případy vyvolávají sílu, kerá rvá velice kráký okamžikmaximum síly se projeví ve 3 mikrosekundě [, 3, 4] což lze přirovna k explozi mikronálože proi funkčnímu povrchu. Výpočy energie rázu pro případ kaviace jsou shrnuy v lierauře [5] a pro případ dopadu kapky se používá konzervaivního výpoču kineická energie hmoné čásice. Reakce maeriálu na vnášenou energii se projevuje deformací a o jak pochody pružné ak plasické deformace. Velice prosý výraz, kerý je v lierauře označován jako hammer effec nás upozorňuje, že deformace je prezenována rychlosí šíření zvuku maeriálem [6]. p = ρ c v p, ρ, c, v... lak v mísě dopadu, měrná hmonos, rychlos zvuku, rychlos dopadu kapaliny Samozřejmě exisuje celá řada odvozených variací a modifikací vzorce, ale ao jednoduchá jednodimenzionální úloha nám pomůže k chápání podsay mechanických inerakcí erozního média a maeriálu. - 3 -
Reakce na pulsy vyvolává v maeriálu šíření napěťových polí. Rozlišujeme následující druhy napěťových vln [7, 8, 9]: - podélné vlny šíří se do hloubky hmoy - příčné vlny šíří se podél povrchu hmoy - Rayleighovy vlny šíří se podélně hmoou v úzkém pásu blízko povrchu Překročí-li lak pulsu mez kluzu maeriálu dochází k plasické deformaci. Plasická deformace éž vznikne dojde-li k inerferenci napěťových vln, keré vyváří napěťové špičky s maximem věším než mez kluzu.cyklický průběh probíhajících napěťových vln éž způsobují únavové poškození na mikroobjemech srukury hmoy. Pro vyjádření a výpoče konkréních hodno, keré již můžeme experimenálně sledova na vzorcích s enkou vrsvou umísněných v našem přísroji nanoindenoru, využíváme vzah publikovaný Evansem [10]: u v w ( λ + µ ) ( λ + µ ) + µ u x + µ v y z ( λ + µ ) + µ w u, v, w... posuvy ve směrech x, y, z λ, µ... maeriálové konsany... diferenciál změny objemu ρ... husoa Sanovením okrajových podmínek a inegrací získáváme z rovnic poenciály [11, 1] z kerých dokážeme urči vyvolané napěí v jednolivých směrech x, y, z. Zavedení konkréních výpočových vzahů je poplané úrovni zjednodušení, keré auor konkréní meody volí a je závislá na maeriálu, chemickém složení kapaliny, charakeru porušení aj. Významný rozdíl v působení kaviace a eroze vlivem kapek spočívá v om, že u kapek dopadajících na povrch dochází k rozsřiku a přičemž kapalina opouší míso sřeu ve formě angenciálních proudů. Tuo okolnos nemůžeme zanedbáva při analýze a výpočech jednolivých fenoménů, neboť rychlos jakou se kapalina rozéká bývá až 3 krá věší než rychlos dopadu kapky na povrch [13]. Tako vzniká specifické hrnuí maeriálu v podélném směru což samozřejmě má vliv na průběh povrchových napěí; dominanní jsou ahové síly. Vliv chemického (elekrochemického) působení při krákodobých experimenech je vůči mechanickému účinku minimální; v našich meodikách není uplaňován. Z hlediska dlouhodobého provozu ovšem eno fakor nelze přehlédnou; příkladem může bý úspěšná aplikace kaodické ochrany na vodních urbínách [14, 15]. ZÁVĚR Zobecněním fenoménů kaviace a eroze vlivem kapek na: vnesenou energie a kompenzaci-odezvu maeriálu na vnášenou energii, nám umožňuje pracova při modelování chování enké vrsvy s mnoha varianami výpočeních posupů, keré jsou ak bohaě - 4 -
publikovány. Výsledky syneézního přísupu by nám měly poda vysvělení nebo alespoň přiblíži k pochopení chování na mikroúrovních maeriálu při ak komplikovaném a složiém ději jako je eroze. Teno rozbor předsavuje určiou filozofii v přísupu k meodikám analýz enkých vrsev, kdy musíme respekova vlasnosi povrchové modifikace maeriálu prakicky zanedbávající řeí rozměr loušťku. Odklonění od radičního přísupu k experimenu získáváme dvě základní výhod: - laboraorní přísroje nám zaručují opakovaelnos přesného měření v mikrolokaliách a na vybraných srukurách maeriálu - snížení nákladů na výzkum spojených s provozem erozních sendů Příspěvek byl prezenován v rámci řešení projeku MPO č. FB-C3/73/00. LITERATURA [1] NOSKIEVIČ J.: Kaviace. Academia. Praha. 1969, 80 s. [] BRUNTON J.H.: Náraz kapalin vysokou rychlosí. Phil.Trans. od he Royal Sociey. London. ser. A, č. 1110, sv. 60 [3] FIELD J.E.: Tlakové vlny, deformace a rhlinky způsobené nárazem ekuiny. Ibid., sr. 86-93 [4] HANCOX N.L. - BRUNTON J.H.: Erose pevných láek opakovanými nárazy kapek ekuiny. Ibid., sr. 11-139 [5] BRDIČKA M. SANEK L. TARABA O.: Kaviace, Diagnosika a echnické využií. SNTL. Praha. 1981, 336 s. [6] JAUMOTE A.: Zpráva o erosi oběžných lopaek posledního supně parní urbíny v Bagdádu a Dibis. Svobodná universia Brusel. 1966, 16 sr., 14 obr., Soukromá zpráva. [7] BAULIN I.V. PERELMAN R.G.: Volny Releja kak adin iz věduščich fakorov v kapelno-udarnom vozdějsviji. Problemy pročnosi, 1974, č.1, s. 70-74 [8] PERELMAN R.G.: Osnovy eorii erozinoj pročnosi pri kapleudarnom vvozdějsviji. Kolebanija i pročnosť děalej dvigaělej laaělnych apparaov. Trudy MAI, 197, č. 45, s. 100-110 [9] PERELMAN R.G. BAULIN V.I. DENISOV J.D.: O roli dinamičeskich naprjaženij pri kapleudarnoj erozii. Izvěsija VUZov, Mašinosrojenije, 197, č.10, s. 64-70 [10] EVANS A.G.: Mechanika razrušenija pri udare verdich časic. Erozija. Mir. Moskva. 198, 464 s. [11] KOLSKY K.: Sress Waves in Solids. Dover, N.Y., 1963 [1] HOPKINS H.G., In. Progress in Solid Mechanics, I.N. Snedon, R. Hill (eds.), Wiley (Inerscience), N.Y., 1960, p. 85. [13] VOCEL M. a kol.: Tření a opořebení srojních součásí. SNTL, PRAHA, 1979, 376 s. [14] LEITH W.C. THOMPSON L.A.: Some Corosion Effecs in Acceleraed Caviaion Damage. TSME. ser. D, 8 (1960), č.4, sr. 795-807 [15] PLESET M.S.: On Cahodic Proecion in Caviaion Damage. Ibid., sr. 808-80. - 5 -