Eroziunea cavitaţională în maşinile industriale

U.P.T PROIECT DE LICENŢĂ

CUPRINS

Pag.Introducere

Cap.1 Eroziunea cavitaţională în maşinile industriale1.1 Eroziunea cavitaţională la turbinele hidraulice1.2 Eroziunea cavitaţională la pompe1.3 Eroziunea cavitaţională la elicele navale

Cap.2 Eroziunea cavitaţională a materialelor în laborator2.1 Consideraţii generale2.2 Obiective urmărite prin investigarea eroziunii cavitaţionale în laborator2.3 Instalaţii de laborator 2.3.1 Tunele hidrodinamice 2.3.2 Aparate cu disc rotitor imersat în lichid 2.3.3 Aparate vibratorii2.4 Metode de evaluare şi ierarhizare materialelor după rezistenţa la eroziunea prin cavitaţie

2.4.1 Ordonarea materialelor şi evaluare rezistenţei lor la eroziune cavitaţională după panta curbelor de pierdere masică sau volumică

2.4.2 Ordonarea materialelor şi evaluare rezistenţei lor la eroziune cavitaţională după valoarea vitezei vs de stabilizare a eroziunii

2.4.4 Ordonarea materialelor şi evaluare rezistenţei lor la eroziune cavitaţională după maximul vitezei de eroziune, vmax

2.4.4 Ordonarea materialelor şi evaluare rezistenţei lor la eroziune cavitaţională după rezistenţa normalizată la cavitaţie Rns sau Rnmax

Cap.3 Aspecte ale mecanismelor distrugerii materialelor prin eroziune cavitaţională

3.1 Mecanismul ruperii prin oboseală3.2 Observaţii în Laboratorul de Maşini Hidraulice din Timişoara

Cap.4 Cercetarea rezistenţei la eroziunea prin cavitaţie a oţelului inoxidabil X22CrNi17, destinat turnării paletelor şi rotoarelor de turbină hidraulică 4.1 Consideraţii privind materialul cercetat4.2 Aparatura şi metoda utilizate4.3 Rezultate experimentale

4.3.1 Curbe şi parametrii specifici4.3.2 Morfologia microstructurii erodate prin cavitaţie

4.4 Analiza rezultatelor experimentale4.5 ConcluziiBIBLIOGRAFIE

3


INTRODUCERE

Eroziunea cavitaţională este determinată de transmiterea spre suprafaţa solidă a forţei generate prin implozia repetată a unor bule de vapori formate în zonele în care presiunea lichidului a scăzut sub o anumită valoare. La centralele hidroelectrice apariţia acestui fenomen poate fi suficient de intensă pentru a provoca uzuri locale cu adâncimi care depăşesc 10 mm/an. Repararea acestor uzuri este deosebit de costisitoare atât prin operaţiile conexe cât şi prin pierderile de producţie determinate de duratele mari ale scoaterii din funcţie a echipamentului. În acelaşi timp, pentru estimarea rezistenţei materialului la cavitaţie se foloseşte metoda comparării curbelor sau a diverşilor parametrii caracteristici eroziunii cavitaţionale, obţinuti pentru materialul studiat, cu ai unui material etalon. Noua orientare a cercetătorilor de eroziune cavitaţională este de identificare a cauzelor ce determină diverse modificări structurale şi de stabilire a tehnologiilor de fabricare a unor materiale cu componenţă structurală şi caracteristici fizico-mecanice capabile să le confere rezistenţa sporită la atacul cavitaţional. Aceasta este determinată de analizele mai multor palete de turbine hidraulice şi elice navale erodate cavitaţional. Metoda de abordare este la începutul ei şi se bazează pe utilizarea celor mai performante microscoape electronice, cu care se studiază microsructura materialului erodat cavitaţional în aparate de laborator de mare intensitate distructivă, aşa cum sunt aparatele vibratorii. Prin urmare eroziunea cavitaţională reprezintă în continuare o mare problemă în funcţionarea maşinilor hidraulice şi echipamentelor hidraulice şi hidromecanice (fapt dovedit şi de distrugerea unei palete retehnologizate a rotorului turbinei Kaplan de la Porţile de Fier I, după nici 200 de ore de funcţionare) şi o continuă preocupare a oamenilor de stiinţă, fapt demonstrat de numeroasele simpozioane şi conferinţe internaţionale cu teme specifice cavitaţiei şi efectelor sale. Totodată, oţelurile inoxidabile cu conţinut ridicat de Ni şi Cr sunt cunoscute ca având o foarte bună rezistenţă la eroziunea cavitaţională şi au fost utilizate, pe scară largă, la fabricarea turbinelor hidraulice începând din 1950. Performanţele acestor oţeluri au fost ,,de la foarte bine la satisfăcător’’în funcţie de condiţiile particulare ale echipamentului. Aşadar, eforturile de investigare a cauzelor ce genereză fenomenul erozional şi de stabilire a ponderii influienţei tuturor factorilor ce contribuie la procesul hidrodinamic şi mecanic ale cavitaţiei se intensifică tot mai mult prin investigaţii pe instalaţiile industriale şi în laborator. Actualmente, nu există ţară posesoare de centrale hidroelectrice şi exploatatoare de nave maritime şi fluviale în care acest fenomen să nu fie studiat de specialişti. În România această problemă ocupă un loc aparte. Potenţialul hidroenergetic al ţarii şi dezvoltarea industriei constructoare de turbine hidraulice au determinat realizarea unor ample programe de cercetare a eroziunii cavitaţionale. Studiile efectuate arată că instalaţiile cele mai afectate de eroziunea cavitaţională sunt turbinele hidraulice, pompele şi elicele navale. Majoritatea eforturilor sunt concentrate spre înţelegerea cauzelor şi factorilor ce concurează la producerea anumitor intensităţi erozionale cât şi la crearea unor noi materiale care să aibă rezistenţe sporite la distrugere cavitaţională şi care să asigure durate de exploatare îndelungate. Din acest motiv vor continua investigaţiile de stabilire a factorilor ce caracterizează materialul (proprietăţi fizico-mecanice, structură, tehnologie de elaborare şi prelucrare) şi pot asigura această calitate.

4


Cap.1 EROZIUNEA CAVITAŢIONALĂ ÎN MAŞINILE INDUSTRIALE

1.1 Eroziunea cavitaţională la turbinele hidraulice

Cercetările, realizate pe turbinele hidraulice, indiferent de tip, arată că toate materiale folosite în confecţionarea pieselor ce intră în componenţa traseului de curgere, lucrând în aceleaşi condiţii, sunt supuse eroziunii cavitaţionale, în proporţii diferite. Cele mai atacate componente sunt camerele (fig.1.2a) şi paletele rotoarelor (fig.1.2b). Motivul este dorinţa constructorilor de turbine de a realiza maşini care să furnizeze puteri cât mai mari. Distrugerile erozive cele mai însemnate apar când acestea sunt confecţionate din oţeluri carbon şi slab aliate. În schimb, pentru condiţii similare de funcţionare, oţelurile inoxidabile (cu constituţie chimică pe bază de crom, crom-nichel, ş.a) au rezistenţa la cavitaţie mai ridicată .

Eroziune la racordarea paletă-guler Eroziune la camera turbinei

Figura 1.2.a Efecte ale eroziunii cavitaţionale asupra componentelor unei turbine hidraulice []

(Turbina Kaplan de la C.H.E. Porţile de Fier I)

5


Eroziune la periferie paletă (extrados)Figura 1.2.b Efecte ale eroziunii cavitaţionale asupra componentelor unei turbine hidraulice

[](Turbina Kaplan de la C.H.E. Porţile de Fier I)

a) 1 b)

Fig.1.2c Schema distrugerilor cavitaţionale la turbinele hidraulice Kaplan a - la camera rotorului; b- pe paletă (1 – zona de eroziune; 2 – muchia de intrare; 3 – cavitaţia

de vârtej produsă la partea frontală a paletei)

Pentru turbinele de la Porţile de Fier I eliminarea completă a cavitaţiei ar însemna o escavare în aval de circa 70 m. Acest lucru este foarte cosistisitor şi foarte greu de realizat, din acest motiv se face un compromis intre cavitaţie şi beneficiul economic, adică în mod intenţionat se admite funcţionarea turbinei în cavitaţie industrială acceptabilă. Pe paleta turbinei Kaplan cele mai aprige eroziuni apar pe extradosul paletei şi aceste eroziuni pot să fie generate de vârtejul cavitaţional sau de cavitaţia de profil.

Din figura 1.2c se observă că din suprafaţa camerei turbinei este supusă cavitaţiei doar acea parte care se află în zonă şi sub axa de rotaţie a paletelor rotorice.

Componenta turbinei hidraulice care se distruge cel mai rapede, prin eroziune cavitaţională, după 10 ÷ 30 mii ore de funcţionare, este rotorul. Distrugerea acestuia se realizează indiferent de materialul folosit. Spre exemplificare în fig.1.3 şi 1.4 se prezintă două rotoare erodate cavitaţional, unul de turbină Kaplan şi unul de turbină Francis , iar în fig.1.5 şi 1.6 fotografiile suprafeţelor distruse cavitaţional realizate pe paletele turbinelor Kaplan de la Porţile de Fier I.

Fig.1.3 Rotor de turbină Kaplandistrus cavitaţional []

Fig. 1.4 Rotor de turbină Francisdistrus cavitaţional []

6


Fig.1.5 Paleta nr.4 a turbinei Kaplan nr.5 de la C.H.E. Porţile de Fier I

(extradosul paletei în imediata vecinătate a periferiei, în dreptul axului de rotire al paletei) []

Fig.1.6 Paleta nr.5 a turbinei Kalan nr.5 de la C.H.E. Porţile de Fier I(extradosul paletei, colţul format de bordul

de fugă cu periferia paletei) []

Cercetările realizate pe turbinele industriale Kaplan arată existenţa următoarelor tipuri de distrugeri cavitaţionale []:

eroziune cavitaţională de profil; eroziune cavitaţională de rost; eroziune cavitaţională locală.

Distrugerea cavitaţională de profil este determinată de scăderea presiunilor în reţeaua rotorică (prin scăderea înecării turbinei), de unghiul de atac al paletei şi geometria profilului. Această distrugere apare:

pe extradosul paletei, în apropierea bordului de atac şi înspre muchia de ieşire; pe intradosul paletei, în apropierea bordului de atac.

Eroziunea cavitaţională de rost apare în interstiţiile dintre părţile rotitoare şi cele fixe. Ea este determinată de variaţia căderii de presiune din aceste zone. Zonele tipice în care apare sunt:

interstiţiul paletă rotorică-cameră turbină; interstiţiul paletă rotorică-butuc; interstiţiile dintre paleta aparatului director şi inelele inferior şi superior ale aparatului

director (nivelul distrugerilor este redus).

7


Componentele afectate de cavitaţia de rost sunt: camera turbinei; partea frontală a periferiei paletei; partea interioară a gulerului paletei; butucul rotoric (nivelul distrugerii este foarte redus).

În fig.1.7 se prezintă modul de erodare a zonei de la periferia paletei, datorită cavitaţiei produse de vârtejurile ce apar în avalul paletei.

Fig.1.7 Eroziunea cavitaţională a paletei rotorice şi camerei turbinei prin cavitaţia de rost []

Funcţie de intensitatea cavitaţiei extinderea zonei cavitaţionale pe paletă, pe dos, este exemplificată în figura 1.8, ce corelează aceste distrugeri cu coeficientul de cavitaţie şi randamentul.

Fig. 1.8 Caracteristica primară de cavitaţie şi evoluţia distrugerilor []

La turbinele Francis distrugerea cavitaţionala apare la ieşirea din rotor pe extradosul paletei înspre inel şi de asemenea mai apare şi la intrare datorită cavitaţiei de profil.

8

Paleta rotorică

Camera turbinei


Studiile efectuate de Edel si Pâlaev [], pe turbinele Francis de la Dneprovsk, după diferiţi timpi de exploatare, la diferite înălţimi geometrice de aspiraţie şi puteri instalate arată că zonele cu cea mai mare probabilitate de distrugere sunt: spatele bordului de atac, înspre inelul rotorului, zona dintre bordul de fugă şi inelul rotorului.

Comparativ cu distrugerile realizate la turbinele ruseşti, paletele turbinelor de la Porţile de Fier I au o rezistenţă cavitaţională remarcabilă, în unele situaţii (turbina nr.2) fiind net superioară celor ruseşti [].

1.2 Eroziunea cavitaţională la pompe

La pompe zona cea mai afectată de cavitaţie este intrarea in rotor, datorită depresiunii create. Pentru creşterea presiunii la intrarea în rotorul de pompă pe acelaşi ax cu rotorul de pompă se poate pune un rotor impulsor care în fapt este un rotor de maşină hidraulică axial. La turbine în special la cele de tip Francis unde trebuie eliminat vârtejul cavitaţional pe cât posibil complet, ca metodă se aplică introducerea de aer în zona cavitaţională prin axul maşinii sau prin diverse conducte laterale. În rotoarele de pompă pe lângă eroziunea cavitaţională apare şi abraziunea datorită particulelor solide aflate în suspensie în lichid.

Zonele cu cea mai mare frecvenţă de distrugere, prin eroziune cavitaţională, la diverse tipuri de pompe sunt indicate în fig. 1.9

Se observă că elementul cel mai distrus este rotorul, respectiv paleta rotorică.

1. Eroziune cavitaţională 2. Abraziune 3. Eroziune cavitaţională+abraziune

Fig.1.9 Zone tipice distruse prin cavitaţie şi prin abraziune []

În fig.1.9 este prezentat un rotor de pompă centrifugă distrus prin cavitaţie.Astfel de distrugeri apar, aşa cum se observă şi în fig. 1.10, pe faţa sau dosul paletelor

în apropierea bordului de atac, dacă durata de funcţionare este maximă, la debite parţiale sau mai mari decât cel optim.

9


Fig. 1.10 Rotor de pompă centrifugă erodat cavitaţional []

În funcţie de destinaţie şi cerinţele impuse, rotorul pompelor este realizat din materiale ceramice, aluminiu, fontă, inox, etc. Marea majoritate a rotoarelor sunt realizate din fontă cenusie şi foarte rar din fontă cu grafit nodular sau oţel inoxidabil cand sunt necesare justificari economice .

Analizele tehnico-economice efectuate pe numeroase pompe şi staţii de pompare au determinat CEGB-ul să afirme : “viaţa rotorului de pompă trebuie să fie de cel puţin 4500 ore când funcţionează la debitul optim, deci circa 80% din timpul de exploatare”.

Grist, Kasai şi Kuzman [] arată că distrugerea cavitaţională a pompelor depinde de: lichidul vehiculat, materialul folosit pentru rotor şi regimul de funcţionare. De asemenea, Grist arată că maximul intensităţii erozionale apare la o valoare a coeficientului de cavitaţie al instalaţiei diferit de cel la care apare scăderea randamentului energetic (fig.1.11).

Pentru eliminarea completă a distrugerilor prin cavitaţie Grist propune funcţionarea la următoarele căderi dinamice de presiune :

la pompele cu n<3000 rot/min

NPSHc min= 1,05 NPSHi viz (1.1)sau

la pompele cu n> 3000 rot/min :

NPSHc min= (1+ n

60000 )NPSHi viz (1.2)

max er max

Fig. 1.11 Asocierea curbei primare de cavitaţie cu curbele de intensitate erozională la cavitaţie []

10


Majoritatea cercetărilor experimentale, legate de determinarea caracteristicilor de cavitaţie şi corelarea lor cu intensitatea eroziunii, au dus la aproximaţiile :

NPSHac max = NPSHvi z = NPSHer max (1.3)

Deşi s-au realizat ample studii în domeniul eroziunii cavitaţionale a pompelor, problema determinării cantităţii de material erodat, când pompa funcţionează la un anumit stadiu cavitaţional este, deocamdată, nerezolvată. Evident dificultăţile sunt legate atât de diversitatea materialelor în fabricarea pompelor (în special a rotoarelor) cât şi a lichidelor vehiculate şi a condiţiilor de exploatare.

1.3 Eroziunea cavitaţională la elicele navale Cu toate că primele observaţii de eroziune cavitaţională s-au facut asupra navelor maritime, literatura de specialitate oferă prea puţine date despre distrugerea elicelor navale. Distrugerea elicelor navale este mult mai pronunţată decât distrugerea produsă la paletele şi rotoarelor de pompe şi turbine. Motivul este funcţionarea elicei într-un curent puternic nestaţionar.

Partea care se distruge la pala elicei este periferia pe extrados. Practic pe pala elicei se generează toate tipurile de cavitaţii (bulă călătoare, pânză, vârtej, funie).

Fig. 1.12 Elice de vapor distrusă prin eroziune cavitaţională []

În fig.1.13 este vizualizat vârtejul cavitaţional pe o elice de vapor , iar în fig.1.14 locurile unde apar cele mai frecvente distrugeri cavitaţionale .

Fig.13 Vârtejul cavitaţional dezvoltat la periferia unei elici de vapor = 240 0 []

11

http://images.google.ro/imgres?imgurl=http://www.natuurkunde.nl/servlet/supportBinaryFiles%3FreferenceId%3D0%26supportId%3D714599&imgrefurl=http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do%3FsupportId%3D714599&h=271&w=403&sz=74&tbnid=DZDAG4HII3BsMM:&tbnh=81&tbnw=121&hl=ro&start=4&prev=/images%3Fq%3Dcavitatie%26svnum%3D10%26hl%3Dro%26lr%3D%26sa%3DG

http://images.google.ro/imgres?imgurl=http://www.xtrack.nl/images/service/cavitatie2.jpg&imgrefurl=http://www.xtrack.nl/inhoud/erosie.htm&h=78&w=116&sz=5&tbnid=8O4RSgRPi1BtuM:&tbnh=55&tbnw=82&hl=ro&start=22&prev=/images%3Fq%3Dcavitatie%26start%3D20%26svnum%3D10%26hl%3Dro%26lr%3D%26sa%3DN


Fig. 1.14 Zone şi tipuri de cavitaţii dezvoltate pe elicele navale []

Cercetările realizate de Ito [] arată că zona cu frecvenţa cea mai mare de distrugere apare pe dosul paletei lângă bordul de atac, la (0,7 0.8 ) R şi depinde de coeficientul de cavitaţie p = 2 (p - p )/v A

2 (vA - viteza de avans a elicei) şi coeficientul de împingere KT = T/ n2D4 ( T- împingerea elicei) (fig. 1.15).

Extrados

2/2

Av

vpopp

4D2n

TTK

(1.4)

VA = viteza de avans a eliceiKT = coeficientul de împingereT = împingerea elicei

Fig.1.15 Distrugeri prin eroziune cavitaţională la palele elicelor navale []

12


În prezent cele mai bune rezultate sunt oferite de bronzurile navale, ce conţin elemente de aliere ca: Ni, Al, Mn. Însă, preţul de cost ridicat impune găsirea unor materiale înlocuitoare, care să fie accesibile financiar şi să prezinte comportări cavitaţionale bune. Asta implică realizarea unor ample studii de eroziune cavitaţională, pe probe, în laboratoare.

Cap.2 EROZIUNEA CAVITAŢIONALĂ A

13


MATERIALELOR ÎN LABORATOR

2.1 Consideratii generale

Depistarea unor materiale care să aibe un preţ de cost scazut şi rezistenţă mare la eroziune cavitaţionala, a dus la realizarea instalaţiilor de laborator ce permit o analiză mai sistematică a comportării materialelor la atacul cavitaţional. Folosirea acestor instalaţii prezintă o serie de avantaje : permit crearea unor fenomene cavitaţionale de intensităţi diferite care pot fi controlate şi

menţinute un timp îndelungat, permit folosirea diferitelor lichide de lucru, la temperaturi şi presiuni variabile, probele pot fi montate şi demontate cu uşurinţă, în vederea determinării cantităţii de

material erodat şi studierii suprafeţei distruse, durata de producere a eroziunii este cu mult mai mică decât cea întalnită în situaţiile

reale la maşinile hidraulice, elicele navale şi aparatele hidraulice de comandă şi reglare, dispun de camere de lucru care permit vizualizarea, filmarea şi fotografierea atacului

cavitaţional.În cadrul acestui capitol se vor prezenta, succint, principalele staţiuni de laborator

utilizate la distrugerea materialelor prin eroziune cavitaţională. Totodată se vor descrie metodele de evaluare a rezistenţei materialului la eroziunea cavitaţională pe baza curbelor caracteristice, valorii parametrilor caracteristici eroziunii cavitaţionale şi fotografiilor obţinute la microscoapele optice sau electronice.

2.2 Obiective urmărite prin investigarea eroziunii cavitaţionale în laborator

Principalele obiective urmărite prin cercetările de eroziune cavitaţională, realizate în laborator, sunt:1. identificarea materialelor cu rezistenţă la eroziune cavitaţionala suficient de mare, astfel

încât să asigure, pieselor ce funcţionează în fluid cavitant, o durată de exploatare cat mai mare,

2. stabilirea, de fiecare laborator, a unui criteriu de ordonare a materialelor după rezistenţa la cavitaţie,

3. stabilirea unui material etalon, cu bună rezistenţă la eroziune cavitaţională, pentru fiecare staţiune,

4. stabilirea tendinţelor de influenţă a comportării cavitaţionale a materialelor de către: tipul structurii şi natura constituienţilor structurali, elementele chimice componente, proprietăţile fizico-mecanice, tehnologia de elaborare (turnare, laminare, forjare, matriţare, sudare), a materialului, forma semifabricatului (rotund, patrat, tablă, ţagle,etc.), natura şi temperatura lichidului de încercare, parametrii tehnico-funcţionali ai staţiunii de încercare, tratamentul aplicat, etc.5. stabilirea unor relaţii de legătura între rezultatele experimentale, obţinute în staţiuni de

laborator de acelaşi tip, respectiv între cele obţinute în laborator şi cele obţinute pe instalaţiile industriale,

6. stabilirea unor criterii de similitudine în eroziunea cavitaţională,

14


7. stabilirea parametrului ce reflectă cel mai bine rezistenţa materialului la eroziunea cavitaţională.

În realizarea acestor obiective cercetătorii şi-au adus contribuţii sub diverse forme. Astfel, Garcia [], în teza sa de doctorat , studiază tendinţa de influenţă a tipului şi temperaturii lichidului de lucru (apă distilată, bismut, mercur) precum si a proprietăţilor fizico-mecanice pentru diverse materiale (oţeluri carbon, oţeluri aliate, inoxuri, aliaje neferoase), asupra vitezei de eroziune cavitaţională şi adâncimii medii şi maxime de pătrundere MDPR, resppectiv MDPRmax. Studiul este realizat global, în tunel cavitant şi aparat vibrator, şi se încheie cu relaţii empirice de legătură între mărimile analizate şi parametrii de referintă, caracteristici eroziunii cavitaţionale. Gradul de aplicabilitate al relaţiilor, astfel stabilite, este limitat. El poate creşte dacă analiza se realizează separat, pe grupe de materiale: oţeluri carbon, oţeluri aliate pentru construcţii, oţeluri inoxidabile, aliaje ale cuprului şi aluminiului, etc.

Astfel de studii sunt efectuate şi de alţi cercetători ca: Hammitt ş.a., Hobbs , Steller , Thiruvengadam [] .

Influenţa tipului de structură şi a constituienţilor structurali este prea puţin studiată. Contribuţii în această direcţie au Hrelescu, Karimi, Thiruvengadam, Bordeaşu ş.a [].

Influenţa parametrilor tehnico-funcţionali ai staţiunii de laborator este analizată de: Garcia, Hammitt-Okada, Hobbs, Thiruvengadam si care prezintă relaţii de dependenţă sub formă grafică sau analitică. Thiruvengadam stabileşte şi o curbă tip pentru viteza de eroziune cavitaţională (fig.2.1) şi recomandă ordonarea materialelor după viteza de eroziune cavitaţională din zona de stabilizare vs (zona 4).

t <min>Fig. 2.1 Curba tip a vitezei de eroziune cavitaţională stabilită de Thiruvengadam

Preocupari în stabilirea unor relaţii de efect de scară, de similitudine şi modelare matematică a vitezei de eroziune cavitaţională au: Hammitt, Thiruvengadam ,Steller, Shalnev, Noskievici şi Bordeaşu [].

În concluzie, se remarcă faptul că, cu toate eforturile depuse până în prezent, nu s-a finalizat nici unul dintre obiectivele importante. Din acest motiv, datorită complexităţii fenomenului cavitaţional şi multitudinii factorilor de care depinde producerea eroziunii, azi se studiază, tot mai mult, microstructura erodată, pentru înţelegerea mecanimului de eroziune şi a transformărilor ce au loc la nivel microstructural.

2.3 Instalaţii de laborator

15

Material: Oţel inox 304LLichid: apă la 27 0CAmplitudinea dublă: 31,75mFrecvenţa: 16KHz


Există trei tipuri de instalaţii de laborator folosite în studiul eroziunii cavitaţionale a materialelor:

1. tunele hidrodinamice cu cameră de lucru strangulată;2. aparate cu disc rotitor imersat în lichid;3. aparate vibratorii.În continuare se vor prezenta câteva date semnificative privind utilizarea fiecăreia

dintre instalaţiile enumerate mai sus.

2.3.1 Tunele hidrodinamice

Tunelele hidrodinamice sunt astfel realizate şi concepute încât permit generarea unor fenomene cavitaţionale similare celor din maşinile hidraulice. Pereţii camerelor de lucru sunt transparenţi şi permit vizualizarea, fotografierea, filmarea şi înregistrarea evoluţiei procesului de distrugere cavitaţională. Model pentru această categorie de staţiune de laborator este tunelul hidrodinamic realizat de Knapp (fig.2.2).

În tabelul 2.1 sunt afişate cele mai semnificative date ale principalelor tunele hidrodinamice şi ţara în care se află .

Tab.2.1 Tunele hidrodinamice []

Laborator (ţara)

Parametrii tehnico - funcţionali

Puterepompa

KW

Tip cavitator

Viteza lichid Presiune Temp.lichid

t0C

vm/s

vsurf.

m/sp

PaCity University

(Anglia)20 Bolţ 21 45 8900 40

Wuxi(China)

100 ic 14 28 1029,7 20

Hiroshima(Japonia)

11 sistemobstacol

30 300 4052 40

Peitz-Hohenwarte(Germania)

- bolţ 30 41,5 9300 10

Avantajul folosirii unei astfel de staţiuni o constituie posibilitatea determinării

distribuţiei de presiuni, din camera de lucru, pentru diferite stadii cavitaţionale şi construirii curbelor =f(Re) (fig. 2.3).

Dezavantajul instalaţiei îl constituie gabaritul ridicat şi timpul necesar producerii unor eroziuni acceptabile (10 300) ore.

2.3.2 Aparate cu disc rotitor imersat in lichid Aparatele cu disc rotitor imersat în lichid simulează cel mai bine procesul

cavitaţional din maşinile hidraulice şi elicele navale. Elementul de bază al acestor aparate îl constituie discul rotitor imersat în lichid, a cărui turaţie poate fi modificată în funcţie de intensitatea fenomenului cavitaţional dorit. În acest disc sunt realizate orificii, cu geometrie variabilă, dispuse după spirale logaritmice care servesc la generarea cavitaţiei. În spatele orificiilor sunt montate probele de formă cilindrică a căror suprafaţă este distrusă prin eroziune cavitaţională.

16


a) Camera de lucrub) Motopompac) Circuitul hidraulicd) Reabsorbitor de gaze

Fig.2.2 Tunelul hidrodinamic pentru studiul cavitaţiei (modelul Knapp ) []

Fig.2.3 Variaţia coeficientului de de cavitaţie cu numărul Re pentru

17


diferite stadii cavitaţionale [] Camera de lucru, în care este montat discul rotativ, este dotată cu paletaje statorice de

frânare (pînă la 36, de lungimi diferite) radiale, dispuse de o parte şi de alta a discului. Menirea acestora este limitarea curentului rotaţional al lichidului cavitant când discul se roteşte. Pentru urmărirea procesului sunt prevăzute vizoare de sticlă sau pereţii sunt transparenţi. Astfel este posibilă vizualizarea, filmarea şi fotografierea fenomenului cavitaţional. De asemenea, pentru limitarea vibraţiilor determinate de dezechilibrarea rotorului, în urma erodării cavitaţionale a probelor, sunt prevăzute limitatoare care intră automat în funcţiune când se depăşeşte pragul admisibil.

În fig.2.4 se prezintă un model de aparat cu disc rotitor, utilizat de Veerabhadra, iar in tabelul 2.2 mărimile caracteristice ale unor astfel de aparate.

Fig.2.4 Aparat cu disc rotitor imersat in lichid []

Tabelul 2.2 Aparate cu disc rotitor []

Laborator(ţara)

Patrametrii tehnico - funcţionali

Puteremotor

Diam.Disc

Turaţie

Cavitator Supra-faţa

Temp.

Pres.medi

e

PKW

Dmm

nrot/min

gauranit

vm/s

Smm2

t0C

pm

Pa

Wuxi(China)

30 350 2950 gaura 43 1256,6

20 1030

Gdansk(Polonia)

40 330 3000 nit 42,5 706,5 20 1550

Frankental

(Germania)

28 500 1537 nit 29,6 200 40 464

Olomouc(Slovacia

)

52,5 275 5000 gaura 60,2 2x491

40 700

Dezavantajele acestor aparate sunt coplexitatea câmpului de viteze şi presiuni din camera de lucru, care fac imposibilă crearea unui model matematic al fenomenului

18


cavitaţional produs şi durata ridicată a încercărilor (în medie de 10 60 ore crescând pentru materiale rezistente de tipul inoxurilor).

2.3.3 Aparate vibratorii

Aparatele vibratoare, utilizate în distrugerea materialelor prin eroziune cavitaţională, sunt sisteme acustice, respectiv ultraacustice, deschise, cu aplicaţii tehnologice active, care folosesc energia sonoră, respectiv ultrasonoră, pentru producerea de modificări în structura mediului prin care se propagă.

Aparatele vibratorii folosite în cercetarea eroziunii cavitaţionale a materialelor sunt de două tipuri: magnetostrictive, piezoelectrice.

Cele mai uzuale aparate magnetostrictive folosesc traductoare feritice şi tuburi de nichel. Azi, majoritatea aparatelor cu această destinaţie se construiesc pentru funcţionarea în domeniul ultrasonic, un accent tot mai ridicat punându-se pe utilizarea aparatelor vibratorii cu cristale piezoceramice datorită:

elasticităţii ridicate şi frecvenţelor de lucru înalte, pierderii de căldură reduse, eficienţei mari în conversia energiei.

Pentru distrugerea materialului,prin cavitaţie, este necesar să se funcţioneze în regim de rezonanţă, cu unde longitudinale plane, la amplitudini de vibraţie mai mari de 8 m. La aceste amplitudini cea mai mare parte din energia acustică este absorbită de material, restul disipându-se sub formă de caldură în mediul înconjurător.Distrugerea materialului depinde de nivelul parametrilor tehnico-funcţionali: puterea electrică de alimentare a generatorului electronic de ultrasunete, diametrul probei, frecvenţa şi amplitudinea oscilaţiilor, temperatura şi natura lichidului de lucru. Eroziunea cavitaţională are loc ca urmare a mişcării vibratorii pe verticală ce generează, periodic, un nor de bule cavitaţionale prin a cărui surpare se nasc presiuni ridicate pe suprafaţa probei, producând ruperi de material. Condiţia esenţială, ca eroziunea să aibă loc, este ca proba supusă atacului cavitaţional să fie plasată în maximul amplitudinii de vibraţie şi norul de bule cavitaţionale să adere pe suprafaţa probei. Această ultimă condiţie este determinată de tensiunea superficială la interfeţele lichid-solid-vapori şi interacţiunea mecanică dintre bule şi asperităţile suprafeţei probei.

Probele supuse atacului cavitaţional pot fi staţionare sau vibratorii (fixate de subansamblu transductor).

La aparatele vibratorii cu tub de nichel nivelul amplitudinilor depinde de lungimea tubului, iar la cele cu transductor piezoceramic şi feritic de forma concentratorului-amplificator (conic, exponenţial, cilindric în trepte, catenoidal, etc) şi raportul secţiunilor intrare-ieşire.

Camerele de lucru sunt cu pereţi transparenţi şi oferă aceleaşi facilităţi ca la tunelurile hidrodinamice şi aparatele cu disc rotitor.

În tabelul 2.3 se prezintă mărimile caracteristice ale celor mai semnificative aparate vibratorii folosite în eroziunea cavitaţională.

Deşi procesul cavitaţional este total diferit de cel din echipamentele industriale aparatele vibratorii sunt tot mai des folosite datorită următoarelor avantaje : durata de încercare foarte mică, maxim 2 ÷ 4 ore, spaţiul ocupat foarte redus, permit utilizarea oricărui tip de lichid, au cea mai mare intensitate de distrugere (fig, 2.5). rezultatele obţinute sunt acoperitoare pentru situaţiile reale.

19


Tab.2.3 Parametrii tehnico-funcţionali ai unor aparate vibratorii []

Laboratorul(ţara)

Tipstaţiune

Frecvenţa

fkHz

Amplitu-

dineaAm

Diam.probă

dmm

Putereelectr.

Pel

W

Bibl.

Timişoara - T1(Romania)

magneto-strictivă

7 47 14 500

Timişoara - T2(Romania)

piezoelec-

trică

20 50 15,8 500

Michigan(USA)

piezoelec-

trică

6,422,5

12,5 100

14,3

22

200

Gdansk(Polonia)

magneto-strictivă

8,1 50 12,5 500

Ostrava(Cehia)

piezoelec-

trică

20 20 40 16

Beograd(Croatia)

piezoelec-

trică

20 50 - -

Town University(Africa de

Sud)

piezoelec-

trică

20 60 10 500

Wuxi(China)

piezoelec-

trică

20 32 16 250

Hiroshima(Japonia)

piezoelec-

trică

19,9 24 16 100

Milan(Italia)

piezoelec-

trică

20 50,8 15,8 1000

Dezavantajele acestor aparate sunt necesitatea unei bune izolări fonice şi dificultatea stabilirii unor relaţii care să permită transpunerea rezultatelor la maşină industrială, datorită modului diferit de realizare a fenomenului cavitaţional. Însă, datorită numărului mare de staţiuni existente este absolut necesară crearea unei relaţii de efect de scară care să permită transpunerea rezultatelor de la o staţiune la alta. În cele ce urmează se prezintă aparatele vibratorii aflate în dotarea Laboratorului de Maşini Hidraulice din Timişoara (LMHT)

20


Fig.2.5 Dependenta intensitatii distrugerii cavitaţionale relative de aparatul generator de cavitaţie []

1 - aparat cu disc rotitor2 - aparat vibrator3 – tunel hidrodinamic

a) Aparatul vibrator magnetostrictiv cu tub de nichel T1 (I.Potencz ) Magnetostricţiunea este proprietatea unor materiale de a se contracta şi dilata când sunt plasate într-un câmp magnetic de intensitate ridicată.

Dintre materialele cu magnetostricţiune ridicată se remarcă nichelul pur şi anumite tipuri de ferite. Pe baza acestei proprietăţi s-a construit, între anii 1958-1962, de către ing. I. Potencz , aparatul magnetostrictiv cu tub de nichel T1 (fig.2.6 şi 2.7) aflat în dotarea Laboratorului de Maşini Hidraulice al Universităţii Politehnica din Timişoara. El este compus dintr-un generator de înaltă frecvenţă, cu puterea maximă de ieşire a curentului alternativ produs de 500 W, cu frecvenţa de ieşire reglabilă (4000 ÷ 8000 Hz) şi un vibrator magnetostrictiv format dintr-un tub de nichel , de lungime l = 305 mm, fixat pe un suport în câmpul magnetic pulsator.

Tubul de nichel are la un capăt sudat capul de prindere filetat pentru fixarea probei . Frecvenţa proprie de oscilaţie a tubului este în funcţie de lungimea sa şi de viteza sunetului din metal. Tubul este fixat în nodul de oscilaţie printr-un sistem de prindere inelar. În jurul tubului de nichel sunt plasate 2 bobine, alimentate de la generatorul de frecvenţă variabilă, care induc, în tub, un câmp magnetic alternativ puternic (tensiunea de ieşire de 70V şi puterea de 1KVA). Peste acest câmp se suprapune un câmp continuu realizat cu ajutorul unor bobine şi un jug magnetic, alimentate de la o sursă de curent continuu de 24 V si 5 A. Prin însumarea celor două câmpuri rezultă un câmp magnetic pulsator de amplitudine dublă. Datorită acestui câmp tubul de nichel se contractă în ritmul frecvenţei câmpului alternativ, proba, executând o mişcare vibratorie pe verticală. De asemenea, datorită intensităţii ridicate a câmpului magnetic pulsatoriu, în tubul de nichel se induc curenţi Foucault care îl încălzesc foarte puternic. Această căldură se compensează cu un sistem de răcire adecvat ce permite efectuarea încercărilor în condiţii de temperatură certe şi evită pierderea proprietăţilor magnetostrictive ale tubului de nichel care au loc la 4000 C şi care poate conduce la reducerea pronunţată a mişcărilor vibratorii până la încetarea lor. Prin racordarea frecvenţei curentului de alimentare a bobinelor cu frecvenţa de oscilaţie mecanică proprie a tubului de nichel se obţin, datorită fenomenului de rezonanţă mecanică, oscilaţii mari ale probei care ajung la amplitudinea de 94 m.

21


Proba (fig.2.7) este scufundată în vasul cu lichidul de încercare la o adâncime de imersare h = 3 mm. Datorită vitezelor mari ale suprafeţei probei şi aderenţei fluidului, la mişcarea de urcare, apar depresiuni mari ce duc la apariţia unui nor de bule cavitaţionale care, la mişcarea de coborâre. se surpă pe această suprafaţă distrugând-o. Uzual, procesul se realizează cu o frecvenţă de 7000 3 % Hz. În figura 2.8 este prezentată forma geometrică a probei.

Undele sonice de presiune, datorate mişcării vibratorii a probei, sunt captate de pâlnia şi ridică coloana de lichid din piezometrul cu denivelarea h proporţională cu amplitudinea oscilaţiilor (pentru A = 94 m, h = 20 mm).

Menţinerea constantă a amplitudinii se obţine prin reglarea fină a tensiunii de ieşire a generatorului cu ajutorul unui autotransformator ce acţionează asupra intensităţii curentului alternativ şi implicit asupra intensităţii câmpului magnetic pulsatoriu.

Deoarece, aparatul permite şi încercarea probelor acoperite prin diferite procedee tehnologice care, uneori, duc la suprafeţe supuse atacului cavitaţional denivelate, pentru citirea corectă a amplitudinii s-a realizat un sistem electric de măsurare , realizat dintr-o bobină şi un voltmetru cu rezistenţa de intrare mare.

Menţinerea constantă a temperaturii lichidului din vas se realizează cu o serpentină din cupru prin care circulă apa de răcire de la reţea.

b)Aparatul vibrator cu cristale piezoceramice T2 Aparatul vibrator cu cristale piezoceramice T2, prezentat în fig. 2.8 şi 2.9, a fost

proiectat şi realizat pentru distrugerea materialelor solide prin cavitaţie, după cerinţele normelor ASTM G-32/2008.Cerinţe şi condiţii de testare conform ASTM G32:

- frecvenţa de încercare 20 ± 2 kHz- amplitudine 50 μm ± 5%- lichid de lucru apă distilată- temperatură 22 ± 1ºC- intervale de încercare curăţare, uscare şi cântărire la intervale de încercare de- 2 ore (intervalele se pot modifica după necesităţi)- timp total (cumulat) până la 10 ore.

Aparatul standard G32-09-T2(fig. 5.3), din dotarea Laboratorului de Msini Hidraulice din Timisoara, este destinat producerii eroziunii prin cavitaţie la frecvenţe ultrasonice. El este conform cu ultimele norme ASTM acceptate la nivel internaţional [anexa].

Parametrii funcţionali ai apararatului:- putere 500 W- fercvenţă vibraţii 20 kHz- amplitudine vibraţii 50 μm- diametru probă 15,8 mm- tensiune de alimentare 220 V/50 Hz

22


Fig.2.6 Aparatul vibrator magnetostrictiv cu tub de nichel T1 []

23


Fig.2.7 Aparatul vibrator magnetostrictiv cu tub de nichel T1-componenţă (realizator I. Potencz )

1- tub de nichel; 2 - piesa -fixare proba; 3 - proba; 4 - sistem inelar fixare tub nichel; 5 - sistem răcire tub nichel; 6 -bobine curent altenativ; 7 - bobine curent continuu;

8 - vas cu lichid de lucru; 9 - pâlnie captare unde sonice; 10 - piezometru; 11 - serpentina răcire; 12 - aparat electric (voltampermetru)

24

Fig.2.8 Forma geometrică a probei [4]


Fig. 2.8 Aparatul vibrator cu cristale piezoceramice T2

Fig. 2.9 Sistemului mecanic vibrator, componenţă:1. Cap de lucru;2. Sonotroda specializata din titan gr.2;3. Niplu sau prezon de interconectare mecanica;4. Amplificator intermediar de unda – booster (factor de amplificare 1:1);5. Niplu sau prezon de interconectare mecanica;6. Transductor piezoceramic.

25


2.4. Metode de evaluare şi ierarhizare a materialelor după rezistenţa la eroziunea prin cavitaţie

Ordonarea şi evaluarea rezistenţei materialelor la eroziune cavitaţională se face după unul din criteriile []:

1. panta curbelor de pierdere masică m(t) sau volumică V(t), tg, în zona de stabilizare;

2. viteza de staţionare a eroziunii (de stabilizare, finală de palier) vs;3. viteza maximă a eroziunii vmax ;4. rezistenţa normalizată la cavitaţie Rn;5. viteza adâncimii medii sau maxime de pătrundere a eroziunii, MDPR respectiv

MDPRmax, sau inversul acestora, 1/MDPR respectiv 1/MDPRmax;6. timpul de incubaţie;7. durata necesară obţinerii unei pierderi volumice sau masice date;8. durata necesară realizării unei anumite adâncimi de pătrundere.Deoarece rezultatele experimentale sunt influenţate de parametrii tehnico-funcţionali

ai staţiunii, permiţând un grad de subiectivitate, nici unul dintre parametrii menţionaţi nu este acceptat, ca unic, de către cercetători.

Dintre aceşti parametrii, timpul de incubaţie este folosit cu precădere la aprecierea materialelor testate în tunele hidrodinamice şi aparate cu disc rotitor.

Duratele de realizare a unei pierderi (masice, volumice sau gravimetrice) date şi a unei anumite adâncimi de pătrundere, practic, azi nu se mai utilizează, datorită consumurilor energetice prea mari pentru materiale cu rezistenţă sporită, de tip oţeluri stelite şi inoxidabile la care aceste durate au valori de ordinul sutelor de ore pentru atacurile din tuneluri cavitante şi aparate cu disc rotitor şi de zeci de ore pentru distrugerile produse în aparate vibratorii.

Normele ASTM recomandă parametrii 1, 2, 3 şi 4, iar Thiruvengadam viteza de stabilizare a eroziunii. Pentru maximul vitezei de eroziune cavitaţională normele ASTM recomandă acea valoare după care viteza devine descrescătoare. Se face această recomandare, deoarece valorile ridicate din primele minute ale atacului cavitaţional (obţinute cu precădere în aparatele vibratorii) sunt puternic afectate de praful abraziv şi nivelul rugozităţii din suprafaţa atacată.

Azi, majoritatea cercetătorilor utilizează pentru ordonarea materialelor, după rezistenţa la distrugere cavitaţională, parametrii 1 şi 2, iar pentru analiza cauzelor distrugerii sub abumite forme se folosesc rezultatele oferite de investigaţiile microstruturilor cu ajutorul microscoapelor optice şi electronice cu baleiaj.

a. Metoda utilizării masei totale erodate la sfârşitul atacului cavitaţional şi a timpului la care se poate atinge maximul vitezei de eroziune (stabilit experimental pe clase de materiale )

Se consideră cunoscute următoarele date, fig.2.10: tM - timpul la care curba de aproximaţie a punctelor experimentale M(t), prezintă

inflexiune (viteza de eroziune cavitaţională atinge valoarea maximă) – depinde de tipul materialului;

ttotal – durata totală a atacului cavitaţional (caracteristică fiecărei staţiuni de încercare la cavitaţie)

Mmax – masa de material îndepărtată prin eroziune în timpul ttotal

26


Fig. 2.10Variaţia pierderilor masice Fig. 2.11 Variaţia vitezei de eroziune cu timpul de atac (tipuri de curbe) cu timpul de atac(tipuri de curbe)

Determinarea constantelor A şi B se face astfel: constanta B este determinată din condiţia ca la tM viteza să atingă valoarea maxima vM

(respectiv 0)dt

Md(

Mtt2

2 ):

Mt

2B (2)

constanta A este determinată din condiţia ca la ttotal masa erodată este egală cu cea obţinută experimental:

)e1(t

MA

totaltBtotal

max

(2.1)

b. Metoda utilizării vitezei de stabilizare vs si a timpului tM la care se atinge maximul vitezei de eroziune cavitaţională vM - mărimi caracteristice curbei experimentale a vitezei de eroziune

Pentru calculul constantelor A şi B se consideră cunoscute următoarele mărimi, caracteristice vitezei de eroziune:

vM - maximul vitezei de eroziune, determinată experimental; tM – timpul de atac cavitaţional la care se înregistează vM; vS - valoarea spre care viteza de eroziune cavitaţională, tinde să se stabilizeze

(determintă ca medie aritmetică a ultimelor patru valori experimentale) ttotal - durata totală a atacului cavitaţional (caracteristică fiecărei staţiuni de încercare la

cavitaţie)Constanta B se determină cu relaţia (2.1), iar constanta A se determină din condiţia că la t = ttotal viteza de eroziune tinde spre valoarea de stabilizare vS:

)t(vlimvtotaltt

s (2.2)

Din condiţia (2.2) rezultă:

27


A = )1tB(e1

v

totaltB

s

total (2.3)

2.4.1 Ordonarea materialelor şi evaluarea rezistenţei lor la eroziune cavitaţională după panta curbelor de pierdere masică sau volumică

Curbele de pierdere masică, gravimetrică sau volumică aproximează punctele experimentale, obţinute prin masurători şi sunt descrise de ecuaţii exponenţiale. Forma acestor ecuaţii poate fi: pentru curbele de pierdere masică:

m(t) = Ate-Bt (2.14)m(t) =At(1-e-Bt) (relaţie propusă de Bordeaşu ş.a. )

în cazul în care se doreşte reprezentarea sub forma de curbă de pierdere volumică, forma ecuaţiei este asemănătoare celor din relaţia (2.14), între masă şi volum existând legătura:

V(t) = )t(m

(2.15)

unde reprezintă masa specifcă (densitatea) a materialului. dacă se doreşte reprezentarea sub forma curbelor de pierdere gravimetrică, atunci se va

calcula greutatea materialului erodat cu relaţia:

G(t) = g.m(t) (2.16)

unde g = 9.80065 m/s2 este acceleraţia gravitaţională.Forma curbelor de aproximaţie fiind identică cu cea descrisă de una din expresiile

relaţiei (2.6) Se precizează că toate pierderile din relaţiile (2.14) ÷ (2.16) sunt pierderi cumulate.

Tangenta, necesară aprecierii comportamentului cavitaţional al materialului şi comparării sale cu alte materiale, se determină grafic sau analitic, pentru ultima porţiune a curbei (zona aproximativ liniară), cu relaţia :

tg = dt

dG

dt

dV

dt

dm (2.17)

2.4.2 Ordonarea materialelor şi evaluarea rezistenţei lor la eroziune cavitaţională după

valoarea vitezei vs de stabilizare a eroziunii

Viteza de stabilizare (staţionare) a eroziunii vs este definită ca fiind „viteza finală de palier care se atinge, sau spre care se tinde asimptotic, după ce viteza a descrescut de la valoarea ei maximă” - este recomndată de Thiruvengadam şi folosită în compararea materialelor după rezistenţa la cavitaţie.

Curbele ce exprimă vitezele de eroziune cavitaţionala prezintă mai multe moduri de variaţie. În fig.2.12 se prezintă cele mai întâlnite curbe v(t) ce dau variaţia vitezei de eroziune cavitaţională cu timpul de expunere. În aceste figuri sunt evidenţiate şi perioade de incubaţie a eroziunii cavitaţionale.

Cercetările realizate in Laboratorul de Maşini Hidraulice din Timişoara au condus la concluzia că în aparatele vibratorii perioada de incubaţie este practic inexistentă, ca urmare a intensitătii ridicate de distrugere pe care acestea o au. Astfel, s-a constatat că în primele minute ale atacului cavitaţional se elimină praful abraziv şi vârfurile microasperităţilor de pe suprafaţa atacată. Din această cauză şi vitezele de eroziune au, în această perioadă, valori

28


foarte mari. Practic, eroziunea cavitaţională în această perioadă este dată numai de distrugerea vârfurilor microasperităţilor.

Fig.2.12 Tipuri de curbe ale vitezelor de eroziune cavitaţională

Curbele din fig.2.12 caracterizează tendinţele de comportament cavitaţional pentru următoarele materiale: materiale fragile (fonte) şi cu structuri neomogene şi grosolane (specifice aliajelor

metalice turnate), fig.2.12 a,b,g; oţeluri şi bronzuri înalt aliate, cu bună şi foarte bună rezistenţă cavitaţională, cu structură

fină şi tenace, cu capacităţi ridicate la ecruisare, fig.2.12 c,d,f; fonte, metale monofazice (fierul, alama) şi cu proprietăţi mecanice scăzute, fig.2.12h, aliaje fier carbon şi bronzuri de înaltă rezistenţă mecanică, obţinute prin turnare şi cu

foarte bună rezistenţă cavitaţională, fig.2.12 f,g; materiale cu comporatament cavitaţional aleator şi proprietăţi mecanice neomogene în

structură, cu defecte structurale, fig.2.12 e. Pentru construirea curbelor v(t) este necesar calculul vitezelor de eroziune

cavitaţionale medii, pentru fiecare perioadă de atac, cu una din relaţiile:

v =

m

t

V

t

G

t (2.18)

unde: m, V, G reprezintă pierderile masice, volumice sau gravimetrice realizate în perioada t de atac cavitaţional. Pierderile masice se determină prin cântărire, iar cele volumice şi gravimetrice se calculează.

În fig.2.13 sunt redate câteva forme de curbe ale vitezelor de eroziune cavitaţională cu aspecte ale suprafeţelor distruse după perioadele de atac caracteristice.

29


Fig.2.13 Curbe caracteristice de cavitaţie cu aspecte ale evoluţiei distrugerii în suprafeţele atacate []

De remarcat, atât pentru curbele din fig.2.12 cât şi pentru cele din fig.2.13, formele sunt o expresie a influenţei tuturor factorilor ce determină comportamentul cavitaţional al materialului (natura şi temperatura lichidului cavitant, constituţia chimică, structurală şi caracteristicile fizico-mecanice ale materialului, capacitatea acestuia de a absorbi energie în timpul atacului cavitaţional, parametrii tehnico-funcţionali ai aparatului utilizat).

Principalele tendinţe ale vitezelor de eroziune, ale materialelor solicitate cavitaţional, sunt: stabilzarea vitezei de eroziune la valoarea maximă vmax; stabilizarea vitezei de eroziune la o valoare vs mai mică decât valoarea maximă realizată anterior.

Avantajul utilizarii vitezei vs este dat de posibilitatea comparării materialelor solicitate cavitaţional în aparate de acelaşi tip şi cu parametrii funcţionali apropiaţi.

2.4.3 Ordonarea materialelor şi evaluarea rezistenţei lor la eroziunecavitaţională după maximul vitezei de eroziune, vmax

Viteza maximă a eroziunii cavitaţionale vmax este definită sub urmatoarele forme: „viteza de eroziune instantanee maximă obţinută experimental după care viteza de eroziune devine descrescătoare - recomandată de normele ASTM- respectiv „valoarea maximă a vitezei de eroziune cavitaţională definită de curba experimentală v(t) - recomandată de Plesset şi Devine, Bordeaşu, Hobbs.

Din fig.2.12 si 2.13 se poate constata că pentru unele materiale maximul vitezei de eroziune cavitaţională coincide cu valoarea vitezei de stabilizare.

Alegerea uneia din vitezele vs sau vmax, ca parametru de evaluare a rezistenţei cavitaţionale rămâne la latitudinea specialistului.

2.4.4 Ordonarea materialelor şi evaluarea rezistenţei lor la eroziune cavitaţională după rezistenţa normalizată la cavitaţie Rn

Rezistenţa normalizată la cavitaţie este dată de următoarele rapoarte: Rnmax= vmax/vmaxe, respectiv Rns= = vs/vse. Mărimile cu indicele “ e “ se referă la oţelul etalon, considerat cu buna rezistenţa la cavitaţie. Pentru laboratorul de Maşini Hidraulice din Timişoara există două oţeluri etalon: OH12NDL -oţel inoxidabil martensitic, de provenienţă rusească folosit în fabricarea paletelor rotorice de la turbinele Kaplan de la Porţile de Fier I şi dovedit a avea o bună rezistenţă la cavitaţia industriala din maşină şi oţelul aliat pentru construcţii 40Cr10 considerat de Popoviciu şi Bordeaşu ca fiind cu bună rezistenţă la cavitaţia produsă în aparatul vibrator magnetostrictiv cu tub de nichel T1.

Deşi este recomandată de normele ASTM, utilizarea sa este redusă din cauza inexistenţei unui material etalon pentru toate laboratoarele existente în lume.

30


Cap.3 ASPECTE ALE MECANISMELOR DISTRUGERII MATERIALELOR PRIN EROZIUNE CAVITAŢIONALĂ

3.1 Mecanismul ruperii prin oboseală

31


Vaidya şi Preece au studiat diferite aliajele de aluminiu, inclusiv durificate structural si arată că o cauză a eroziunii, prin mecanismul oboselii, o reprezintă consolidarea limitată la suprafaţa materialului. Ei arată că mecanismul eroziunii aliajelor de aluminiu cu conţinut redus de elemente de aliere (ex: Al cu 1% Cu) este asemănător metalelor pure C.F.C, de rupere ductilă. Acest mod de eroziune conduce la o viteză de pierdere de material relativ uniformă pe toată suprafaţa materialului. În acelaşi timp,Vaidya si Preece,arată că cu creşterea duratei de atac cavitaţional se diminueaza adâncimea de pătrudere datorită durificării structurale. Acest fenomen se datorează schimbării mecanismului eroziunii, prin trecerea dintr-o rupere ductilă într-o fisurare de oboseală locală, similară celei observate la oboseală materialelor .

Pentru aliajele de aluminiu bogat aliate (Ex: Al – 9% Mg şi AlZnMgCu) Vayda şi Preece constată că eroziunea cavitaţională se produce prin propagarea fisurilor de oboseală, la scară miscroscopică, în toată suprafaţa. De asemenea, ei au observat că densitatea ridicată a surselor de dislocaţii şi prezenţa unui număr mare de precipitate, care limitează mişcarea dislocaţiilor aproape de suprafaţa atacată, conduce la creşterea concentraţiilor amorselor. În acest fel, amorsa devine suficient de mare şi iniţiază fisura la suprafaţa materialului. În acelaşi timp, fisurile astfel formate sunt imediat umplute cu apă, la fiecare ciclu de deformare-tensionare, împiedicându-se închiderea lor. Aşadar, după formarea fisurii, solicitarea repetată devine responsabilă de propagarea laterală, similar solicitării de oboseală.

La aliajele de aluminiu, mediu aliate (Ex: Al-4%Cu), Vayda şi Preece au observat că eroziunea cavitaţională se manifestă simultan prin mecanismele de rupere ductilă şi fisurare prin oboseală; formându-se cratere microscopice izolate şi dispersate pe toată suprafaţa atacată.

3.2 Observaţii în Laboratorul de Maşini Hidraulice din Timişoara []

Bordeaşu ş.a au studiat mecanismul iniţierii eroziunii cavitaţionale în oţelul inoxidabil martensitic G-X5CrNi13.4, folosit în turnarea paletelor de la turbinele Porţile de Fier II.

Testele de eroziune cavitaţională au fost realizate în aparatul vibrator magnetostrictiv cu tub de nichel din cadrul Laboratorului de Masini Hidraulice din Timişoara. Principalul scop a fost de evidenţiere a modului în care se iniţiază distrugerea prin cavitaţie intensă (cum este cea vibratorie ), încă din primele momente ale atacului. Microfotografiile prezentate în fig. 3.1 si 3.2, realizate la timpii precizaţi sunt foarte sugestive. Astfel se poate observa că încă din primele secunde apar ciupituri (microcaverne), specifice solicitărilor dinamice de mare impact (cum este al undelor de şoc şi microjeturilor). De asemenea, din fig.3.2 se pot observa deformaţii plastice dar şi rupturi specifice solicitărilor de oboseală.

Fig.3.1 Oţelul G-X5CrNi13.4, după 5 secunde de atac cavitaţional

(2000x)

Fig.3.2 Oţelul G-X5CrNi13.4, după 15 secunde de atac cavitaţional

(1000x)

De asemenea cercetările realizate de Bordeaşu pe o gamă largă de materiale, inclusiv pe oţelul 40Cr130, au dus la următoarele constatări:

32


a. primele componente ce se distrug, în cadrul aliajelor pe bază de fier sunt carburile formate la limitele dintre grăunţii cristalini, datorită fragilităţii ridicate. Îndepărtarea acestora generează, pentru atacul cavitaţional viitor, amorse de fisuri.

b. propagarea fisurilor se face atât axial (în adâncime) cât si radia1, în funcţie de locul în care legăturile sunt mai slabe.

c. la suprafaţa probei (zona 2,) se realizeză o durificare locală, prin tasare, datorită solicitării locale repetate. La materialele cu reţele cristaline de tip (HC), durificarea la suprafaţă se realizeză pe o adâncime mai mică.

d. grupurile de grăunţi bine legaţi structural, sunt mai întâi deformate plastic şi apoi rupte de restul materialului.

CAP. 4 CERCETAREA REZISTENŢEI LA EROZIUNEA PRIN CAVITAŢIE A OŢELULUI INOXIDABIL X22CrNi17, DESTINAT TURNĂRII PALETELOR ŞI

ROTOARELOR DE TURBINĂ HIDRAULICĂ

33


Introducere

Pagubele produse de eroziunea cavitaţiei, în special la rotoarele turbinelor şi pompelor hidraulice şi la elicele navelor maritime şi fluviale, au impulsionat cercetările care vizează dezvoltarea unor noi materiale cu rezistenţă ridicată la acest fenomen. Deşi cercetările în domeniu sunt multiple şi cu vechime, întrucât fenomenul continuă să producă avarii importante specialiştii continuă să analizeze structurile erodate, în condiţii de laborator şi să caute modele de estimare a rezistenţei la distrugerea prin cavitaţie. În aceeaşi direcţie se înscrie şi cercetarea prezentată în cadrul lucrării, realizate în Laboratorul de Maşini Hidraulice din Timişoara (LMHT) a unui oţel inoxidabi X22CrNi17. Realizarea şi studierea acestui oţel a fost determinată de problemele erozive constatate la paletele şi rotoarele turbinelor centralelor hidroelectrice din România, intrate în retehnologizare. La baza evaluării comportării oţelului la eroziunea cavitaţiei stau curbele şi parametrii specifici.Analizele efectuate pun în evidenţă asemănările şi diferenţele distrugerii structurilor oţelului şi aduc elemente noi în evaluarea comportării (rezistenţei) la eroziunea cavitaţiei pe baza raportului (Cr)echivalent/(Ni)echivalent (abreviat în continuare (Cr)e/(Ni)e), care permite stabilirea tipului de constituienţi microstructurali pe baza diagramei Schäffler .

4.1 Consideraţii privind materialul cercetat

Elaborarea otelurilor inoxidabile experimentale s-a realizat în cadrul SC Zirom SA, din Giurgiu cu ajutorul Cuptorului de topire în vid cu flux de electroni EMO 1200 R, echipat cu un tun de electroni cu o putere de 80 kW (producator Uzinele Electrotehnice pentru constructii de locomotive “HANS BEIMLER”, Hennigsdorf , Germania).

34


Fig. Cuptorul de topire în vid cu flux de electroni EMO 1200 R Componenţă :

35


Bloc tun KEN 1200/50 Lift de capac Dispozitivul de pivotare a pupitrului de comandă Vizor 80 x 40° Instalaţie de vid pentru recipient Instalaţie de vid pentru tun electronic Cristalizator Φ 500 cu dispozitiv de extracţie Φ 500 Cristalizator Φ 420 cu dispozitiv de extracţie Φ 420 Supraveghetor de apă Instalaţie de înaltă tensiune Instalaţie de joasă tensiune pentru instalaţia de vid Dispozitiv de ghidaj al fasciculului Camera de topire Trapă de vapori Deflectori de picături Cărucior port-capac Dispozitiv de şarjare, dreapta-stânga Constrcţie metalică AMC pentru circuitul de apă Instalaţie de joasă tensiune Instalaţie de tensiune medie

Camera de topire are forma unui vas cilindric orizontal, avand in partea frontala un capac mobil . In imediata apropiere a zonei de topire se montează trapa de condens, care împiedică depuneri excesive pe suprafaţa interioară a recipientului.

Pe coama recipientului şi pe cristalizator este montat vertical blocul-tun EH 1200/50 care cuprinde tunul EH 1200/50, calota de înaltă tensiune, legată de liftul calotei HL/200, pompele de vid avansat şi monitorul de apă WK.

Instalaţia EMO 1200 R este dotată cu şase dispozitive de vid VR 1000 pentru realizarea vidului în camera de topire.

CARACTERISTICILE TEHNICE ALE CUPTORULUI EMO 1200 R

a) Tipul cuptorului EMO 1200 R

- Putere nominală (puterea fasciculului general de tunul de electroni) 1200 KW

- Domeniul de reglare a puterii fasciculului (reglare continuă) 100 ÷ 1200 KW

- Tensiunea de accelerare ≤ 50 KVcc- Intensitatea fascicului ≤ 27 A la 45 KV- Tensiune de racord (tensiune medie) 3 N 6 KV, 50 Hz- Putere de racord 1600 KVA- Tensiune de racord (tensiune joasă) 3 N, 380 V, 50 Hz- Putere de racord ~ 400 KVA

b) Dimensiunile de gabarit- Lungimea maximă în direcţia axială a recipientului~ 25,050 m- Lăţime ~ 24,250 m- Inălţime deasupra pardoselei ~ + 9,250 m

36


- Adâncimea sub pardoseală 2,155 m- Inălţimea platformei de lucru + 4,111 mc) Material de şarjă

d) Produsul rezultat :Lingou de oțel inoxidabil

- Diametru ≤ 500 mm- Lungime maxim posibilă ≤ 3000 mm

e) Capacitate de topire ~ 400 Kg/hf) Consum specific de energie ~ 2 Kw/h/Kgg) Vid

- vid final realizabil cu instalaţia curată 3 · 10-2 Pa- vid în sistemul catodic 3 · 10-2 Pa- capacitate nominală a pompelor de vid

înaintat pentru aer:- recipient (la 10-2 Pa) 6 x 50 Kl/s- tun electronic (10-1 ÷ 10-3 Pa) 3 x 3 Kl/s

- rata de scurgere:- recipient 0,7 Pal/s- tun (camera de generare fascicul) 0,2 Pal/s

h) Racord de apă- necesar de apă rece ~ 2000 l/min- temperatura la intrare ≤ 28° C- presiune 0,4 ÷ 0,6 MPa- necesar de apă caldă ~ 300 l/min.- temperatura la intrare 50° ÷ 60° C

i) Calitatea apei apă curată- particule filtrabile:

- dimensiune ≤ 2 mm- conţinut ≤ 5 mg/l

- pH 6,5- duritate permanentă 6° dH- conţinut de fier 0,5 mg/l- conţinut de mangan 0,3 mg/l- conţinut de clor 350 mg/l

DESCRIEREA PROCESULUI TEHNOLOGIC

Cuptorul multicameral cu fascicul de electroni EMO 1200 R este o instalaţie specifica metalurgiei in vid, care asigură o topire de compactizare a deseurilor de titan transformandu-le în bare/lingouri. Se pot fabrica lingouri cu secţiune rotundă ca in functie de cristalizatorul folosit poate avea diametrul de 420 sau 500 milimetrii.

Cuptorul EMO 1200 R lucrează cu un singur tun electronic, aşezat vertical. Acest tun emite un fascicul de electroni axial simetric în incinta de topire. Fasciculul de electroni poate fi deviat astfel încât să asigure distribuţia corectă a energiei între materialul supus topirii şi baia de topire.

Materialul supus topirii (deseurile de titan) sunt incarcate manual in doua instalatii de sarjare dotate cu jgheaburi vibratoare ce asigura inaintarea materialului spre cristalizator. Materialul de topire se introduce simultan sau pe rand din două jgeaburi de sarjare opuse unul fata de celalalt , în spaţiul de acţionare a fasciculului de electroni (cristalizator). Intreruperea procesului de topire poate conduce la formarea unor defecte în bloc. Energia

37


fasciculului de electroni este repartizată asupra baii topite asfel încât să se menţină la o valoare constantă adâncimea dorită a topiturii pentru a realiza o omogenizare si o compactizare buna a lingoului obtinut.

Formarea lingoului se realizeaza prin deplasarea capului de extragere treptat în jos după un program ales permitind formarea/solidificarea lingoului .

1. Tratamentele termice aplicate otelurilor inoxidabile au fost realizate cu ajutorul cuptorului UTTIS din cadrul Universitatea Politehnica Bucuresti.

Cuptor de tratamente termice cu atmosfera controlata-UTTISTemperature maximă de lucru: 1150 °CIncarcare maxima: 50kgProgramare digitalaArmosfera: amestec de gaz inert si hexafluorura de sulf la o presiune de 5-10 mbarTratamentul de recoacerea s-a aplicat pentru a corecta unele defecte provenite de la

prelucrări anterioare (turnare, deformare plastica) si pentru a pregăti semifabricatele pentru prelucrările ulterioare.

Pentru probele din otel inoxidabil s-a aplicat tratamentul termic de recoacerea pentru omogenizare.

Structura pieselor turnate din materiale metalice s-au caracterizat printr-o puternica neomogenitate chimica (segregaţie), care se datoreaza faptului ca răcirea a avut loc cu viteza mare iar procesele de difuziune nu au avut timp sa se producă.

Calire de punere in solutie s-a aplicat otelurilor inoxidabile pentru a imbunatatii proprietatile acestora si pentru a evaluare comportarii materialelor la cavitatie in urma tratamentului.

Tratamentul de călire de punere în soluția s-a făcut la 1050°C / 1h/apă, figura de mai jos

38


.

Compoziţia chimică a oţelului experimental, prezentat în tabelul 4, a fost determinată la un spectrometru de emisie optică prin scânteie tip Foundry Master, producător WAS (Germania). Pe baza coeficientilor echivalenţi în crom (Cr)e şi nichel (Ni)e, calculaţi cu relaţia 4, folosind diagrama Schäffler au fost determinate constituţiile microstructurale şi proproţiile aproximative, tabelul 4.1.

(Cr)e = % Cr + 1.5x%Si + %Mo + 0.5x%(Ta+Nb) + 2x%Ti + %W + %V + %Al(4)

(Ni)e = % Ni + 30x%C + 0.5x%Mn + 0.5x%Co

Tabelul 4 Compoziţia chimică a oţelului inoxidabil exprimental

Simbol oţel Compozitia chimica, %C Si Mn P S Cr Mo Ni Fe

X22CrNi17 0.076 1.35 2.52 0.006 0.017 16.51 1.56 6.02 rest

Tabelul 4.1 Predicţia constituţiei microstructurale conform diagramei SchäfflerOţelulCr/Ni

(Cr)e (Ni)e Martensită%

Austenită%

Ferită%

X22CrNi17

20.095 8,3 52.5 17.5 30

39


Fig. Poziţionarea oţelului X22CrNi17 în diagrama Schaffler

Proba X22CrNi17Compozitia chimica este:

Element, Wt %, At %, K-Ratio, Z, A, F SiK, 1.35, 2.63, 0.0051, 1.1096, 0.3429, 1.0022 MoL, 1.56, 0.89, 0.0105, 0.9233, 0.7315, 1.0022 CrK, 16.51, 17.40, 0.1926, 0.9969, 0.9814, 1.1923 MnK, 2.52, 2.51, 0.0245, 0.9804, 0.9918, 1.0000 FeK, 78.06, 76.57, 0.7456, 1.0005, 0.9547, 1.0000 Total, 100.000, 100.000 Element, Net Inte., Bkgd Inte., Inte. Error, P/B SiK, 5.01, 2.01, 12.69, 2.49 MoL, 3.85, 3.22, 17.63, 1.19 CrK, 94.29, 3.76, 2.26, 25.08 MnK, 10.65, 3.13, 8.17, 3.40 FeK, 285.50, 2.51, 1.26,113.93

Imagine EDAX :

40


4.2 Aparatura şi metoda utilizate

Testele de eroziune cavitaţională au fost realizate pe aparatelel vibratorii magnetostrictiv T1 şi cu cristale piezoceramice T2, în conformitate cu prevederile Normelor ASTM. Parametrii de funcţionare ai aparatulelor sunt cei descrişi la capitolul referitor la aparate de laborator.

Mediul lichid utilizat a fost apă dublu distilată, a cărei temperatură s-a menţinut constantă, pe toată durata testelor, la 21 1 0C. Durata totală a testelor de cavitaţie este de 165 minute şi, conform procedurilor din laboratorul nostru de cavitaţie, a fost împărţită în 12 perioade (câte una de 5 şi 10 minute şi 10 de câte 15 minute). La începutul şi sfârşitul fiecărei perioade de testare probele au fost spălate succesiv în apă potabilă de la reţea, în apă dublu distilată, alcool şi acetonă şi apoi cântărite.

Păstrarea fiecărei probe, pe perioada pauzelor dintre perioadele de testare, s-a făcut în exicatoare pentru a evita eventuala influenţă a factorilor de mediu ce pot afecta structura supusă eroziunii cavitaţiei.

Din fiecare material au fost testate câte trei probe. Rezultatele prezentate în lucrare, prin curbele şi parametrii specifici sunt medii al valorilor determinate la cele trei probe. După finalizarea testelor, probele oţelului au fost supuse analizelor structurale, atât în secţiune paralelă cu suprafaţa expusă la cavitaţie, cât şi în secţiune transversală, pentru măsurarea adâncimii maxime de pătrundere a cavitaţiei. Analiza morfologiei structurii materialelor de bază şi a suprafeţelor degradate prin cavitaţie s-a efectuat la stereomicroscopul optic OLYMPUS SZX 7, echipat cu program de prelucrare a imaginii, quickMicrophoto 2.2, microscopul metalografic Reichert REICHERT Univar cu masa automată, cu camera video cu

41


adaptor, cu placa de achizitie imagini (interfata) şi microscopul electronic cu baleiaj tip XL-30-ESEM TMP.

4.3 REZULTATE EXPERIMENTALE În tabelul de mai jos sunt afişate pierderile masice cumulate, înregistrate pe parcursul

celor 165 minute de cercetare la atacurile distructive ale cavitaţiei produse în cele două aparate T1 şi T2

Pierderi masice cumulate [mg]

X22CrNi17 Aparat T2

X22CrNi17Aparat T1

OH12NDLOtel etalon

Aparat T1

OH12NDLOtel etalon

Aparat T20 0 0 0

3,58 0,76 1,25 1,73,91 2,15 3,75 2,14,32 5,63 8,0 4,485,02 11,85 11,75 6,587,11 17,51 24,5 13,729,07 24,23 31,25 17,5

11,18 30,43 38,75 21,716,59 36,32 46,25 25,918,65 42,72 53,1 29,7421,32 46,71 60,0 33,624,7 52,56 66,25 37,126,5 56,85 72,5 40,6

4.3.1 CURBE ŞI PARAMETRII SPECIFICIÎn figurile ce urmează sunt prezentate atât curbele caracteristice de eroziune, obţinute la

testarea în cele două aparate, precum şi comparate cu ale oţelului etalon OH12NDL.

Curbele caracteristice de eroziune obţinute la testarea în aparatul T2

42


Fig. Curbele caracteristice de eroziune obţinute la testarea în aparatul T1

M1; M11- X22CrNi17 Aparat T2, M2; M21 - X22CrNi17 Aparat T1, M7; M71- OH12NDL Aparat T1, M8; M81 – OH12NDL Aparat T2

Fig. Comparaţia pierderilor masice cumulate cu a oţelului etalon

v1; v11- X22CrNi17 Aparat T2 v2; v21 - X22CrNi17 Aparat T1, v7; v71- OH12NDL Aparat T1, v8; v81 – OH12NDL Aparat T2

Fig. Comparaţia vitezelor de eroziune cu a oţelului etalon Din curbele de comparaţie rezultă că oţelul cercetat are o foarte bună rezistenţă la

cavitaţie, de circa două ori mai mare decât cea a oţelului OH12NDL.

4.3.2 MORFOLOGIA MICROSTRUTURII ERODATE PRIN CAVITAŢIE

În imaginile de mai jos sunt arătate distrugerile produse în suprafaţa expusă atacului cavitaţie timp de 165 minute, în cele două aparate T1 şi T2.

43


Fig. 4.1 .Aspectul stereomicrostructural al probei “X22CrNi17” x8 (Aparat T1)

Fig.4.2 Aspectul stereomicrostructural al probei “X22CrNi17” x 16 (Aparat T1)

44


Fig. 4.3 -Aspectul stereomicrostructural al probei “X22CrNi17” dupa masurarea zonei afectate de cavitatie, x8 (Aparat T1)

Fig.4.4 - Aspectul microstructural al adancimii maxime de patrundere a cavitatiei in proba X22CrNi17, x 8 (Aparat T1)

45


Fig. 4.5- Analiza structurala a probei “ X22CrNi17” microscopul electronic cu baleiaj (SEM), dupa solicitare la cavitatie, (x50) (Aparat T1)

46


Fig. 4.6- Detaliu al fig. 4.5, x500(Aparat T1)

Fig. 4.7- Detaliu al fig. 4.5, x2000 (Aparat T1)

47


Fig. 4.8- Detaliu al fig. 4.5, x5000 (Aparat T1)

Fig.4. 9 Aspectul stereomicrostructural al probei “X22CrNi17” x8 (Aparat T2)

48


Fig. 4.10 Aspectul stereomicrostructural al probei “X22CrNi17” x20 (Aparat T2)

Fig. 4.11 -Aspectul stereomicrostructural al probei “X22CrNi17” dupa masurarea zonei afectate de cavitatie, x8 (Aparat T2)

49


Fig.4.12- Aspectul microstructural al adancimii maxime de patrundere a cavitatiei in proba X22CrNi17, x8 (Aparat T2)

Fig.4.13- Analiza structurala a probei “ X22CrNi17” la microscopul electronic cu baleiaj (SEM), dupa solicitare la cavitatie, (x50) (Aparat T2)

50


Fig.4.14- Detaliu al fig. 4.13, x500 (Aparat T2)

Fig.4.15- Detaliu al fig. 4.13, x2000 (Aparat T2)

51


Fig.4.16- Detaliu al figurii 4.13, x5000 (Aparat T2)

Analiza efectuată prin microscopie electronică a scos în evidenţă evoluţii ale avariilor produse la nivel microstructural, detaliate in tabelul 4.2Tabelul 4.2 Analiza structurală a otelurilor inoxidabile testate la coroziune prin cavitatie

Otel Adancime maxima a

cavitatii, prin masuratori la microscopul metalografic

Diametrul mediu al sectiunii afectate prin

cavitatie, m / procentul suprafetei

afectate prin cavitatie, %

Analiza structurala prin microscopie electronica cu baleiaj, SEM

X22CrNi17Aparat T1

958 m 8754.7 m /40.70 % Aspect mixt cu cavitatii foarte mari (200-500 m) si cavitatii fine

Rupere cu aspect fragil cu evidentierea zonelor de clivaj si a fisurilor intergranulare

Fisuri intergranulare, zone de propagare a ruperii prin clivaj si goluri fine pana la 10 m

X22CrNi17Aparat T2

233 m 13831.7m/78.98 % Aspect de rupere fragila a coroziunii prin cavitatie, cu cavitaţii de dimensiuni alternative si numeroase goluri uniform distribuite pe suprafata,

Evidentierea unei cavitatii fine de 5-10 m si a zonelor de propagare a ruperii prin clivaj,

Evidentierea fisurilor secundare fine, zone prin clivaj si a cavitatiilor extrem de fine.

52


4.4 ANALIZA REZULTATELOR EXPERIMENTALE

Pentru analiză şi discuţii se foloseşte oţelul inoxidabil etalon OH 12NDL de provenienţă rusească (0,1 % C; 0,3 % Si; 0,4 % Mn; 0,09 % P; 0,03 % S; 12,8 % Cr; 1,25 % Ni şi 0,9%Cu), folosit mulţi ani la în construcţia rotoarelor şi paletelor turbinelor din România. În tabelul 4.3 este data microstructura dupâ diagrama Schaffler.

Tabelul 4.3 Predicţia constituţiei microstructurale conform diagramei SchäfflerOţelul(Cr/Ni)

(Cr)e (Ni)e Martensită%

Austenită%

Ferită%

OH12NDL 13,2 4,45 88 - 12

Datele din diagramele ce dau evoluţia curbelor caracteristice de eroziune, raportate la curbele caracteristice ale oţelului de referinţă OH12NDL majoritar martensitic (0.1 % C, 12.8 % Cr, 1. 25 % Ni, 74 % martensita, 26 % ferită) [1], arată că oţelul cercetat are un comportament la cavitaţie foarte bun .

Distribuţia punctelor măsurate faţă de curbele de aproximaţie este un rezultat clar al dimensiunilor grăunţilor, rezultaţi prin turnare şi expulzaţi în timpul atacului cavitaţiei. Această distribuţie este susţinută fig.4.1-4.3, 4.5-4.8, respectiv 4.9-4.11 şi 4.13-4.16 şi de imaginile profilelor zonelor erodate din (prin adâncimea maximă de pătrundere) fig. 4.4 şi 4.12

În imaginile din fig.4.4 şi 4.12 se poate distinge, o zonă foarte redusă, în apropierea zonei erodate, în care se distinge o deformare locală a materialului. Aceasta este efectul intensităţii cavitaţiei, respectiv impactului repetitiv al materialului cu undele de şoc şi microjeturile generate prin implozia bulelor cavitaţionale [4], [5], [8].

În tabelul 6 este evaluată rezistenţa la cavitaţie, a oţelului cercetat, pe baza parametrului Rns, folosind ca viteză de stabilizare de referinţă viteza oţelului OH12NDL (Rns= v s OH12NDL/vs

- unde vs este valoarea spre care viteza eroziunii tinde să se stabilizeze).

Tabelul 6 Compararea rezistenţei la eroziunea cavitaţiei cu cea a oţelului de referinţă OH12NDL

Parametrul APARAT T1 APARAT T2vs [mg/min] 0.367 0.188

Rns 1,207 1.335

Datele din tabelul 6 confirmă cele afirmate la curbele caracteristice de eroziune

4.5 CONCLUZII

1. Oţelul cercetat prezintă o comportare foarte bună la eroziunea cavitaţiei, superioară oţelului de referinţă OH12NDL.

2. Construirea unor oţeluri pe criteriul conţinuturilor controlate de crom sau nichel oferă avantajul unor analize mai profunde a comportării materialelor la cavitaţie, cu evidenţierea elementelor comune şi diferite ale evoluţiei distrugerii, permiţând crearea de noi tehnologii de fabricaţie.

3. Apreciem ca adâncimea maxima a eroziunii, masurata la sfarsitul cercetărilor, fiind dependenta de dimensiunile grauntilor expulzati, nu este potrivită pentru compararea cu alte materiale. Aceasta apreciere este susţinuta de neconcordanţele dintre această adâncime şi evoluţiile maselor erodate şi ale vitezelor de eroziune fig. 3. Eventual, ea

53


poate fi utilizata in aprecierea comportarii la cavitatie pe baza tehnologiei de elaborare. Parametrul recomandat de noi este adancimea medie de patrundere, calculata pe baza volumului de material erodat, conform metodologiei ASTM G-32.

BIBLIOGRAFIE1. Anton, I., Cavitatia, vol.I, ed. Academiei RSR, 19852. Anton, I., Cavitatia, vol.II, ed. Academiei RSR, 19873. Bordeasu, I., Eroziunea cavitationala a materialelor, Editura Politehnica, 2006.4. Bordeasu, I., Popoviciu, O.M., Balasoiu, V., Jurchela, A.D., Karabenciov, A.,-

Influence of the Vibratory Test Facility Type and Parameters upon the Cavitation Erosion Evolution, 25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, September 20-24, 2010, Timisoara, Romania.

5. K.Y. Chiu, F.T. Cheng, H.C. Man, Cavitation erosion resistance of AISI 316L stainless steel laser surface-modified with NiTi, Materials Science and Engineering: A,Volume 392, Issues 1-2, 15 February 2005, Pages 348-358.

6. Franc, J.P., Michel, J.M., 2004, Fundamentals of Cavitation, Kluwer Academic Publishers, P.O.Box, 322, 3300 AH Dordrecht, The Netherlands.

7. Franc J.P. et al. La Cavitation Mécanismes Physiques et Aspects Industriels, Presses Universitaires de Grenoble, 1995

8. *** Standard Test Method for Cavitation Erosion Using Vibratory Apparatus ASTM G-32-2008.

54

http://www.sciencedirect.com/science/journal/09215093

http://www.sciencedirect.com/science/journal/09215093

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=PublicationURL&_tockey=%23TOC%235588%232005%23996079998%23562969%23FLA%23&_cdi=5588&_pubType=J&view=c&_auth=y&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=f6b9ab3b24d2b986c22499f0cb71752a

Documents

Eroziunea cavitaţională în maşinile industriale