Покриття для захисту елементів теплоенергетичного устаткування Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

3. Выводы

С помощью моделирования процесса воздействия звуковой волны на крио - консервирующую среду, содержащую биологические объекты в низкочастотном приближении получены аналитические формулы для расчета колебательной скорости и избыточного дав-

ления, возникающие в крио - консервируемой среде в результате дифракции звуковой волны на биологическом объекте. Эти формулы являются основой для анализа процесса массопереноса частиц крио -консервирующей среды к поверхности биологических объектов при наличии акустических колебаний.

Литература

1. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике [Текст] / Бергман Л. - М.: ИЛ, 1956. - 726 с.

2. Абрамовиц М., Стиган И. Справочник по специальным функциям. [Текст] /Абрамовиц М., Стиган И. - М.: Наука, 1979. - 830

с.

3 Морс Ф., Фешбах Г. Методы теоретической физики. [Текст] / Морс Ф., Фешбах Г.- М.: Мир, 1960, Т. 2. - 886 с.

4. Физика и техника мощного ультразвука. Физические основы ультразвуковой технологии. Под редакцией проф. Л.Д. Розенберга. [Текст] / Л.Д. Розенберг. - М.: Наука, 1970. - 687 с.

--------------------□ □-----------------------

Опрацьовано спосіб формуван-

ня антикорозійних захисних покриттів. Досліджено їх ерозійну та корозійну стійкості. Розроблені покриття нанесені на робочі лопатки частини низького тиску парових турбін ТЕС. Термін експлуатації в умовах електростанцій більше 150 тис. годин

Ключові слова: теплоенергетичне обладнання, покриття, антикорозійне, властивості

□-------------------------------------□

Разработан способ формирования антикоррозионных защитных покрытий. Исследованы их эрозионная и коррозионная стойкости. Разработанные покрытия нанесены на рабочие лопатки части низкого давления паровых турбин ТЭС

Ключевые слова: теплоэнергетическое

оборудование, покрытие, антикоррозионное, свойства

□-------------------------------------□

The way of formation of anticorrosive coatings is developed. Are investigated their erosive and corrosion resistance. The developed coverings are put on working blends to a part of low pressure of steam turbines TES

Key words: the heat power equipment, a covering, anticorrosive, properties --------------------□ □-----------------------

УДК 669.056.9

ПОКРИТТЯ ДЛЯ ЗАХИСТУ ЕЛЕМЕНТІВ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИЧНОГО УСТАТКУВАННЯ

В.Г.Маринін

Кандидат фізико-математичних наук, доцент, старший науковий співробітник Інститут фізики твердого тіла, матеріалознавства та технологій, відділ інтенсивних вакуумно-плазмових

технологій

Національний науковий центр «Харківський фізико-

технічний інститут» вул. Академічна, 1, м. Харків, Україна, 61108 Контактний тел.: (057) 3356825 E-mail: marinin@kipt.kharkov.ua

І.Вступ

Дані експлуатаційних спостережень на теплових і атомних електростанціях показали, що зниження коефіцієнта використання встановленої потужності енергоблоків, зменшення ефективності, надійності та економічності роботи станцій пов’язане, в першу чергу, з руйнуванням елементів обладнання завдяки дії механічного та хімічного чинників. Так, за причини

відмови обладнання 2-го контуру АЕС недовиробка електроенергії складає 22,9 % від загальної недовироб-ки [1]. В залежності від того, який із чинників домінує, має місце ерозія або корозія, а при одночасній їх дії

- ерозійно-корозійний знос. Ерозія найчастіше обумовлена мікроударами крапель води, наприклад, в лопатках останніх ступенів парових турбін, струменями потоків води в згинах трубопроводів та дією кавітації. Корозію обумовлюють домішки різних хімічних речо-

вин в парі, пароводяному конденсаті, воді під тиском та в осаді на обладнанні. Наприклад, за даними роботи [2] в окремих місцях на трубках парогенераторів наявні відкладення, зокрема, на ПГВ-1000 товщиною 1,5 мм, що відповідає забрудненості 350...5000 г/м2. Проведені також фірмою Вестінгауз дослідження складу домішок в парі на великій кількості турбін показали наявність більш ніж 160 надійно ідентифікованих хімічних сполук, хоч не всі вони присутні в одній турбіні [3]. Кількісно ерозійно-корозійний знос залежить як від величини руйнівних чинників, так і від властивостей металів, які використовують для виготовлення обладнання [4]. В зв’язку з цим, виникає необхідність в розробці методів їх зміцнення та захисту від ерозії і корозії, що сьогодні є актуальним питанням матеріалознавства.

2.Завдання досліджень

Оскільки одним із способів збільшення стійкості обладнання і експлуатаційного ресурсу є нанесення на поверхню захисних покриттів [5], то, відповідно до цього, метою роботи були розробка способу формування захисних, в першу чергу антикорозійних, покриттів і проведення дослідження їх ерозійних та корозійних характеристик.

З.Обладнання та методики досліджень

Для оцінки можливості застосування того чи іншого металу для нанесення антикорозійних покриттів проведено порівняння значення їх стандартних електродних потенціалів у розчинах води при 25 оС із стандартним потенціалом заліза, який дорівнює -0,44 В. Розглянуто метали, які мають потенціал, менший за стандартний потенціал заліза, і встановлено, що стандартні потенціали А1, Ті, Zr, №з, Сг мають, відповідно, наступні негативні значення: 1,663; 1,662; 1,529; 1,099; 0,913. З урахуванням також того факту, що в розчині

0,5н №С1 коефіцієнт пасивності (відношення поляризації анода до поляризації катода) для титану дорівнює 2,44 і є максимальним порівняно з іншими металами, то в даній роботі для формування покриттів вибрано Ті. Покриття для досліджень одержані на установці типу «Булат», за допомогою джерела металевої плазми, схему і опис якого подано в монографії[6]. В джерелі змінена, порівняно з описаними, геометрія концентратора магнітного поля.

Катод вакуумного дугового розряду виготовляли з титану ВТ1-0, кальцієтермічного цирконію. Силу струму дугового розряду змінювали від 65 до 135 А в залежності від типу покриття. На зразок, який покривали, подавали негативний потенці ал в і д 0 до 200 В. Камеру відкачували парооливовим дифузійним насосом до тиску 1,33х10-3Па. Температуру зразків при осадженні покриттів вимірювали хромель-алюмеле-вою термопарою, яку встановлювали в середину зразка на відстані 1 мм від поверхні. Осадження проводили на поліровані зразки із сталей 1Х18Н10Т, 05Х18Н9, 15Х11МФ при тискові азоту у вакуумній камері, який змінювали в інтервалі 1,33х10-3...1,33 Па. Структуру зразків вивчали на металографічних шліфах за допомогою світлової мікроскопії, а рентгеноструктурні

дослідження покриттів на дифрактометрі ДРОН4-07 із сцинтиляційним лічильником у випромінюванні СиКа по рентгенооптичній схемі Брега-Брентано. Мікротвердість (Нт) зразків вимірювали на приладі ПМТ-3 при навантаженні 0,49 Н, а шорсткість на профілометрі А-ІІ моделі 283. Абразивний знос досліджували по схемі площина - диск. На пласку поверхню зразка наносили покриття, а диск виготовляли із матеріалу, в якому жорстко закріплено абразивні зерна. Швидкість руху поверхні диска, що контактує з покриттям, дорівнює 4,38 м/с, навантаження на зразок 2,2 Н.

Ерозійну стійкість зразків вимірювали на установці, опис якої наведено в роботі [7]. При її роботі сигнал від генератора ультразвукових коливань подавали на магнітострикційний перетворювач, який механічно з’єднаний із концентратором експоненціального профілю. Під торцевою поверхнею концентратора формувалась зона з розвиненою кавітацією. В цій зоні розміщували зразки на відстані 0,55 мм від торцевої поверхні концентратора. Амплітуда коливань торцевої поверхні концентратора дорівнювала 30±2 мкм, а частота 20 кГц. Ерозію зразків вимірювали гравіметричним методом. Точність вимірювань вагових втрат ± 0,015 мг.

За експериментальними даними будували кінетичні криві в координатах «вагові втрати - час дії кавітації». Середню швидкість руйнування визначали за величиною кута нахилу дотичної до кінетичної кривої на відрізку, що характеризує лінійну або близьку до неї залежність. За швидкістю руйнування обчислювали кавітаційну стійкість ^ь).

Корозійні дослідження проведені для визначення середньої швидкості корозії в 3 та 22 % водних розчинах №С1. Дані з електрохімічної корозії одержані за допомогою потенціостату ПИ50-1 в стандартній електрохімічній комірці ЯЕС-2 в умовах природної аерації розчину. Анодні поляризаційні криві одержано при зміні потенціалу зі швидкістю 1 мВ/с. Електродом порівняння слугував хлор-срібний електрод. Результати приведено до нормального водневого електроду.

Детальні металографічні дослідження структури одержаних конденсатів проведені на поперечних шліфах. На рис.1 показано мікрофотографії характерних структур покриттів.

Видно, що в загальному плані при зростанні температури зразка спостерігається зміна структури, яка подібна до встановленої в роботі [8]. До температури близько 200 оС структура складається, в першу чергу, із великої кількості крапель різного розміру з поганою фіксацією міжкристалітної границі (рис.1а). При зростанні температури до 370 оС спостерігається поступове формування стовпчастої структури. Ширина стовпчастих кристалітів збільшується, а кількість крапель зменшується, що обумовлено також дією іонної компоненти (рис.1в). При температурі 500...575 оС стовпчасті кристаліти поступово переходять до більш рівноважних, які виникають в першу чергу ближче до поверхні, на якій формується покриття (рис.1г).

Рентгеноструктурний аналіз покриттів завтовшки до 100 мкм показав, що незалежно від потенціалу і температури поверхні, на якій формується покриття, воно складається із однієї фази а-Ті. Параметри гексагональної кристалічної гратки в залежності від технологічних параметрів формування покриттів відрізняються на 1х10-4 від наведених в довіднику [9].

уз

Рис.1. Мікрофотографії структури покриттів в залежностівід температури їх формування. а — 80; б — 290; в — 400; г — 600 оС

при ід =65 А, и = -100 В, L = 300 мм, має мікротвердість на поверхні 2,05 ГПа, біля поверхні - 1,95 ГПа, біля підкладки - 2,34 ГПа. Кавітаційна стійкість, яка визначена за швидкістю руйнування в глибину покриття (7^), зменшується при зменшенні відстані між зразком та катодом (Ц при фіксованій силі струму дугового розряду, що пов’язане із збільшенням кількості крапель в покритті. Мікротвердість покриття до потенціалу -100 В при L = 200 мм вища порівняно з одержаною при L = 300 мм. При подальшому збільшенні величини потенціалу (|и| > 100 В) ситуація змінюється на протилежну. Для фіксованого значення L кавітаційна стійкість зменшується пропорційно збільшенню сили струму.

Взаємозв’язок між 7^ і Нц

Мікродеформації фіксуються на рівні 0,0045±0,0005 в залежності від величини негативного потенціалу зразка. При температурі формування 300...400 оС спостерігається текстурованість покриттів з переважною орієнтацією площини [211] паралельно поверхні конденсації.

Досліджено вплив сили струму дугового розряду( ід), потенціалу підкладки на мікротвердість, кавітаційну стійкість, температуру зразка при тискові у вакуумній камері близько 2х10-4 Па. На рис.2 приведено залежності Нц та 7^ від величини негативного потенціалу (и) на зразкові для різної відстані ( Ц від катода вздовж нормалі до нього та для різних ід.

репрезентує рис. 3.

Рис.2. Залежність Zh (1,2); Н^ (3,4); t (5-8) покриттів від величини негативного потенціалу. Для L=200 мм (3,4,7,8);

L=300 мм (1,2,5,6), при ід=65 А (5,7,1,3); ід=135 А (2,6,4,8).

Загальним є зменшення величин 7ь та Нц при збільшенні и. При збільшенні сили струму (ід) і величини негативного потенціалу спостерігається зростання температури (і), при якій відбувається формування покриттів. Встановлено, що абсолютні значення мікротвердості змінюються по товщині покриття. Так, покриття завтовшки 70 мкм, одержане протягом 5 годин

Рис.3. Залежність кавітаційної стійкості від мікротвердості покриттів.

Видно, що при зб ільшенні Н т покриття його стійкість до дії кавітації зростає. Цю залежність можна представити аналітичним співвідношенням 7ь = 0,372(Ні - Н0), де Ні - мікротвердість, виміряна на поверхні зразка, а Н0 = 1,57 ГПа. Результати досліджень залежності 7ь , Нц від температури формування покриттів показують, що для Нц має місце наявність максимумів при температурах 245, 355, 410 оС. Як показує аналіз, це пов’язано із динамічним деформаційним старінням (ДДС). Обчислені значення температур при реалізації ДДС для цих покриттів для другого і третього максимумів дорівнюють 380 і 470 оС, відповідно, що на 10 - 17 % більше експериментально виміряних.

з

Для визначення придатності титанових покриттів для захисту аустенітних неіржавіючих сталей

проведено дослідження їх характеристик в корозійному середовищі - 0,56 н водному розчині №С1. Поляризаційні криві для покриттів, сформованих при різних умовах, наведено на рис.4.

Таблиця 1

Характеристики покриттів

№ колонки 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Ід, А 65 65 65 65 65 65 65 65 135

и, В 0 -50 -100 -150 -200 -50 0 -50 0

Т, К 356 426 506 566 643 568 518 628 613

і'ст, В -0,15 -0,09 +0,018 +0,145 -0,045 -0,04 +0,094 -0,045 -0,014

іа, мА/см2 0,0055 0,0055 0,007 0,008 0,005 0,017 0,0045 0,006 0,004

Іа, В +0,25 +0,45 +0,57 +0,35 +0,5 +0,3 +0,5 +0,3 0,475

L, мм 300 300 300 300 300 300 200 200 200

Ve, мг/год 0,18 0,33 0,44 0,55 0,63 0,47 0,35 0,55 0,52

Vн, мкм/год 14 13 15 11 9 33 29 35 70

Нт,ГПа 2,6 2,15 1,99 1,7 1,54 1,84 2,16 1,78 1,9

Рис.4. Поляризаційні криві титанових покриттів.(1,3 — 5) розташовані на вісі системи; (2) відхилена від вісі на відстань 120 мм; (1,2) - р = 8х10-2 Па, Ід = 100 А, и =-100 В, L=260 мм; (3 - 5) р = 4х10-4 Па, L=300 мм; (3) -Ід = 135 А, и = -50 В; (4 - 5) Ід = 65 А, и = -100 В, и =

0 В, відповідно

Видно, що для покриттів, одержаних при тискові 4х10-4 Па, потенціал активного розчинення в залежності від умов нанесення покриттів змінюється в широкому інтервалі значень. Густина сили струму покриттів в пасивному стані залежить від параметрів технологічного процесу формування покриттів. Характеристики покриттів подано в табл.1, де окрім корозійних властивостей наведено ряд параметрів технологічного процесу нанесення покриттів, а саме: сили струму дугового розряду (Ід ), потенціалу на зразкові (и), температури зразка (Т), відстані від джерела плазми (Ц). Також приведені значення швидкості осадження покриттів ^н), швидкості ерозії при дії кавітації ^е), мікротвердості (Нт), стаціонарного потенціалу, який настає після 10 хвилин находження в розчині (срст), і визначається по відношенню до хлор-срібного електрода потенціалу початку активного розчинення металу (ра) та густини сили струму розчинення (іа) при потенціалі 1,25 В.

Дані таблиці показують, що найбільш схильними до більш довершеної пасивації є покриття з найменшими значеннями густини струму пасивного стану, технологічні параметри формування яких наведені в колонках № 7,9. Залежність корозійних характеристик покриттів від їх мікротвердості наведено на рис.5.

Видно, що корозійні властивості покриттів змінюються при збільшенні Нт, проходячи через екстремум, який спостерігається при мікротвердості близько 1,7 ГПа. При цьому потенціал активного розчинення приймає мінімальне значення, густина корозійного струму і швидкість ерозії при дії кавітації максимальні.

З метою визначення можливості підвищення стійкості титанових покриттів проведені дослідження по їх легуванні N Zr, №, А1. Покриття формували, викорису товуючи два джерела плазми вакуумно-дугового розряду або/та введенням в вакуумну камеру реакційного газу - азоту. Сила струму дугового розряду 100 А для титанового катоду, а для катодів із легуючих металів

- від 70до 120 А. Температура зразків 447...497 оС. Покриття Ті^ наносили при негативному потенціалі на зразкові 200 В. Експериментальні дані по залежності середньої швидкості руйнування Ті^покриттів від мікротвердості подані на рис.6.

Рис.5. Залежність корозійних характеристик покриттів від їх мікротвердості. (ік — густина струму пасивного стану) — фст ; 2,5 — відповідно і , Ve , при Ід = 65 А, L=300 мм; 3,6 — ік , Vе , при Ід = 65 А, L=200 мм; 4 — ік , при Ід = 135 А, L=200 мм

Рис.6. Залежність швидкості руйнування покриттів від їх мікротвердості

Із рис.6 видно, що для покриттів, які мають значення Н ~ 37...39 ГПа швидкість ерозії під дією кавітації максимальна, що обумовлене наявністю в покритті фази Ті2№

Абразивний знос покриттів досліджено як до опромінення іонами дейтерію, так і після нього. Результати подано на рис.7.

Рис.7. Втрати маси покриттів, обумовлені дією кавітації (1,2) та абразиву (3,4) до опромінення іонами дейтерію (1,3), та після нього (2, 4)

Видно, що після опромінення покриття абразивна стійкість його поверхневого шару зростає, а кавітаційна дещо зменшується. Формування поверхневого шару вірогідно пов’язане з утворенням дей-теридонітридів або ще більш складних сполук за участю кисню і вуглецю вакуумної атмосфери.

Корозійні властивості висхідних матеріалів і покриттів досліджено при 25 оС в 3 %-ному водному розчині №С1 за допомогою потенціостата.

Поляризаційні криві одержано при зміні потенціалу 3 рази в прямому і в зворотному напрямку. Потенціал змінювали на 0,1 В і витримували 120 с. Результати досліджень подано на рис.8.

Дані рис.8 показують, що сталь 15Х11МФ має низьку корозійну стійкість, яка збільшується після азоту-

вання сталі. Покриття більш стійкі порівняно із азотованою сталлю. Порівняння ерозійних та корозійних властивостей сталей і розроблених захисних покриттів наведено в табл.2.

Рис.8. Поляризаційні криві сталі і покриттів у 3%-ному розчині NaQ вихідний зразок сталі 15Х11МФ (1); після азотування 15Х11МФ (2); покриття: N (3), ZrN (4), ТїИ (5), ТІМ (6), Ті (7)

Дані таблиці показують зменшення ерозійної стійкості досліджених сталей в умовах дії кавітації в 3 %-ному водному розчині хлориду натрію від 1,5 до більш ніж в 3 рази. Подібним чином зменшується і абразивна стійкість. Ерозійна та корозійна стійкості ТіN та Ті+ТіN покриттів в цих умовах значно вищі.

Розроблені захисні покриття системи Ті+ТіN нанее сені на робочі лопатки частини низького тиску парових турбін (ст.№1) Новочеркаської та (ст.№9) Зміївської ТЕС. Термін експлуатації більше 150 тис. годин. На рис.9 подано загальний вигляд лопаток з покриттями, встановлених в турбіну Новочеркаської ТЕС.

^хЧ\Л\\\Т!------------^

Рис.9.Лопатки з покриттям в турбіні

Таблиця 2

Матеріал Характеристики матеріалів по відношенню до сталі 15Х11МФ в стані постачання Корозійні властивості

Кавітаційна стійкість Абразивна стійкість Потенціали (В)у 3%-ному розчині №С1

у воді у 3%- ному розчині №С1 Стаціонарний Активного розчинен- ня

Ст.15Х11МФ (висх.) 1 0,67 1 -0,3 -0,2

Ст.15Х11МФ (азотована) 2,4 1 1,5 -0,345 -0,2

Ті 0,38 0,6 0,29 +0,14 +0,8

ТІК покриття 1,5 - 11 >3 3 +0,25 +0,6

4.Висновки

Опрацьовано оптимальні технологічні параметри формування покриттів із ерозійної плазми катодів вакуумно-дугового розряду, що забезпечує необхідні механічні та корозійні властивості покриттів для захисту елементів теплотехнічного обладнання.

Виготовлено зразки захисних покриттів систем ТІ, ТІК, ТІ+ТІК. Одержано дані по їх структурі, мікротвердості, абразивному зносу, ерозійних при дії кавітації та корозійних характеристиках в 3 %-ному водному розчині №С1.

Встановлено, що покриття мають більш високі значення ерозійно-корозійної стійкості порівняно із сталями 20 і 15Х11МФ, із яких виготовляють елементи теплотехнічного обладнання.

Працездатність розроблених захисних покриттів та перспективність розробленого способу їх формування підтверджені 150 тис. годин експлуатації робочих лопаток в реальних умовах роботи Новочеркаської та Зміївської ТЕС.

Література

1. Сигал, Е.М. Ранжирование отклонений от нормальной работы оборудования АЭС по степени их влияния на коэффициент иси

пользования установленной мощности [Текст]//Атомная энергия. -2002. -Т. 92, вып.З. -С.181-188.

2. Гулина, О.М. Анализ загрязненности трубчатки ПГ и оценка межпромывочного периода методами диффузионных процессов./

К.А., Корниенко, Н.Н. Павлова[Текст] //Известия ВУЗов России, Ядерная энергетика. -2006. -№1. -С.27-З0.

3. Otakar, J. Turbine Steam РигкуТекст]//СотЬ^гіоп. -1978. -Т.50, № 6. -Р.11-27.

4. Бараненко, В.И. Учет эрозионно-коррозионного износа при эксплуатации трубопроводов АЭС[Текст]//Теплоэнергетика.

-2004. -№8. -С.З4 - З8.

5. Маринин, В.Г. Эрозия PVD-покрытий при воздействии кавитации и пароводяного конденсата [Текст] /Сб.докладов ICVTE-5.-Харьков:-HHЦ ХФТИ, -2002. -С.177-180.

6. Аксенов, И.И. Вакуумная дуга в эрозионных источниках плазмы[Текст] /И.И.Аксенов. -Харьков: -ННЦ ХФТИ, - 2005.

-212с.

7. Коваленко, В.І. Обладнання для дослідження ерозії покриттів при мікроударному діянні[Текст]/ В.Г. Маринін //Вопросы

атомной науки и техники. сер. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. -1998. -№5(71). -С.8З - 89.

8. Мовчан, Б.А. Исследование структуры и свойств толстых вакуумных конденсатов никеля, титана, вольфрама, окиси алюминия

и двуокиси циркония [Текст] / Б.А. Мовчан, А.В.Демчишин.//ФММ.-1969. -Т.28, вып.4. -С.65З - 660.

9. Свойства элементов [Текст]: Справ.изд./Под ред. М.Е.Дрица. -М.: Металлургия, 1985. - 672с.

------------------□ □---------------------

Запропонована конструкція пристрою для створення слухової апаратури, а саме: електронна біонічна система людського слуху

Ключові слова: біонічна система людського слуху, датчик механічних коливань, альтернативний слух

□----------------------------------□

Предложена конструкция устройства для создания слуховой аппаратуры, а именно: электронная бионическая система человеческого слуха

Ключевые слова: бионическая система человеческого слуха, датчик механических колебаний, альтернативный слух

□----------------------------------□

This article represents construction of device for creating the auditory apparatus, namely electronic bionic system of the human hearing Key words: bionic human hearing system, a sensor of mechanical vibrations, hearing alternative

------------------□ □---------------------

УДК 616.28-089.24

ПРИСТРІЙ СЕНСОРНИХ СИГНАЛІВ

М.В. Худобін

Кандидат технічних наук, доцент*

О. М. Мороз

Доктор технічних наук, доцент*

М.Л. Лисиченко

Доктор технічних наук, професор*

А.К. Шевченко

Інженер

*Кафедра автоматизованих електромеханічних

систем

Харківський національний технічний університет ім.

Петра Василенка вул. Артема, 44, м. Харків, Україна, 61002 Контактний тел.: (057) 712-50-56

.....................................Е