CC BY
11MECHANISMS OF STRUCTURAL HARDENING OF NITROGEN-CONTAINING AUSTENITIC STEEL OF THE TYPE 05Х22АГ14Н7М
V.V. Glebov, V.M. Blinov, F.F. Repin
Key words: high nitrogen steels, hardening mechanism, solid-solution hardening, strengthening grain boundaries, austenite.
The mechanisms of solid-solution and grain-boundary hardening of high-strength austenitic steels by nitrogen atoms are considered. The experimental and calculated values of the strength characteristics are compared with the nitrogen content. It is shown that solid-solution hardening is the main mechanism for increasing the strength of steel.
Статья поступила в редакцию 19.06.2017 г.
УДК 620.193.16:629.12.037.11
Е.О. Горбаченко, аспирант, «Государственный университет морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова»
Ю.Н. Цветков1, д.т.н., профессор, зав. кафедрой, «ГУМРФ им. адм. С.О. Макарова» 198035, г. Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА КАВИТАЦИОННОГО ИЗНАШИВАНИЯ ЛОПАСТЕЙ
ГРЕБНЫХ ВИНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ
Ключевые слова: Кавитационное изнашивание, гребной винт, инкубационнный период, среднее арифметическое отклонение профиля.
Проведены измерения высоты неровностей поверхности лопастей гребного винта в очаге кавитационного износа. Показано, что в очаге при движении от его центра можно найти точку, состояние поверхности в которой в момент осмотра движителя соответствует окончанию инкубационного периода; эта точка расположена на границе зоны наклёпа и зоны отделения материала. Предложена методика прогнозирования инкубационного периода, основанная на использовании значения высоты неровностей, соответствующей окончанию инкубационного периода при кавитацион-ном воздействии на поверхность.
Введение
Кавитационное изнашивание лопастей гребных винтов (ГВ) - одна из самых распространённых причин ремонта судовых движителей. Особенность явления кавитации ГВ в том, что, если при вращении винта возникает кавитация, то, в большинстве случаев она сопровождается кавитационным изнашиванием (кавитационной эрозией) лопастей. Основная причина высокой эрозионной способности кавитации судовых движителей - её нестационарный характер из-за того, что гребной винт работает за корпусом судна, и скорость возникающего вследствие движения судна попутного потока неодинакова по площади диска винта: размер кавитационной каверны при вращении лопасти периодически изменяется - каверна взрывным образом возникает,
1 Переписку вести с этим автором: адрес электронной почты - [email protected]
когда лопасть находится в положении, соответствующем максимальному углу атаки, и схлопывается полностью или частично, когда лопасть повернётся в положение минимального угла набегания потока [1]. При схлопывании каверны вода с большой скоростью заполняет паровое пространство каверны и ударяет по поверхности лопасти с периодичностью, пропорциональной частоте вращения ГВ.
Кавитационный износ лопастей имеет выраженный локальный характер, при этом очаги износа имеют рваную губчатую поверхность. Площадь очагов в большинстве случаев не превышает нескольких процентов от площади лопасти, однако, если они возникают в корневых сечениях лопастей, как это происходит на винтах судов на подводных крыльях, то такие очаги снижают прочность лопасти, увеличивая вероятность её обрыва при движении судна, если же они возникают в концевых сечениях лопастей, как это имеет место на винтах водоизмещающих судов, то снижают КПД движителя.
Особенность кавитационного изнашивания металлических материалов - наличие инкубационного периода, т. е. начального периода, когда потери массы практически отсутствуют. В течение инкубационного периода происходит наклёп - упрочнение металла поверхности при пластической деформации от ударов капель и струй жидкости. Продолжительность инкубационного периода кавитационного изнашивания лопастей ГВ морских транспортных составляет в среднем несколько тысяч часов работы. В этой связи актуальным является прогнозирование продолжительности инкубационного периода; по продолжительности инкубационного периода, можно произвести оценку межремонтных периодов ГВ.
Результаты исследований, проведённых авторами, показали, что для оперативной прогнозной оценки инкубационного периода, как при изнашивании натурного оборудования, так и при лабораторных испытаниях материалов на кавитационный износ, может быть полезен метод измерения профиля поверхности [2]. Высота неровностей поверхности в пределах инкубационого периода увеличивается линейно с увеличением времени кавитационного воздействия, при этом значение среднего арифметического отклонения профиля, соответствующее окончанию инкубационного периода, является величиной постоянной и не зависит от интенсивности кавитационного воздействия при кавитационном изнашивании в определённых условиях, т. е. на конкретном оборудовании или лабораторной установке. Отмеченные особенности изменения профиля поверхности при кавитационом воздействии могут быть использованы для прогнозирования продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания и движительных комплексов транспортных судов. Однако для этого на гребных винтах надо уметь оценивать высоту неровностей, соответствующую окончанию инкубационного периода.
Цель работы - разработка методики прогнозирования инкубационного периода кавитационного изнашивания ГВ, основанной на измерении высоты неровностей поверхности лопастей в зоне кавитационного воздействия.
Методика измерений
Для достижения поставленной цели необходимо, прежде всего, уметь определять значение высоты неровностей поверхности, соответствующее окончанию инкубационного периода, с тем, чтобы использовать это значение в процедуре прогнозирования. Однако значение указанной высоты можно определить лишь в случае успешного решения двух проблем, причины возникновения которых в следующем.
Во-первых, детальный осмотр движителя морского судна можно произвести только во время его докования, т. е. не чаще одного раза в 2-3 года, тогда как для оценки высоты неровностей, соответствующей окончанию инкубационного периода, надо располагать зависимостью высоты неровностей от продолжительности кавита-ционного воздействия.
Во-вторых, при прочих равных условиях, размер кавитационной зоны, возникающей на лопастях при работе ГВ, увеличивается с увеличением размера гребного вин-88
та, а поэтому увеличивается и размер капель и струй, ударяющих по поверхности. Соответственно, при прочих равных условиях, с увеличением размера гребного винта возрастает высота неровностей в очаге кавитационного разрушения. Поэтому, если для небольших ГВ для измерения высоты неровностей можно использовать обычный профилограф, применяемый для измерения шероховатости, то для крупных движителей диапазона измерений, обеспечиваемого промышленно выпускаемыми профило-графами, будет недостаточно. Соответственно, для больших морских судов необходимо отработать методику оценки высоты неровностей в очаге кавитационного износа на ГВ.
При решении первой проблемы рассуждали следующим образом. Анализ районов кавитационного воздействия на лопастях натурных ГВ позволяет разбить эти районы на три зоны; две из них расположены непосредственно в очаге кавитационного разрушения (рис. 1): зона В - зона наклёпа: она расположена между контурами аЬсё и а 'Ь с У; и зона С - зона отделившегося материала, расположенная в пределах контура и а'Ь с У. Вокруг очага расположена примыкающая к нему третья зона А, в этой зоне участки исходной поверхности чередуются с расположенными случайным образом неперекрывающимися вмятинами от ударов струй и капель. Очаг кавитационного износа формируется на участке, энергия Е кавитационного воздействия на который превышает значение энергии Ет, вызывающей пластическую деформацию поверхности. Продолжительность инкубационного периода является непрерывной однозначной функцией энергии кавитационного воздействия на поверхность лопасти. В свою очередь, энергия Е кавитационного воздействия является непрерывной функцией координаты х точки очага (за начало координат можно приять условный центр очага). А значит, и продолжительность инкубационного периода в определённой точке очага эрозии является непрерывной функцией координаты точки. Поэтому в очаге при движении от его центра можно найти точку, состояние поверхности в которой в момент осмотра ГВ соответствует окончанию инкубационного периода. Эта точка находится на границе между зоной наклёпа и зоной отделения материала (точки а' и с' на рис. 1).
Рис. 1. Схема очага кавитационного износа на поверхности лопасти
Для решения второй проблемы, т. е. отработки собственно методики измерений на винтах сравнительно больших диаметров, выбрали ГВ теплохода «Ариес» - четы-рёхлопастной винт регулируемого шага диаметром 2765 мм. Лопасти ГВ были отлиты в ФРГ из марганцово-алюминиевой бронзы (А1 - 8,2 %; Mn - 8,8 %; Fe - 3,3 %; № -1,8 %; Си - основа). Районы возникновения очагов износа на лопастях ГВ теплохода «Ариес» показаны на рис. 2 (а).
Для измерений использовали глубиномер 1 на базе индикаторной головки 2 с ценой деления 0,01 мм (рис. 3). Для использования глубиномера вдоль очага по обе его стороны укладывали направляющие 3 - прутки круглого сечения, которые крепились к лопасти с использованием автомобильного пластилина (рис. 2, б). Гибкость направляющих позволяла им «повторять» номинальный профиль поверхности, так что просвет между направляющими и поверхностью лопасти отсутствовал. Измерения неровностей в районе очага износа были проведены на двух лопастях (№2 и №3) по различным схемам движения глубиномера при перемещении глубиномера по направляющим (рис. 3). При этом по положению стрелки индикаторной головки фиксировали условную глубину очага, т. е. значение глубины без учёта поправки на нуль.
Анализ результатов измерений
Сначала на лопасти №3 провели измерения глубины очага износа при шаговом (с шагом около 2 мм) перемещении глубиномера по направляющим 3 в направлении оси 0x (см. стрелку 4 на рис. 3). Регистрацию условной глубины очага производили на каждом шаге в точках i - 1, i, i + 1 и т. д. Результаты измерения условной глубины h очага в зависимости от расстояния L до условного центра очага представлены на рис. 4.
Анализ зависимости h(L) позволил выявить то место в очаге, кавитационное воздействие на которое соответствовало окончанию инкубационного периода. Как видно из рис. 4, все точки сгруппировались по трём зонам А, B и C, описание которых дано выше. Признаком границы между зонами A и B служит наметившийся перелом в зависимости h(L) и увеличившийся разброс точек в зоне наклёпа, а между зонами B и C - увеличившийся угол наклона. Окончанию инкубационного периода соответствует вертикальная линия - граница между зонами B и О, на этой границе и надо определять высоту неровностей профиля.
а)
б)
Рис. 2. Район расположения (а) и вид (б) очагов кавитационного износа на нагнетательных поверхностях лопастей теплохода «Ариес»
1,0
К,
мм1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
3
: 0 :
кг.--' —- к к+1
1
1 <ч
А X ___
Рис. 3. Схема измерения
А
ээ
» » » , с»»
» ~ 3
»
В
С
ю
ЭЭ э
9®.
®
»
160
140
120
100
80
60
40
Ь, мм
Рис. 4. Зависимость условной глубины очага кавитационного износа на лопасти №3 от расстояния до условного центра очага
По результатам измерений, проведённых на лопасти №3, было принято решение провести более подробные измерения на другой лопасти (№2) для того, чтобы иметь возможность на каждом шаге при движении вдоль линии 0x вычислить среднее арифметическое отклонение профиля - аналог традиционного параметра Ra, используемого при оценке шероховатости. Для этого в каждой i-й точке (по линии 0x) глубиномер перемещали в направлении, перпендикулярном линии 0x по оси уу '. На каждом отрезке уу' фиксировалось 15-20 условных значений глубин профиля в точках ^ k+1 и т. д. (см. рис. 3), и для каждой i-й точки вычисляли среднее значение условной глубины:
Й = 1
где п =15...20.
Среднее арифметическое отклонение профиля на i-м шаге (см. рис. 3) при измерениях на лопасти №2 вычислялось следующим образом:
п
(Яа): =- > -VI'
к=1
Как видно из рис. 5, характер зависимости ^р^), построенной для очага износа на лопасти №2, аналогичен зависимости h(L), представленной ранее на рис. 4, однако, так как значение определяли как среднее арифметическое 15-20 значений, то на рис. 5 имеет место меньший разброс точек. Как и следовало ожидать, разброс точек в зоне А практически отсутствует, и зависимость на этом участке можно было бы считать горизонтальной, если бы не небольшой «горб» высотой 0,3-0,4 мм, появление которого, по всей видимости, связано с тем, что при приближении к зоне B (рис. 2 б) участки с большей плотностью расположения вмятин от ударов жидкости чередуются с участками, на которых расположение вмятин более разреженное. То, что это так, подтверждается аналогичным изменением в зоне А значения Ra (рис. 6): уменьшением значения при движении по оси абсцисс, что означает уменьшение количества вмятин на поверхности, которое сопровождается уменьшением Ra, и наоборот. Основным признаком перехода одной зоны в другую, наряду с изменяющимся углом наклона зависимости, является увеличивающийся разброс точек: в зоне А разброс -минимальный, а в зоне С - максимальный, так как на разброс точек в зоне С основное влияние оказывает случайный характер формирования рельефа при отделении частиц износа.
На графике Ra(L) переход от участка A к участку B, а затем от B к С сопровождается не только изменением угла наклона участков к осям координат и изменением степени разброса точек, но также и разрывами на зависимости (рис. 6). Участок, соответствующий зоне С имеет наибольший разброс и расположен горизонтально. Это согласуется с результатами лабораторных испытаний на кавитационное изнашивание [3]: выход процесса кавитационного изнашивания на стадию максимальной скорости изнашивания приводит к стабилизации высотного параметра шероховатости (он перестаёт увеличиваться) и к увеличению разброса его значений.
Окончанию инкубационного периода, судя по графику Ra(L), будет соответствовать значение ^^жк = 0,8 мм. Это значение соответствует точке пересечения вертикальной линии - границы между зонами B и C - и участка B. Знание значения ^^жк позволит прогнозировать продолжительность инкубационного периода кавитацион-ного изнашивания разных участков кавитационного воздействия.
ср' мм
0,5 -| 1,01,5 2,02,5 3,0 3,54,0
А
100
—I— 80
»4» э
(О
сгь
в
9
—I— 60
—I—
40
а»
о э
С
э э
с* с*
® э
9
—I— 20
~г 0
Ь, мм
Рис. 5. Зависимость среднего значения условной глубины очага кавитационного изнашивания на лопасти №2 от расстояния до условного центра очага кавитационного изнашивания
Покажем в качестве примера процедуру прогнозирования продолжительности инкубационного периода для участка в зоне наклёпа, находящегося на расстоянии 60 мм от условного центра очага. Этой координате соответствует среднее значение Ra ~ 0,45 мм (рис. 6). При предыдущем доковании очагов кавитационного износа обнаружено не было. Продолжительность эксплуатации ГВ после предыдущего докования t = 10 000 ч. Исходное (т. е. при t = 0) значение Ra для ГВ высшего класса по ГОСТ 805481 должно составлять не более 1,25 мкм, т. е. в нашем случае в сравнении с высотой неровностей профиля поверхности после кавитационного воздействия исходное значение Ra ~ 0.
1. Нанесём две точки на график Ra - Р. первую точку с координатами t = 0 и Ra = 0, и вторую - t = 10 000 ч и Ra ~ 0,45 мм (рис. 7);
2. Проведём горизонтальную линию 1, через значение ^^жк = 0,8 мм, соответствующее окончанию инкубационного периода;
3. Проведём через две точки, нанесённые на график, линию 2 до пересечения с линией 1 ;
4. Опустим из точки пересечения линий 1 и 2 перпендикуляр к оси абсцисс. Значение, отсекаемое перпендикуляром на сои абсцисс, показывает, что продолжительность инкубационного периода для участка, находящегося на расстоянии 60 мм от условного центра очага, равен примерно 17 500 ч.
Так как значение ^^жк и положение точки для построения линии 2 определяется с определённой погрешностью (см. рис. 6), то штрихпунктирные линии на рис. 7 показывают ширину доверительного интервала, в который попадают прогнозные значения. В рассматриваемом случае значение инкубационного периода tжк = 17 500 ч имеет погрешность ±5000 ч с доверительной вероятностью около 70 % в предположении, что распределение результатов измерений подчиняется нормальному закону.
По предложенной методике целесообразно производить оценку ожидаемой продолжительности инкубационного периода при обнаружении зон кавитационного воздействия (зон наклёпа) на поверхности лопастей при осмотре ГВ во время очередного докования судна.
Я
а
мм
100
1 80
60
т 40
20
Ь, мм
Рис. 6. Зависимость среднего арифметического отклонения высоты неровностей профиля очага кавитационного изнашивания на лопасти №2 от расстояния до условного центра очага кавитационного изнашивания
п 1,0
R , мм
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
5000
10000
15000
20000
Ь ч
Рис. 7. Схема прогнозирования продолжительности инкубационного периода Заключение
Разработана методика определения значения среднего арифметического отклонения профиля (Ла)инк поверхности ГВ морских судов, которое соответствует окончанию инкубационного периода. Методика основана на предположении, что продолжитель-
0
ность инкубационного периода в определённой точке очага эрозии является непрерывной функцией координаты точки. Показано, что в очаге при движении от его центра можно найти точку, состояние поверхности в которой в момент осмотра ГВ соответствует окончанию инкубационного периода; эта точка расположена на границе зоны наклёпа и зоны отделения материала.
Предложена методика прогнозирования продолжительности инкубационного периода, основанная на использовании значения (R^W. Методика основывается на двух обнаруженных ранее особенностях изменения высоты неровностей поверхности с течением времени кавитационного воздействия: 1) независимости значения (Ra)^ для конкретного материала от интенсивности кавитационного воздействия на конкретном устройстве и 2) линейного характера зависимости Ra(t) в пределах инкубационного периода.
Список литературы:
[1] Георгиевская Е.П. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней. - Л.: Судостроение. - 1978. - 206 с.
[2] Цветков Ю.Н., Горбаченко Е.О. Способ определения продолжительности инкубационного периода кавитационного изнашивания металлов. Патент на изобретение № 2597936. Опубликовано: 20.09.2016 г. (RU 2597936 С1, МПК G01N3/56 (2006.01)).
[3] Kato H.A consideration on scaling laws of cavitation erosion / International Shipbuilding Progress. - September, 1975. - Vol. 22. - No. 253. - P. 305-327.
PREDICTION OF THE INCUBATION PERIOD IN CAVITATION WEAR OF SHIP PROPELLER BLADES USING THE SURFACE PROFILE MEASUREMENTS
E.O. Gorbachenko, Yu.N. Tsvetkov
Key words: cavitation wear, screw propeller, incubation period, arithmetic mean deviation of the assessed profile.
The measurements of the height of asperities were carried out within the zone of cavitation wear on the ship propeller blades. It is shown that in moving from the center of the cavitation wear zone it is possible to find the point where the surface condition corresponds to incubation period termination. This point is situated on the boundary between the cold hardening zone and the zone of material removal. The procedure is developed to predict the incubation period duration, based on the use of the asperity height value corresponding to the end of the incubation period in cavitation attack on the surface.
Статья поступила в редакцию 14.06.2017 г.
