» » Выбор и обоснование полимерных композиций шахтных насосов

Выбор и обоснование полимерных композиций шахтных насосов

30.08.2016

На долговечность рабочих деталей шахтных центробежных насосов, выполняемых из черных металлов (стальное литье, чугун), наибольшее влияние оказывает электрохимическая коррозия. Для противодействия коррозии машиностроители применяют различные виды легированных, а в ответственных случаях даже нержавеющих сталей. По отношению к полимерным композициям коррозия, как было показано в главе 3, практического смысла не имеет. Основным фактором, определяющим ресурс работы полимерных материалов в условиях эксплуатации шахтных насосов, является сопротивление гидроабразивному износу и явлению кавитации.
Для выбора и испытания были отобраны полимерные композиции, выпуск которых освоен химической промышленностью; полиэтилен, полипропилен, поликарбонат, стеклонаполненный капрон, фенолит и некоторые другие. Для сравнительной оценки износостойкости испытывались также образцы металлов. Стойкость металлов гидроабразивному и эрозионному воздействиям определялась путем сравнительных испытаний образцов в одинаковых условиях их ускоренного износа.
Исследования гидроабразивного износа

Сравнительные испытания и выбор материалов, отвечающих требованиям высокой стойкости по отношению к воздействию абразивных частиц, присутствующих в шахтных водах, целесообразно осуществлять на специальных стендах. Один из таких стендов разработан в ВИГМ им. М.М. Федорова.
Стенд (рис. 11.1) представляет собой установку роторного типа. Внутри цилиндрического бака 1, заполненного водой с гидроабразивными частицами (пульпой), расположена вращающаяся планшайба 2 с закрепленными на ней образцами 3 испытываемых материалов. Образцы устанавливаются на одинаковом от центра расстоянии D. Угол установки образцов р по отношению к окружности их расположения можно варьировать. Траектория движения частицы от центра к образцу а—а1. Частица встречается с образцом под углом атаки а.
Скорость вращения ротора соответствует линейной скорости перемещения образцов в пульпе 7,95 м/с. Размер образцов 20х20 мм обеспечивает соприкосновение образца с пульпой по площади 1,45 см2. Испытания проведены на гидросмеси кварцевого песка крупностью 0,18—0,25 мм с концентрацией 1:3. Степень износа образцов найдена по приведенной толщине изношенного материала.
Отличительной особенностью исследования являлось определение эффективности действия коррозионных повреждений на относительную износостойкость металлов и полимеров. С этой целью образцы различных материалов подвергались пяти 24-часовым циклам воздействия рабочей среды, каждый из которых состоял из работы стенда на абразивной смеси в течение 2 ч и 22 ч выдержки образцов в воде на отключенной установке. Таким образом, каждый образец находился в воде в течение 120 ч.
Величина износа определялась путем взвешивания образцов до и после испытания на аналитических весах по известному удельному весу и площади пятна эрозии.
Выбор и обоснование полимерных композиций шахтных насосов

Для испытаний были отобраны образцы распространенных пластмасс, физико-механические свойства которых наиболее близко соответствуют предварительным техническим требованиям: полиэтилен низкого давления чистый (ПЭНДч) и наполненный сажей (ПЭНДн), полипропилен (ППЛ), чистый поликарбонат (ПКБч), пентапласт (ПТП), полиформальдегид (ПФА), фенолит (PCT), стеклонаполненный капрон (КС-30/9). Для сравнения испытаны также образцы нержавеющей стали, стали марки Ст. 3, чугуна СЧ-21-40, алюминия.
Результаты сравнительных испытаний в виде относительной износостойкости iм различных материалов по отношению к износостойкости iсч серого чугуна, обычно применяемого для изготовления рабочих колес шахтных насосов, выраженные в логарифмической координате, приведены на рис. 11.2. Из гистограммы следует, что наибольшим сопротивлением гидроабразивному износу отличается стеклонаполненный капрон КС-30/9, чистый поликарбонат, полиэтилен низкого давления, полипропилен. Износостойкость этих материалов выше относительной износостойкости не только черных металлов — стального литья, чугуна, но и нержавеющей стали.
Наименее стойкими оказались стеклопластики, РСТ, наполненные стекловолокном термопласты. Проведенный на профилографе типа 201 анализ шероховатости поверхности показал, что для прессованных стеклопластиков характерен рельеф, обусловленный большой разностью в износостойкости наполнителя и связующего.
Исследования кавитационной эрозии

Моделирование процесса кавитационной эрозии образцов материалов осуществлялось на специальной экспериментальной установке, представляющей собой ванну, в дно которой вмонтирован магнитострикционный излучатель типа ПМС-7, питающийся от ультразвукового генератора УЗГ-2,5. Излучатель снабжен полуволновым экспоненциальным акустическим трансформатором (концентратором) колебаний с коэффициентом усиления ξ=5. Над рабочим торцом концентратора с зазором 0,8 мм на специальном держателе крепится образец испытуемого материала.
Выбор и обоснование полимерных композиций шахтных насосов

Для исключения влияния изменений газонасыщения и температуры под влиянием ультразвука вода в ванне проточная и имеет температуру 15±2°С. Энергетические режимы испытания всех образцов приняты постоянными: амплитуда колебания торца концентратора 45±3 мкм при частоте 19,2 кГц.
На рис. 11.3 приведены полученные в результате сравнительных испытаний значения величин сравнительной износостойкости I некоторых полимерных материалов при 4-часовой экспозиции:
I = 1/i,

где i — объемный износ, см3.
Результаты этих испытаний показывают, что, например, объемная износостойкость полиэтилена в 40 раз, полиформальдегида — в 19 раз, поликарбоната — в 9 раз, стеклонаполненного капрона — в 5,7 раза превышает соответствующую стойкость серого чугуна.
Анализ работоспособности полимерных материалов в условиях эрозионного износа возможен с позиций физико-химической механики материалов — области науки, объединяющей ряд разделов и основных положений физики твердого тела, химии термодинамики, механики полимеров и других смежных наук. С этой точки зрения представляет интерес сопоставление стойкости ненаполненных и наполненных стекловолокон полимеров — поликарбоната и сополимера стирола с акрилонитрилом СН-25.
Известно, что плотность упаковки молекул полимера — одна из важнейших структурных характеристик, определяющая их физико-механические свойства. Коэффициенты упаковки полимеров самого разнообразного строения меняются в очень узких пределах. Показано, что полимеризационные и поликонденсационные полимеры, отличающиеся друг от друга химическим строением, полярностью и даже физическим состоянием, имеют примерно одинаковую плотность упаковки. Экспериментально установлено, что в наполненных полимерах на границе волокно — связующее происходят некоторая плоскостная ориентация макромолекул и связанные с нею изменения в плотности упаковки, а именно уменьшение плотности.
Если внешние напряжения действуют на всем объеме полимера, то наполнитель оказывает усиливающее действие из-за перехода части вещества в состояние тонких пленок на поверхности с особой ориентированной структурой и ограниченной подвижностью цепей. Согласно статистической теории распределения внутренних дефектов в твердом теле усиливающее действие может быть связано с изменением перенапряжений на краях трещины, с релаксацией напряжений и перераспредлением их на большее количество центров прорастания микротрещин.
При смачивании наполнителя полимером жесткая полимерная цепь по мере отверждения системы плохо приспосабливается к поверхности наполнителя, имеет с ней мало точек контакта, система в целом становится неравновесной, ввиду чего в смоле возникают внутренние напряжения, сконцентрированные в малых объемах вокруг поверхностей раздела. Наряду с рыхлой упаковкой надмолекулярных структур это обстоятельство играет решающую роль при объяснении интенсификации гидроэрозии наполненных полимеров по сравнению со стойкостью более равновесных систем, характерных для чистых материалов.
Результаты проведенных исследований микрорельефа образцов после испытаний подтверждают это положение: если для не-наполненного полимера модальное значение глубины эрозии лежит в пределах 0,01—0,04 мм, то для стеклонаполненного — в пределах 0,08—0,1 мм. Микрорельеф изношенной поверхности ненаполненного материала, несмотря на более длительные испытания, более однороден, чем у наполненного.
Критерий выбора материалов

Обнаруженная в результате исследований аналогия в сопротивляемости одних и тех же материалов гидроэрозии и абразивному износу свидетельствует о наличии закономерностей, раскрытие которых позволяет решить проблему выбора материалов для деталей гидромашин. Проведенные испытания, а также исследования других авторов показали, что оценка износостойкости материалов по прочностным характеристикам не обоснована. Критерий износостойкости следует искать в связи со взаимодействием рабочей среды, в частности механизма воздействия шахтных вод на детали насосов.
Необходимо учесть, что полимерные материалы занимают совершенно особое место среди других твердых тел благодаря особенностям своего строения. Главное их отличие заключается в отчетливом проявлении релаксационных процессов, всегда сопровождающих деформирование и разрушение полимерного тела. Эти материалы относятся к классу твердых тел, у которых время релаксации соизмеримо со временем наблюдения.
Устойчивось полимерной цепи зависит от прочности связей между атомами. Например, прочность связей азота —N—N— и кислорода —О—О— весьма мала (соответственно 37 и 34 ккал/моль) и не позволяет получить гомоцепные полимерные- соединения. Углеродистая связь —С—С— более прочная, энергия связи 80 ккал/моль. Наиболее же прочные связи образуются в гетероцепных полимерах, что объясняет их высокопрочность и высокоплавкость. Если в цепи полимера нарушен дальний порядок звеньев (отсутствует их монотонное чередование), то процесс структурообразования заканчивается на стадии образования пачек, где макромолекулы располагаются параллельно друг другу. Такие материалы являются аморфными.
При кристаллизации существующие в аморфном полимере пачки макромолекул переходят в кристаллическое состояние неодновременно. Возникающая при этом на границах раздела между закристаллизованной и незакристаллизовавшейся частями полимера поверхностная энергия делает термодинамически невыгодным существование тонких и длинных кристаллических пачек. Поэтому в процессе кристаллизации происходит многократное перегибание пачки, в результате чего возникает кристаллическая частица со значительно меньшей поверхностью, чем поверхность выпрямленной пачки — лента. Кристаллические ленты, смыкаясь своими поверхностями, продолжают процесс кристаллизации полимера, заключающийся в разрастании сложной системы разнообразных надмолекулярных структур.
Путем варьирования температурно-временного режима пребывания полимера в состоянии расплава и режима охлаждения можно получать материалы с различными надмолекулярными структурами и, следовательно, механическими свойствами. Так, например, в зависимости от типа надмолекулярных структур разрывная прочность полипропилена может находиться в пределах 14—37 МПа, а разрывное удлинение — от ничтожных значений до 900%. Однако, как показали исследования, разрушение материала может происходить при значениях, гораздо меньших предела прочности, следовательно, напряжение не является единственным критерием его прочности.
В отечественной и зарубежной литературе отсутствуют исследования гидроабразивного износа и кавитационной эрозии с физико-механических позиций. Между тем анализ разрушения полимерных материалов приводит к гипотезе энергетического критерия износостойкости.
Если рассматривать разрушение твердого тела как некоторый кинетический процесс, представляющий собой накопление во времени элементарных актов разрыва химических связей, то основной характеристикой сопротивления материала будет служить механическая долговечность, которую можно выразить количеством энергии, поглощенной телом. В этом случае предельным параметром является работа разрушения, величина которой A = PΔl интерпретируется площадью под диаграммой растяжения нагрузка — удлинение.
В качестве критерия разрушения образца предлагается принимать удельную энергию (Дж/м3), получаемую делением работы разрушения на объем образца V = Sl:
Выбор и обоснование полимерных композиций шахтных насосов

Впервые этот критерий использован Тирувенгадамом для оценки сопротивления материалов гидроэрозии и разработки обобщенной теории кавитационных разрушений. В дальнейшем энергия деформации использовалась и другими исследователями для оценки кавитационной стойкости преимущественно металлов. Однако рассматривалась лишь качественная картина, без попыток анализировать механизм разрушения.
Учитывая сущность механического разрушения твердых тел с физико-химической точки зрения, можно предположить, что при любых механических воздействиях сравнительное соотношение стойкости материалов остается постоянным. С этих позиций анализ изложенных результатов исследований износостойкости материалов производится в зависимости от затраченной энергии деформации.
В.Л. Кричевский предложил использовать энергетический критерий износостойкости для выбора материалов шахтных насосов. Энергия деформации рассматривается как произведение предела прочности (по испытаниям на растяжение) на относительное удлинение, т. е. по выражению (11.1). Результаты расчета энергии деформации для девяти различных материалов — полистирола, полиформальдегида различных марок, пентапласта и поликарбоната, в том числе и модифицированных стекловолокном, показали, что величина энергии деформации, полученная по этому выражению, превышает истинное значение на 23—31%, сохраняя при этом относительный порядок в расположении материалов по величине их энергии деформации.
Выбор и обоснование полимерных композиций шахтных насосов

На рис. 11.4 представлены данные о величине эрозии (V) материалов при кавитации в зависимости от их удельной энергии деформации (и). Приведенные результаты обнаруживают удовлетворительную корреляцию данных. Испытания и анализ результатов показали, что стойкость материалов гидроабразивному износу также соответствует энергии их деформации, причем это относится и к металлам.
Отклонения от закономерности и в некоторых случаях достаточно большой разброс результирующих точек можно объяснить несколькими факторами: влиянием угла атаки на интенсивность износа, что полностью согласуется с данными других исследований. Каждый материал в соответствии с особенностями микроструктурного строения имеет максимальный износ при определенном угле атаки абразива.
При кавитационных же испытаниях этот фактор нивелируется;
- зависимостью от состояния поверхности в процессе износа. Если при абразивном износе происходит «шлифование» поверхности острыми гранями твердых частиц, то при кавитационной эрозии образовывается микрорельеф, который прогрессирует обратно пропорционально износостойкости материала;
- эффектом упрочнения (наклепа) поверхности при абразивном износе;
- характером распределения энергии в деформируемом твердом теле с термодинамической точки зрения: часть внутренней энергии, определяемой выражением (11.1), рассеивается в виде тепла.
Таким образом, удельная энергия деформации удовлетворительно коррелирует с износостойкостью испытанных материалов как при кавитационном, так и при абразивном воздействии, что позволило рекомендовать ее в качестве критерия для выбора материала деталей шахтных насосов.