Основная цель работы — формирование научной базы для корректного определения комплекса требований к конструк-ционному материалу с высокой стойкостью к износу в усло-виях каплеударной эрозии. Выполнен обзор современного и ретроспективного состояния отечественных и зарубежных исследований в области каплеударной эрозии металлических материалов. В качестве основных итогов отмечены недоста-точная фундаментальность исследований в этой области, ограниченность используемых теоретических моделей, одно-сторонний избирательный подход многих авторов к явлению, объединяющему целый комплекс факторов различной физи-ческой природы. На этом фоне представлена авторская кон-цепция процесса эрозионного изнашивания металла в условиях воздействия двухфазного паро-капельного потока, наблю-даемого, например, в лопаточном аппарате последних ступеней мощных паровых турбин, а также при работе газотурбинного и компрессорного оборудования. Особое внимание уделено новой научной гипотезе о влиянии активного водорода на раз-рушение металла при высокоскоростных капельных соуда-рениях.
каплеударная эрозия, усталостное разрушение, кавитация, водородное изнашивание, лопатки паровых турбин, металлические сплавы, антиэрозионная защита.
Тепловой метод генерации энергии в настоящее время занимает доминирующее положение среди существующих способов производства электроэнергии, покрывая около 70% общего мирового объема потребления. Большинство экспертных оценок сходится к тому, что, по крайней мере до середины текущего столетия ситуация вряд ли существенно изменится [1]. Устойчивости такого положения в глобальной энергетике способствует ряд факторов. Большая часть из них хорошо известна [2]. Например, доступность и достаточность сырьевой базы тепловой энергетики; её технологическая и эксплуатационная надежность; постоянно прогрессирующий рост КПД теплоэнергетических установок, достигший в настоящее время для ПГУ уровня 55–60% (полвека назад он составлял чуть выше 30%). Однако есть факторы, не менее значительные, но «не лежащие на поверхности». К ним следует отнести две взаимосвязанных проблемы: глубина исследованности физических процессов, происходящих при работе энергетического оборудования, и обеспеченность энергетики надежными конструкционными материалами. Тесная взаимозависимость этих сфер очевидна — оптимальность материаловедческого решения определяется полнотой комплекса требований к материалам для изготовления оборудования и конструкций. Этот тезис может быть проиллюстрирован на примере лопаточного аппарата паровых турбин.
1. Сравнительный анализ эффективности теплоэнергетики России и стран мира / В. Н. Артемов [и др.] // Вестник Моск. энерг. ин-та. — 2013. — № 1. — С. 9–15.
2. Клименко, А. В. Обеспечение теплоэнергетики конструкционными материалами — основа ее надежного функционирования и развития / А. В. Клименко, Е. А. Гринь // Теплоэнергетика. — 2014. — № 1. — С. 44–49.
3. Proceedings of 5th International Conference on Erosion by Liquid and Solid Impact. — Cambridge, U.K. : Cavendish Laboratory, 1979. — 86 p.
4. Спринжер, Дж. С. Эрозия при воздействии капель жидкости / Дж. С. Спринжер. — Москва : Машиностроение, 1981. — 200 с.
5. Эрозия / А. Эванс [и др.]; под ред. К. Прис. — Москва : Мир, 1982. — 464 с.
6. Van der Zwaag, S., Dear, J.P., Townsend, D., and Walley, S.M. Rain and solid particle erosion damage mechanisms and materials evaluations. – Cambridge, U.K.: Cavendish Laboratory, 1986. AFWAL-TR-86-4.
7. Полежаев, Ю. В. Тепловая защита / Ю. В. Полежаев, Ф. Б. Юревич. — Москва : Энергия, 1976. — 392 с.
8. Полежаев, Ю. В. Процесс установления эрозионного разрушения материала преграды при многократном соударении частицами / Ю. В. Полежаев // Инженерно-физический журнал. — 1979. — Т. 37, № 3. — С. 389–394.
9. Расчетная модель процесса эрозионного разрушения композиционного материала / Ю. В. Полежаев [и др.] // Инженерно-физический журнал. — 1979. — Т. 37, № 3. — С. 395–404.
10. Лагерев, A. B. Вероятностное прогнозирование эрозии в системах технической диагностики влажнопаровых турбомашин / A. B. Лагерев // Изв. РАН. Энергетика. — 1997. — № 2. — С. 134–143.
11. Дергачев, К. В. Электронная система прогнозирования эрозии рабочих лопаток турбин атомных станций / К. В. Дергачев // Изв. вузов. Ядерная энергетика. — 2001. — № 3. — С. 3–13.
12. Использование титановых сплавов в качестве материала лопаток паровых турбин / М. А. Скотникова [и др.] // Вопросы материаловедения. — 2007. — № 3(51). — С. 61–70.
13. Ланина, А. А. Исследование высокоскоростного каплеударного воздействия на поверхность лопаток паровых турбин / А. А. Ланина // Инструмент и технологии. — 2008. — № 28–29. — С. 84–87.
14. Селезнев, Л. И. Оценка длительности инкубационного периода эрозионного износа конструкционных материалов / Л. И. Селезнев, В. А. Рыженков // Теплоэнергетика. — 2005. — № 4. — С. 61–63.
15. Поваров, О. А. Исследование эрозионного износа рабочих лопаток паровых турбин / О. А. Поваров, Б. Станиша, В. А. Рыженков // Теплоэнергетика. — 1988. — № 4. — С. 66–69.
16. Оценка эрозионного износа лопаточного аппарата влажнопаровых турбин АЭС / В. А. Иванов, И. П. Фаддеев, В. М. Боровков, В. И. Королев // Сб. научн. тр. Моск. энерг. ин-та. — Москва : Изд-во МЭИ, 1999. — С. 214.
17. Селезнев, Л. И. Эрозионный износ конструкционных материалов / Л. И. Селезнев, В. А. Рыженков // Технология металлов. — 2007. — № 3. — С. 19–24.
18. Селезнев, Л. И. Феноменология эрозионного износа материала конструкционных сталей и сплавов жидкими частицами / Л. И. Селезнев, В. А. Рыженков, А. Ф. Медников // Теплоэнергетика. — 2010. — № 9. — С. 12–16.
19. Рыженков, В. А. Современное состояние и способы решения проблемы эрозионного износа лопаток влажно-паровых ступеней турбин / В. А. Рыженков, А. И. Лебедева, Ал. Ф. Медников // Теплоэнергетика. — 2011. — № 9. — С. 8–13.
20. Исследование процесса изменения характеристик рельефа поверхности лопаточной стали в инкубационном периоде развития каплеударной эрозии / А. Ф. Медников, В. А. Рыженков, Л. И. Селезнев, А. И. Лебедева // Теплоэнергетика. — 2012. — № 5. — С. 69–75.
21. Min Ku Lee, Whung Whoe Kim, Chang Kyu Rhee, and Won Jong Lee. Investigation of liquid impact erosion for 12Cr steel and Stellite 6B // Journal of Nuclear Materials. — 1998. — Vol. 257. — рр. 134144.
22. Min-Ku Lee, Whung-Whoe Kim, Chang-Kyu Rhee, and Won-Jong Lee. An analysis of stress waves in 12Cr steel, Stellite 6B and TiN by liquid impact loading // Nuclear Engineering and Design. — 2002. — Vol. 214. — рр. 183–193.
23. Haller, K.K., Ventikos, Y., Poulikakos, D., and Monkewitz, P. Computational study of High-speed liquid droplet impact // Journal of Applied Physics. — 2002. — Vol. 92, no. 5. — pp. 2821–2828.
24. Imano, A.M., and Beroual, A. Deformation of water droplets on solid surface in electric field // Journal of Colloid and Interface Science. — 2006. — Vol. 298. — pp. 869–879.
25. Mann, B.S., and Vivek, Arya. HVOF coating and surface treatment for enhancing droplet erosion resistance of steam turbine blades // Wear. — 2003. — Vol. 254. — pp. 652–667.
26. Mann, B.S., Vivek, Arya, and Pankaj, Joshi. Advanced High-Velocity Oxygen-Fuel Coating and Candidate Materials for Protecting LP Steam Turbine Blades Against Droplet Erosion // Journal of Materials Engineering and Performance. — 2005. — Vol. 14(4). — pp. 487–494.
27. Sandeep, Soni. Analysis of liquid droplet erosion for steam turbine blades of composite material // Int. J. Mech. Eng. & Rob. Res. — 2012. — Vol. 1, no. 3. — pp. 214–226.
28. Zhou, Q., Li, N., Chen, X., Yonezu, A., Xu, T., Hui, Sh., and Zhang, D. Water Drop Erosion on Turbine Blades: Numerical Framework and Applications // Materials Transactions. — 2008. — Vol. 49, no.7. — pp. 16061615.
29. Zhou, Q., Li, N., Chen, X., Xu, T., Hui, S., and Zhang, D. Analysis of water drop erosion on turbine blades based on a nonlinear liquid-solid impact model // International Journal of Impact Engineering. — 2009. — Vol.36. — pp. 1156–1171.
30. Nicolici, S., Prisecaru, I., and Ghitescu, P. Study of fluid-structure interaction in liquid droplet impingement phenomena // U.P.B. Sci. Bull., Series D. — 2012. — Vol. 74, iss.1. — pp. 148–154.
31. Keil, T., Pelz, P.F., Kadavelil, J., Necker, J., Moser, W., and Christ, D. Droplet Impact vs. Cavitation Erosion // Proceedings of WIMRC 3rd International Cavitation Forum, 4th-6th July 2011. — UK: University of Warwick, 2011.
32. Kamkar, N., Bridier, F., Bocher, P., and Jedrzejowski, P. Water droplet erosion mechanism in rolled Ti–6Al–4V // Wear of Materials. — 2013. — Vol.301, iss.1–2. — pp. 442–448.
33. Tobin, E.F., Young, T.M., Raps, D., and Rohr, O. Comparison of liquid impingement results from whirling arm and water-jet rain erosion test facilities // Wear. — 2011. — Vol.271. — pp. 2625–2631.
34. Tobin, E.F., Young, T.M., and Raps, D. Evaluation and correlation of inter-laboratory results from a rain erosion test campaign // Proceedings of 28th International Congress of the Aeronautical Sciences, 2012.
35. Fujisawa, N., Morita, R., Nakamura, A., and Yamagata, T. Critical Consideration on Wall Thinning Rate by Liquid Droplet Impingement Erosion // Journal of Advanced Maintenance. — 2012. — Vol. 4, no. 2. — pp. 79–87.
36. Hattori, S., and Takinami, M. Comparison of cavitation erosion rate with liquid impingement erosion rate // Wear. – 2010. – Vol.269. – pp. 310–316.
37. Кудряков, О. В. Механизмы формирования эрозионного износа металлических материалов при высокоскоростных капельных соударениях: Часть 1 / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Материаловедение. — 2012. — № 5. — С. 36–43.
38. Кудряков, О. В. Механизмы формирования эрозионного износа металлических материалов при высокоскоростных капельных соударениях: Часть 2 / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Материаловедение. — 2012. — № 6. — С. 14–19.
39. Варавка, В. Н. Особенности разрушения металлических сплавов в условиях устойчивой каплеударной эрозии / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2012. — № 3. — С. 45–50.
40. Кудряков, О. В. Мониторинг начальных стадий эрозионного износа ионно-плазменных покрытий при кап-леударном воздействии / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2012. — № 10. — С. 40–47.
41. Варавка, В. Н. Закономерности износа стали при воздействии дискретного водно-капельного потока. Часть 1 : Начальная стадия каплеударной эрозии / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Трение и износ. — 2015. — Т. 36, № 1. — С. 89–99.
42. Варавка, В. Н. Закономерности износа стали при воздействии дискретного водно-капельного потока. Часть 2 : Стадия развитой каплеударной эрозии / В. Н. Варавка, О. В. Кудряков // Трение и износ. — 2015. — Т. 36, № 2. — С. 201–212.
43. Кудряков, О. В. Механизмы и закономерности деградации поверхности стали на стадиях развитой каплеударной эрозии / О. В. Кудряков, В. Н. Варавка // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. — 2015. — № 2. — С. 100–112.
44. Маргулис, М. А. Основы звукохимии (химические реакции в акустических полях) / М. А. Маргулис. — Москва : Высшая школа, 1984. — 272 с.
45. Завилопуло, А. Н. Ионизация молекул азота, кислорода, воды и двуокиси углерода электронным ударом вблизи порога / А. Н. Завилопуло, Ф. Ф. Чипеев, О. Б. Шпеник // Журнал технической физики. — 2005. — Т. 75, вып. 4. — С. 19–24.
46. Международная база данных атомных и молекулярных констант NIST / Mallard, G., and Linstrom, P.J. NIST Standard Reference Database. — 2000. — Vol. 69. — Режим доступа: http://www.webbook.nist.gov (дата обращения : 21.10.2014).
47. Гаркунов, Д. Н. Триботехника / Д. Н. Гаркунов.— Москва : Машиностроение, 1985. — 424 с.
48. Водород в металлах / под. ред. Г. Алефельд, И. Фелькель. — Москва : Мир, 1981.
49. Колачев, Б. А. Водородная хрупкость металлов / Б. А. Колачев. — Москва : Металлургия, 1985. — 216 с.
