ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ НА ВНУТРЕННИЕ СЛОИ ГИБКОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
Авторы:
1.
Мурманский государственный технический университет
2.
Мурманский государственный технический университет
3.
Мурманский государственный технический университет
4.
Мурманский государственный технический университет
5.
Мурманский государственный технический университет
6.
Мурманский государственный технический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 17
по 22
Статус:
Опубликован
Получено:
20.08.2018
Одобрено:
21.02.2020
Опубликовано:
25.08.2018
Классификаторы:
УДК 629.5.065.22:620.193.2
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
коррозионное разрушение, гибкое гидравлическое соединение, механизм хрупкого разрушения, стальная проволока, нити навивок слоёв
Аннотация (русский):
Эксплуатация механизмов и оборудования при резких перепадах температуры может привести к хрупкому разрушению не только металла. В процессе исследований рукава высокого давления механизма стрелы подъёма было выявлено нарушение герметичности наружного резинового слоя, что привело к дальнейшему проникновению в образовавшиеся полости слоёв навивки кислотно-щелочной среды (влажный морской воздух). В местах разрушения оборванные концы нитей слоёв металлической навивки гибкого гидравлического соединения имеют вид, характерный для хрупкого разрушения. Дальнейшее исследование макро- и микроструктуры материала металлических нитей проволоки и детальный анализ приповерхностного слоя позволили выявить нарушение технологии нанесения защитного покрытия нитей. Невысокое качество латунного покрытия нитей металлической навивки проволоки DN20 гидравлического соединения, в свою очередь, явилось причиной быстрого протекания коррозии. Наличие дефектов структуры в приповерхностном слое повлекло к образованию несплошностей латунного покрытия, снижению адгезионных характеристик металлокорда. Окись железа как продукт коррозии нитей металлической навивки в образовавшихся полостях между слоями измельчалась при его изгибе под действием фрикционного контакта и знакопеременных нагрузок. Результаты исследования могут быть использованы при разработке эффективных методов защиты гибкого гидравлического соединения от коррозии.
Эксплуатация механизмов и оборудования при резких перепадах температуры может привести к хрупкому разрушению не только металла. В процессе исследований рукава высокого давления механизма стрелы подъёма было выявлено нарушение герметичности наружного резинового слоя, что привело к дальнейшему проникновению в образовавшиеся полости слоёв навивки кислотно-щелочной среды (влажный морской воздух). В местах разрушения оборванные концы нитей слоёв металлической навивки гибкого гидравлического соединения имеют вид, характерный для хрупкого разрушения. Дальнейшее исследование макро- и микроструктуры материала металлических нитей проволоки и детальный анализ приповерхностного слоя позволили выявить нарушение технологии нанесения защитного покрытия нитей. Невысокое качество латунного покрытия нитей металлической навивки проволоки DN20 гидравлического соединения, в свою очередь, явилось причиной быстрого протекания коррозии. Наличие дефектов структуры в приповерхностном слое повлекло к образованию несплошностей латунного покрытия, снижению адгезионных характеристик металлокорда. Окись железа как продукт коррозии нитей металлической навивки в образовавшихся полостях между слоями измельчалась при его изгибе под действием фрикционного контакта и знакопеременных нагрузок. Результаты исследования могут быть использованы при разработке эффективных методов защиты гибкого гидравлического соединения от коррозии.
Ключевые слова:
коррозионное разрушение, гибкое гидравлическое соединение, механизм хрупкого разрушения, стальная проволока, нити навивок слоёв
коррозионное разрушение, гибкое гидравлическое соединение, механизм хрупкого разрушения, стальная проволока, нити навивок слоёв
В настоящее время на открытых палубах морских судов в составе гидравлических систем оборудования, технических системах и различных вспомогательных устройств для перекачки топлива (масла) активно используются гидравлические шланги, предназначенные для эксплуатации в неблагоприятных условиях. Изменение длины резиновых гидравлических рукавов при соблюдении необходимых условий их монтажа составляет от 2 до 4 %. Материалы покрытий должны обеспечивать устойчивую защиту не только от разрушающих факторов (озон, гидравлические жидкости), но и к истиранию и перепадам температур. Как правило, определение причин повреждений рукавов высокого давления (РВД) сводится к выявлению нарушений эксплуатационных требований (со стороны потребителя) или технологию изготовления (со стороны производителя). Для выявления истинных причин преждевременного износа и разрушения изделия требуется новый подход, связанный с более глубинными исследованиями процессов взаимодействия материалов и компонентов элементов изделия, т. к. они имеют скрытый характер и иногда приводят к катастрофическому разрушению изделия. Проведение исследований особо актуально для изделий, эксплуатируемых в морских условиях. Процессы разрушения, связанные с электрохимической коррозией, имеют скрытый характер. Поэтому вопросы влияния атмосферного коррозионного процесса в морской среде на материал покрытия РВД являются актуальными. В результате воздействия неблагоприятных условий происходят изменения свойств материала, так называемый «коррозионный эффект», который ухудшает его функциональные характеристики при работе на открытых палубах морских судов, расцениваемый как «эффект повреждения», или «коррозионная порча». Морская среда быстро запускает процесс коррозионного разрушения, т. к. её воздух насыщен морской солью, которая активно растворяется на влажной поверхности защитных покрытий гидравлического соединения [1]. Целью исследования влияния коррозионного разрушения на внутренние слои гибкого гидравлического соединения стал анализ внутренних слоёв материала шланга гидравлического DN20 механизма подъёма стрелы грузового крана дизель-электрохода «Надежда» (рис. 1). Результаты исследования Гибкое гидравлическое соединение широко применяется в гидравлических системах высокого давления для перекачки нефтепродуктов, смазочных масел и состоит из основных элементов, представленных на рис. 1б: наружного покрытия 1 - резиновой оболочки CR (синтетический каучук) - стойкого к истиранию, озону, атмосферным воздействиям; корда усиления 2 - четырёх спиральных навивок из высокопрочной стальной латунированной проволоки; внутренней трубки 3 - бутадиен-нитрильный каучук NBR [2]. Рис. 1. Шланг гидравлический DN20: а - механизм подъёма стрелы грузового крана; б - составные части: 1 - резиновая оболочка CR; 2 - корд усиления; 3 - внутренняя трубка Соединение соответствует DIN EN856/4SP, имеет четыре спиральных навивки стальной проволоки и предназначено для использования в условиях средних давлений. Рукава 4SP навивочной конструкции способны выдерживать более высокие давления по сравнению с оплёточной конструкцией. Однако в рукавах навивочной конструкции витки проволоки легче расходятся при изгибе РВД, следовательно, их минимально допустимый радиус изгиба намного больше, чем у рукавов оплёточной конструкции [2]. В случае невыполнения требований к монтажу и эксплуатации РВД, изменение положения в пространстве (изгиб РВД на радиус менее допустимого) приводит к расхождению витков спиральных навивок стальной проволоки, отрыву нитей стальной навивки от соответствующего резинового слоя и замятию с внутренней стороны («зажёвыванию») резинового слоя при расхождении витков и, как следствие, возникновению деформации на наружном слое резиновой оболочки РВД (рис. 2). Рис. 2. Внешний вид соединения DN20 с нарушением герметичности наружного резинового слоя Материал металлической навивки РВД - стальная латунированная проволока. Состояние нитей навивки 1, 2 и 3-го слоёв свидетельствует о локальном разрушении, имеющем коррозионный характер. Снижение коррозионной стойкости нитей спиральных навивок стальной латунированной проволоки - это результат истирания латунного слоя нитей навивки под действием фрикционного контакта и знакопеременных нагрузок (изменение давления рабочей жидкости, ветровые нагрузки, движение рабочих органов механизма подъёма стрелы грузового крана). Нарушение герметичности наружного резинового слоя привело к проникновению кислотно-щелочной среды (влажного морского воздуха) в образовавшиеся полости между слоями навивки посредством всасывания влаги через пористую структуру в месте повреждения. Проволока металлической навивки РВД имеет латунное покрытие (сплав на основе меди). При попадании пары (железо плюс медь) в среду электролита (морская вода), активизируются электрохимические процессы, образуя гальваническую пару, и коррозионные разрушения происходят более интенсивно. Расположение замятия наружного резинового слоя свидетельствовало о нарушении требований Правил установки и эксплуатации РВД [2] в отношении обязательного прямолинейного участка рукава, который определяется в зависимости от величины наружного диаметра. В данном случае это расстояние при наружном диаметре 33,0 мм должно составлять 33,0 ∙ 1,5 = 49,5 мм от обжимной втулки фитинга. Замятие находилось на расстоянии 15,5 мм от обжимной втулки, т. е. требование об обязательном прямолинейном участке не было выполнено. Образовавшийся дефект на начальном этапе не имел заметных наружных проявлений, т. е. являлся скрытым. При внешнем осмотре и испытаниях в штатном режиме характерные дефекты не могли быть выявлены. С момента нарушения герметичности наружного резинового слоя начался процесс коррозионного разрушения металлической навивки 1-го слоя, имевший скрытый характер. По мере механического разрушения стальных нитей навивки 1-го слоя процесс коррозионного разрушения перешёл ко 2-му слою и далее в той же последовательности к следующему. На момент разрушения РВД не разрушенным, но частично подверженным коррозии остался 4-ый слой металлической навивки (рис. 3). Рис. 3. Процесс механического разрушения слоёв стальных нитей навивки DN20 Скачок давления (увеличение нагрузки на гидроцилиндры механизма подъёма стрелы крана) был вызван нарушением требований руководящей документации РД-10-103-95 [3]. На момент разрушения РВД прочностные свойства рукава в месте нарушения целостности (герметичности) были снижены в результате локального разрушения нитей навивок 1-3-го слоёв. Визуальный осмотр и фрактографическое исследование [4] выявили: нарушение герметичности наружного резинового слоя; отверстие неправильной формы (поперечная ось проходит через замятие с концами оборванных нитей металлических навивок и следами значительного коррозионного разрушения, его степень снижается по мере перехода от 1-го слоя к последующему); 4-й слой металлической навивки не имеет обрывов нитей, но обнаружены очаги коррозионного воздействия и нарушение связи нитей металлической навивки и резинового слоя; поверхность фитингов имеет повреждения коррозионного характера. Разрушающий контроль поверхностей РВД показал: расслоение корда усиления (образовавшиеся полости заполнены окалиной), границы разрыва на внутреннем резиновом слое рукава (повторяющие форму разрыва наружного резинового слоя), нити 1-3-го слоёв металлической навивки в месте разрушения потеряли связь с соответствующими резиновыми слоями (их концы с оборванными нитями имеют вид, характерный для хрупкого разрушения). В результате анализа микроструктуры материала металлических нитей проволоки и более детального исследования приповерхностного слоя выявлены нарушения технологии нанесения и невысокое качество латунного покрытия нитей. Поперечные трещины латунного покрытия начинаются от приповерхностного слоя, имеющего мартенситную структуру (рис. 4). Рис. 4. Микроструктурный анализ материала проволоки DN20, при увеличении × 250 (после травления реактивом 5 % HNO3 в спирте) Наличие дефектов структуры приповерхностного слоя привело к образованию значительных несплошностей латунного покрытия и, как следствие, к снижению адгезионных характеристик металлокорда (ослаблению связи металлической навивки с соответствующим резиновым слоем). Мартенситная структура приповерхностного слоя металлической основы проволоки металлокорда послужила причиной образования разветвлённых трещин, излом в месте разрушения имел древовидную структуру с острыми гранями, которые способствовали ускорению процесса разрушения резиновых слоёв, действуя как режущий инструмент, нарушая герметичность очередного слоя РДВ. Заключение В результате нарушения требований РД-10-103-95, ГОСТ 25452, ГОСТ 10362 изгиб РВД на радиус менее допустимого послужил причиной разрушения (разрыва) РВД [3, 5, 6]. На момент разрушения РВД прочностные свойства рукава были значительно снижены, что обусловлено коррозионным разрушением кордового усиления РВД, имевшим срытый характер. Окись железа как продукт коррозии нитей металлической навивки, располагаясь в образовавшихся полостях между слоями, не привёл к разбуханию рукава, т. к. измельчался при его изгибе под действием фрикционного контакта и знакопеременных нагрузок, а следовательно, не мог быть выявлен при периодических осмотрах. Результаты исследования показали, что в каждом конкретном случае экономические потери, вызванные коррозией, складываются из стоимости корродирующего материала (металла), ремонтных работ; убыток возникает вследствие временного прекращения функционирования судовых технических средств, а также затрат на предотвращение аварийных ситуаций, не допустимых с точки зрения экологической безопасности. По некоторым подсчётам годовые расходы, понесённые в ходе борьбы с последствиями коррозии, составляют примерно от 1,5 до 2 % (иногда и более) валового национального продукта. Часть затрат на мероприятия по защите от коррозии можно сократить за счёт более эффективного использования на практике накопленных знаний о коррозионных процессах и методах защиты от коррозии [1].
1. Косачев В. Б., Гулидов А. П. Коррозия металлов // Новости теплоснабжения. 2002. № 1 (17). С. 34-39.
2. Гидравлические рукава серии AERQUIP. URL: http://eaton-sib.ru/products/category/gidravlicheskie-rukava-i-fitingi/navivochnye-rukava/ (дата обращения: 02.04.2018).
3. РД-10-103-95. Типовая инструкция для крановщиков (машинистов) по безопасной эксплуатации мостовых и козловых кранов. М.: ПИО ОБТ, 1997. 22 с.
4. Металлография железа. В 3 т. Т. 1. Основы металлографии: с атласом фрактографий / пер. с англ. М.: Металлургия, 1972. 240 с.
5. ГОСТ 25452-90. Рукава высокого давления с металлическими навивками, неармированные. М.: Изд-во стандартов, 2003. 19 с.
6. ГОСТ 10362-76. Рукава резиновые напорные с нитяным усилием, неармированные. М.: Изд-во стандартов, 2003. 19 с.
