Расчет и выбор толщины износостойких покрытий стальных труб

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты работ по продлению срока службы стальных трубопроводов с помощью покрытия рабочих поверхностей. Описан способ проведения испытания на интенсивной среде абразивного износа, с целью изучения износостойкости и прочности пленки. Также производится схема предлагаемоого стенда для испытания и способы замеров и расчетные формулы по определению первоначальной и оставшейся после испытания  толщины покрытия изделия.

ABSTRACT

The article presents the results of work on extending the service life of steel pipelines by coating work surfaces. A method for conducting a test on an intensive abrasive wear environment, in order to study the wear resistance and strength of the film. Also, a diagram of the proposed test bench and measurement methods and calculation formulas for determining the initial and remaining thickness of the product coating after the test are provided.

Ключевые слова: износостойкость, покрытие, гидроабразивный износ, пленка, лунка, микротвердомер, закон синусов.

Keywords: wear resistance, coating, hydroabrasive wear, film, well, micro hardness tester, sine law.

Для повышения срока службы стальных трубопроводов в последнее время выдвигается предложение о покрытии рабочей поверхности труб износостойкими пленками, в частности, на основе раствора жидкого стекла. Изучение устойчивости и прочности покрытой поверхности требует оборудование, знаний и навыков. Так, например, прочность толщины покрова можно выявить микротвердомером, измеряя размеры изделия до и после нанесения покрытия. Для получения точного результата замеры необходимо производить именно в тех местах, где были произведены замеры до нанесения покрытия. Малейшее изменение места замера может приводить к большим погрешностям.

Толщина получаемого покрытия зависит от концентрации раствора, способа нанесения покрытия и подготовленности поверхности труб. Как известно, для закрепления раствора на поверхности трубы необходимо разместить в печи и выдержать ее в течение 4-6 часов при температуре 150^оС [4]. Вода, имеющаяся в составе жидкого стекла, под действием высокой температуры и времени, испаряется. Образуется водостойкая и прочная пленка.

Для определения прочности и износостойкости образованной пленки используется установка на предмет устойчивости гидроабразивному износу [6], схема которого приводится на  рисунке 1.

Рисунок 1. Схема установки для изучения ударно-гидроабразивного изнашивания поверхностей в потоке жидкости:

1,2 – вентиль; 3 – емкость для пульпы; 4 – центробежный насос; 5 – электродвигатель; 6 – мешалка; 7 – сменные сопла; 8 – держатель; 9 – образец испытуемого материала; 10 – испытательный бункер

В установке испытание проводится в ускоренном режиме, создается определенное давление и усилие на поверхности изделий путем замены сопла. Сила действия применяемой жидкости во много раз больше, чем в обычных условиях эксплуатации. Поэтому, умножая на коэффициент ускорения, можно находить реальный срок эксплуатации. Или это выглядит так:

Т_экс = k T_исп                                                                                             (1)

где Т_экс – расчетный срок эксплуатации год, T_исп – продолжительность испытании ч,  k – коэффициент ускорения.

Величина коэффициента ускорения зависит от применяемого состава жидкости и давления при испытании.

Толщина нанесенной пленки покрытия определяется способом измерения. Для этого перед нанесением замеряется микрометром в определенных местах образец трубы. Повторный замер производится именно по заранее проведенным местам замера после нанесения специального раствора жидкого стекла и сушки его по техническому требованию. Места замера образца показаны на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема места замера образца

Износостойкость и толщина пленки определяется разными методами.

Методом микрометража определяются линейный износ с помощью измерения микрометрами, индикаторами [3] и т.д.

Методом взвешивания измеряют суммарный износ (по потере массы) по поверхности трения.

Основной задачей является создание дополнительной прочной пленки, поэтому после образования и высушки, на определенной точке поверхности пленки микротвердомером, придавливая, необходимо создать лунку. Микрометром или индикатором определяется толщина пленки, а также замеряются линейные размеры величин лунки в микронах.

Далее проверяется износостойкость и устойчивость пленки образца в стенде. Для этого образец ставится в специальное место на стенде и сверху подаётся раствор (вода с грязью) под давлением. Для определения термостойкости пленки, одновременно нагревается раствор до 100^оС. При таком условии испытания каждый выдержанный час приравнивается к несколько месяцам эксплуатации обычной отопительной системы. Это можно определить, умножая длительность испытания на коэффициент ускорения. Поэтому, после испытания образца на стенде через определенное количество часов изучается состояние пленки и замеряются те величины, которые были измерены до испытания, именно по тем проверенным местам.

Метод искусственных баз определяет величину износа по измерению размеров суживающегося углубления (профиль которого известен), для этого вначале измеряют длину лунки L, после испытания оставшуюся длину лунки L₁, которые являются основными параметрами для определения изношенной толщины пленки (рис. 3)

Рисунок 3. Схема лунки шарообразного микротвердомера

Зная радиус лунки,  изношенная толщина пленки определяется по формуле

                                                                                    (2)

где, Δh – линейный износ в месте отпечатка, h, h₁ – глубина отпечатка до и после изнашивания, L,L₁ – длина лунки до и после изнашивания, r – радиус, описываемый сферической лункой.

Использование другого алмазного пирамидного микротвердомера марки ПМТ-3 с усилием нажатия 5 кг или 49 Н [3], острота в кончике твердомера составляет 136⁰ (рис.4). Для определения толщины изношенного слоя применяется следующая формула

                                                                                 (3)

где d₁ и d_{2 –} длина диагонали отпечатка до и после изнашивания, m – коэффициент пропорциональности (при угле пирамиды α =136⁰  m = 7).

Рисунок 4. Схема лунки пирамидного микротвердомера

Как видно из рисунка 4 основные геометрические параметры трубы являются внутренние и наружные диаметры (D_вн; D_нар.).

Целью испытания являются получения  износостойкости (устойчивости) образцового диаметра с помощью пленки, (D_обр.).

Тогда толщину пленки можно вычислить после измерения всех диаметров трубы до испытания

/ 2                                                                                    (4)

Оставшаяся толщина пленки после испытания определяется аналогичной формулой

                                                                                   (5)

где, D_обр.^* - диаметр трубы с пленкой после испытания.

а)                                                               б)                               

Рисунок 5. Схема следа пирамидного микротвердомера

 а) - вид сверху, б)вид поперечного сечение.

Как видно, по поперечному сечению, лунка состоит из двух прямоугольных треугольников (рис. 5). а также первый угол прямоугольного треугольника будет равен

                                                                                                 (6)

где α – угол остроты микротвердомера.

Устойчивость или износостойкость пленки определяется при повторном измерении величин d или площади следа лунки a х a. В последствие износа и растворения эти размеры и площадь соответственно уменьшаются.

Измеряя величину в и учитывая, что микротвердомер вертикально давит на поверхность трубы, оставляет симметричный след, т.е. состоявших из двух прямоугольных треугольников можно вычислить угол ¥.

¥ = 180^о – (90^о + β)                                                                                     (7)

Зная эти величины и согласно закону [5] синусов толщину пленки можно вычислить по следующей формуле.

H = в х Sin ¥                                                                                            (8)

Точно таким же путем вычисляется толщина пленки после проведения испытания и определяется оставшаяся толщина пленки.

Δh* = в* х Sin¥                                                                                         (9)

Прочность исследуемой пленки определяется по формуле.

Δh = h – Δh*                                                                                         (10)

Если значение, Δh чем ближе к нулю, тогда применяемый раствор считается прочным и износостойким.

Таким образом, можно сделать вывод, что определение толщины пленки используя закон синусов, усложняет процесс расчёта. Так как для измерения величины следа микротвердомера (в-гипотенуза прямоугольного треугольника) создаст ряд сложностей, и возможно большие погрешности. При наличии микротвердомера производим измерение и расчет износа пленки по формулам 2,3,4,5. Тем самым для определения прочности и износостойкости, а также толщины износостойкой пленки микротвердомером на сегодняшний день [1] являются доступным, простым и достоверным способом.

Список литературы:
1. Бикбаева З.Г., Полисадова В.В., Панина А.А. Методическое указание к выполнению лабораторных работ. Томск; ТПУ, 2011. – 23 с.
2. Григорович В.К. Твердость и микротвердость металлов. М; «Наука», 1976. -230с.
3. Икрамов У.И., Ливитин М.А. Основы трибоники. Т; «Укитувчи», 1984. - 180 с.
4. Корнеев В.И., Данилов В.В. Жидкое и растворимое стекло. С.П; Стройиздат. 1996 -183 с.
5. Махкамов К.Х., Алибоев Б.А. Ударно-гидроабразивное изнашивание. Монография. Т; ТГТУ, 2012. - 96 с.
6. Погорелов А.В., Геометрия.Т. «Укитувчи», 1991. - 366 с.