Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Виды разрушений в системах охлаждения
1.2. Способы уменьшения кавитационно-коррозионных разрушений /?
1.3. Методы испытаний охлаждающих жидкостей . Ui
1.3.1. Классификация методов испытаний tZ
1.3.2. Лабораторные методы испытаний 26
1.3.3. Методы коррозионных и кавитащонных испытаний 30
1.3.4. Кавитация и коррозия. Методы совместных кавитационно-коррозионных испытаний 35~
1.4. Влияние теплопередачи и вибрации на кавитационно-коррозионные разрушения . 40
1.5. Постановка задачи и обоснование метода исследований SO
ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР В ПОЛОСТЯХ ОХЛАЖДЕНИЯ ДИЗЕЛЕЙ НА КАВИТАЦИОННО-КОРРОЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ
2.1. Общие закономерности кавитационных процессов
2.2.1. Кавитация и кипение, виды кавитации 5~$
2.1.1. Движения кавитационных пузырьков 0
2.2. Особенности кавитационных процессов в полостях охлаждения дизелей ?
2.2.1. Акустическая кавитация в полостях охлаждения в?
2.2.2. Динамика кавитационных пузырьков и оценка их эрозионной активности j
2.2.3. Образование пузырьков кавитации в полостях охлаждения 6
2.2.4. Влияние теплопередачи на кавитационные процессы Q-
2.3. Экспериментальное исследование влияния тепло передачи на скорости электрохимической коррозии и кавитационной эрозии . #
2.3.1. Экспериментальная установка qg
2.3.2. Методика экспериментов {01
2.,Ъ,Ъ. Результаты экспериментальных исследований {0J
2.4. Выводы {f%
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИБРАЦИИ НА СКОРОСТЬ КОРРОЗИОННЫХ РАЗРУШЕНИЙ /23
3.1. Исходные предпосылки теоретической оценки коррозионных разрушений в системе охлаждения
3.2. Теоретическая оценка скорости коррозии вибрирующей поверхности металла /29
3.3. Оценка коррозионных разрушений вибрирующей поверхности при обтекании её потоком жидкости /36
3.4. Коррозия при электрохимической гетерогенности поверхности металла №t
3.5. Экспериментальное исследование влияния вибрации на интенсивность коррозионных разрушений Ш
3.5.1. Описание экспериментальной установки и методи
ка экспериментов /"/
3.5.2. Результаты экспериментальных исследований /?
3.6. Выводы,.,,, /67-
ГЛАВА 4. УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ИНГИБИРУЮЩИХ ПРИСАДОК НА МОДЕЛИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКЕ , СРАВНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ С РЕЗУЛЬТАТАМИ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ НА ДВИГАТЕЛЯХ
4.1. Лабораторные испытания ингибирующих присадок на моделирующей установке
4.2. Результаты испытаний присадок .
4.3. Условия моделирования процессов разрушения в системе охлаждения двигателя . /85
4.4. Сравнение результатов испытаний на моделирующей установке и на двигателях /8$
4.4.1. Испытания присадок на дизеле типа 6ЧТ2/І4 . /90
4.4.2. Испытания присадок на других дизелях . {34 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2{0
ПРИЛОЖЕНИЯ . 223
- Виды разрушений в системах охлаждения
- Общие закономерности кавитационных процессов
- Исходные предпосылки теоретической оценки коррозионных разрушений в системе охлаждения
- Лабораторные испытания ингибирующих присадок на моделирующей установке
Виды разрушений в системах охлаждения
Циркулирующая в системе охлаждения двигателя охлаждающая жидкость должна прежде всего обладать необходимыми теплофизя-ческими свойствами ( теплоемкость, теплопроводность, вязкость), чтобы выполнить свою основную функцию - обеспечить требуемое охлаждение теплонапряженных деталей двигателя. Однако условия, в которых приходится функционировать охлаждающей жидкоети,характеризуются следующими особенностями: наличием в системе охлаждения деталей, изготовленных из различных металлов и неметаллических материалов, высокой теплнапряженностью и виброактивностью охлаждаемых поверхностей, наличием узких сечений и застойных зон, повышенной температурой самой охлаждающей жидкости. Все это предъявляет к ней целый ряд дополнительных требований, в числе важнейших из которых является способность защищать охлаждаемые поверхности от кавитационных и коррозионных разрушений.
Омываемые охлаждающей жидкостью детали систем охлаждения изготавливаются из различных металлов - углеродистых и низко -a легированных сталей, высокопрочного и серого чугуна, алюминиевых сплавов, меди и цветных сплавов на основе меди, латуней, различных припоев, - образуя, таким образом, многоэлектродную полиметаллическую систему. Контакт этих металлов, обладающих различными электрохимическими потенциалами, приводит при омы-вании их электролитом к контактной коррозии. При этом металлы с более отрицательным потенциалом под влиянием более благородных металлов начнут разрушаться в результате коррозии гораздо быстрее, чем они разрушались бы в отсутствие контакта; более благородные металлы, наоборот, будут растворяться с меньшей скоростью / I /. Отсутствие непосредственного контакта разнородных металлов не даёт гарантий от проявлений контактной коррозии, так как осаждение находящихся в электролите ионов более благородных металлов на поверхности менее благородных приводит к образованию микрогальванических пар / 2 /. Так,лишь несколько миллиграммов ионов меди в литре электролита могут вызвать значительные коррозионные разрушения стальных или алюминиевых поверхностей / I /.
Наличие в системах охлаждения узких сечений и застойных зон приводит к возникновению щелевой коррозии в результате образования пар дифференциальной аэрации из-за различий в доступе кислорода к охлаждаемой поверхности металла /3,4 /.Этот вид коррозии проявляется, в частности, в районе посадочных и уп-лотнительных буртов цилиндровых втулок / 5 /.
При работе двигателя омываемые охлаждающей жидкостью детали и узлы испытывают различные по интенсивности динамические и вибрационные нагрузки. Кроме того, в этих деталях возникают напряжения от статических нагрузок в результате технологических операций сборки, механической и термической обработки, а также вследствие температурных градиентов при работе двигателя. Одновременное воздействие переменных и постоянных нагрузок и коррозионно-активной охлаждающей среды приводит к возникновению разрушений от коррозионной усталости / 6,7 /.
Удары поршней по стенкам втулок цилиндров в результате перекладки при переходе поршней через мертвое положение приводят к интенсивным вибрациям втулок и блоков цилиндров. Помимо ускорения коррозионных процессов / 8 /, при колебаниях стенок втулок и блоков в водяной полости происходят попеременные процессы растяжения и сжатия жидкости, приводящие к образованию и захлопыванию кавитационных пузырей, что вызывает кавитационную эрозию / 5 / охлаждаемых деталей. В условиях ка-витационного воздействия коррозия, или, как её принято в этом случае называть, кавитационная коррозия, значительно усиливается, приводя к локальным питтинговым разрушениям металлических поверхностей, существенно снижая ресурс двигателя /4,9,10/.
Коррозия охлаждаемых поверхностей в значительной степени зависит от количества растворенных в жидкости агрессивных газов, особенно таких, как хлор и кислород / 7,11,12 /. При контакте с окружающим воздухом даже дистиллированная вода через 1-2 часа после охлаждения снова насыщается кислородом. Поэтому каждая разгерметизация системы охлаждения в результате неудачной конструкции расширительного бачка либо доливов охлаждающей жидкости приводит к дополнительному растворению в ней кислорода и, следовательно, к усилению коррозии. Коррозия может усиливаться и из-за прорыва в систему охлаждения через прокладку головки блока выхлопных газов, содержащих углекислоту и серные окислы / 7,11 /.
Общие закономерности кавитационных процессов
Под кавитацией принято понимать явление перехода жидкости в парообразное состояние при понижении давления в ней до определенного значения, называемого порогом кавитации, которое обычно ниже давления насыщенного пара при данной температуре. Понижение давления в жидкости - не единственный способ перевода её в парообразное состояние, этого же можно добиться, нагревая жидкость до температуры выше температуры насыщения Тн . На рис.2.І.Ї, заимствованном в / 67 /, изображены различные фазовые состояния в системе координат Т , Р . Здесь представлены в виде функции температуры Т кривая давления насыщенного пара Рн ( Т ), а также семейство кривых рк ( Т ), определяющих метастабильные состояния в жидкости. Из точки А, характеризующей жидкое состояние при температуре То и давлении Ро, как видно из рисунка, можно перейти в парообразное состояние двумя путями.
Жидкость можно перевести в парообразное состояние, изображенное некоторой точкой В, если повышать температуру жидкости при постоянном давлении Ро до значения Т Тн (Ро ). Такое превращение жидкости в пар вдоль траекторий, параллельных оси температур Т, принято называть кипением. Жидкость можно также перевести в пар в некоторой точке С, понижая давление при постоянной температуре То до значения Р Рн ( Т ). Такое превращение жидкости в пар вдоль траекторий, параллельных оси давлений Р, принято называть кавитацией.
И кипение и кавитация являются фазовыми переходами первого рода из жидкого в парообразное состояние и характеризуют некоторые предельные случаи одного и того же физического явления. Разделение фазового превращения жидкого состояния в парообразное на кипение и кавитацию является условным. В реальных системах такое превращение чаще всего можно изобразить на плоскости Т, Р сложной траекторией АД.
Приводящее к кавитации понижение давления в жидкости может иметь либо стационарный характер, что свойственно для гидродинамической кавитации / 81,82,83 /, либо периодический характер, что свойственно для акустической кавитации / 84,85, 86 /. Скорости движения жидкости в системах охлаждения ДВС не превышают, как правило, двух метров в секунду и, как показывает опыт / 5 /, являются недостаточными для проявления гидродинамической кавитации.
Существует мнение / 22,87 /, что растяжение жидкости с воз - 5 никновением кавитации может происходить и вследствие пульсаций давления внутри турбулентных вихрей, образующихся вблизи поверхностей, обтекаемых охлаждающей жидкостью.
Однако основной причиной кавитационных процессов в полостях охлаждения ДВС являются вибрации втулок цилиндров, поэтому в дальнейшем рассматривается лишь акустическая кавитация.Этот вид кавитации, который исследуется главным образом с помощью магнитострикционных вибраторов, характеризуется тем, что при прохождении звуковой волны в фазе разрежения в жидкости образуются разрывы сплошности с появлением множества парогазовых пузырьков. При этом амплитуда переменного давления, необходимая для разрыва жидкости, определяется величиной так называемых зародышей кавитации / 67,81,84,85 /.
Зародышами кавитации могут быть всегда имеющиеся в жидкости газовые пузырьки, твердые частицы или пылинки, пузырьки пара. Последние образуются в жидкости вследствие / 67,84,87 /:
а) прохождения ионизирующих частиц, присутствующих, например, в космических лучах;
б) локального или общего нагрева жидкости тем или иным способом;
в) термодинамических или температурных флуктуации в жидкости и связанных с ними флуктуации сил межмолекулярного взаимодействия.
Газовые и паровые зародыши кавитации могут либо содержаться в объёме жидкости, либо находиться в трещинах и углублениях ограничивающей жидкость твердой поверхности или взвешенных в жидкости твердых частиц / 81,84,85,87 /. Содержание зародышей в трещинах и углублениях представляется наиболее правдоподобным, поскольку мелкие пузырьки должны были бы раствориться в жидкости, а крупные - всплывать на поверхность / 81 /.
В случае равновесия зародышевого парогазового пузырька соотношение давлений внутри и вне его можно записать следующим образом:
Pr + PH=(Pfl-P)+f = Po-PMScnWt »«
где: Рг - давление газа в пузырьке;
Рн - давление насыщенного пара в пузырьке;
Р - гидростатическое давление в жидкости;
3 - действующее на жидкость переменное давление;
Jm - амплитуда переменного давления;
(Г - коэффициент поверхностного натяжения;
R0 - начальный радиус пузырька;
Од - круговая частота колебаний;
t - время. Принято различать .газовую (или парогазовую) кавитацию и паровую кавитацию. Газовая кавитация имеет место в жидкости при обычной (около 293 К) температуре, характерными для этого вида кавитации являются газовые зародыши, а также процессы роста пузырьков вследствие так называемой направленной диффузии газа, растворенного в жидкости. При этом процессы испарения и конденсации на поверхности таких пузырьков не играют существенной роли, поскольку при обычных температурах парциальное давление пара внутри газовых пузырьков существенно меньше давления газа, которое можно представить следующей зависимостью/81/:
где гго - давление газа в равновесном пузырьке с начальным радиусом RQ ;
Ц - радиус пузырька с давлением газа в нем гг ;
Y - показатель политропы.
Кавитация же в жидкостях при характерных для ДВС повышенных температурах, близких с температуре кипения, является паровой кавитащей, для которой существенным являются процессы тепломассообмена на границе паровых пузырьков и жидкости /67 /. Парциальное давление газа в таких пузырьках будет пренебрежимо мало по сравнению с давлением пара. Последнее является функцией температуры жидкости и не зависит от радиуса пузырька. Давление пара в пузырьке определяется по формуле / 67 /:
П = р - ІД. _Л_ (2.1.3)
где Kf - давление насыщенного пара над плоской поверхностью;
- плотности соответственно жидкости и пара. Вдали от критической температуры j n и Рн & Ну.
Исходные предпосылки теоретической оценки коррозионных разрушений в системе охлаждения
Теоретическая оценка величины разрушения деталей систем охлаждения в результате совместного действия кавитационно-эрозионного и электрохимического коррозионного факторов представляет, как уже отмечалось, очень сложную и пока неразрешенную задачу.
Более простой в плане теоретического обоснования является проводимая далее оценка коррозионных разрушений металлических поверхностей в предположении, что уровни их вибрации недостаточны для захлопывания кавитационных пузырьков и возникновения кавитационных разрушений.
Прежде чем перейти к выводу соотношений, позволяющих оценить в этом случае разрушения деталей полостей охлаждения от электрохимической коррозии, целесообразно рассмотреть некоторые аспекты её теории, рассматривая омываемую охлаждающей жидкостью поверхность металлической детали как погруженный в
- м электролит электрод. Как и всякая гетерогенная реакция процесс коррозии включает несколько отдельных стадий / 78 /:
- стадия переноса реагирующих частиц к поверхности, на которой происходит реакция;
- собственно гетерогенная реакция;
- отвод прореагировавших частиц от места реакции.
Суммарная скорость электрохимической коррозии, как и всякого гетерогенного превращения, определяется скоростью самой медленной стадии, называемой контролирующим процессом. В различных конкретных случаях медленной стадией может быть любая из трех перечисленных выше. Бели самой медленной стадией процесса является первая ( или третья ) - подача или отвод реагентов от места реакции, то принято определять такую реакцию как идущую в диффузионной области или по диффузионной кинетике. Если же самой медленной стадией процесса является вторая -стадия химического или физического превращения, то такая реакция определяется как идущая по химической кинетике, скорость реакции определяется кинетикой процесса, в случае электрохимических реакций - процесса разряда - ионизации. Если же скорости переноса реагентов и химической реакции сравнимы между собой, соответствующие реакции называются гетерогенными реакциями смешанного типа - идут по смешанной кинетике.
Как известно, в качестве охлаждающих жидкостей в двигателях внутреннего сгорания применяются нейтральные водные растворы, коррозионные процессы в которых протекают с кислородной деполяризацией. В большинстве же практических случаев этого вида коррозии железных, стальных и чугунных деталей контролирующим фактором, устанавливающим определенную её скорость, является скорость доставки кислорода к корродирующей ловерхности или, иными словами - диффузия кислорода /1,123 /.
Исходя из этих предпосылок, можно, воспользовавшись разработанной В.Г. Іевичем / 7» / теорией конвективной диффузии, оценить теоретически скорости коррозии омываемых охлаждающей жидкостью деталей двигателя. Величина максимального возможного при этом тока коррозии йудет определяться величиной предельного диффузионного потока кислорода к корродирующей поверхности.
Перенос вещества в движущемся растворе электролита (в рассматриваемом случае - перенос молекул кислорода в омывающей металлические детали охлаждающей жидкости ) может осуществляться в общем случае тремя способами / 78 /:
1) За счет молекулярной диффузии вследствие разности концентраций вещества в жидкости.
2) За счет конвенции, вследствие того, что частицы растворенного в жидкости вещества увлекаются ею в процессе её движения.
3) За счет действия электрического поля, имеющегося в электролите.
Лабораторные испытания ингибирующих присадок на моделирующей установке
В предыдущих разделах было показано, каким образом такие характерные для дизелей факторы, как теплоотдача и вибрация влияют на скорость кавитациояно-коррозионных разрушений деталей систем охлаждения. Влияние этих факторов необходимо учитывать яри проведении испытаний эффективности ингибиторов к охлаждающей воде.
Проведенные исследования показали, что при теплоотдаче с поверхности металла её коррозионные и кавитационные разрушения усиливаются вплоть до начала поверхностного кипения. Поэтому испытания по оценке способности ингибирующих присадок защищать от коррозии, с целью наибольшего приближения к реальным условиям в системе охлаждения двигателя, целесообразно проводить при нагреве с той или иной интенсивностью поверхностей испытываемых образцов металлов. При этом испытания должны проводиться в различных режимах теплоотдачи - как без по - Поверхностного кипения, так и с кипением. В первом случае определение защитных свойств присадок будет производиться в наиболее жёстких в коррозионном отношении условиях. В то же время уменьшение скорости коррозии при испытаниях с поверхностным кипением будет в какой-то степени характеризовать эффективность защиты присадками от коррозии, поскольку при отсутствии такой защиты скорость коррозии, как показали исследования, не уменьшается и после возникновения кипения на поверхности металла.
Испытания присадок с нагревом испытываемых образцов до режима поверхностного кипения целесообразны, кроме того, и для оце-г нки способности присадок образовывать отложения на теплоотда-ющих поверхностях, поскольку при кипении усиливается выпадение из раствора твердой фазы в виде шлама или накипи.
К усилению кавитационно-коррозионных разрушений приводит, как показали исследования, и вибрация поверхности металла. В случае отсутствия захлопывания кавитапионных пузырьков роль вибрации сводится к ускорению доставки к корродирующим поверхностям деполяризатора за счет возникающих при вибрации акустических течений и оказывается особенно существенной в зонах, где скорости циркуляции охлаждающей жидкости незначительны. Поскольку механизм разрушений поверхности металла при её вибрации в докавитационных режимах оказывается тем же, что и при обычном обтекании поверхности перемещаемой насосом жидкостью, то учесть роль вибрации при проведении коррозионных испытаний присадок можно путем увеличения скорости циркуляции жидкости через испытательную камеру.
