Расчёт абразивного износа поверхности трубок змеевика

 

Абразивным называется механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия на него абразивных частиц, находящихся в свободном или закреплённом состоянии. Абразивные частицы, обладая большей, чем металл, твёрдостью, разрушают поверхность деталей и резко увеличивают их износ [41].

Рисунок 3.6 – Схемы силового взаимодействия абразива с деталью

 

По характеру силового воздействия абразива на трущиеся детали различают (рисунок 3.6):

а) скольжение детали по монолитному абразиву;

б) качение детали по абразиву;

в) соударение с частицами абразива;

г) соударение детали с монолитным абразивом;

д) воздействие потока абразивных частиц на поверхность детали (гидроабразивное и газоабразивное изнашивание);

е) скольжение детали в массе абразивных частиц;

ж) взаимодействие сопряжённых деталей в контакте с абразивными частицами.

Ввиду неоднозначного влияния твёрдости на интенсивность изнашивания при различных видах силового воздействия в качестве простых критериев износостойкости материалов применяют комплексные показатели, учитывающие твёрдость, пластичность, усталостные характеристики, энергоёмкость поверхностных слоёв [41].

При проектировании теплообменника для выбора труб необходимо знать производительность, скорость потока теплоносителя (воды) и давление. Первые два параметра определяют внутренний диаметр труб. Под давление теплоносителя (воды) выбирают оптимальную толщину стенок, которая должна учитывать износ трубы и берётся с запасом.

Ранее в данной работе была выбрана стальная труба Ст20 3,2 32 мм. Ближайшим по сортаменту (таблица 3.2) толщина трубы – 2,8 мм. Рабочее давление теплоносителя рассчитывается для этой толщины. Тогда запас по толщине трубы змеевика под износ составит 0,4 мм.

При утончении аппарата от абразивного износа твёрдыми частицами псевдоожиженного слоя меняются параметры теплообмена: засечёт уменьшения диаметра трубы растёт коэффициент теплоотдачи от кипящего слоя к стенкам теплообменника. Данную проблему устраняется  регулированием количества подаваемых в установку дымовых газов (в данной ситуации уменьшая поток дымовых газов для сохранения температурного режима.

 

 

Таблица 3.2 – Сортамент труб

Наружный диаметр, мм	Масса 1 м труб, кг, при толщине стенки, мм
	2,5	2,6	2,8	3	3,2	3,5	4
20	1,08	1,12	1,19	1,26	1,33	1,42	1,58
21,3	1,16	1,2	1,22	1,35	1,43	1,54	1,71
22	1,20	1,24	1,33	1,41	1,48	1,60	1,78
25	1,39	1,44	1,53	1,63	1,72	1,86	2,07
26,9	1,50	1,56	1,66	1,77	1,87	2,02	2,26
28	1,57	1,63	1,74	1,85	1,86	2,11	2,37
30	1,70	1,76	1,88	2,00	2,12	2,29	2,57
31,8	1,81	1,86	2,00	2,13	2,26	2,44	2,74
32	1,82	1,88	2,13	2,15	2,27	2,46	2,76

 

Свойства стали Ст20:

‒ обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при HB 126-131 и δ_B=450-490 МПа, К_{υ тв. спл}=1,7 и К_{υ б.ст}=1,6;

‒ удельный вес стали 20: 7,85 г/см³;

‒ температура критических точек: Ac₁ = 735, Ac₃(Ac_m) = 850, Ar₃(Arc_m) = 835, Ar₁ = 680;

‒ флокеночувствительность: не чувствительна;

‒ свариваемость материала: без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС;

‒ твёрдость материала: HB 10 ^-1 = 163 МПа;

‒ склонность к отпускной хрупкости: не склонна [46].

 

 

Таблица 3.3 – Свойства стали Ст20

Сечение, мм		σ0,2, МПа	σВ, МПа		δ5, %		y, %			KCU, Дж/м ^2			HB
50		290-340	490-590		18		45			54			156
	Предел выносливости стали 20
	σ-1, МПа	σ0,2, МПа	n	δ5, МПа			σ0,2,МПа			Термообработка, состояние стали
	206	‒	1Е+7	500			320			‒
	245	‒	‒	520			310			‒
	225	‒	‒	490			280			‒
	205	127	‒	‒			‒			Нормализация 910 С, отпуск 620 С.
	193	‒		420			280			‒
	255	451	‒	‒			‒			Цементация 930 С, закалка 810 С, отпуск 190 С.
Физические свойства стали 20
Температура испытания, °С						20		100	200		300	400
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа						212		208	203		197	189
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа						78		77	76		73	69
Плотность, кг/м^3						7859		7834	7803		7770	7736
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)						‒		51	49		44	43
Уд. электросопротивление, R, (p, НОм · м)						‒		219	292		381	487
Коэффициент линейного расширения,(10-6 1/°С)						12.3		13.1	13.8		14.3	14.8
Удельная теплоёмкость, С, Дж/(кг · °С)						486		498	514		533	555

 

Краткое обозначение:  σ_в‒ временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа; σ_0,05 ‒ предел упругости, МПа; σ_0,2‒ предел текучести условный, МПа; δ₅,δ₄,δ₁₀ ‒ относительное удлинение после разрыва, %; ε ‒ относительная осадка при появлении первой трещины, %; J_к ‒ предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа; σ_-1 ‒ предел выносливости при испытании на изгиб с симметричным циклом нагрузки, МПа; σ_изг ‒ предел прочности при изгибе, МПа; n ‒ количество циклов нагрузки; J-1 ‒ предел выносливости при испытание на кручение с симметричным циклом нагрузки, МПа; T ‒ температура, при которой получены свойства, Град; R и ρ ‒ удельное электросопротивление, Ом ∙ м; E ‒ модуль упругости нормальный, гПа; C ‒ удельная теплоёмкость материала, [Дж/(кг ∙ град)]; HRCэ ‒ твёрдость по Роквеллу, шкала С; HSD ‒ твёрдость по Шору; а ‒ коэффициент температурного (линейного) расширения, 1/°С; σ_tТ ‒ предел длительной прочности, МПа; G ‒ модуль упругости при сдвиге кручением, гПа.

Процесс движения частиц в псевдоожиженном слое сходен с галтовкой ‒ обработка металлических деталей частицами перемешиваемого сыпучего материала. Осуществляется на галтовочных барабанах и вибромашинах [43].

Турбоабразивная обработка. Сущность процесса турбоабразивной обработки заключается в помещении обрабатываемой поверхности в воздушно-абразивную смесь, называемую кипящим абразивным слоем, и создании значительных относительных скоростей между абразивными зёрнами и обрабатываемым телом.[40].

Металлосплав М1 (34,93 1,40 мм) [41].характеризуется наивысшим содержанием меди. Чистота сплава обеспечивает высокую пластичность, электро- и теплопроводность, а также коррозийную стойкость. Материал податлив к разным технологиям обработки.

 

Рисунок 3.7 – Медные трубы

 

 

Массовая доля компонентов сплава М1:

‒ медь и серебро – 99,9;

‒ кислород – 50;

‒ железо, свинец – по 5;

‒ сера, цинк – по 4;

‒ олово, сурьма, мышьяк и никель – по 2;

‒ висмут – 1.

Согласно [42] расчёт величины удельного линейного абразивного износа трубопроводов пневмотранспортных установок системы пылеприготовления и золошлакоудаления ТЭС (сходен по своему процессу с кипящим слоем) выполняется для горизонтальных и наклонных участков по зависимости (3.29), мм/т:

                                                             (3.29)

а для вертикальных участков по зависимости (3.30):

                                                          (3.30)

где  ‒ критерий аэродинамической лёгкости частиц при пневмотранспорте мелкодисперсных сыпучих материалов, кг/м';  ‒ массовая расходная концентрация потока смеси материала и воздуха, кг материала/кг воздуха (;  – коэффициент относительного содержания частиц в дымовых газах, слое (;  ‒ коэффициент относительной износостойкости материала трубопровода ( = 1,00 для меди,  = 1,08 для сталь 20);  ‒ средняя по сечению скорость потока частиц материала, м/с;  ‒ внутренний диаметр трубопровода, м.

 

Таблица 3.4 – Коэффициент относительной износостойкости трубопроводов из различных материалов,

Материал трубопровода	Твёрдость по Вакхерсу, HV	Коэффициент относительной износостойкости трубопроводов из различных материалов, k_изм
Медь	125	1,00
Сталь 5	130	1,01
Сталь 20	156	1,08
Серый чугун	223	1,66
Сталь 40	241	1,92
Сталь X5CiNi89	380	5,27
Трубы с алюмотермическим покрытием	2500	364,00

 

Для учёта угла атаки существует коэффициент ;:

                                                            (3.31)

где a – угол атаки частиц слоя, град (a = 15º)

                          

для стали:

 

 

для меди:

      

       

Необходимо определить время за которое будет изношено 0,4 мм толщины стенки трубок змеевика. Для этого понадобится расход частиц согласно сечению аппарата и скорости частиц псевдоожиженного слоя. Так для внешнего сечения значение условного расхода (условного поскольку слой лишь перемешивается, но не транспортируется за пределы границ псевдоожижения) 0,4236 м³/с (1525 м³/ч), для внутреннего сечения – 0,27 м³/с (972 м³/ч).

1525 м³/ч – 997,75 т/ч

972 м³/ч – 631,8 т/ч

Определение времени износа:

для стали:

 мм/ч

мм/ч

мм/ч

для меди:

 мм/ч

мм/ч

мм/ч

Если принять максимальное значение скорости износа 0,00065 мм/ч, то при таких условиях и непрерывной работе аппарата 0,4 мм будут сточены за 0,4 /(0,00065 ∙ 24) =∙ 25 дней (для меди). Для стали соответственно: 0,4/(0,0006∙24) = 27 дней.