Изучение коррозии во вращающихся механизмах
Коррозия Это постепенное разрушение металлических поверхностей в результате электрохимических или химических реакций с окружающей средой, приводящее к потере материала, шероховатости поверхности питтинг, а также изнашивает механические детали. В вращающихся механизмах он воздействует на валы, подшипники, шестерни, корпуса и несущие элементы, создавая зоны концентрации напряжений, которые могут привести к усталость трещины, шероховатость поверхностей, которые ускоряют износ, а в тяжелых случаях — приводить к непосредственному разрушению конструкции вследствие потери несущего материала. Часто это явление рассматривается как медленный, долгосрочный механизм деградации, однако оно может резко ускорить механическое разрушение, поэтому его необходимо контролировать посредством тщательного подбора материалов, нанесения защитных покрытий, регулирования условий окружающей среды и использования смазочных материалов с ингибиторами коррозии.
1. Определение: что такое коррозия?
По сути, коррозия — это превращение чистой металлической формы в соединение с более низкой энергией и большей стабильностью — как правило, в оксид, гидроксид или соль. Большая часть промышленной коррозии electrochemical: для этого необходимы анод (где происходит растворение металла), катод (где происходит реакция восстановления), металлический проводник между ними и электролит, например влага, конденсат или технологическая жидкость. Устраните любой из этих компонентов — и реакция прекратится; именно на этом принципе основана практически каждая из приведенных ниже стратегий предотвращения коррозии.
Коррозия редко действует в одиночку. В вращающемся оборудовании она обычно сочетается с механической нагрузкой, поэтому реальная опасность заключается не только в потере толщины стенок, но и в том, как коррозия запускает и подпитывает другие виды разрушений — усталостные трещины, абразивный износ износ, утрата зазора и разрушение смазки. Вал, размер которого уменьшился на несколько десятых миллиметра из-за общей ржавчины, может работать без сбоев, но тот же вал с одной острой коррозионной ямкой в области шпоночного паза может выйти из строя с катастрофическими последствиями.
2. Виды коррозии в машиностроении
Равномерная (общая) коррозия
- Внешний вид: Равномерное воздействие на всю открытую поверхность.
- Пример: Ржавление незащищенных поверхностей из углеродистой стали.
- Скорость: Предсказуемый, выражается в виде потери материала в год (в милах в год, или мм/год).
- Эффект: Постепенное уменьшение толщины стенок и общее увеличение шероховатости поверхности.
- Риск: Наименее опасная форма, поскольку процесс коррозии прослеживается и предсказуем, что позволяет заложить соответствующий припуск на коррозию.
Точечная коррозия
- Внешний вид: Локализованное поражение, приводящее к образованию небольших углублений или ямок.
- Механизм: Разрушение защитной пассивной пленки в определенных местах, где крошечный анод вызывает глубокую и локализованную коррозию металла.
- Опасность: Каждая впадина служит местом концентрации напряжений, которое может вызвать усталость трещина — гораздо опаснее, чем можно было бы предположить, судя по ее небольшому размеру.
- Common on: Нержавеющая сталь и алюминий в средах, содержащих хлорид.
- Обнаружение: Визуальный осмотр и вихретоковый контроль.
Щелевая коррозия
- Расположение: В зазорах, под прокладками и в резьбовых соединениях.
- Механизм: Застоявшаяся жидкость, скопившаяся в щели, теряет кислород и становится химически агрессивной.
- Скрытый характер: Часто это невозможно увидеть без разборки.
- Распространены в: На фланцах, под уплотнительными кольцами и у основания резьбы.
Гальваническая коррозия
- Причина: Два разнородных металла, находящихся в электрическом контакте в присутствии электролита.
- Пример: Стальной вал, работающий в бронзовом подшипнике, загрязнённом водой.
- Эффект: Более анодный (электрохимически активный) металл подвергается коррозии в первую очередь, в то время как более благородный металл остается защищенным.
- Профилактика: Обеспечьте электрическую изоляцию разнородных металлов или выбирайте материалы, расположенные рядом в гальванической серии.
Коррозионное растрескивание под напряжением (SCC)
- Механизм: Длительное растягивающее напряжение в сочетании с определенной коррозионной средой способствует росту трещин.
- Опасность: Может привести к внезапному разрушению с признаками хрупкости при нагрузках, значительно ниже предела текучести материала.
- Распространенные комбинации: Нержавеющая сталь с хлоридами; латунь с аммиаком.
- Профилактика: Выбор материалов, снятие напряжений и контроль условий окружающей среды.
Фреттинг-коррозия
- Механизм: Микроскопические перемещения в сочетании с коррозией в местах прессовой посадки или болтовых соединений, где повторяющиеся незначительные проскальзывания приводят к сдиранию и повторному окислению поверхности.
- Внешний вид: Красновато-коричневый оксид железа («какао») или мелкий черный порошок.
- Эффект: Ослабляет прессовые посадки и повреждает соприкасающиеся поверхности.
- Распространены в: Соединения подшипника с валом и термоусадочные соединения, подвергающиеся вибрация.
3. Воздействие на детали машин
Подшипники
- Появление точечной коррозии на поверхности приводит к усталостному разрушению отслоение на направляющих и подшипниках.
- Продукты коррозии становятся абразивными частицами, вызывающими износ, внутри подшипника.
- Продукты коррозии загрязняют смазочный материал и ухудшают качество масляной пленки.
- Срок службы подшипников может значительно сократиться — возможно снижение на 50–90 %.
Валы
- Точечная коррозия служит местом зарождения усталостных трещин, что является предвестником треснувший ротор.
- Потеря сечения приводит к уменьшению эффективного диаметра и прочности.
- Неровности поверхности ухудшают работу подшипников и уплотнений.
- Фреттинг-коррозия в прессовых соединениях приводит к ослаблению закрепленных деталей и нарушению баланса ротора.
Шестеренки
- Коррозия поверхности зубьев ускоряет контактную (точечную) усталость.
- Повышенная шероховатость поверхности приводит к увеличению шума и потерь при зацеплении зубьев.
- Поврежденные от коррозии боковые поверхности плохо удерживают смазку, что ухудшает износостойкость.
- Коррозия корней зубов снижает прочность на изгиб — см. также дефекты зубчатых передач.
Конструктивные компоненты
- Снижение несущей способности вследствие потери сечения.
- Концентрация напряжений в коррозионных язвах.
- Ухудшение внешнего вида и снижение общей надежности.
- Коррозия анкерных болтов фундамента, приводящая к механическому Ослабление и снижает жесткость опоры.
4. Методы обнаружения
Визуальный осмотр
- Обратите внимание на наличие ржавчины, потемнений и точечной коррозии.
- Проверьте наличие продуктов коррозии — белых, зеленых или красных отложений.
- Проверьте крепежные детали на наличие ржавчины или признаков износа.
- Следите за появлением слез на соединениях — это признак скрытой щелевой коррозии.
Анализ вибрации
Коррозия не является основной причиной возникновения низкочастотных вибрация, но его механические последствия хорошо заметны в программе анализа вибраций:
- Поверхности с коррозионной шероховатостью вызывают широкополосную высокочастотную вибрацию.
- Вмятины оставляют следы удара, схожие с локальными механическими дефектами.
- Наибольшее значение имеют вторичные эффекты: трещина, возникшая в результате коррозии, приводит к появлению характерных 2× harmonic износ треснувшего вала и корродированных подшипников — классический пример дефект подшипника frequencies.
Поскольку симптомы появляются постепенно, периодически Тренд-анализ Контроль общих уровней и частотных диапазонов — это эффективный способ выявить повреждения, вызванные коррозией, до того, как они начнут прогрессировать.
Неразрушающий контроль
Если есть подозрение на коррозию, неразрушающий контроль оценивает это непосредственно:
- Ультразвуковой контроль: измеряет оставшуюся толщину стенки.
- Вихревые токи: обнаруживает коррозию поверхности и точечную коррозию с помощью вихретоковый датчик.
- Магнитные частицы: выявляет поверхностные трещины, возникшие в результате коррозии.
- Рентгенография: свидетельствует о наличии внутренней коррозии в труднодоступных местах.
Анализ масла
Анализ масла улавливает химию, пока механика не дала сбой:
- Определение содержания воды (метод Карла Фишера).
- Коррозионные загрязнители, такие как кислоты и соли.
- Металлические частицы, образующиеся в результате коррозии.
- Проведение анализа pH для выявления кислой среды, способствующей коррозии.
5. Профилактика и контроль
Выбор материалов
- Коррозионно-стойкие сплавы: Нержавеющая сталь, бронза, специальные сплавы для работы в суровых условиях.
- Совместимость материалов: избегайте гальванических пар или разделяйте разнородные металлы.
- Выбор класса: подбирать конкретный сплав с учетом конкретной коррозионной среды.
Защитные покрытия
- Краска: защита конструкционной стали от коррозии.
- Гальваническое покрытие: хром, никель или цинк для поверхностей, подверженных повышенным нагрузкам.
- Galvanising: цинковое покрытие для наружного применения или в условиях повышенной влажности.
- Специальные покрытия: Эпоксидные, керамические, термонапыляемые покрытия для суровых условий эксплуатации.
Смазка
- Используйте смазочные материалы, содержащие ингибиторы ржавчины и коррозии.
- Не допускайте попадания влаги и загрязнений в систему.
- Следите за тем, чтобы на поверхности постоянно оставалась масляная пленка — см. смазка подшипников.
- Своевременно меняйте масло, чтобы удалить скопившуюся воду и кислоты.
Экологический контроль
- Надежная герметизация для защиты от влаги.
- Осушение воздуха для закрытого оборудования.
- Вентиляция для предотвращения образования конденсата.
- Корпуса для наружного оборудования.
- Регулирование температуры для предотвращения повторяющихся циклов конденсации.
Методы проектирования
- Избегайте щелей, в которых может скапливаться коррозия.
- Обеспечьте дренаж, чтобы влага не скапливалась.
- Конструкция должна обеспечивать доступ для очистки и осмотра.
- В случаях, когда целесообразно применять катодную защиту, следует использовать жертвенные аноды.
6. Коррозия и процесс балансировки
Коррозия незаметно ухудшает качество баланса. Материал, утраченный с одной стороны ротор, накопление остатков материала на участках с коррозией или балансировочный груз, смещающийся на изношенном или ослабленном креплении, — все это изменяет распределение массы и приводит к увеличению 1× дисбаланс реакции. По этой причине ротор, на котором в процессе эксплуатации образовалась коррозия, следует повторно проверять после очистки или ремонта, а не считать исправным. В полевых условиях это делается без разборки с помощью портативного двухканального анализатора, такого как Balanset-1A, который измеряет амплитуду и фазу 1× в подшипниках самого станка, позволяет устранить новую тяжелую точку и проверяет остаточный дисбаланс в соответствии с соответствующим классом по стандарту ISO 21940-11. Сочетание такой вибрационной проверки с неразрушающим измерением толщины стенок позволяет получить полную картину как механического, так и конструктивного состояния корродированного ротора.
Хотя коррозия и является в первую очередь химическим процессом, она влечет за собой серьезные механические последствия для вращающегося оборудования. Именно ее роль в возникновении усталостных трещин, ускорении износа и образовании дефектов поверхности делает ее предотвращение — посредством правильного выбора материалов, применения защитных мер и контроля условий эксплуатации — крайне важным фактором для обеспечения долгосрочной надежности и безопасности.
