Развитие дефектов стадии эксплуатации преимущественно связано с физическим старением оборудования, которое обусловлено процессами изнашивания, получения коррозионных и механических повреждений (рис. 1) в различных условиях (химическое и электрическое воздействие, циклические и термические нагрузки).

Рисунок 1 – Основные дефекты стадии эксплуатации

Рисунок 1 – Основные дефекты стадии эксплуатации

Усугубляющее действие при этом оказывает наличие в деталях и элементах оборудования внутренних напряжений, вызванных конструктивными недостатками (например, в случае отсутствия учета температурных условий эксплуатации), дефектами изготовления, ошибками монтажа и наладки. На развитие дефектов стадии эксплуатации также влияют повреждения транспортирования и хранения, а особенно условия эксплуатации, качество технического обслуживания и ремонтов, соблюдение персоналом правил эксплуатации оборудования.

Указанные факторы с течением времени приводят к изменению характера и условий взаимодействия рабочих поверхностей оборудования друг с другом или с рабочей средой, что обусловлено:

а) изменением их размеров и геометрической формы (нецилиндричность, неплоскостность и тому подобные);
б) нарушением точности взаимного расположения рабочих поверхностей (неперпендикулярность, несоосность и другие);
в) изменением физико-механических свойств их материала (наклеп, старение материала и так далее).

Для полноты картины следует отметить, что наряду с постепенным процессом физического старения на стадии эксплуатации могут иметь место случайные внешние воздействия различного характера, не предусмотренные проектными условиями эксплуатации, которые могут привести к внезапному отказу оборудования. Предупреждение и предотвращение таких ситуаций относится к сферам обеспечения промышленной безопасности, а также повышения живучести оборудования (на стадии проектирования).

1. Изнашивание

Определяющим процессом стадии эксплуатации, как правило, является изнашивание, которое обусловлено фрикционным взаимодействием (трением) рабочих поверхностей или рабочей поверхности и среды при их относительном движении, что сопровождается постепенным разрушением поверхностей деталей. При этом в поверхностных слоях деталей возникают упругопластические деформации, вызывающие появление вторичных (физических, химических, механических) процессов.

1.1. Механический износ

Профессор Б.И. Костецкий выделил пять основных видов механического износа, которые представлены в табл. 1 [1].

Таблица 1 – Виды механического износа (по проф. Б.И. Костецкому)
Условия возникновения Механизм разрушения Проявление
Износ схватыванием первого рода
– трение скольжения;
– малая скорость относительного движения (для стальных деталей – до 1 м/с);
– высокое давление, превышающее предел текучести на фактических площадках контактов;
– отсутствие смазки;
– низкая температура нагрева поверхностных слоев (до 100 °С).
При высоких давлениях взаимодействие рабочих поверхностей сопровождается интенсивными пластическими деформациями, в результате которых разрушаются пленки окислов и вскрываются химически чистые металлические поверхности. Если расстояния между ними соизмеримы с размерами атомных решеток, то между кристаллами деталей появляются металлические связи. Их взаимное смещение приводит к упрочнению металла в местах образования связей. При предельных значениях твердости и хрупкости металлические связи разрываются. На контактной поверхности детали из менее прочного материала образуются хаотически расположенные вырывы, а на детали из более прочного материала – налипания. Налипшие частицы высокой твердости способствуют развитию вторичных процессов местной пластической деформации и микрорезанию поверхностей трения. При этом коэффициент трения чрезвычайно высок.

Износ схватыванием первого рода

Износ схватыванием второго рода
– трение скольжения;
– высокая скорость относительного перемещения (свыше 4 м/с);
– высокое давление, превышающее предел текучести на фактических площадках контактов;
– высокая температура в поверхностных слоях (до 1600 °С).
Первая стадия (температура до 600 °С) – механические свойства материалов снижаются мало. Вырывы частиц на детали из менее прочного материала, чередующиеся через примерно одинаковые промежутки.
Вторая стадия (температура 600-1400 °С) – размягчение металла, заметное снижение механических свойств материалов. На контактной поверхности более прочной детали видны налипание и размазывание металла, а на поверхности менее прочной – вырывы.
Третья стадия (температура свыше 1400 °С) – расплавленные слои металла уносятся со смазкой. Оплавленные борозды.

Износ схватыванием второго рода

Абразивный износ
– трение скольжения;
– наличие на поверхностях трения абразивных частиц.
Абразивные частицы деформируют микрообъемы поверхностных слоев и вызывают процессы микрорезания. Однозначно ориентированные по отношению к направлению движения риски различной глубины и протяженности.

Абразивный износ

Окислительный износ
– трение качения или трение скольжения;
– скорость относительного движения деталей 1,5-7,0 м/с (без смазки) и до 20 м/с (со смазкой).
Вследствие взаимодействия материала деталей с кислородом окружающей среды происходит образование твердых растворов и пленок окислов, защищающих исходные материалы от интенсивного износа. Изнашивание поверхностей заключается в периодическом появлении и скалывании твердых и хрупких окисных пленок. Скорость изнашивания – минимальная. Матовые полосы, состоящие из пленок оксидов, твердых растворов и химических соединений металла с кислородом.

Окислительный износ

Осповидный износ
– трение качения;
– переменные или знакопеременные нагрузки;
– высокие давления, достигающие предела выносливости.
Многократные нагружения вызывают усталость металла. На плоскостях максимальных напряжений внутри детали зарождаются трещины. Их развитие приводит к разрыву контактной поверхности. Движение тел качения через разрыв поверхности сопровождается динамическими явлениями, в результате чего износ прогрессирует. В местах образования сколов на контактных поверхностях появляются осповидные углубления. Наиболее характерный вид изнашивания деталей подшипников качения и контактных поверхностей зубчатых передач.

 

Следы осповидного износа на поверхности роликов верхнего ряда 2

1.2. Эрозионные виды изнашивания

Кроме того выделяют эрозионные виды изнашивания:

– эрозионный износ возникает при взаимодействии поверхности детали и твердых частиц, движущихся в потоке газа или жидкости. Многократные локальные импульсные удары, вызывают разрушение поверхностного слоя деталей (эрозию);
– электроэрозионный износ – эрозионный износ поверхности в результате воздействия электрического тока при его прохождении через смежные детали оборудования. При электрической эрозии происходит частичный перенос металла с одного контакта на другой, сопровождающийся его распылением;
– кавитационный износ – гидроэрозионный износ при движении твердого тела относительно жидкости (или наоборот), при котором пузырьки газа схлопываются вблизи поверхности, создавая местное повышение давления (рис. 2).

Рисунок 2 – Кавитационный износ поверхности рабочего колеса и корпуса насоса Рисунок 2 – Кавитационный износ поверхности рабочего колеса и корпуса насоса
Рисунок 2 – Кавитационный износ поверхности рабочего колеса и корпуса насоса

2. Коррозионные повреждения

В результате химического или электрохимического воздействия среды поверхности деталей оборудования получают коррозионные повреждения (рис. 3). Чистая металлическая поверхность легко подвергается химическому воздействию среды. Однако если в процессе начавшейся коррозии продукты ее образуют прочно связанную с металлом пленку, изолирующую поверхность от коррозионной среды, то металл приобретает пассивность по отношению к ней.

атмосферная коррозия электрохимическая коррозия коррозия лопаток рабочего колеса, сопровождавшаяся эрозией
(а) (б) (в)
коррозионное растрескивание под нагрузкой Коррозионный износ
(г) (д)
Рисунок 3 – Примеры коррозионных повреждений:
а) атмосферная коррозия; б) электрохимическая коррозия; в) коррозия лопаток рабочего колеса, сопровождавшаяся эрозией; г) коррозионное растрескивание под нагрузкой; д) коррозия наружного кольца подшипника

Различают следующие виды коррозии:

а) атмосферная коррозия (рис. 3.а):

– влажная, которая протекает при относительной влажности воздуха менее 100% под невидимой пленкой, образующейся на поверхности металла вследствие конденсации влаги;
– мокрая, которая протекает при непосредственном увлажнении металлической поверхности атмосферными осадками или производственными выбросами.

Средняя скорость такой коррозии составляет 0,1 мм/год;

б) химическая коррозия протекает при взаимодействии металлов с сухими газами, парами и жидкими неэлектролитами. Ее разновидностью является газовая коррозия, которая проявляется в виде пленки окислов при температуре 200…300 °С. С повышением температуры до 600 °С, при образовании под действием внутренних напряжений трещин в защитной пленке, скорость коррозии возрастает и образуется окалина;

в) электрохимическая коррозия (рис. 3.б) обусловлена неоднородностью металла при контакте с электролитом. Разновидностью электрохимической коррозии является почвенная коррозия ‑ разрушение подземных металлоконструкций почвенной средой.

На скорость коррозии влияет скорость взаимного перемещения поверхности и среды, при высоких значениях которой коррозия усиливается под действием эрозии (рис. 3.в). Кроме того, влияние оказывает температура: при высоких температурах увеличивается скорость химических процессов окисления, а при низких – повышается хрупкость металла, что особенно актуально в случае воздействия переменных или динамических нагрузок. Условия нагружения также оказывают значительное влияние на характер и скорость протекания процесса коррозии:

1) коррозионная усталость представляет собой процесс разрушения металлов и сплавов при одновременном действии коррозионной среды и циклических напряжений. Процесс развития трещины протекает более интенсивно, так как дно и стенки трещины подвергаются воздействию коррозионной среды;
2) коррозионное растрескивание (рис. 3.г) возникает под действием напряжений и агрессивной коррозионной среды. Оно является следствием пониженной коррозионной стойкости границ зерен, наличия в сплаве структурной составляющей, подверженной коррозии, и уменьшения межкристаллической прочности;
3) фреттинг-коррозия возникает при трении скольжения с очень малыми возвратно-поступательными перемещениями в условиях воздействия коррозионной среды и динамических нагрузок. Динамический характер нагружения обусловливает резкое повышение градиента деформации и температур, окисление и схватывание поверхностей. Изнашивание при фреттинг-коррозии наблюдается в посадочных поверхностях подшипников, поворотных цапф, шестерен, в болтовых и заклепочных соединениях и тому подобных случаях.

Коррозия рабочих поверхностей деталей неработающих машин (рис. 3.д) также снижает их износостойкость. У неработающих пар трения ухудшается качество поверхности и после пуска оборудования снова начинается процесс приработки. При этом продукты коррозии действуют как абразив. Срабатывание продуктов коррозии, происходящее за малое время, сопряжено с быстрым изменением линейных размеров деталей, увеличением зазоров.

При щелевой коррозии коррозионные повреждения сосредоточены в зазоре между поверхностями. Зазором могут быть щели между листами, зазоры в сопряжениях и стыках, зоны трещин в металле, а также щели между осевшими или прилипшими к поверхности посторонними веществами. Щелевой коррозии подвержены даже металлы, которые устойчивы к другим видам коррозии благодаря образованию на их поверхностях пленок, обладающих высокими защитными свойствами.

Последствиями коррозии являются местные ослабления сечений рабочих элементов и узловых соединений оборудования, что приводит к концентрации напряжений и к последующему разрушению конструкции.

3. Механические повреждения

К механическим повреждениям относятся:

– остаточные деформации, возникающие при превышении действующими нагрузками предела упругости для материала детали;
– нарушения целостности, возникающие при превышении предела прочности для материала детали или их соединения (например, сварного шва) либо как результат усталости материала детали или их соединения в условиях циклических знакопеременных или ударных нагрузок.

3.1. Деформация

Деформация – изменение формы, размеров детали под действием приложенных к ней сил. Деформации могут носить линейный, угловой и комплексный характер.

Линейная деформация характеризуется изменением линейных размеров тела, его ребер. Линейные размеры тела могут изменяться одновременно в одном, двух или трех взаимно перпендикулярных направлениях, что соответствует линейной, плоской и объемной деформации. Линейная деформация, как правило, сопровождается изменением объема тела.

Угловая деформация характеризуется изменением угловых размеров тела, углов наклона его граней. В результате угловой деформации происходит взаимное смещение граней. При этом изменяется только форма тела, объем сохраняется неизменным.

Линейная деформация связана преимущественно с действием нормальных напряжений, а угловая – с действием касательных напряжений.

К основным видам деформаций относят:

а) растяжение (сжатие) – деформация, возникающая под действием в поперечном сечении только продольной (растягивающей или сжимающей) силы;
б) сдвиг – деформация, характеризующаяся взаимным смещением параллельных слоев материала под действием сил, приложенных касательно к его поверхности, при неизменном расстоянии между слоями;
в) кручение – деформация, характеризующаяся взаимным поворотом поперечных сечений тела под действием пары сил (момента) в этих сечениях;
г) изгиб – деформация, при которой происходит изменение кривизны осей тела под действием изгибающих моментов в поперечных сечениях.

3.2. Нарушения целостности

В местах концентрации напряжений (по галтелям, в местах с резкими переходами сечений и наличием подрезов, у основания резьбы и зубьев шестерен, в углах шпоночных канавок, у отверстий и тому подобных), а также дефектов металлургического и технологического происхождения, следов грубой механической обработки поверхности (глубоких рисок, следов резца и так далее) под действием нагрузок происходит образование микротрещин. При стабильных силовых воздействиях рост микротрещин протекает медленно, и трещины не скоро достигают критических размеров. Этому способствует пластическая деформация, снижающая поле упругих напряжений в вершинах трещин. Когда возможности упрочнения из-за пластической деформации исчерпаны, закончилось вязкое подрастание трещин, под действием переменных или статических сил трещины начинают сливаться, приближаясь к критическому размеру. Упругая энергия напряженной конструкции начинает расходоваться на развитие трещин и разрыв межатомных связей. Процесс разрушения становится хрупким и протекает с большой скоростью, достигающей 0,3…0,5 скорости распространения ультразвуковых колебаний в материале детали (для стали V = 5…6 км/с). Здесь докритическое развитие трещины ‑ нормальный процесс физического старения, а закритическое – катастрофического старения. Рост трещины уменьшает рабочее сечение, увеличивая значения внутренних напряжений, что ускоряет процесс разрушения (нарушения целостности) и приводит к излому деталей или их соединений.

Характерные примеры трещин приведены на рис. 4.

трещина на лотке загрузочного устройства трещина на соединительной муфте продольная трещина по телу трубы
(а) (б) (в)
трещина на поверхности, ×100 трещина на ходовом колесе трещины разгара
(г) (д) (е)
Рисунок 4 – Примеры трещин:
а) трещина на лотке загрузочного устройства; б) трещина на соединительной муфте;  в) продольная трещина по телу трубы; г) трещина на поверхности, ×100; д) трещина на ходовом колесе; е) трещины разгара

Трещины усталости (рис. 4.д) относятся к наиболее распространенным дефектам стадии эксплуатации и возникают при действии периодических напряжений, превышающих предел усталостной прочности материала. В зоне усталостного разрушения отсутствуют признаки пластической деформации. Ширина раскрытия усталостной трещины у выхода ее на поверхность в начальной стадии разрушения не превышает нескольких микрон. При приложении знакопеременных сил к деталям в них возникают знакопеременные напряжения, приводящие к образованию микротрещин, а затем и трещин.

Трещины термической усталости (трещины разгара) возникают после многократного воздействия периодически меняющихся термических напряжений, что представляет собой явление термической усталости (рис. 4.е).

Перечень ссылок

  1. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах [Текст]. – К.: Техніка, 1970. – 395 с.
Материал предоставили СИДОРОВ Александр ВладимировичСИДОРОВ Владимир Анатольевич.

Больше информации по указанной теме можно найти в книге «Управление отказами оборудования», подготовленной под эгидой Ассоциации эффективного управления производственными активами (Ассоциации EAM). Первая часть издания доступна здесь.