Дефекты стадии эксплуатации

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).

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 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.
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.
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.
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.

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

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.

(а)		(б)		(в)
(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.

(а)	(б)	(в)
(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 Владимирович, СИДОРОВ 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.