Введение к работе
Актуальность исследования. Опыт эксплуатации чугунных центробежных насосов, предназначенных для перекачивания горячей воды, показывает, что основным видом их отказов являются постепенные отказы. В соответствии с ГОСТ 27.002 - 89 «Надежность в технике. Термины» применительно к центробежным насосам такой критерий отказа установлен в паспорте насоса в виде снижения напора относительно заданного номинального значения.
Для деталей чугунных центробежных насосов, перекачивающих горячую воду, в основном, характерно коррозионное повреждение. У закрытых чугунных рабочих колес в наибольшей степени повреждаются диски колес с образованием губчатой поверхности. Снижение напора, вызванное коррозионным повреждением рабочего колеса, приводит к уменьшению перекачиваемого объема воды (подачи), и тем самым снижается эффективность работы котельных, систем горячего водоснабжения и теплоснабжения, промывочно - пропарочных станций и т.д.
Преждевременное снижение напора и вывод насоса из эксплуатации приводят к снижению его ресурса и значительным материальным потерям, связанным с ремонтом центробежного насоса, простоем системы, в которой установлен насос, а также к необходимости иметь резервные насосы для обеспечения работоспособности системы трубопроводов.
На сегодняшний день существует большое разнообразие способов удаления продуктов коррозии с поверхностей чугунных рабочих колес. Одним из перспективных методов удаления продуктов коррозии является ультразвуковой.
Возможность одновременной очистки нескольких рабочих колес разного типа, быстрота очистки, полное удаление продуктов коррозии, значительно меньшее количество растворенного металла при использовании
в качестве технологической среды растворов кислот, экономия затрат на
технологические жидкости - это все то, что говорит о преимуществах ультразвукового способа.
Цель работы: восстановление характеристик центробежных насосов (подачи и напора), снизившихся по причине коррозионного повреждения чугунных рабочих колес, путем применения ультразвукового способа удаления продуктов коррозии.
Задачи исследования:
рассмотреть зависимость между коррозионным повреждением чугунных рабочих колес и снижением основных параметров (подачи и напора) центробежных насосв;
изучить особенности коррозионного повреждения закрытого чугунного рабочего колеса;
провести анализ существующих методов очистки рабочих колес от продуктов коррозии;
разработать математическую модель процесса очистки чугунного рабочего колеса от продуктов коррозии с применением ультразвука;
провести эксперимент с целью проверки разработанной математической модели;
разработать технологию очистки закрытых чугунных рабочих колес;
разработать методику по контролю степени очистки;
сформулировать технологические требования к форме и размерам посадочного места рабочего колеса.
Объектом исследования являются чугунные рабочие колеса со значительным коррозионным повреждением, установленные в центробежных насосах, применяемых в котельных, бойлерных, системах горячего водоснабжения, на промывочно - пропарочных станциях для перекачивания горячей воды.
Предметом исследования является восстановление характеристик чугунных центробежных насосов путем удаления продуктов коррозии с
чугунных рабочих колес с помощью ультразвука.
Методы исследования. Для исследования химического состава чугунного рабочего колеса был применен спектральный анализ. Микроструктура металлической основы чугунного рабочего колеса была выявлена на микрошлифах. Рентгено флуоресцентный анализ (РФлА) показал содержание основных элементов в продуктах коррозии, образовавшихся на чугунном рабочем колесе. Спектроскопия комбинационного рассеивания выявила основные химические формы железа в образовавшихся продуктах коррозии.
Исследование было проведено с использованием теории планирования эксперимента. Было изучено воздействие ультразвука на удаление продуктов коррозии с чугунного рабочего колеса с применением растворов кислот в качестве технологических жидкостей. Обработка экспериментальных исследований проведена с использованием программы MathCad. Достоверность результатов обеспечивалась многократным проведением экспериментов, результаты которых немногим отличаются от значений, полученных после построения графических зависимостей с помощью разработанной математической модели.
Степень очистки оценивалась измерением рН с использованием универсальной индикаторной бумаги, портативным рН-метром и методом качественной оценки реакции на ион Fe2+.
Научная новизна выполненного исследования состоит в следующем:
- проведен анализ, направленный на выявление связи между коррозионным повреждением чугунного рабочего колеса и снижением основных параметров (напора и подачи) центробежного насоса. Основной причиной снижения подачи и напора является обрастание канала между двумя соседними лопатками рабочего колеса. На основе проведенного анализа разработана математическая зависимость, связывающая сужение канала по причине коррозии и снижение основных параметров центробежного насоса;
предложена математическая модель, описывающая процесс растворения продуктов коррозии, как при химическом травлении, так и при воздействии ультразвука на растворы кислот, используемых в качестве технологических жидкостей;
изучен процесс ультразвуковой очистки продуктов коррозии с применением растворов кислот в качестве технологических жидкостей. Применение ультразвука интенсифицирует процесс удаления продуктов коррозии за счет кавитации и акустических потоков, а также заметно снижает энергию активации. Снижение энергии активации способствует сокращению продолжительности процесса удаления продуктов коррозии.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
результаты теоретических исследований, направленных на выявление зависимости между коррозионным повреждением чугунного рабочего колеса и снижением основных параметров центробежного насоса, позволяют прогнозировать степень влияния коррозионного повреждения рабочего колеса на величину снижения напора и подачи центробежного насоса;
полученная математическая модель позволяет подбирать оптимальные значения концентраций и температур кислот, а также энергии активации для проведения эффективной ультразвуковой очистки чугунных рабочих колес от продуктов коррозии с применением растворов соляной или ортофосфорной кислот в качестве технологических жидкостей;
применение ультразвука для очистки чугунных рабочих колес от продуктов коррозии позволяет уменьшить энергию активации при растворении оксидов железа в растворах соляной или ортофосфорной кислот, что значительно уменьшает время полного растворения образовавшихся продуктов коррозии;
разработанная технология очистки чугунных рабочих колес включает в том числе контроль степени очистки, контроль посадочного места рабочих колес после проведенной очистки, а также позволяет выявить необходимость
в выведении центробежных насосов из эксплуатации для дальнейшей очистки рабочих колес от продуктов коррозии.
Основные положения, выносимые на защиту:
математическое описание зависимости между коррозионным повреждением чугунного рабочего колеса и снижением параметров (подачи и напора) центробежного насоса;
математическая модель, описывающая процесс очистки чугунного рабочего колеса от продуктов коррозии с помощью ультразвука;
эффективность применения растворов соляной или ортофосфорной кислот в качестве технологических жидкостей при ультразвуковой очистке чугунных рабочих колес от продуктов коррозии;
уменьшение энергии активации при протекании химической реакции растворения оксидов железа в растворах соляной и ортофосфорных кислот за счет наложения акустического поля;
методика выведения центробежного насоса из эксплуатации для дальнейшей очистки рабочего колеса от продуктов коррозии, основанная на использовании трех манометров, и контроль посадочного места рабочего колеса после проведенной очистки;
- результаты аналитических и экспериментальных исследований.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
докладывались на международных научно - технических и научно-исследовательских конференциях: 73-я научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ (Москва, 2015 г.); 74-я научно-методическая и научно-исследовательская конференция МАДИ (Москва, 2016 г.); 8-я Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие технологии на современном этапе развития машиностроения (ТМ -2016)» (Москва, 2016); Десятая научно-техническая конференция Гидроэнергетика, гидротехника. Новые разработки и технологии» (Санкт - Петербург, 2016). Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе
5 работ, входящих в перечень рецензируемых научных изданий.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений.