CC BY
30
DOI: 10.24143/2073-1574-2018-3-17-22 УДК 629.5.065.22:620.193.2
Л. С. Баева, В. И. Колодяжный, Н. Е. Петрова, Ж. В. Кумова, В. М. Орешкина, А. Л. Петров
ВЛИЯНИЕ КОРРОЗИОННОГО РАЗРУШЕНИЯ НА ВНУТРЕННИЕ СЛОИ ГИБКОГО ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
Эксплуатация механизмов и оборудования при резких перепадах температуры может привести к хрупкому разрушению не только металла. В процессе исследований рукава высокого давления механизма стрелы подъёма было выявлено нарушение герметичности наружного резинового слоя, что привело к дальнейшему проникновению в образовавшиеся полости слоёв навивки кислотно-щелочной среды (влажный морской воздух). В местах разрушения оборванные концы нитей слоёв металлической навивки гибкого гидравлического соединения имеют вид, характерный для хрупкого разрушения. Дальнейшее исследование макро- и микроструктуры материала металлических нитей проволоки и детальный анализ приповерхностного слоя позволили выявить нарушение технологии нанесения защитного покрытия нитей. Невысокое качество латунного покрытия нитей металлической навивки проволоки DN20 гидравлического соединения, в свою очередь, явилось причиной быстрого протекания коррозии. Наличие дефектов структуры в приповерхностном слое повлекло к образованию несплошностей латунного покрытия, снижению адгезионных характеристик металлокорда. Окись железа как продукт коррозии нитей металлической навивки в образовавшихся полостях между слоями измельчалась при его изгибе под действием фрикционного контакта и знакопеременных нагрузок. Результаты исследования могут быть использованы при разработке эффективных методов защиты гибкого гидравлического соединения от коррозии.
Ключевые слова: коррозионное разрушение, гибкое гидравлическое соединение, механизм хрупкого разрушения, стальная проволока, нити навивок слоёв.
Введение
В настоящее время на открытых палубах морских судов в составе гидравлических систем оборудования, технических системах и различных вспомогательных устройств для перекачки топлива (масла) активно используются гидравлические шланги, предназначенные для эксплуатации в неблагоприятных условиях. Изменение длины резиновых гидравлических рукавов при соблюдении необходимых условий их монтажа составляет от 2 до 4 %. Материалы покрытий должны обеспечивать устойчивую защиту не только от разрушающих факторов (озон, гидравлические жидкости), но и к истиранию и перепадам температур.
Как правило, определение причин повреждений рукавов высокого давления (РВД) сводится к выявлению нарушений эксплуатационных требований (со стороны потребителя) или технологию изготовления (со стороны производителя). Для выявления истинных причин преждевременного износа и разрушения изделия требуется новый подход, связанный с более глубинными исследованиями процессов взаимодействия материалов и компонентов элементов изделия, т. к. они имеют скрытый характер и иногда приводят к катастрофическому разрушению изделия. Проведение исследований особо актуально для изделий, эксплуатируемых в морских условиях.
Процессы разрушения, связанные с электрохимической коррозией, имеют скрытый характер. Поэтому вопросы влияния атмосферного коррозионного процесса в морской среде на материал покрытия РВД являются актуальными.
В результате воздействия неблагоприятных условий происходят изменения свойств материала, так называемый «коррозионный эффект», который ухудшает его функциональные характеристики при работе на открытых палубах морских судов, расцениваемый как «эффект повреждения», или «коррозионная порча». Морская среда быстро запускает процесс коррозионного разрушения, т. к. её воздух насыщен морской солью, которая активно растворяется на влажной поверхности защитных покрытий гидравлического соединения [1].
Целью исследования влияния коррозионного разрушения на внутренние слои гибкого гидравлического соединения стал анализ внутренних слоёв материала шланга гидравлического DN20 механизма подъёма стрелы грузового крана дизель-электрохода «Надежда» (рис. 1).
Результаты исследования
Гибкое гидравлическое соединение широко применяется в гидравлических системах высокого давления для перекачки нефтепродуктов, смазочных масел и состоит из основных элементов, представленных на рис. 16: наружного покрытия 1 - резиновой оболочки CR (синтетический каучук) - стойкого к истиранию, озону, атмосферным воздействиям; корда усиления 2 -четырёх спиральных навивок из высокопрочной стальной латунированной проволоки; внутренней трубки 3 - бутадиен-нитрильный каучук NBR [2].
Рис. 1. Шланг гидравлический DN20: а - механизм подъёма стрелы грузового крана;
6 - составные части: 1 - резиновая оболочка CR; 2 - корд усиления; 3 - внутренняя трубка
Соединение соответствует DIN EN856/4SP, имеет четыре спиральных навивки стальной проволоки и предназначено для использования в условиях средних давлений. Рукава 4SP нави-вочной конструкции способны выдерживать более высокие давления по сравнению с оплёточной конструкцией. Однако в рукавах навивочной конструкции витки проволоки легче расходятся при изгибе РВД, следовательно, их минимально допустимый радиус изгиба намного больше, чем у рукавов оплёточной конструкции [2].
В случае невыполнения требований к монтажу и эксплуатации РВД, изменение положения в пространстве (изгиб РВД на радиус менее допустимого) приводит к расхождению витков спиральных навивок стальной проволоки, отрыву нитей стальной навивки от соответствующего резинового слоя и замятию с внутренней стороны («зажёвыванию») резинового слоя при расхождении витков и, как следствие, возникновению деформации на наружном слое резиновой оболочки РВД (рис. 2).
Рис. 2. Внешний вид соединения DN20 с нарушением герметичности наружного резинового слоя
Материал металлической навивки РВД - стальная латунированная проволока. Состояние нитей навивки 1, 2 и 3-го слоёв свидетельствует о локальном разрушении, имеющем коррозионный характер.
Снижение коррозионной стойкости нитей спиральных навивок стальной латунированной проволоки - это результат истирания латунного слоя нитей навивки под действием фрикционного контакта и знакопеременных нагрузок (изменение давления рабочей жидкости, ветровые нагрузки, движение рабочих органов механизма подъёма стрелы грузового крана).
Нарушение герметичности наружного резинового слоя привело к проникновению кислотно-щелочной среды (влажного морского воздуха) в образовавшиеся полости между слоями навивки посредством всасывания влаги через пористую структуру в месте повреждения.
Проволока металлической навивки РВД имеет латунное покрытие (сплав на основе меди). При попадании пары (железо плюс медь) в среду электролита (морская вода), активизируются электрохимические процессы, образуя гальваническую пару, и коррозионные разрушения происходят более интенсивно.
Расположение замятия наружного резинового слоя свидетельствовало о нарушении требований Правил установки и эксплуатации РВД [2] в отношении обязательного прямолинейного участка рукава, который определяется в зависимости от величины наружного диаметра. В данном случае это расстояние при наружном диаметре 33,0 мм должно составлять 33,0 • 1,5 = 49,5 мм от обжимной втулки фитинга. Замятие находилось на расстоянии 15,5 мм от обжимной втулки, т. е. требование об обязательном прямолинейном участке не было выполнено.
Образовавшийся дефект на начальном этапе не имел заметных наружных проявлений, т. е. являлся скрытым. При внешнем осмотре и испытаниях в штатном режиме характерные дефекты не могли быть выявлены.
С момента нарушения герметичности наружного резинового слоя начался процесс коррозионного разрушения металлической навивки 1-го слоя, имевший скрытый характер.
По мере механического разрушения стальных нитей навивки 1-го слоя процесс коррозионного разрушения перешёл ко 2-му слою и далее в той же последовательности к следующему. На момент разрушения РВД не разрушенным, но частично подверженным коррозии остался 4-ый слой металлической навивки (рис. 3).
Рис. 3. Процесс механического разрушения слоёв стальных нитей навивки Б№0
Скачок давления (увеличение нагрузки на гидроцилиндры механизма подъёма стрелы крана) был вызван нарушением требований руководящей документации РД-10-103-95 [3].
На момент разрушения РВД прочностные свойства рукава в месте нарушения целостности (герметичности) были снижены в результате локального разрушения нитей навивок 1-3-го слоёв.
Визуальный осмотр и фрактографическое исследование [4] выявили: нарушение герметичности наружного резинового слоя; отверстие неправильной формы (поперечная ось проходит через замятие с концами оборванных нитей металлических навивок и следами значительного коррозионного разрушения, его степень снижается по мере перехода от 1-го слоя к последую-
щему); 4-й слой металлической навивки не имеет обрывов нитей, но обнаружены очаги коррозионного воздействия и нарушение связи нитей металлической навивки и резинового слоя; поверхность фитингов имеет повреждения коррозионного характера.
Разрушающий контроль поверхностей РВД показал: расслоение корда усиления (образовавшиеся полости заполнены окалиной), границы разрыва на внутреннем резиновом слое рукава (повторяющие форму разрыва наружного резинового слоя), нити 1-3-го слоёв металлической навивки в месте разрушения потеряли связь с соответствующими резиновыми слоями (их концы с оборванными нитями имеют вид, характерный для хрупкого разрушения).
В результате анализа микроструктуры материала металлических нитей проволоки и более детального исследования приповерхностного слоя выявлены нарушения технологии нанесения и невысокое качество латунного покрытия нитей. Поперечные трещины латунного покрытия начинаются от приповерхностного слоя, имеющего мартенситную структуру (рис. 4).
Наличие дефектов структуры приповерхностного слоя привело к образованию значительных несплошностей латунного покрытия и, как следствие, к снижению адгезионных характеристик металлокорда (ослаблению связи металлической навивки с соответствующим резиновым слоем).
Мартенситная структура приповерхностного слоя металлической основы проволоки метал-локорда послужила причиной образования разветвлённых трещин, излом в месте разрушения имел древовидную структуру с острыми гранями, которые способствовали ускорению процесса разрушения резиновых слоёв, действуя как режущий инструмент, нарушая герметичность очередного слоя РДВ.
Заключение
В результате нарушения требований РД-10-103-95, ГОСТ 25452, ГОСТ 10362 изгиб РВД на радиус менее допустимого послужил причиной разрушения (разрыва) РВД [3, 5, 6].
На момент разрушения РВД прочностные свойства рукава были значительно снижены, что обусловлено коррозионным разрушением кордового усиления РВД, имевшим срытый характер.
Окись железа как продукт коррозии нитей металлической навивки, располагаясь в образовавшихся полостях между слоями, не привёл к разбуханию рукава, т. к. измельчался при его изгибе под действием фрикционного контакта и знакопеременных нагрузок, а следовательно, не мог быть выявлен при периодических осмотрах.
тери, вызванные коррозией, складываются из стоимости корродирующего материала (металла), ремонтных работ; убыток возникает вследствие временного прекращения функционирования судовых технических средств, а также затрат на предотвращение аварийных ситуаций, не допу-
Фрагмент латунного покрытия
Мартенсит волочения
Окалина
Рис. 4. Микроструктурный анализ материала проволоки DN20, при увеличении х 250 (после травления реактивом 5 % HNOз в спирте)
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Косачев В. Б., Гулидов А. П. Коррозия металлов // Новости теплоснабжения. 2002. № 1 (17). С. 34-39.
2. Гидравлические рукава серии AERQUIP. URL: http://eaton-sib.ru/products/category/gidravlicheskie-rakava-i-fitingi/navivochnye-rakava/ (дата обращения: 02.04.2018).
3. РД-10-103-95. Типовая инструкция для крановщиков (машинистов) по безопасной эксплуатации мостовых и козловых кранов. М.: ПИО ОБТ, 1997. 22 с.
4. Металлография железа. В 3 т. Т. 1. Основы металлографии: с атласом фрактографий / пер. с англ. М.: Металлургия, 1972. 240 с.
5. ГОСТ 25452-90. Рукава высокого давления с металлическими навивками, неармированные. М.: Изд-во стандартов, 2003. 19 с.
6. ГОСТ 10362-76. Рукава резиновые напорные с нитяным усилием, неармированные. М.: Изд-во стандартов, 2003. 19 с.
Статья поступила в редакцию 24.05.2018
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Баева Людмила Сандуовна — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; профессор кафедры технологии металлов и судоремонта; [email protected].
Колодяжный Валерий Иванович — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; зав. учебными мастерскими кафедры технологии металлов и судоремонта; [email protected].
Петрова Наталья Евгеньевна — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры технологии металлов и судоремонта; [email protected].
Кумова Жанна Викторовна — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; научный сотрудник кафедры технологии металлов и судоремонта; [email protected].
Орешкина Валентина Макаровна — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; доцент кафедры технологии металлов и судоремонта; [email protected].
Петров Артем Леонидович — Россия, 183010, Мурманск; Мурманский государственный технический университет; аспирант кафедры технологии металлов и судоремонта; [email protected].
L. S. Baeva, V. I. Kolodyazhnyy, N. E. Petrova, Zh. V. Kumova, V. M. Oreshkina, A. L. Petrov
INFLUENCE OF CORROSION DAMAGE ON INNER LAYERS OF FLEXIBLE HYDRAULIC CONNECTION DURING OPERATION
Abstract. Operation of mechanisms and equipment under significant temperature changes can cause brittle destruction not only of metal structures. In the process of research of high pressure hose of camber mechanism there was revealed violation of the tightness of the outer rubber layer, which led to further penetration of acid-alkaline environment (moist sea air) into the formed voids in winding layers. In the damaged segments the torn filament ends of metal coiling of flexible hydraulic connection seem typical of brittle damage. Further study of macro-and microstructure of the material of metal filaments of the wire and detailed analysis of the near-surface layer revealed violation of the technology of protective coating of the filaments. The low quality of brass coating of the
metal coiling of DN20 wire of the hydraulic connection resulted in the rapid corrosion attack. The presence of structural defects in the near-surface layer led to the formation of discontinuities of brass coating, to a decrease of adhesion characteristics of the metal coiling. Iron oxide being a product of corrosion of metal filament coiling in the formed voids between the layers slashed under bending effected by friction contact and alternating loads. The research results can be used for developing effective anti-corrosion methods for flexible hydraulic connections.
Key words: corrosion fracture, flexible hydraulic connection, brittle fracture mechanism, steel wire, layer coiling filaments.
REFERENCES
1. Kosachev V. B., Gulidov A. P. Korroziia metallov [Corrosion of metals]. Novosti teplosnabzheniia, 2002, no. 1 (17), pp. 34-39.
2. Gidravlicheskie rukava serii AERQUIP [Hydraulic hoses of AERQUIP series]. Available at: http://eaton-sib.ru/products/category/gidravlicheskie-rukava-i-fitingi/navivochnye-rukava/ (accessed 02.04.2018).
3. RD-10-103-95. Tipovaia instruktsiia dlia kranovshchikov (mashinistov) po bezopasnoi ekspluatatsii mos-tovykh i kozlovykh kranov [RD-10-103-95. Standard regulation for crane operators (machinists) on safe operation of bridge and gantry cranes]. Moscow, PIO OBT, 1997. 22 p.
4. Metallografiia zheleza. Osnovy metallografii: s atlasom fraktografii [Metallography of iron. Basic principles of metallography: with atlas of phractography]. Moscow, Metallurgiia Publ., 1972. 240 p.
5. GOST 25452-90. Rukava vysokogo davleniia s metallicheskimi navivkami, nearmirovannye [State Standart 25452-90. High pressure hoses with metal coiling, non-armoured]. Moscow, Izd-vo standartov, 2003. 19 p.
6. GOST 10362-76. Rukava rezinovye napornye s nitianym usiliem, nearmirovannye [State Standart 10362-76. Rubber pressure hoses with filament reinforcement, non-armoured]. Moscow, Izd-vo standartov, 2003. 19 p.
The article submitted to the editors 24.05.2018
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Baeva Lyudmila Sandowna — Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Professor of the Department of Technology of Metals and Repair; [email protected].
Kolodyazhnyy Valeriy Ivanovich — Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technical University; Head of educational workshops of the Department of Technology of Metals and Repair; [email protected].
Petrova Natalia Eugenewna — Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Technology of Metals and Repair; [email protected].
Kumova Zhanna Viktorovna — Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technical University; Researcher of the Department of Technology of Metals and Repair; [email protected].
Oreshkina Valentina Makarovna — Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technical University; Assistant Professor of the Department of Technology of Metals and Repair; [email protected].
Petrov Artem Leonidovich — Russia, 183010, Murmansk; Murmansk State Technical University; Postgraduate Student of the Department of Technology of Metals and Repair; [email protected].
