Những nghiên cứu về xóimịn

Một phần của tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy đến sự sói mòn đường ống bơm ép nước tại mỏ bạch hổ và giải pháp khắc phục (Trang 39 - 45)

2.2. Lý thuyết xóimịn bề mặt

2.2.2. Những nghiên cứu về xóimịn

Bề mặt bị xói mịn do tiếp xúc với dịng hỗn hợp theo hướng song song hoặc lệch góc α (gọi là góc tới).

Hình 2.7. Mơ phỏng xói mịn bề mặt do tiếp xúc với dòng chảy

-Theo J.A.Williams và Irina Hussaihova thì quan hệ giữa lượng mòn và các thơng số ảnh hưởng có dạng:

+Khi dòng song song với bề mặt mòn:

V = kvoⁿ (2.1)

+Khi dịng lệch góc α với bề mặt mịn:

V = kvoⁿ . f(α) (2.2)

Trong đó:

k: hệ số phụ thuộc vào đặc tính vật liệu.

n: chỉ số bậc, theo thực nghiệm có giá trị từ 2 – 4. vo: vận tốc dòng hỗn hợp, (m/s).

f(α): phụ thuộc vào góc tới, xác định bằng thực nghiệm.

Từ các biểu thức (2.1), (2.2) suy ra: lượng mòn phụ thuộc và tỷ lệ thuận với voⁿ, phụ thuộc vào đặc tính vật liệu, nhiệt độ và góc tới.

- Theo I.V.Kragelski, I.K.Lebedev và V.N.Bratchicov thì xói mịn bề mặt là một dạng mòn phổ biến của bề mặt khi tiếp xúc với môi trường là dòng hỗn hợp. Quan hệ giữa lượng mịn và các thơng số ảnh hưởng được biểu diễn dưới dạng :

V=f(1-k)vo² sin²αo (ctgαo – fk)/2g Pזεⁿ (2.3) Trong đó: V: thể tích vật liệu bị xói mịn; αo: góc tới . vo: tốc độ dịng. g: gia tốc trọng trường. f: hệ số ma sát.

k: hệ số phục hồi (được tính theo Newton). Pז: áp suất trung bình biến dạng chảy của vật liệu.

ε: hệ số phoi mỏng.

n: hằng số được xác định bằng thực nghiệm. - Finnie đề nghị cơng thức tính mịn như sau :

V = vo² (sin2αo - 3sin² αo )/ 8gδty, khi αo ≤ 18,5° (2.4) V = vo² cosαo / 8gδty, khi αo >18,5° (2.5)

Ở đây: δty - giới hạn ứng suất chảy, (MPa).

Lý thuyết này dự báo lượng mòn tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ dòng

chảy. Những nghiên cứu rộng hơn cho thấy V ~ voⁿ với n > 2 (từ 2,05 đến 2,44; có

khi n = 6,5).

Những nghiên cứu về sự phụ thuộc của mịn xói mịn với tốc dộ dòng khác nhau đã chỉ ra số mũ n là hằng số trong vùng tốc độ giới hạn; ngồi giới hạn này, chỉ số n có thể biến động theo bất kỳ chiều nào.

Theo công thức trên lượng mòn V = 0 khi αo = 0° hoặc 90° là mâu thuẫn với số liệu thực nghiệm.

- Theo T.G.Bitter, K.Wellinger (được thí nghiệm của I.R.Klayx khẳng định) thì xói mịn được xem là tổ hợp của hai dạng mịn: biến dạng và cắt. Tính năng vật

liệu ảnh huởng mạnh tới mối quan hệ giữa mòn với vận tốc dịng chảy và góc tới.

Đối với vật liệu dẻo thành phần mòn biến dạng thường nhỏ và quan sát thấy mịn

cực đại trong vùng góc tới nhỏ; ngược lại, đối với vật liệu giịn ta có quan hệ giữa

mịn và góc tới là tăng đều và đạt cực đại ở αo = 90° .

- E.F.Nepomniatsi đã khảo sát trường hợp xói mịn phát sinh khơng phải do cắt tế vi mà do mỏi ma sát. Khi hạt tương tác đàn hồi đối với bề mặt, mỏi của lớp bề mặt có bản chất gần với vật liệu bền thường và khi có tương tác dẻo, lớp bề mặt có mỏi chu kỳ nhỏ. Tính tốn được tiến hành cho trường hợp các hạt hình cầu với kích thước và mật độ như nhau, dịng hạt có góc tới αo so với bề mặt mòn, tốc độ chuyển

động của các hạt là như nhau – vo và sự va đập lần thứ hai của hạt lên bề mặt coi như khơng thể xảy ra. Ngồi ra, mối tương tác giữa mỗi hạt với bề mặt không ảnh

hưởng đến các hạt lân cận. Khi gặp bề mặt phá huỷ dưới góc tới αo, hạt thâm nhập vào bề mặt và trượt một quãng đường ma sát.

Trong trường hợp này cường độ xói mịn đựơc xác định:

Ixói mịn = 3Vρs/4πR² ρrq (2.6)

Trong đó:

V: lượng mòn.

ρs và ρr: khối lượng riêng vật liệu mòn và hạt mài;

R: bán kính hạt

q: số lượng hạt tạo mòn.

Những nghiên cứu cường độ mòn khi tiếp xúc đàn hồi và khi tiếp xúc dẻo đã tìm được mối quan hệ giữa cường độ xói mịn và vận tốc, góc tới, hệ số ma sát, đặc tính của vật liệu bề mặt mịn và hạt:

- Khi tiếp xúc đàn hồi : Ixói mịn tỷ lệ với vo mũ 2+2/5*t (2.7) - Khi tiếp xúc dẻo : Ixói mịn tỷ lệ với vo mũ 2+(t+1)/2 (2.8) Với t là hệ số mỏi ma sát đối với dạng phá huỷ.

Như vậy, ảnh hưởng của vo lớn hơn qui luật bình phương và phù hợp với số

liệu thực nghiệm.

Lý thuyết cũng dự báo xói mịn ở đây khơng phụ thuộc vào kích thước của hạt. Tuy nhiên, kết luận này chỉ phù hợp với kích thước hạt đạt từ một trị số nào đó trở lên thì kích thước hạt sẽ khơng ảnh hưởng tới cường độ mịn. Tăng ma sát dẫn đến

tăng mãnh liệt mịn. Cải thiện tính năng bền và mỏi (t, σ0, e0 ) sẽ làm tăng tính chống xói mịn. Tăng module đàn hồi dẫn tới tăng mòn khi σ0 = const (tiếp xúc đàn hồi) và tăng độ cứng vật liệu σt dẫn tới giảm mịn (tiếp xúc dẻo). Góc tới ảnh hưởng mịn theo qui luật Ixói mịn tỷ lệ với ((sinαo)2+2t/5)*A(α) khi tiếp xúc đàn hồi và Ixóimịn tỷ lệ với ((sinαo)2(t+5)/2)*A(α) khi tiếp xúc dẻo. Khi αo = 0 và αo = 90° thì Ixói mịn =0

αo = αmax độ xói mịn là cực đại.

Cơng thức lý thuyết về góc tới, tương ứng mòn cực đại cho điều kiện ftgαo

<1/3 được hiển thị ở hình sau :

10 20 30 40 50 60 70 αo

Hình 2.8. Sự phụ thuộc lý thuyết giữa xói mịn và góc tới Ixm.102 3 2 1 0,3 0,2 0,1 1 2 3 4 5 6 Ixm.102 3 2 1 0,1 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1

(1) & (2) –Xói mịn khi tiếp xúc đàn hồi (1): t=4; (2): t=3;

(3) – Cắt tế vi khi tiếp xúc đàn hồi (4) – Xói mịn khi tiếp xúc dẻo (5) & (6) – Cắt tế vi khi tiếp xúc dẻo (5):f=0,1; (6): f=0,4

Sự phụ thuộc giữa góc tới lớn nhất và hệ số xói mịn f được thể hiện ở hình

2.9.

Hình 2.9. Sự phụ thuộc của góc tới lớn nhất và hệ số xói mịn f

- Theo S.P.Turchaninov, lượng xói mịn đường ống phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy v được biểu diễn theo phương trình sau :

∆ = a*v+bv (2.9)

Trong đó:

a là hệ số xác định bằng thực nghiệm, đó chính là tang của góc đường

xiên thực nghiệm lượng mịn đường ống và trục hồnh

bv là hằng số không đổi ứng với từng điều kiện thực nghiệm.

Cũng theo S.P.Turchaninov, lượng xói mịn đường ống khi vận tốc dòng thay

đổi từ v1 sang vận tốc v2 được biểu diễn theo phương trình sau:

∆v2 = v2/v1(∆v1 – bv ) + bv (2.10) Trong đó: ∆v2 và ∆v1 là lượng mịn đường ống tương ứng với vận tốc v2 và v1, và phương trình này cũng chỉ đúng khi các thơng số khác khơng được thay đổi.

Theo S.P.Turchaninov, độ xói mịn cũng chịu ảnh hưởng của đường kính ống. Bằng nghiên cứu thực nghiệm với các loại ống có đường kính từ 50mm đến

300mm, S.P.Turchaninov và nhiều tác giả khác đã kết luận là với các điều kiện

ngoại biên như nhau, độ xói mịn giảm tuyến tính với đường kính ống tăng từ 50mm 4 3 2 1 0 20 40 60 αo max 1 f 0,5 1. t = 2,5 2. t = 5 3. t = 10 4. tgαo = 1/2

Hình 2.10. Mối quan hệ giữa ∆ = f(v) (Điều kiện thực nghệm đường ống thép D=150mm)

Hình 2.11. Mối quan hệ giữa ∆ = f(D) đối với đường kính ống từ 50mm đến 200mm (1- ống đồng ; 2-ống thép) ∆.10 -11, m/s 300 200 100 0 50 75 100 125 150 175 D (mm)

Đường cong thực nghiệm Đường cong tính tốn Vùng chưa thực nghiệm nngnghiệm nghiệm 1 2 0 500 -75 -100 300 400 200 100 600 ∆.10 -11, m/s 1 2 3 1,14 4 5 6 v, m/s 1,47 1,274 γπ = 1,345 1,45 γπ = 1,25 1,095 1,02 1,04 3 1,049 1,201 2

Hình 2. 12. Mối quan hệ giữa ∆ = f(v)

(Điều kiện thực nghệm đường ống thép (•) và ống đồng (o) D=75mm)

đến 115mm. Trong khoảng đường kính ống từ 120 mm đến 150 mm thì độ xói mịn

là cực tiểu. Với đường kính ống từ 150 mm đến 200 mm thì độ xói mịn tăng tuyến tính với đường kính ống [27].

Một phần của tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng chảy đến sự sói mòn đường ống bơm ép nước tại mỏ bạch hổ và giải pháp khắc phục (Trang 39 - 45)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(80 trang)