Minimierung von Erosionsverschleiß

Partikelbasierte Simulationen für Ihre Anwendungen

Einleitung

Verschleiß durch Erosion ist ein allgegenwärtiges Phänomen in Prozessen bei denen Partikel mit hohen Relativgeschwindigkeiten auf Wandungen treffen. Auch wenn der Materialabtrag durch jedes einzelne Partikel nur minimal ist, summiert sich der kollektive Effekt schnell auf. Begünstigt werden kann die Erosion zudem noch wenn besonders scharfkantige Partikel Verwendung finden.

Wenn die erodierte Oberfläche nicht sichtbar ist weil sie im Inneren einer Anlage liegt, bemerkt man den Effekt mitunter erst nachdem es schon zu spät ist und im schlimmsten Fall ein Loch entstanden ist. Die folgenden Ausfallzeiten und der Aufwand zur Instandsetzung verursachen hohen Kosten und sollten nach Möglichkeit vermieden werden. Eine frühzeitige Detektion von Erosionszonen durch regelmäßige Inspektionen ist ein Ansatz hierfür.

Um vorausschauend erosivem Verschleiß entgegenzuwirken, bieten sich partikelbasierte Simulationen an. Diese sind in der Lage den granularen Massenstrom abzubilden und die Aufprallereignisse im Einzelnen zu erfassen. Durch hinterlegte, kalibrierte Erosionsgleichungen kann von den kinetischen Details auf das beim Aufprall erodierte Materialvolumen geschlossen werden. Bereiche erhöhter Erosion können somit leicht identifiziert werden. Dieses Wissen kann dann genutzt werden, um durch konstruktive Veränderungen oder durch gezielte Materialsubstitution den erosiven Verschleiß zu minimieren.

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Problemstellung

Fraunhofer IWM: Experimentell ermittelter Abtrag pro Partikelaufprall und angepasstes Erosionsmodell
Experimentell ermittelter Abtrag pro Partikelaufprall und angepasstes Erosionsmodell.

Aufgrund der beim Aufprall übertragenen kinetischen Energie kommt es insbesondere bei flachem Einfallswinkel und scharfkantigen Partikeln zur Materialabtrennung durch Schneiden. Bei steilem Einfallswinkel stehen hingegen bei spröden Werkstoffen die Rissbildung bzw. bei duktilem Material der Bruch oberflächennaher Schichten nach vorangehender Verfestigung im Vordergrund.

Die bei der Erosion wirkenden Mechanismen hängen sowohl vom granularen Material als auch vom erodierten Werkstoff ab. Zur Identifikation der Mechanismen und zur Quantifizierung des Verschleißes können am Fraunhofer IWM kontrollierte Erosionsexperimente durchgeführt werden. Es werden dabei die Partikelgeschwindigkeit und der Einfallswinkel auf die Werkstückoberfläche variiert. Anschließend wird mit einem Laserrastermikroskop eine präzise dreidimensionale Vermessung des erodierten Bereichs durchgeführt.

Die Abbildung zeigt exemplarisch den erosiven Abtrag normiert auf den Aufprall eines einzelnen Partikels auf der Werkstückoberfläche als Funktion des Einfallswinkels. Die ausgeprägte Winkelabhängigkeit wird hierbei deutlich. An die experimentell ermittelten Daten ist eine analytische Funktion angepasst, deren Eigenschaften durch die zugrunde liegenden Erosionsmechanismen physikalisch motiviert sind. Basierend auf der Kalibrierung am Experiment kann die Funktion anschließend genutzt werden, um in partikelbasierten Simulationen den Erosionsverschleiß quantitativ vorherzusagen.

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Ergebnisse

Fraunhofer IWM: Erosiver Abtrag in gekrümmten Rohren
Erosiver Abtrag in gekrümmten Rohren.

In SimPARTIX®-Simulationen wird der erosive Materialabtrag an einer Oberfläche bei jedem Partikelkontakt mithilfe einer hinterlegten Erosionsgleichung protokolliert. Zur Visualisierung können daraus sogenannte heat maps der Erosion auf der Oberfläche erzeugt werden. In der Abbildung ist links der Abtrag in einem gekrümmten Rohr dargestellt, der durch den Aufprall von Partikeln im Schwerefeld verursacht wurde. Deutlich zu erkennen ist der rote Bereich des primären Partikeleinschlags. Daneben kommt es zu weiterem Verschleiß entlang der Oberfläche. In den blauen Bereichen tritt so gut wie keine Erosion auf.

Es ist ebenfalls möglich mit SimPARTIX® Mehrphasenströmungen zu berechnen und somit beispielsweise die erosiven Eigenschaften einer Suspension zu beschreiben. Hierzu wird eine Kopplung der DEM und der SPH-Methode verwendet. In der Abbildung ist in der Mitte und rechts die Erosion dargestellt, die durch Partikel in einem sie umgebenden Fluid mit unterschiedlicher Viskosität verursacht wurde. Mit steigender Viskosität sinkt der Verschleiß. Durch die viskosen Eigenschaften der Flüssigkeit werden die Partikel abgebremst, so dass diese mit einer geringeren kinetischen Energie auf die Oberfläche prallen.

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