Deniz sularında kullanılan çelik malzemelerin slurry erozyon aşınma davranışının incelenmesi

Abstract

Slurry (çamur) erozyonu, içerisinde asılı halde katı tanecikler bulunan sıvının malzeme yüzeyi ile etkileşiminden kaynaklanan ve malzemelerin ağır hasara uğramasına neden olan bir aşınma prosesidir. Bu aşınma prosesinde partiküllerin malzeme yüzeyine tekrarlı temasları sonucunda kütle kaybı meydana gelmektedir. Pervaneler, valfler, türbin kanatları, çamur pompaları ve katı partikül taşıyan boru hatları slurry erozyonun sıklıkla karşılaşıldığı endüstriyel uygulama ekipmanlarıdır. Slurry erozyon akış alanı parametreleri, hedef malzeme özellikleri ve aşındırıcı partikül karakteristikleri gibi birçok faktör tarafından etkilenen karmaşık bir proses olduğu için henüz tam anlamıyla anlaşılabilmiş değildir. Bu faktörler arasında malzeme kaldırma prosesi üzerinde en önemli rol oynayan çarpma açısı ve hedef malzemenin mikro yapısıdır. Literatürde sünek ve gevrek malzemelerin slurry erozyon davranışları ve slurry erozyonunu etkileyen parametreler üzerine çeşitli çalışmalar yapılmakla birlikte araştırmalar derinlemesine devam etmektedir.Ülkemizin üç tarafının denizle çevrili olması ve birçok ülkeyle denizyolu bağlantılarının bulunması sebebiyle Türkiye dış ticaretinin hem ihracat hem de ithalatının yarıdan fazlası denizyolu taşımacılığı ile gerçekleştirilmektedir. Ayrıca ülkemiz, denizcilik hatlarındaki stratejik konumda yer alan limanlarıyla, doğu-batı ve kuzey-güney yönlü uluslararası ulaştırma koridorlarının kesişim noktasında çok önemli limanlara ev sahipliği yapmakta dolayısıyla yabancı bayraklı ticari, turistik ve transit filoları deniz sularımızda barındırmaktadır. Tüm bunların yanı sıra savunma ve güvenlik açısından Türk Deniz Kuvvetleri filoları da büyük önem arz etmektedir. Tüm bu sebeplerden dolayı Türkiye deniz sularındaki slurry erozyon aşınmasının incelenmesi önem teşkil etmektedir.Bu amaçla yapılan tez çalışmasında Türkiye kara sularındaki farklı deniz suyu konsantrasyonlarından dolayı slurry erozyon aşınması üzerine yoğunlaşılması gerektiği düşüncesinden yola çıkarak malzeme, aşındırıcı partikül özellikleri (türü, boyutu, çarpma açısı ve hızı) ve test süresi kombinasyonlarının özel olarak tasarlanan bir deney düzeneği kullanılarak karşılaştırması yapılmıştır.Slurry erozyon potası test cihazı tasarımının gerçekleştirilmesi ile gemi pervanelerinde, deniz/baraj/akarsu alanı içerisinde kalan köprü ayakları çevresinde, sulu ortamda çalışan makine ve parçalarında slurry aşınmasına maruz kalan malzemelerin kullanım ömürlerinin artırılmasına önemli bir katkı sağlanması hedeflenmiştir. Böylelikle slurry erozyon aşınmasına karşı davranışlar neticesinde aşınmaya maruz kalan sistemlerin ve parçaların en uygun ve en ekonomik şekilde korunma metotları araştırılarak önleyici sistemlerin geliştirilmesi ve parçaların ömrünün arttırılabilirliği ve ekonomik açıdan kazanımları sorgulanmıştır. Yapılan deneysel çalışmada, Alman standartlarında (DIN) St 12 kalite, Amerikan kalite standartlarında (ASTM - SAE – API) A366/CQ olarak geçen dekape sac malzemenin slurry erozyon aşınma davranışları su-kum bulamacında ve tuzlu su-kum bulamacında sırasıyla incelenmiştir. Bulamaç hazırlanırken 400 μm büyüklüğündeki Al2O3 ve çelik grid aşındırıcı partiküller kullanılmış olup Akdeniz, Karadeniz, Ege Denizinden alınan tuzlu su ile ayrıca mukayese yapabilmek için saf su karşılaştırılmıştır.Revize edilen tezgâh üstü sütunlu matkaba bağlanan numune tutucular vasıtasıyla numunelerin, 30⁰, 60⁰ ve 90⁰ çarpma açılarındaki slurry erozyon aşınma davranışları incelenmiştir. Deneyler, 1900 dev/dk mil dönme hızında 300 dk süreyle üç tekrarlı olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Aşındırıcı partikül boyutu, konsantrasyon yüzdesi, çarpma hızı parametreleri sabit tutularak çarpma açısının ve tuzluluk yoğunluğunun meydana getirdiği erozyon oranındaki değişime ait sonuçlar belirlenmiştir. Bulamaçtaki tuzluluk oranının yoğunlaşmasıyla slurry erozyon aşınmasının arttığını gözlemlenmiştir. Ayrıca çarpma açısı küçüldükçe numunelerdeki kütle kaybının arttığı sonucuna varılmıştır.

Slurry erosion is a wear process that results from the interaction of the liquid with solid particles suspended in it and the surface of the material, causing severe damage to the materials. In this erosion process, massive loss occurs as a result of repeated contact of the particles to the material surface. Propellers, valves, turbine blades, sludge pumps and solid particle carrying pipelines are industrial application equipment where slurry erosion is often encountered. Slurry is not yet fully understood because it is a complex process affected by many factors such as erosion flow field parameters, target material properties and abrasive particle characteristics. Among these factors, the impact angle and the microstructure of the target material play the most important role on the material removal process. In the literature, researches have been continuing thoroughly together with the studies on slurry erosion behaviors of ductile and crunchy materials and parameters affecting slurry erosion.Because three sides of our country are surrounded by four seas and there are sea links with many countries, more than half of both exports and imports of Turkiye's foreign trade are carried by sea transport. Turkiye is also home to very important ports at the intersection of the east-west and north-south international transport corridors with the ports at strategic locations in the maritime lines, therefore we have foreign flagship commercial, tourist and transit fleets in our sea waters. In addition to all these, the Turkish Naval Forces are also of great importance in terms of defense and security. This study provides an examination of slurry erosion at different sea water concentrations (especially seawaters in Turkey). In this thesis, the effects of experimental parameters, angle of attack, slurry velocity, sand particle size and sand concentration on slurry erosion in both of water-sand and saline-sand mixtures of steel sheets reference material were compared using a specially designed test setup.Within the scope of this postgraduate thesis, when examining the slurry erosion wear in different sea water concentrations (different concentrations of the four seas on three sides of our country have been prioritized), the idea that sample, abrasive (particle properties and size, impact angle, velocity) and test time combinations have been examined with a single experimental setup has been established. Therefore, in this study, with materializing a slurry erosion tank test device design, it was aimed to make an important contribution to increase the service life of materials exposed to slurry wear in machinery and parts working in an aqueous environment, around bridges in marine / dam / river area in ship propellers. Thus, if behaviors against slurry erosion wear are known, the most appropriate and economical methods of protection are questioned for systems and parts exposed to this erosion.In the present work, erosion wear due to water–sand/saline-sand mixture have been investigated using a slurry erosion pot tester. In the experimental study, slurry erosion wear behavior of St 12 / A366/CQ quality dekape steel sheet material was investigated in water-sand slurry and saline-sand slurry respectively. For slurry; 400 μm Al2O3 Al2O3 and steel grid abrasive particles and brine from the Mediterranean, Black Sea and Aegean Sea were also used to compare with the mains water.Slurry erosion wear behaviors of the samples at 30⁰, 60⁰ and 90⁰ impact angles were examined by means of the sample holders connected to the revised bench top column drill. The experiments were carried out in three sets for 300 min at spindle rotation speed 1900 rpm. Corrosive particle size, concentration percentage, impact velocity parameters were kept constant and the results of the change in erosion rate caused by impact angle and salinity density were compared.Abrasive particle size, concentration percentage, impact velocity parameters were kept constant and the results of the change in erosion rate caused by impact angle and salinity density were determined. The results showed that slurry erosion wear increased as salinity increased. Maximum erosion wear was observed at 30⁰ in the Mediterranean saline-sand slurry, and minimum erosion wear was measured at 90⁰ in water-sand slurry.