キ ャ ビテーシ ョン壊食 とス ラ リー摩耗 の複合 損傷 に及 ぼす
ス ラ り一濃度の影響*
服 部 修 次*1,前 川 紀 英*2
Effect of Slurry Concentration on Simultaneous Damage of Cavitation Erosion and Slurry Wear
Shuji HATTORI*3 and Norihide MAEKAWA
'Department of Mechanical Engineering , Fukui 3-9-1 Bunkyo, Fukui-shi, Fukui, 910-8507
University, Japan
Simultaneous damage of cavitation erosion and slurry wear of SUS 304 was studied by using a test apparatus with the combination of an ultrasonic vibratory cavitation device and a slurry jet device. The tests were carried out in slurry having concentrations from 0 mass percent to 6 mass percent. The slurry was made of tap water and silica sand. Volume loss rate first kept constant irrespective of concentration and then began to increase remarkably at a certain concentration. Thus, a critical concentration was found beyond which silica sand has an effect on slurry wear. Moreover, the volume loss rate of the simultaneous damage is higher than that of slurry wear without cavitation at concentrations exceeding the critical concentration. The acceleration ratio of volume loss rate (simultaneous damage/slurry wear) is as much as 2.4, when the flowing velocity is low (5 m/s) and the slurry is low near the critical concentration.
Key Words : Cavition Erosion, Iron and Steel, Wear, Slurry, Silica Sand, Concentration
1.緒 言 ポ ン プや 水 車 な どの 流 体 機 械 で は高 速 化,小 形 化 が 進 むの に伴 い,キ ャ ビテ ー シ ョン に よ る機 器 の損 傷 が 深 刻 な問 題 に な って い る.特 に,土 砂 を多 量 に含 ん だ 中 国 や イ ン ドな どの 河 川 の 流 域 で 稼働 す る流体 機 械 や 沈 砂 池 の な いダ ム,泥 水 中 で 使 用 され る ス ラ リー ポ ン プ な どで は,キ ャ ビテ ー シ ョン壊 食 とス ラ リー摩 耗 が 重 畳 し て 非 常 に激 し い 損 傷 が 発 生 す る(1}.Chenと Ye〔2)は,キ ャ ビ テ ー シ ョ ン壊 食 とス ラ リー 摩 耗 が 重 畳 す る複 合 損 傷 に対 して 数 多 くの 溶 射 材 料 の 中 でNi 合 金 が 優 れ て い る と報 告 して い る.岩 井 ら(3)は,種 々 の 流 速 で 加速 され た 固体 粒 子 の噴 流 と キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊食 の 複 合 損傷 量 が ス ラ リー摩 耗 とキ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食 の 単純 な 和 と はな らな い こ と を報 告 して い る. 複 合 損 傷 で は,流 速 の ほ か に ス ラ リー濃 度 が 大 き く 影 響 す る と考 え られ るが,こ の よ う な研 究 は 非 常 に少 な い.佐 藤 ら(4)は,キ ャ ビテ ー シ ョン を伴 う水 中噴 流 試験 装 置 を 用 い て複 合損 傷 試 験 を行 い,複 合 損 傷 量 が 濃 度 に比 例 し て増 加 す る こ と を報 告 して い る.し か し,こ の 装 置 で は キ ャ ビテ ー シ ョ ン 壊 食 の エ ネ ル ギ ー 〔5)が小 さ い 試 験 条 件 で 行 わ れ て い る た め に,濃 度 0%で は ほ とん ど壊 食 し な い結 果 とな っ て い る.多 ,く の 流 体 機 器 で は,濃 度0%す な わ ち 清 水 中 で も キ ャ ビ テ ー シ ョ ン壊 食 が 大 きな 問 題 とな っ て い る の で,強 い キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食 エ ネ ル ギ ー の場 合 に どの程 度 の 濃度 か らス ラ リー摩 耗 が 影響 す るの か 明 らか に して お く必 要 が あ る. 本 研 究 で は,磁 わ い振 動 式 キ ャ ビ テ ー シ ョ ン発 生 装 置 の振 動 子 に取 付 けた 試験 片 を振 動 させ な が らけ い砂 を含 む 水道 水 を試 験面 に垂 直 に衝 突 させ る方 法 で キ ャ ビテ ー シ ョ ン とス ラ リー の 複 合 損 傷 試 験 を行 い,複 合 損 傷 に及 ぼ す濃 度 の影 響 に つ い て検 討 した. 2.試 験 方 法 お よび供 試 材 料 *原 稿 受 付2000年2月14日 . *1正 員 ,福 井 大 学 工 学 部(⑰910-8507福 井 市 文 京3-91), #2正 員 ,福 井 大 学 工 学 部. E--maii:hattori@mech.fukui…u.ac.jp 試 験 装 置 の概 略 を 図1に 示 す.試 験 装 置 は キ ャ ビテ ー シ ョ ンを発 生 させ る た め の 磁 わ い振 動 装 置 ① ,振 動 子 の ホー ン②,先 端 に取 付 け た 試 験 片 ③,試 験 液 を噴 射 させ る た め の ノ ズ ル④,試 験 水 槽 ⑤ 水 に固 体 粒 子 を混 合 させ る た め の 貯 水 槽 ⑥,か くは ん機 ⑦,お よ び そ れ を循 環 さ せ る た め の ポ ンプ⑧,流 量 調 整 バ ル ブ⑨, 試 験 水 槽 の水 位 を調 整 す るバ ル ブ⑩,ま た水 位 を一 定
920 キ ャ ビテ ー シ ョン壊 食 と ス ラ リー 摩 耗 の 複 合 損 傷 に及 ぼ す ス ラ リー'!度 の影 響 に保 持 す る た め の 排 水 口⑪ か ら構 成 さ れ て い る.磁 わ い 振 動 装 置 の 共 振 周 波 数 は14.5kllz,ホ ー ン 先 端 の 全 振 幅(peaktopeak)は20オm∼60オmま で 連 続 的 に 可 変 で あ る が,本 研 究 で は50オin-一 一定 で 行 っ た.直 径 18mm,厚 さ12mmの デ ィ ス ク 状 試 験 片 を ホ ー ン の 先 端 に ね じ込 ん で 取 付 け,試 験 液 中 に 浸 漬 し た 状 態 で 振 動 に よ っ て 試 験 面 に キ ャ ビ テ ー シ ョ ン を 発 生 さ せ, 同 時 に 試 験 面 か ら20mm離 れ た 直 径3mmの ノ ズ ル よ り試 験 液 を 試 験 面 に 垂 直 に 噴 射 さ せ た.ノ ズ ル か ら の 流 速 は 流 量 調 整 バ ル ブ を 調 整 し て 変 化 さ せ た.最 大 流 速 は16m/sで あ る.試 験 水 槽 の 液 面 は 排 水 バ ル ブ を 調 節 し て 試 験 面 よ り50mm高 く し て 試 験 片 を 完 全 に 浸 漬 し た 状 態 で 試 験 を行 っ た.ス ラ リ ー 液 の 作 成 に 11 ユ xo ¶. 5' 2 3 4 ・.一 ?、 1 6. \ ▼
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8 ピ9 は け い 砂9号 を 用 い た.図2は け い 砂 を 電 子 顕 微 鏡 で 観 察 し た も の で,20オm∼9(}オmの 角 ば っ た 粒 子 が 観 察 さ れ る.図3は 粒 子 径 の 頻 度 分 布 を 示 し た も の で, 平 均 粒 径 は37オmで あ る.試 験 液 は30Lの 水 道 水 に 質 量 比 で0%,1%,2%,3%,5%,6%含 有 さ せ た ス ラ リ ー 液 で あ る.黄 河 水 の 年 平 均 濃 度 が 約3.7%で あ る こ と か ら,試 験 液 の 濃 度 を こ の 値 近 傍 に 設 定 し た.試 験 液 は10時 間 試 験 す る こ と に 新 し い も の と 交 換 し た. 液 温 は 特 に 制 御 し て い な い が,ど の 試 験 で も20∼30℃ の 範 囲 に 入 っ て い た. 供 試 材 料 は 腐 食 の 影 響 を で き る だ け 除 外 す る た め オ ー ス テ ナ イ ト系 ス テ ン レ ス 鋼SUS304を 使 用 し た . 化 学 成 分 と機 械 的 性 質 を表1,表2に 示 す.試 験 面 は# 1200エ メ リ ー 紙 で 研 摩 後 パ フ 仕 上 し て 鏡 面 に し た. 質 量 減 少 量 は 所 定 時 間 試 験 後,試 験 片 を ホ ー ン か ら外 し ア セ ト ン 中 で 超 音 波 洗 浄,冷 風 乾 燥 後,精 密 天 秤(感 度0.01mg)で 測 定 し た.体 積 減 少 量 は 質 量 減 少 量 を 密 度 で 除 し て 求 め た.壊 食 面 形 状 は1時 間 ご と に 触 針 式 表 面 粗 さ計 で 測 定 し た. 3.実 験 結 果 お よび 考 察 6.Tank 7.Stirrer S.Pump 9.Valve 10.Drainvalve 11.Weir 3・1濃 度 の 異 な る液 中 で の ス ラ り一 摩 耗 キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食 と ス ラ リー摩 耗 の複 合 損 傷 の試 験 に 先 立 ち,試 験 片 を静 止 して キ ャ ビ テ ー シ ョ ン を発 生 さ Table1 1.Magnetostrictive oscillaヒor 2.Amplifyinghorn 3.Testpiece 4.Nozzle 5.Waterbath Chemicalcompositionofthematerial [mass%]囲
SUS304 C 0.05 plS 0.61 Mn 0.94 P 0.030 S a.00s Ni 8.14 Cr 18.10 Fig.1Schematicviewofslurryjettestapparatus Table2Mechanicalpropertiesofthematerial Densi取 9㎝3 7.8 Young's Modulus GPa 193 0.2%proof 甜 ㎝9血 1' 339讐
676 Elong-ation % 54灘
274 30 承 r ヤ 戸 聖 戯 髄 ∫C、 刃 匡eK、 邑 100um Fig.2SEMphotographofsilicasand 0 2 0 1 O > o 藍 o コ σ o ﹂ ↑ 〇 三 ρ 6 一 ① 匡 020406080100120 Particlessizeofsilicasandum Fig.3Distributionofparticlesizeキ ャ ビ テー シ ョ ン壊 食 とス ラ リー 摩 耗 の 複 合 損 傷 に及 ぼ す ス ラ リー 濃 度 の影 響 921 せ な い状 態 で ス ラ リー 摩 耗 試 験 を行 った. 図4(a)は 濃 度 を1%,3%,5%,6%と 変 化 さ せ た ときの ス ラ リー摩 耗 の 体 積 減 少 量 曲 線 を 示 す.流 速5 m/sで は,濃 度 が1%で ほ と ん ど摩 耗 し な い.濃 度 3%に な る と体 積 減 少 量 は5時 間 後 に約0.75mm3,さ ら に濃 度5%,6%に な る と3%に 比 べ て そ れ ぞ れ 約4 倍,約6倍 に増 加 す る.な お,6%の 実験 点 は2点 しか な いが,濃 度 が 高 い た め に,試 験 水 槽 の 底 に砂 が 沈 殿 しや す い の で と き ど き装 置 を止 め て 水 槽 内 全体 を大 き く撹搾 し,質 量 測 定 の た め の 時 間 間 隔 を 長 く とっ て 試 験 した た め で あ る.一 方,図4(b)に 示 す 流速13m/s で は濃 度1%で も摩 耗 し,濃 度2%,3%に な る につ れ て 急速 に摩 耗 す る よ うに な る. 図5は 一 例 と し て,濃 度3%の ス ラ リー 液 を流 速13 m/sで 衝 突 さ せ て試 験 を した と き の 試 験 面 の マ ク ロ 写 真 とそ れ に対 応 す る表 面 形 状 で あ る.摩 耗 面 形 状 は どの 濃 度 で も中 心 か ら2∼3mm離 れ た 位 置 が 最 も深 く な る 噴 流 形 ス ラ リー 摩 耗 独 特 のW字 状 を 呈 す る(6).試 験 時 間 経 過 に伴 う最 大 摩 耗 深 さ の変 化 につ い て は紙 面 の都 合 上 図 を 省 略 す る が,図4と 同様 な傾 向 を示 した. 図6は,図4の 体 積 減 少 量 曲 線 の 直 線 の 傾 きか ら体 積 減 少 率 を求 め,濃 度 との 関 係 を両 対 数 紙 上 に プ ロ ッ トした もの で あ る.図 中 に は10m/sの 結 果 も示 し て あ る.体 積 減 少 率 は濃 度 の1.8∼2.1乗 に比 例 して 増 加 し,流 速 が 大 き い 程 指 数 が 大 き くな る.Hockeと Wilkinson")は,濃 度40%の ス テ ン レス 鋼 の 体 積 減 少 率 は,25%の 場 合 に比 べ て2.8倍 増 大 す る こ とを報 告 して い る.こ の増 加 率 か ら計 算 した指 数2.2は 本研 究 の結 果 とほ ぼ一 致 す る. 3・2キ ャ ビテ ー シ ョン壊 食 とス ラ リー 摩 耗 の 複 合 損 傷 図7(a)は 各 種 濃 度 の ス ラ リ ー 液 を 流 速5 m/sで 衝 突 さ せ なが ら振 動 キ ャ ビ テ ー シ ョ ン壊 食 試 験 した と きの体 積 減 少 量 曲 線 で あ る.な お,参 考 の た め に濃 度3%で ス ラ リー 摩 耗 試 験 を行 っ た と きの 体 積 減 少 量 曲線 を 図 中 の 破 線 で 示 す.濃 度0%(清 水 中)の キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食 試 験 で は,体 積 減 少 量 曲 線 は1 15 +1飴slurry罵ear ‐f-3%slurrywear +5覧slurry罵oar 乍10+6瓢81u「 「y賢e・・ 器 0 ゆ 55轍O > 0 ◆ 董0㎜ (a)Phot:ographofdamagedsurface(3%,13m/s) 15 0 1 234 Timeh {a)V=Sm/s 5 s
﹁
0 1 ` \ p・ 匡 1 3 ⑩ ﹂ 1 α ω ω o 藺 O 匿 ε O > (h)Surfaceprofile Fig.5Specimensurfaceafter5hours ‐ -196slurrywear → 一一2%slurrywear ㌃1。+3%slu「 「yWea「 ω ω O 隔 O § 三 〇 ﹀ 5 a 0 1 △ 23 Time h (b)V=13m/s 4 ム 5 Fig.4Volumelosscurvesofslurrywear 6 ‐+‐5m/sh -f-10m/s 湘P13m/s t 1[ 0.01 0.1>>a Concentrationmass% Fig.6Relationbetweenslurryconcentrationandvol-umelossrate(slurrytest)922 キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食 とス ラ リー 摩 耗 の複 合 損傷 に及 ぼ す ス ラ リー 濃 度 の 影 響 時 間程 度 の潜 伏 期 の後,直 線 的 に増 加 して 定 常 期 に 至 る.濃 度1%∼5%で は,潜 伏 期 間 は それ ほ ど変 わ ら な い が,濃 度 が 高 くな る と直 線 の こ う配 は小 さ くな る. 3%ス ラ リー摩 耗(図 中 破 線)の 体 積 減 少 量 は,流 速 が 低 い た め に3%振 動 キ ャ ビテ ー シ ョン に比 べ て約1/10 15 0 1 5 ゜匡 o ↑ O ﹂ の の o 疇 O 鐸 三 〇 ﹀ 一 ◎一・CavEro 一轟 一CavEro -一+‐Cay .Ero -● 一一・CavEro -+‐Cay .Ero -一一一一396slur inwaterO% with1%slurrywear wth396slurrywear wth5%slurrywear with6%slurrywear ywear 0 0 1 234 Timeh (a)V==51n/s 5 6 15 0 5 1 °・ 巨 ω 。。 。 噸 。 雪 疇 。 ﹀ 一一〇‐Cay .Ero.inwaterO% +Cav.Ero.with3%slurrywear with5%81urrywear ‐;‐Cay.Ero. 一一一一一3%slurrywear 0 0 1234 Timeh (b)V=-10m/s 5 6 15 ゜屡 10 5 の の O 一 〇 ∈ 5 一 〇 ﹀ 一一〇‐Cay .Ero.inwaterO96 ‐ ‐Cay .Ero.with196slurrywear +Cav .Ero.with2%slurrywear 一 倉一Cav .Ero.with3%slurrywear -一一一一3%slurrywear ,,"/ro// と非 常 に少 な い.さ ら に,濃 度6%に な る と,ス ラ リ ー摩 耗 の 影響 が 大 き くな って 清水 中 の体 積 減 少 量 と同 程 度 に な る. 図7(b),(c)は そ れ ぞ れ 流 速10m/s,13m/sの 場 合 の体 積 減 少 量 曲線 で あ る.流 速1{)m/sの 清 水 中 の 体 積 減 少 量 は,流 速5n1/sの 場 合 に比 べ て や や小 さ く な る.濃 度3%の 複 合 損 傷 は清 水 中 の 結 果 とほ ぼ 同 程 度 で あ るが,濃 度5%に 増 加 す る と潜 伏 期 が 消 失 し て 直線 の こ う配 が大 き くな る.同 様 な傾 向 は 流 速13m/ sの 場 合 に も認 め られ る.た だ,流 速13m/sで は,濃 度 が1%で も潜 伏 期 が な くな り,3%の 低 濃度 で も体 積 減 少 量 が 急 速 に 増加 す る. 図8は,流 速5m/sで5時 間 試 験 を した 後 の試 験 面 全 体 の 半 径 方 向 の 断 面 形状 を示 した もの で あ る.X度 0%(清 水 中)で は,オ ー プ ン ビ ー カ 法 で 発 生 す る キ ャ ビテー シ ョン壊 食 と同 様 に試 験 片 の 周 辺 部 が 比 較 的 激 し く壊 食 す る.濃 度3%や5%に な る と表 面 の 凹 凸 が 微 細 に な り,中 央 部 の 平 坦 部 分 が 濃 度 の 増 加 と と も に 大 き くな る.こ れ は,濃 度 が 一 定 で 流 速 が増 加 した と きの岩 井 らの報 告(3}と同様 に,キ ャ ビ テ ー シ ョ ン気 泡 の 崩壊 に よ って 引 き起 こ され る塑 性 変 形 や 微 小 き裂 が 進 展 す る前 に けい砂 σ)切削作 用 に よ って 削 り取 られ る た め で あ る と考 え られ る.こ の こ とが 図7(a)に 示 す よ う に濃 度 が 上 昇 す る につ れ て 複 合 損傷 で の体 積 減 少 量 を 小 さ く した もの と考 え られ る.さ ら に,濃 度6% で は,ス ラ リー 摩 耗 が大 き く影 響 して 深 くな るが,ス ラ リー 摩 耗 だ け の場 合 の よ うなW字 形 に は な らず 気 泡 の影 響 で試 験 片 の端 部 に摩 耗 が 集 中 す る.一 方,図 9に 示 す よ う に 流 速13m/sの 清 水 中 の キ ャ ビテ ー シ ョン壊 食 で は,気 泡 が試 験 面 か ら放 射 状 に 崩壊 し な が 0 0 1 34z Timeh V=13m/s(c) 5 T \・ (a)O% 6 ) ̄'ig.7Volumelosscurvesforcavitationwithslurry wear
一
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(b)3% (c)5% (d)6%▽
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8 曼 O じ勇 Fig.8Surfacepro創esasafunctionofslurryconcen-tration(V=5m/s)キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食 とス ラ リー 摩 耗 の 複 合 損 傷 に及 ぼ す ス ラ リー 濃 度 の影 響 923 ら流 出 す るた め に,試 験 片 周 辺 部 の 深 さ は5m/sに 比 べ て 浅 くな る.濃 度 が2% ,3%で は,流 速5m/sで 見 られ た 表 面 の 細 か い 凹 凸 が 消 失 し,ス ラ リー 摩 耗 と同 様 にW字 形 と な る が,試 験 片 の 中 心 部 も深 く損 傷 す る よ うに な る.、 図7の 体 積 減 少 量 曲 線 で 潜 伏 期 以 後 の 直線 部 の こ う 配 を複 合 損 傷 に よ る体 積 減 少 率 と定 義 し,濃 度 との 関 係 を示 す と図10の よ う に な る.い ず れ の 流 速 で も低 濃 度 か ら高 濃 度 にか けて キ ャ ビテ ー シ ョ ン支配 型 の損 傷 か らス ラ リー 支 配 型 の 損 傷 へ 移 行 し,図 中 の 矢 印 の 位 置 で 示 す よ うに,ス ラ リー に 影 響 さ れ始 め る限 界 濃 度 が存 在 す る こ とが わ か る.ま た,限 界 濃 度 は流 速 が 小 さ くな るほ ど高 くな る.さ ら に,限 界 濃 度 よ り高 い 濃度 で も複 合 損 傷 の体 積 減 少 率 は ス ラ リー摩 耗 だ け の 場 合 を上 回 っ て 複 合 損 傷 に よ る加 速 現 象 が 認 め られ る. 3・3複 合 損 傷 に お け る濃 度 の下 限界 値 と加 速 率 ス ラ リー液 中 で 高速 稼 働 す る ポ ン プ な どの 流 体 機 械 の部 材 は ス ラ リー摩 耗 や キ ャ ビテ ー シ ョン壊 食 を どの よ う に考 慮 して設 計 す べ きか,い まだ に 十 分 明 らか に
一
(a)Oho一
(b)2% ヨれ り (、、,%ξ 「 Fig.9Surfaceprofilesasafunctionofslurryconcen-tration{V=13m/s) 5毛4
O 3 9 る 1 0 0 ↑ 邸 ﹂ ω ω 2 2 5 繭 o > Meterial:StlS304' Si42averagesize・37μm/ Incidentangle:90°,' ,' Slurryノ ノ // '¢ ,ψ' ,1 +5m/s +10m/s ‐e-13m/s 一倉一5m/s i +10揃/s -一・一一13mis ノ ノ ノ CaVlt8t暁 ◆ ノ ノ !レ 1▲' 一1 / / 2 4 6 Concentration%(mass) 8 Fig.10Relationbetweenslurryconcentrationandvol-umelossrate(simultaneous) な っ て い な い よ う で あ る. 図11は 図10の 矢 印 で 示 す 限 界 濃 度 と そ の と き の 流 速 の 関 係 を 示 し た も の で あ る.図 中 の 実 線 は 実 験 点 を 両 対 数 紙 上 に プ ロ ッ ト し て,直 線 近 似 し た 結 果 か ら 求 め た も の で あ る.図11よ り部 材 に 衝 突 す る 流 速 が わ か れ ば,キ ャ ピ テ ー シ ョ ン 支 配 型 か ら ス ラ リ ー 支 配 型 へ 移 行 す る 下 限 界 濃 度 が 得 ら れ る こ と に な る .す な わ ち,こ の 曲 線 よ り も左 下 の 領 域 は 耐 キ ャ ビ テ ー シ ョ ン 壊 食 性 を,右 上 の 領 域 は 耐 ス ラ リー 摩 耗 性 を 考 慮 し て 設 計 す る 必 要 が あ る こ と を 示 し て い る.も ち ろ ん,こ の 下 限 界 濃 度 は キ ャ ビ テ ー シ ョ ン壊 食 の エ ネ ル ギ ー 量 1(5》に 依 存 す る の で,1を 次 式 に よ り求 め た. 1=iSe/t (Z.壊 食 深 さ,t試 験 時 間, Se:材 料 の 破 壊 ま で の ひ ず み エ ネ ル ギ ー) 一 例 と し て,振 動 子 の 振 幅50オm,流 速5m/s,ス ラ リ ー 濃 度0%で 壊 食 試 験 を 行 っ た と き の 体 積 減 少 率 は 1.68mm3/hと な り,1=iSe/tか ら 求 め た 値 は,1= 0.56W/m2と な る.た だ し,ひ ず み エ ネ ル ギ ‐Seは {耐 力+(2/3》 ×(引 張 強 さ 一 耐 力)× 伸 び}で 定 義 す る と(5)Se=304MN/m2で あ る.流 速 が10m/sで は 0.46W/m2,13m/sで は0.42W/m2と な る の で,図 中 で は,0.42W/m2∼0.56W/m2の 結 果 と し て 実 線 で 示 し た.一 一方,図 中 の 破 線 は,1.OW/m2,0.1W/ m2に 対 応 す る 曲 線 で あ る.こ の 曲 線 は 図10で そ れ ぞ れ3.Omm3/h(1.OW/m2),0,3mm3/h(0.1W/m2)と な る 体 積 減 少 率 で 水 平 線 を 描 き,ス ラ リ ー の み の 曲 線 (図 中 破 線)と の 交 点 か ら 濃 度 を 求 め た.た だ し,複 合 損 傷 で は 加 速 現 象 が 現 れ る の で,例 え ば 流 速 が13m/ sで0.42W/m2(図 中 ○ 印)の と き,水 平 線 と ス ラ リ ー の 交 点 よ り も限 界 濃 度 が 約0.5%低 い こ と を 考 慮 し て , 1.OW/m2や0.lW/m2で も交 点 の 濃 度 か ら 約0 .5% 低 い 濃 度 を 限 界 濃 度 と し て 求 め た.キ ャ ビ テ ー シ ョ ン 累 10 0 0 盛0 幽 ヤ リ 6 0 C O 慣 ↑ O ﹂ 引 鷹 O O 億 O O 騨 邸 O 鵯 ↑ 順 ﹂ O Crit=34xV圏t1甑torial:SUS304 Si°2averagesize:37um `,Incidentengle:90°\.\/喩
、 、犠曜
へ \ 、.'刈2騨/㎡^-0.56脚/㎡ 伽i始tiツ \ 一.一/ 0.W㎡ 05101520 Velocitym/s Fig.11Relationbetweenvelocityandcriticalconcen-tration924 キ ャ ビテ ー シ ョン壊 食 とス ラ リー摩 耗 の 複 合 損 傷 に 及 ぼ す ス ラ リー 濃 度 の 影 響 Table3Ratioofvolumelossrateinsimultaneoustest tothatinslurrytest C % 2 3 3 5 6 5 6 v 121/S 13 13 10 10 10 5 5 Volwnel(旧S面e ㎜3!h Slurry 1・1 1.96 0.$3 1.58 2.50 0.51 1'1 Simultaneous 1.26 2.43 1.52 2.15 2.75 1.22 1.80 Ra加 Simuhaneous/Shmy 1.41 1.24 1.83 1.36 1.10 2.37 2.00 4 o b。 o 馬 ℃ 3 2 03 1 α ﹂ 雨 O 嚢 あ ﹂ ﹂ コ 鴨 ω = 陶 θ 邸 £ 剃 O 覗 の コ O ① ⊆ 邸 ρ ︻ 3 震二 ω 二 一 〇 " ⑩ ﹂ ω の 〇 一 O § 三 〇 ﹀ Material:SUS304 SiO2averagosize:37μm Incidentangle:90° 0 0 O 0 壊 食 の エ ネ ル ギ ー が低 い ほ ど,下 限 界 濃 度 も低 下 す る こ とが わ か る.佐 藤 ら(4)は,濃 度0%,流 速40m/sで キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食 しな い よ うな非 常 に弱 い キ ャ ビ テー シ ョン条 件 下 で も体 積 減 少 率 が ス ラ リー濃 度 と と も に比例 して 増加 す る こ と を報 告 して い る.図11で, 例 え ば,0.1W/m2の 曲 線 を 流 速 を40m/sま で 外 挿 す る と下 限 界 値 は0%に 近 づ き,佐 藤 らの 結 果 と も符 合 す る. 最 後 に,複 合 損 傷 に よ る加 速 率 に つ い て検 討 す る. 表3は,図10の 下 限 界 以 上 の 濃 度 で 得 られ た ス ラ リ ー摩 耗 に よ る体 積 減 少率,複 合損 傷 に よ る体 積 減 少 率 お よび 両 者 の 比(加 速 率)を と りま とめ た もの で あ る. 加 速 率 は濃 度 や 流 速 に よ っ て 大 き く変 化 す る.図12 は加 速 率 を濃 度 と流 速 の 影 響 に よ る重 回帰 分 析 した結 果 で,加 速 率 は濃 度 の0.60乗,流 速 の0.90乗 に 逆 比 例 して大 き くな る.濃 度 が 下 限 界 濃度 に近 い 低濃 度 で 流 速 が 小 さい とき は,複 合 損 傷 に よ る体 積 減 少 率 が ス ラ リー 摩 耗 だ けの 場 合 に比 べ て2.4倍 近 く大 き くな る こ とが わ か る. 4.結 言 0 磁 わ い振 動 装 置 に噴 流 衝 突 形 ス ラ リー摩 耗 試験 装 置 を組 合 わ せ た 試 験 装 置 を 用 い て,濃 度 を0%か ら6% まで変 化 させ て,キ ャ ビテ ー シ ョ ン壊 食 と ス ラ リー 摩 耗 の複 合 損 傷 試 験 を行 い,次 の 点 が 明 らか に な っ た. Fig.12 0.040.050.OfiO.010.080.090.1 1/Go.solo.so Effectofslurryconcentrationandvelocityon theaccelerationratio (1)ス ラ リー摩 耗 だ け の場 合,体 積 減 少 率 は濃 度 の1.8∼2.1乗 に比 例 して増 加 す る. (2)ス ラ リー摩 耗 とキ ャ ビ テー シ ョン壊 食 が 重 畳 す る複 合 損 傷 で は,濃 度 が低 濃度 か ら高 濃度 に な る と, 急 に損 傷 量 が 増 加 す る遷 移 現 象 が 認 め られ る.し た が っ て,ス ラ リー摩 耗 が 影響 し始 め る 限 界 濃 度 が 存 在 す る.限 界 濃 度 は流 速 が 小 さ くな る ほ ど高 くな る. (3)限 界 濃 度 よ り高 い濃 度 で も複 合 損 傷 に よ る体 積 減 少 率 は ス ラ リー だ け の場 合 を一1二回 り,複 合 損 傷 に よ る加 速 現 象 が 認 め られ る.濃 度 が 下 限 界 濃 度 に近 い 低 濃 度 で流 速 が 小 さ い ときの 複 合 損 傷 に よ る体 積 減 少 率 は ス ラ リー摩 耗 だ け の場 合 に比 べ て大 き くな る. 文 献 (1)LinYenSheng,IAHRSyrnpositrsn,(1988),68369a, 1'RONDHEIM. (2)Chen,B.andYe,J.,Pro('./1〃6〃zα'ゴz,8Eη8聡vS`,2〃 マw智 VII,(1989),7789,Florida. (3)岩 井 善 郎 ・ほ か3名,機 論,58551,A(1992),237242, (4)佐 藤 譲 之 良 ・宇 佐 一一一・岡 村 共 由,キ ャ ビ テ ー シ ョ ン に 関 す る シ ン ポ ジ ウ ム(第6回),日 本 学 術 会 議(19896), 161-168. (5)Thiruvengadam,ASTMSTP,408(1967),2241. (6)服 部 修 次 ・ほ か3名,機 論,62593,A(1996),74xi. (7)Hocke,H.andWilkinson,II.N,7㍉ 伽1θ 即Int.,11 {1983),289-294.