Jev kavitace spočívá v narušení kontinuity v kapalině, kde dochází k výraznému lokálnímu snížení tlaku. Tvorba bublin v kapalinách (kavitace) začíná i za přítomnosti kladných tlaků, které se rovnají tlaku nasycených par kapaliny při dané teplotě nebo se mu blíží.

Různé kapaliny mají různý stupeň odolnosti vůči kavitaci, protože do značné míry závisí na koncentraci plynu a cizích částic v kapalině.

Mechanismus opotřebení

Mechanismus kavitace lze popsat následovně: Každá kapalina bude obsahovat buď plynné, nebo parní bubliny, které slouží jako kavitační jádra. Když se tlak sníží na určitou úroveň, bubliny se stanou zásobárnou páry nebo rozpuštěných plynů.

Bezprostředním důsledkem tohoto stavu je, že bubliny rychle zvětšují svou velikost. Následně, když bubliny vstoupí do zóny sníženého tlaku, zmenší se jejich velikost v důsledku kondenzace par, které obsahují.

Tento proces kondenzace probíhá poměrně rychle a je doprovázen lokálními hydraulickými rázy, emisí zvuku, destrukcí materiálových vazeb a dalšími nežádoucími jevy. Předpokládá se, že snížení objemové stability většiny kapalin je spojeno s obsahem různých příměsí, jako jsou pevné nezmáčené částice a bublinky plynu a páry, zejména na submikroskopické úrovni, které slouží jako kavitační jádra.

Kritickým aspektem procesu kavitačního opotřebení je destrukce povrchu a posun materiálu způsobený vysokými relativními pohyby mezi povrchem a vystavenou kapalinou. V důsledku těchto pohybů se sníží místní tlak kapaliny, což umožní, aby teplota kapaliny dosáhla bodu varu a vznikly malé parní dutiny.

Když se tlak vrátí do normálu (který je vyšší než tlak par kapaliny), dojde k implozi, která způsobí kolaps dutiny nebo parních bublin. Toto zhroucení bublin vytváří rázové vlny, které působí vysokými rázovými silami na přilehlé kovové povrchy a způsobují pracovní kalení, únavu a kavitační důlky.

Kavitace je tedy název pro mechanismus, při kterém bubliny par (nebo dutiny) v kapalině rostou a hroutí se v důsledku lokálních výkyvů tlaku. Tyto výkyvy mohou vyvolat nízký tlak v podobě tlaku par kapaliny. Tento proces parní kavitace probíhá za přibližně konstantních teplotních podmínek.

Typy kavitace

Existují dva základní typy kavitace: parní a plynná.

Parní kavitace je ebullační proces, ke kterému dochází, pokud bublina roste explozivně neohraničeným způsobem, když se kapalina rychle mění v páru. Tato situace nastává, když hladina tlaku klesne pod tlak par kapaliny.

Plynná kavitace je difuzní proces, který nastává vždy, když tlak klesne pod tlak nasycení nekondenzujícího plynu rozpuštěného v kapalině. Zatímco parní kavitace je extrémně rychlá, probíhá v mikrosekundách, plynná kavitace je mnohem pomalejší; doba, kterou potřebuje, závisí na stupni přítomné konvekce (cirkulace kapaliny).

Kavitační opotřebení nastává pouze za podmínek parní kavitace – kdy rázové vlny a mikrotrysky mohou erodovat povrchy. Plynná kavitace nezpůsobuje erozi povrchového materiálu.

Vytváří pouze hluk, generuje vysoké teploty (dokonce i praskání na molekulární úrovni) a zhoršuje chemické složení kapaliny oxidací. Kavitační opotřebení je také známé jako kavitační eroze, parní kavitace, kavitační pitting, kavitační únava, kapalinová rázová eroze a tažení drátu.

Kavitační opotřebení je typ opotřebení kapaliny vůči povrchu, ke kterému dochází, když je část kapaliny nejprve vystavena tahovým napětím, která způsobí vření kapaliny, a poté je vystavena tlakovým napětím, která způsobí kolaps (implozi) bublinek páry.

Tento kolaps vyvolá mechanický náraz a způsobí náraz mikrotrysek na povrchy, čímž dojde ke sjednocení kapaliny. Každý systém, který může opakovat tento průběh tahového a tlakového napětí, podléhá kavitačnímu opotřebení a všem hrůzám, které takovou destruktivní činnost provázejí.

Kavitační opotřebení je podobné opotřebení z únavy povrchu; materiály, které odolávají únavě povrchu (tvrdé, ale ne křehké látky), odolávají také kavitačnímu poškození.

Proces kavitačního opotřebení

Kapalina je médium, které způsobuje kavitační opotřebení. Kavitační opotřebení nevyžaduje druhý povrch; vyžaduje pouze, aby mezi povrchem a kapalinou existoval vysoký relativní pohyb. Takový pohyb snižuje místní tlak v kapalině. Když kapalina dosáhne bodu varu a dojde k ebulaci, vytvoří se bubliny páry, které způsobí kavitaci.

Každá dutina páry trvá krátkou dobu, protože téměř každé zvýšení tlaku způsobí, že pára v bublině okamžitě zkondenzuje a bublina se zhroutí a vyvolá rázovou vlnu. Tato rázová vlna pak naráží na sousední kovové povrchy a ničí materiálové vazby.

Rázová vlna nejprve vyvolá tlakové napětí na povrchu pevného tělesa a poté, když se odrazí, vyvolá tahové napětí, které je normálové k povrchu.

Obrázek 1: Rázová vlna na povrchu kovu. Kolaps parní bubliny a zrod mikrotrysky

Obrázek 1 znázorňuje kolaps parní bubliny a zrod mikrotrysky. Kavitace se obecně vyskytuje tam, kde existují hydrodynamické podmínky charakterizované náhlou a hrubou změnou hydrostatického tlaku. Vzhledem k tomu, že k ebulaci může dojít v okamžiku poklesu tlaku, bubliny par se tvoří a hroutí často a rychle.

Přiváděné vzduchové a prachové částice v kapalině slouží jako nukleační místa pro vznik parních kavit. Těmito zárodky mohou být malé kapsy naplněné plynem ve štěrbinách nádoby nebo jednoduše plynové kapsy na částicích kontaminantu volně se pohybujících v proudu. Proto mohou všechny uzavřené kapaliny obsahovat dostatečné množství nečistot pro vznik kavitace.

Malé dutiny v blízkosti povrchu nebo pole proudění, kde je minimální tlak, naznačují, že kavitace začala. Jednou zahájené bubliny pokračují v růstu, dokud zůstávají v oblastech s nízkým tlakem. Jakmile se bubliny dostanou do oblastí s vysokým tlakem, dojde k jejich kolapsu, který vyvolá intenzivní tlak a erozi všech pevných povrchů v okolí.

Během kolapsu se částice kapaliny obklopující bublinu rychle přesunou do jejího středu. Kinetická energie těchto částic vytváří lokální vodní rázy vysoké intenzity (šok), které rostou s tím, jak fronta postupuje ke středu bubliny.

Sluchová a vizuální detekce

Uživatelé zařízení mohou kavitaci detekovat zvukově, vizuálně, pomocí akustických přístrojů, snímačů vibrací stroje, měřením sonoluminiscence nebo podle poklesu či změny výkonu oproti výkonu, který vzniká za podmínek jednofázového proudění (například ztráta průtoku, tuhosti a odezvy).

Při kavitačním proudění může být rychlost opotřebení mnohonásobně vyšší než opotřebení způsobené samotnou erozí a korozí. Kavitační opotřebení může zničit nejpevnější materiály – nástrojové oceli, stelity atd. K takovému poškození může dojít rychle a ve velkém rozsahu.

Velikost poškození, které kavitace způsobuje, závisí na tom, jaký tlak a rychlost vytvářejí zhroucené bubliny. V důsledku tohoto tlaku a rychlosti dochází na obnaženém povrchu k různým poškozením s velmi rozdílnou intenzitou.

Každá imprese trvá jen krátkou dobu; velikosti impulzů a doby kolapsu jsou větší u větších bublin při daných rozdílech kolabujících tlaků. Čím větší je tedy tahové napětí kapaliny (čím nižší je statický tlak), tím větší jsou bubliny, tím intenzivnější je kavitace a tím závažnější je poškození.

Impulzy, které vznikají při vzniku a kolapsu bublin par, způsobují jednotlivé symetrické krátery a trvalé deformace materiálu, pokud ke kolapsu dochází vedle povrchu. V důsledku toho má kavitační poškození, stejně jako únavové poškození, několik období činnosti:

• Inkubační období – mikrotrhliny vznikají kolem hranic zrn a vměstků v důsledku pružné i plastické deformace povrchu.

• Období akumulace – růst trhlin probíhá v závislosti na stupni štěpného, střižného a trhacího působení na materiál.

• Období ustáleného stavu – rychlost vzniku a šíření trhlin se stává konstantní po zbytek doby expozice.

V systému s proudící kapalinou (na rozdíl od ultrazvukové nádrže) se bublinky páry tvoří tam, kde se vyskytují tahová napětí v kapalině (nízké tlaky), a bublinky páry se rozpadají v oblastech s vyššími tlaky, kde mohou na kapalinu působit tlaková napětí.

Oblast, kde dochází k poškození, je tedy často zcela oddělená od oblasti, ve které vznikají dutiny – což často vede k nesprávné diagnóze problému. Opotřebení kavitací je mechanické povahy a nemůže k němu dojít bez působení tahových a tlakových napětí.

Kavitační horká místa

Mnoho oblastí v hydraulických systémech je náchylných ke kavitačnímu opotřebení, jako např:

• Dole u regulačních ventilů, které mají vysoké tlakové rozdíly,

• V sacích komorách čerpadel, kde existují hladové vstupní podmínky,

• V rychle se pohybujících akčních členech (lineárních i rotačních), kde se vyskytují záporné zatěžovací podmínky,

• V netěsných cestách (přes těsnění, sedlech ventilů a dosedacích plochách cívek), kde vysoké rychlosti způsobují pokles tlakové hladiny pod tlak par kapaliny (kavitační stav často označovaný jako tažení drátu) a

• ve všech zařízeních, kde je proudění kapaliny vystaveno ostrým zatáčkám, zmenšování průřezů s následnou expanzí (v kohoutech, klapkách, ventilech, membránách) a jiným deformacím.

Kavitace narušuje normální provozní podmínky mechanických systémů fluidního typu a ničí povrch součástí. Proces spočívá ve vzniku dutin při nízkých tlacích, v růstu následných bublin při ustálení tlaku a nakonec v rozpadu bublin, když jsou dutiny (plynné nebo parní bubliny) vystaveny vysokému tlaku.

Všimněte si, že hnací silou kavitačního opotřebení je pokles tlaku na součásti. Obrázek 2 znázorňuje proces kavitace, který probíhá v zubovém čerpadle a v cívkovém ventilu, a ukazuje, jak dutiny v součástech kapalinového typu vznikají, rostou a zanikají.

Obrázek 2: Kavitační proces. Kavitační proces v hydraulických součástech

Snížení kavitačního opotřebení

Při kavitačním opotřebení se mikrotrhliny šíří až do bodu, kdy materiál již nevydrží impulsní zatížení, které implozující bublinky páry vyvolávají. Částice se proto nakonec odlomí a vniknou do systému.

Stejně jako při každém únavovém opotřebení vznikají mikrotrhliny nejprve v místech, kde se zvyšuje napětí (vruby, trhliny, podřezání, vady svařování atd.), nebo v heterogenních oblastech materiálu (například v místech směrového toku kovu, inkluzí a oduhličených úseků).

Drsný povrch je tedy náchylný ke kavitačnímu opotřebení, a protože vývrty a drsný profil charakterizují kavitační poškození, poškození se zvyšuje s tím, jak se povrch stává drsnějším.

Nejzákladnějším prostředkem boje proti kavitačnímu opotřebení je minimalizace tahového napětí kapaliny. Jinými slovy, uživatelé zařízení musí snížit úroveň lomu nebo vakuové podmínky v zónách možné kavitace. Vhodné mohou být zejména následující kroky:

• Zvýšit úroveň tlaku na výstupu škrticích ventilů.

• Zvýšit vstupní tlak na sacím hrdle čerpadla přeplněním vstupu čerpadla.

• U aplikací pohonů s negativním zatížením použijte antikavitační kontroly.

• Snižte obsah vody v kapalině, abyste eliminovali možnost tahu vodičů (voda má vyšší tlak par než olej) přes sedla ventilů a dynamická těsnění.

• Používejte kapalinu s nízkým tlakem par.

• Vyberte čerpadlo s dobrými plnicími vlastnostmi na rozdíl od konfigurace s hladovým vstupem.

• Používejte kapalinu s nízkou viskozitou nebo zvyšte teplotu kapaliny.

V mnoha případech mohou konstruktéři minimalizovat poškození kavitací správným výběrem výrobních materiálů. Například místo hliníku lze zvolit nerezovou ocel (obr. 3) a na exponovaný povrch použít tvrdé obložení ze slitiny odolné proti kavitaci. Pryžové a jiné elastomerové povlaky rovněž pomohly minimalizovat kavitační opotřebení. Navzdory své nízké odolnosti vůči kavitaci tyto povrchy odrážejí rázovou vlnu, aniž by způsobily intenzivní poškození.

Obrázek 3. Pořadí relativní kavitační odolnosti materiálů

Kavitační částice

Velikost částic vzniklých kavitačním opotřebením je funkcí tvrdosti vystaveného materiálu podle Brinella. Největší částice se vyskytují v období akumulace. Sklon křivek kumulativního rozdělení velikosti částic se zvyšuje s rostoucí deformační energií materiálu. Průměrná velikost částic vzniklých kavitací klesá s rostoucí intenzitou kavitace.

Předchůdci kavitace

Při zkoumání problému kavitace v kapalinovém systému je třeba identifikovat všechny možné zdroje nízkého tlaku (vakuum), vysoké teploty (teplo) a místa, kam by mohl vnikat vzduch. Následující seznam by měl sloužit jako vodítko pro identifikaci oblastí nízkého tlaku v kapalinovém systému:

• Sání čerpadla – nesprávná hydraulika sacího potrubí (podmínky omezující průtok).

• Efekt clony ventilu – víry z vysokorychlostního proudu v průtokových cestách regulačního ventilu.

• Ponořený proud – proud zasahující do neohraničených oblastí proudění, kde vznikají oblasti nízkého tlaku.

• Negativní zatížení motorů a válců – externě poháněné zatížení akčních členů vytváří nízký tlak v akčním členu.

• Tlakové rázy a vodní rázy – řídká část tlakových vln je schopna vytvořit v potrubí oblasti s negativním tlakem.

• Výškový efekt – nízký atmosférický tlak vystavuje sací potrubí tlaku, který se může ukázat jako nedostatečný při plnění čerpacích komor.

Zdroje tepla, které vedou ke kavitaci

Mezi zdroje tepla, které přispívají k nadměrně vysokým teplotám a kavitaci v systémové kapalině, patří následující:

• Vysoká teplota okolí
• Nízká mechanická účinnost čerpadel a motorů
• Turbulentní podmínky proudění v potrubí
• Teplo vypařování při kavitačním proudění
• Teplo komprese při provzdušněném proudění
• Vysoké tlakové ztráty přes regulační otvory
• Silné provozní pracovní cyklus
• Velká omezení průtoku ve všech částech systému cirkulace kapaliny
• Slabé chlazení nebo nedostatečný přenos tepla
• Vysoké tření v důsledku drsných povrchů a abrazivního působení

Možná místa vnikání vzduchu ke kontrole

Co se týče míst vnikání vzduchu do systému, měli byste tato místa pečlivě zkontrolovat, pokud dochází k závažné kavitaci:

Zásobníky – místa, kde dochází k mechanickému (míchacímu) typu nasávání vzduchu, víření kapaliny, narážení kapaliny na kapalné nebo pevné povrchy, tlakové podmínky v zásobníku, cyklonální proudění na sacím hrdle čerpadla, kritická výška (šikmý zásobník) vyskytující se během provozu, která vystavuje sací hrdlo čerpadla atmosféře, otřesy kapaliny v důsledku pohybu po nerovném terénu a/nebo nízká hladina kapaliny v zásobníku, která vystavuje sací hrdlo čerpadla atmosféře.

Čerpadlo – malý průměr potrubí a/nebo portů, omezující průtočné kanály, odklonění průtoku a/nebo podmínky dlouhého sacího potrubí, špatné plnicí vlastnosti čerpadla (omezující vnitřní průtočné kanály, vysoká rychlost čerpání, příliš velký průtočný objem); příliš vysoká nadmořská výška, která zajišťuje dostatečný tlak v nádrži pro napájení čerpadla při jmenovitém průtoku; nedostatečná sací výška pro zvednutí kapaliny na vstupní hladinu čerpadla (tj. příliš velká výška mezi hladinou kapaliny a vstupem čerpadla), nedostatečná sací výška pro urychlení kapaliny v nádrži na jmenovité průtokové podmínky čerpadla (nereaguje na požadavky výtlaku čerpadla).

Ventily – trysky vypouštěné z otvorů do omezeného průtočného prostoru, proudění kanály končícími v komorách, kde je nízký tlak na stěnách ventilu po proudu, a/nebo škrticí ventily vypouštěné do nízkotlakého (vratného) potrubí.

Pohony (prodloužená těsnění) – tyčová těsnění procházející vzduchem, existující desorpce vzduchu a/nebo parní kavitace vznikající při negativním zatížení v důsledku vnějšího setrvačného zatížení.

Motory (hřídelová těsnění) – těsnění procházející vzduchem a plynná/parní kavitace vznikající při negativním zatížení v důsledku setrvačného efektu.

Akumulátor – vzduch/plyn unikající kolem opotřebovaného těsnění pístu, prasklé membrány nebo roztrženého měchýře.

Filtr – vzduch procházející vnějšími těsněními filtrů sacího potrubí nebo vnitřní omezení průtoku způsobující desorpci vzduchu.

Spojky potrubí (hadicové spojky, trubkové šroubení a těsnění rozdělovače) – vzduch procházející těsnicími plochami spojky, které se vlivem vibrací a tepelné roztažnosti a smršťování uvolnily.

Konduit – drsné stěny, stlačené průtočné úseky nebo výstupky v proudu.

.