Fænomenet kavitation består i en afbrydelse af kontinuiteten i væsken, hvor der er en betydelig lokal trykaflastning. Dannelsen af bobler i væsker (kavitation) begynder selv ved tilstedeværelse af overtryk, der er lig med eller tæt på trykket for væskens mættede damp ved den givne temperatur.

De forskellige væsker har forskellige grader af modstand mod kavitation, fordi de i høj grad afhænger af koncentrationen af gas og fremmedpartikler i væsken.

Kavitationsmekanisme

Mekanismen for kavitation kan beskrives på følgende måde: Enhver væske vil indeholde enten gasformige eller dampformige bobler, der tjener som kavitationskerner. Når trykket reduceres til et vist niveau, bliver boblerne til opbevaringssted for damp eller for opløste gasser.

Det umiddelbare resultat af denne tilstand er, at boblerne vokser hurtigt i størrelse. Når boblerne efterfølgende kommer ind i en zone med reduceret tryk, reduceres de i størrelse som følge af kondensation af de dampe, de indeholder.

Denne kondensationsproces finder ret hurtigt sted, ledsaget af lokale hydrauliske stød, udsendelse af lyd, ødelæggelse af materialebindinger og andre uønskede fænomener. Det antages, at reduktionen af den volumetriske stabilitet i de fleste væsker er forbundet med indholdet af forskellige tilsætninger, såsom faste, ubefugtede partikler og gasdampbobler, især dem på et submikroskopisk niveau, der tjener som kavitationskerner.

Et kritisk aspekt af kavitationsslitageprocessen er overfladedestruktion og materialeforskydning forårsaget af høje relative bevægelser mellem en overflade og den udsatte væske. Som følge af sådanne bevægelser reduceres væskens lokale tryk, hvilket gør det muligt for væskens temperatur at nå kogepunktet, og der dannes små dampkaviteter.

Når trykket vender tilbage til det normale (som er højere end væskens damptryk), opstår der implosioner, der får hulrummet eller dampboblerne til at kollapse. Dette kollaps af boblerne genererer chokbølger, der frembringer høje slagkræfter på tilstødende metaloverflader og forårsager arbejdshærdning, træthed og kavitationshuller.

Kavitation er således betegnelsen for en mekanisme, hvor dampbobler (eller hulrum) i en væske vokser og kollapser som følge af lokale trykudsving. Disse svingninger kan give et lavt tryk i form af væskens damptryk. Denne dampkavitationsproces finder sted ved omtrent konstante temperaturforhold.

Kavitationstyper

Der findes to hovedtyper af kavitation: dampformig og gasformig.

Dampkavitation er en ebullitionsproces, der finder sted, hvis boblen vokser eksplosivt på en ubegrænset måde, når væske hurtigt overgår til damp. Denne situation opstår, når trykniveauet går under væskens damptryk.

Gasformig kavitation er en diffusionsproces, der opstår, når trykket falder under mætningstrykket for den ikke-kondenserbare gas, der er opløst i væsken. Mens dampkavitation er ekstremt hurtig og forekommer på mikrosekunder, er gaskavitation meget langsommere; den tid, det tager, afhænger af graden af tilstedeværende konvektion (væskecirkulation).

Kavitationsslid opstår kun under dampkavitationsforhold – hvor chokbølger og mikrostråler kan erodere overfladerne. Gasformig kavitation forårsager ikke erosion af overflademateriale.

Den skaber kun støj, genererer høje temperaturer (selv på molekylært niveau) og nedbryder væskens kemiske sammensætning gennem oxidation. Kavitationsslid er også kendt som kavitationserosion, dampkavitation, kavitationsgruber, kavitationsudmattelse, kavitationsudmattelse, væskepåvirkningserosion og wire-drawing.

Kavitationsslitage er en type slid fra væske til overflade, der opstår, når en del af væsken først udsættes for trækspændinger, der får væsken til at koge, og derefter udsættes for trykspændinger, der får dampboblerne til at kollapse (implodere).

Dette kollaps giver et mekanisk stød og får mikrostråler til at ramme mod overfladerne og forene væsken. Ethvert system, der kan gentage dette træk- og trykspændingsmønster, er udsat for kavitationsslitage og alle de rædsler, der følger med en sådan destruktiv aktivitet.

Kavitationsslitage svarer til overfladetræthedsslitage; materialer, der modstår overfladetræthed (hårde, men ikke sprøde stoffer), modstår også kavitationsskader.

Kavitationsslitageproces

Væske er det medium, der forårsager kavitationsslitage. Kavitationsslitage kræver ikke en anden overflade; det kræver blot, at der er en høj relativ bevægelse mellem overfladen og væsken. En sådan bevægelse reducerer det lokale tryk i væsken. Når væsken når sit kogepunkt, og der opstår ebullation, dannes der dampbobler, hvilket frembringer kavitation.

Hvert damphulrum varer kort tid, fordi næsten enhver stigning i trykket får dampen i boblen til at kondensere øjeblikkeligt og boblen til at kollapse og frembringe en chokbølge. Denne chokbølge rammer derefter de tilstødende metaloverflader og ødelægger materialebindingerne.

Stødbølgen frembringer først en trykspænding på den faste overflade, og når den reflekteres, frembringer den derefter en trækspænding, der er normal til overfladen.

Figur 1. Dampboblens kollaps og fødslen af en mikrojet

Figur 1 viser kollapset af en dampboble og fødslen af en mikrojet. Kavitation forekommer generelt, når der foreligger en hydrodynamisk tilstand, der er karakteriseret ved en pludselig og grov ændring i det hydrostatiske tryk. Da ebullition kan forekomme i det øjeblik trykket falder, dannes og kollapser dampbobler hyppigt og hurtigt.

Indtrænede luft- og støvpartikler i væsken tjener som kimdannelsessteder for dannelsen af dampkaviteter. Disse kerner kan være små gasfyldte lommer i beholderens sprækker eller blot gaslommer på forureningspartikler, der bevæger sig frit i strømmen. Derfor kan alle indesluttede væsker indeholde tilstrækkelige urenheder til at frembringe kavitation.

Små hulrum nær overfladen eller strømningsfeltet, hvor der er minimalt tryk, indikerer, at kavitationen er begyndt. Når først boblerne er påbegyndt, fortsætter de med at vokse, så længe de forbliver i områder med lavt tryk. Når boblerne bevæger sig ind i højtryksområder, kollapser de og frembringer intense tryk og eroderer alle faste overflader i nærheden.

Under kollapserne bevæger væskepartikler, der omgiver boblen, sig hurtigt til dens centrum. Kinetisk energi fra disse partikler skaber lokale vandhammere af høj intensitet (chok), som vokser, efterhånden som fronten bevæger sig mod boblens centrum.

Hørlig og visuel detektion

Udstyrets brugere kan detektere kavitation hørligt, visuelt, ved hjælp af akustisk instrumentering, ved hjælp af maskinens vibrationssensorer, ved sonoluminescensmåling eller ved et fald eller en ændring i ydeevnen i forhold til den, der produceres under enfasestrømningsforhold (f.eks. tab af flow, stivhed og respons).

Under kaviterende strømningsforhold kan slidhastigheden være mange gange større end den, der skyldes erosion og korrosion alene. Kavitationsslitage kan ødelægge de stærkeste materialer – værktøjsstål, stellitter osv. Sådanne skader kan opstå hurtigt og omfattende.

Mængden af skader, som kavitation forårsager, afhænger af, hvor meget tryk og hastighed de kollapserede bobler skaber. Som følge af dette tryk og denne hastighed undergår den udsatte overflade en række meget varierende intensiteter.

Hvert pålæg varer kun kort tid; impulsstørrelserne og kollapsetiderne er større for større bobler ved givne kollapserende trykforskelle. Jo større trækspændingen på væsken er (jo lavere det statiske tryk), jo større bobler, jo mere intens kavitation og jo mere alvorlig skade.

De impulser, der opstår, når dampbobler dannes og kollapser, forårsager individuelle symmetriske kratere og permanente materialedeformationer, når kollapserne sker tæt på overfladen. Følgelig har kavitationsskader, ligesom træthedssvigt, flere aktivitetsperioder:

• Inkubationsperiode – mikrorevner danner kerne omkring korngrænser og inklusioner som følge af både elastisk og plastisk deformation af overfladen.

• Akkumulationsperiode – revnevækst forløber i forhold til graden af spaltning, forskydning og rivning af materialet.

• Steady-state-periode – hastigheden af revneopbygning og revneudbredelse bliver konstant i resten af eksponeringstiden.

I et væskestrømningssystem (i modsætning til en ultralydstank) dannes dampbobler, hvor der opstår trækspændinger (lavt tryk) i væsken, og dampbobler kollapser i områder med højere tryk, hvor der kan påføres kompressionsspændinger på væsken.

Så det område, hvor der opstår skader, er ofte helt adskilt fra det område, hvor der opstår hulrum – hvilket ofte fører til en forkert diagnose af problemet. Kavitationsslitage er mekanisk i sin natur og kan ikke forekomme uden påføring af træk- og trykspændinger.

Kavitations-hotspots

Mange områder i hydrauliske systemer er udsat for kavitationsslitage, f.eks:

• Nedstrøms reguleringsventiler, der har høje trykforskelle,

• I pumpernes sugekamre, hvor der er sultede indløbsforhold,

• I hurtigt bevægelige aktuatorer (både lineære og roterende typer), hvor der forekommer negative belastningsforhold,

• I lækagebaner (over tætninger, ventilsæder og spolepladser), hvor høje hastigheder medfører, at trykniveauet falder under væskens damptryk (en kavitationstilstand, der ofte betegnes som wire-drawing) og

• I alle anordninger, hvor væskestrømmen udsættes for skarpe sving, reduktion af tværsnit med efterfølgende ekspansioner (i haner, klapper, ventiler, membraner) og andre deformationer.

Kavitation forstyrrer de normale driftsbetingelser i mekaniske systemer af væsketype og ødelægger komponenternes overflader. Processen består i, at der dannes hulrum, når trykket er lavt, at der vokser efterfølgende bobler, når trykket stabiliseres, og endelig at boblerne kollapser, når hulrummene (gasformige eller dampformige bobler) udsættes for højtryk.

Bemærk, at trykfaldet over komponenten er drivkraften for kavitationsslitage. Figur 2 viser den kavitationsproces, der finder sted i en tandhjulspumpe og i en spoleventil, og som viser, hvordan hulrum opstår, vokser og kollapser i komponenter af væsketype.

Figur 2. Kavitationsprocessen i hydrauliske komponenter

Reduktion af kavitationsslitage

I kavitationsslitage forplanter mikrorevner sig til det punkt, hvor materialet ikke længere kan modstå den impulsbelastning, som de imploderende dampbobler påfører det. Derfor bryder partikler til sidst af og trænger ind i systemet.

Som ved enhver træthedssvigt dannes mikrorevner først ved spændingsforøgere (hak, revner, underskæringer, svejsefejl osv.) eller ved heterogene områder af materialet (f.eks. ved retningen af metalstrømmen, indeslutninger og afkullede sektioner).

Der er derfor en ru overflade tilbøjelig til at blive udsat for kavitationsslitage, og da pittings og en ru profil karakteriserer kavitationsskaden, øges skaden, jo mere ru overfladen bliver.

Det mest grundlæggende middel til bekæmpelse af kavitationsslitage er at minimere trækspændingen på væsken. Med andre ord skal udstyrets brugere sænke brydningsniveauet eller vakuumforholdene i zoner med mulig kavitation. Navnlig kan følgende tiltag være hensigtsmæssige:

• Hæv trykniveauet ved udløbet af drosselventiler.

• Hæv indgangstrykket ved pumpens sugeport ved at overlade pumpeindløbet.

• Brug anticavitationskontroller ved anvendelse af negative belastningsaktuatorer.

• Reducer væskens vandindhold for at eliminere muligheden for trådtrækning (vand har et højere damptryk end olie) over ventilsæder og dynamiske tætninger.

• Brug en væske med et lavt damptryk.

• Vælg en pumpe med gode påfyldningsegenskaber i modsætning til en udsultet indløbskonfiguration.

• Brug en væske med lav viskositet eller øg væsketemperaturen.

I mange tilfælde kan konstruktionsingeniører minimere kavitationsskader ved at vælge fabrikationsmaterialer korrekt. Der kan f.eks. vælges rustfrit stål i stedet for aluminium (Figur 3) og anvendes hård belægning med en kavitationsresistent legering på den udsatte overflade. Gummi og andre elastomere belægninger har også hjulpet med at minimere kavitationsslitage. På trods af deres lave modstandsdygtighed over for kavitation reflekterer disse overflader chokbølgen uden at forårsage intense skader.

Figur 3. Rækkefølge af materialers relative kavitationsmodstand

Kavitationspartikler

Størrelsen af de partikler, der genereres ved kavitationsslitage, er en funktion af Brinell-hårdheden af det udsatte materiale. De største partikler opstår i løbet af akkumulationsperioden. Hældningerne i de kumulative partikelstørrelsesfordelingskurver øges, når materialets belastningsenergi øges. Gennemsnitsstørrelsen af de partikler, der produceres ved kavitation, falder, når kavitationsintensiteten øges.

Precursorer af kavitation

Når man undersøger et kavitationsproblem i et væskesystem, skal man identificere alle mulige kilder til lavt tryk (vakuum), høj temperatur (varme) og steder, hvor der kan trænge luft ind. Følgende liste bør tjene som en rettesnor for identifikation af lavtryksområder i et væskesystem:

• Pumpesugning – ukorrekt hydraulik i sugeledningen (flowbegrænsende forhold).

• Ventilblændeeffekt – hvirvler fra højhastighedsstråle i strømningskanaler for reguleringsventiler.

• Submerged jet – en stråle, der strækker sig ind i ubegrænsede strømningsområder, hvor der opstår områder med lavt tryk.

• Negative belastninger på motorer og cylindre – eksternt drevne aktuatorbelastninger skaber lavtryk i aktuatoren.

• Trykstød og vandslag – den sjældne del af trykbølger er i stand til at skabe områder med undertryk i ledningen.

• Højdeeffekt – lavt atmosfærisk tryk udsætter sugeledningen for et tryk, der kan vise sig at være utilstrækkeligt til at fylde pumpekamrene.

Varmekilder, der fører til kavitation

De varmekilder, der bidrager til for høje temperaturer og kavitation i systemvæsken, omfatter følgende:

• Høj omgivelsestemperatur
• Mangelfuld mekanisk virkningsgrad af pumper og motorer
• Turbulente strømningsforhold i ledninger
• Fordamningsvarme i kaviterende strømning
• Kompressionsvarme i luftet strømning
• Høje trykfald på tværs af reguleringsåbninger
• Svær drift arbejdscyklus
• Større strømningsbegrænsninger i alle dele af væskecirkulationssystemet
• Dårlig køling eller manglende varmeoverførsel
• Høj friktion fra ru overflader og slibende påvirkning

Mulige steder for luftindtrængning, der skal kontrolleres

For så vidt angår luftindtrængningspunkter i et system, gælder følgende bør man nøje undersøge disse steder, når der opstår alvorlig kavitation:

Reservoirer – steder, hvor der forekommer mekanisk (omrøring) luftindtrængning, hvirvlende væske, væskepåvirkning af flydende eller faste overflader, tryksatte reservoirforhold, cyklonstrømning ved pumpens indsugningsåbning, kritisk højde (vinklet reservoir) under drift, som udsætter pumpens indsugningsåbning for atmosfæren, stød af væsken som følge af bevægelse over ujævnt terræn og/eller lavt væskeniveau i reservoiret, som udsætter pumpens indsugningsåbning for atmosfæren.

Pumpe – ledninger og/eller porte med lille diameter, begrænsende flowpassager, flowafledninger og/eller lange sugeledningsforhold, dårlige pumpefyldningsegenskaber (begrænsende interne flowpassager, høj pumpehastighed, for stor flowdeplacement); for stor højde til at give et tilstrækkeligt reservoirtryk til at forsyne pumpen ved nominelle flowforhold; utilstrækkelig sugekraft til at løfte væsken til pumpeindløbsniveauet (dvs. for stor højde mellem væskeniveau og pumpeindtag), utilstrækkelig sugekraft til at accelerere reservoirvæske til pumpens nominelle flowbetingelser (reagerer ikke på pumpens forskydningskrav).

Ventiler – stråler, der udledes fra åbninger i et begrænset strømningsrum, strømlinet strømning gennem kanaler, der ender i kamre, hvor der er lavt tryk ved ventilens nedstrømsvægge, og/eller spjældventiler, der udledes i en lavtryksledning (returledning).

Aktuatorer (udvidede tætninger) – luftpassende stangtætninger, luftdesorption, der eksisterer, og/eller dampformige hulrum, der dannes, når der opstår negativ belastning på grund af eksterne inertialbelastninger.

Motorer (akseltætninger) – luftpassende tætninger og gasformig/dampformig kavitation, der opstår, når der eksisterer negativ belastning på grund af en svinghjulseffekt.

Akkumulator – luft/gas, der lækker forbi slidt stempelforsegling, sprængt membran eller revet blære.

Filter – luft passerer udvendige tætninger i sugeledningsfiltre eller interne strømningsbegrænsninger, der forårsager luftdesorption.

Stikforbindelser (slangekoblinger, rørfittings og manifoldtætninger) – luft passerer tætningsflader i stikforbindelser, som har løsnet sig ved vibrationer og termisk ekspansion og sammentrækning.

Kanalrør – ru vægge, afklemte strømningsafsnit eller fremspring i strømmen.