Das Phänomen der Kavitation besteht in der Unterbrechung der Kontinuität in der Flüssigkeit, wenn eine beträchtliche lokale Druckverminderung vorliegt. Die Bildung von Blasen in Flüssigkeiten (Kavitation) beginnt schon bei Überdrücken, die gleich oder nahe dem Druck des gesättigten Dampfes der Flüssigkeit bei der gegebenen Temperatur sind.

Die verschiedenen Flüssigkeiten haben unterschiedliche Grade der Widerstandsfähigkeit gegen Kavitation, weil sie in erheblichem Maße von der Konzentration von Gas und Fremdpartikeln in der Flüssigkeit abhängen.

Verschleißmechanismus

Der Mechanismus der Kavitation kann wie folgt beschrieben werden: Jede Flüssigkeit enthält entweder gasförmige oder dampfförmige Blasen, die als Kavitationskeime dienen. Wenn der Druck auf ein bestimmtes Niveau gesenkt wird, werden die Blasen zum Speicher von Dampf oder gelösten Gasen.

Das unmittelbare Ergebnis dieses Zustandes ist, dass die Blasen schnell an Größe zunehmen. Wenn die Blasen dann in eine Zone mit vermindertem Druck eintreten, werden sie durch Kondensation der Dämpfe, die sie enthalten, verkleinert.

Dieser Kondensationsprozess geht ziemlich schnell vonstatten und wird von lokalen hydraulischen Stößen, der Emission von Schall, der Zerstörung von Materialverbindungen und anderen unerwünschten Phänomenen begleitet. Man geht davon aus, dass die Verringerung der Volumenstabilität in den meisten Flüssigkeiten mit dem Gehalt an verschiedenen Beimischungen, wie z. B. festen, unbenetzten Teilchen und Gas-Dampf-Blasen, insbesondere im submikroskopischen Bereich, zusammenhängt, die als Kavitationskeime dienen.

Ein kritischer Aspekt des Kavitationsverschleißprozesses ist die Zerstörung der Oberfläche und die Materialverdrängung, die durch hohe Relativbewegungen zwischen einer Oberfläche und der exponierten Flüssigkeit verursacht werden. Infolge dieser Bewegungen sinkt der lokale Druck des Fluids, wodurch die Temperatur des Fluids den Siedepunkt erreicht und sich kleine Dampfhohlräume bilden.

Wenn der Druck wieder normal wird (der höher ist als der Dampfdruck des Fluids), kommt es zu Implosionen, die den Kollaps der Hohlräume oder Dampfblasen verursachen. Dieses Kollabieren der Blasen erzeugt Stoßwellen, die hohe Aufprallkräfte auf benachbarte Metalloberflächen ausüben und Kaltverfestigung, Ermüdung und Kavitationsgruben verursachen.

Kavitation ist also die Bezeichnung für einen Mechanismus, bei dem Dampfblasen (oder Hohlräume) in einer Flüssigkeit aufgrund lokaler Druckschwankungen wachsen und kollabieren. Diese Schwankungen können einen niedrigen Druck in Form des Dampfdrucks der Flüssigkeit erzeugen. Dieser Prozess der dampfförmigen Kavitation tritt bei annähernd konstanten Temperaturbedingungen auf.

Kavitationstypen

Es gibt zwei Haupttypen von Kavitation: dampfförmige und gasförmige Kavitation.

Die dampfförmige Kavitation ist ein Ebullitionsprozess, der stattfindet, wenn die Blase explosionsartig und unbegrenzt wächst, während sich Flüssigkeit schnell in Dampf umwandelt. Diese Situation tritt ein, wenn das Druckniveau unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinkt.

Gasförmige Kavitation ist ein Diffusionsprozess, der immer dann auftritt, wenn der Druck unter den Sättigungsdruck des in der Flüssigkeit gelösten nicht kondensierbaren Gases fällt. Während dampfförmige Kavitation extrem schnell ist und in Mikrosekunden auftritt, ist gasförmige Kavitation viel langsamer; die Zeit, die sie benötigt, hängt vom Grad der Konvektion (Flüssigkeitszirkulation) ab.

Kavitationsverschleiß tritt nur unter den Bedingungen dampfförmiger Kavitation auf – wo die Stoßwellen und Mikrostrahlen die Oberflächen erodieren können. Gasförmige Kavitation führt nicht zur Erosion von Oberflächenmaterial.

Sie verursacht lediglich Lärm, erzeugt hohe Temperaturen (sogar Rissbildung auf molekularer Ebene) und verschlechtert die chemische Zusammensetzung der Flüssigkeit durch Oxidation. Kavitationsverschleiß wird auch als Kavitationserosion, dampfförmige Kavitation, Kavitationslochfraß, Kavitationsermüdung, Flüssigkeitsschlag-Erosion und Drahtziehen bezeichnet.

Kavitationsverschleiß ist eine Art von Verschleiß zwischen Flüssigkeit und Oberfläche, der auftritt, wenn ein Teil der Flüssigkeit zunächst Zugspannungen ausgesetzt wird, die die Flüssigkeit zum Sieden bringen, und dann Druckspannungen, die die Dampfblasen zum Kollabieren (Implodieren) bringen.

Dieses Kollabieren erzeugt einen mechanischen Schock und bewirkt, dass Mikrostrahlen gegen die Oberflächen prallen und die Flüssigkeit vereinigen. Jedes System, das dieses Zug- und Druckspannungsmuster wiederholen kann, unterliegt dem Kavitationsverschleiß und all den Schrecken, die mit einer solchen zerstörerischen Aktivität einhergehen.

Kavitationsverschleiß ähnelt dem Oberflächenermüdungsverschleiß; Materialien, die der Oberflächenermüdung widerstehen (harte, aber nicht spröde Stoffe), widerstehen auch dem Kavitationsverschleiß.

Kavitationsverschleißprozess

Flüssigkeit ist das Medium, das Kavitationsverschleiß verursacht. Für den Kavitationsverschleiß ist keine zweite Oberfläche erforderlich, es muss lediglich eine hohe Relativbewegung zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit bestehen. Eine solche Bewegung verringert den lokalen Druck in der Flüssigkeit. Wenn die Flüssigkeit ihren Siedepunkt erreicht und es zum Siedeverzug kommt, bilden sich Dampfblasen, was zu Kavitation führt.

Jeder Dampfhohlraum ist nur von kurzer Dauer, da fast jeder Druckanstieg dazu führt, dass der Dampf in der Blase sofort kondensiert und die Blase kollabiert und eine Stoßwelle erzeugt. Diese Schockwelle prallt dann auf benachbarte Metalloberflächen und zerstört die Materialverbindungen.

Die Schockwelle erzeugt zunächst eine Druckspannung auf der festen Oberfläche und erzeugt dann, wenn sie reflektiert wird, eine Zugspannung, die senkrecht zur Oberfläche steht.

Abbildung 1. Kollaps einer Dampfblase und die Entstehung eines Mikrostrahls

Abbildung 1 zeigt den Kollaps einer Dampfblase und die Entstehung eines Mikrostrahls. Kavitation tritt im Allgemeinen dort auf, wo eine hydrodynamische Bedingung vorliegt, die durch eine plötzliche und starke Änderung des hydrostatischen Drucks gekennzeichnet ist. Da Ebullition in dem Moment auftreten kann, in dem der Druck abfällt, bilden sich Dampfblasen häufig und schnell und brechen wieder zusammen.

Mitgerissene Luft- und Staubpartikel in der Flüssigkeit dienen als Keimzellen für die Bildung von Dampflöchern. Bei diesen Keimen kann es sich um kleine gasgefüllte Taschen in den Spalten des Behälters handeln oder einfach um Gastaschen an Schmutzpartikeln, die sich frei in der Strömung bewegen. Daher können alle eingeschlossenen Flüssigkeiten genügend Verunreinigungen enthalten, um Kavitation zu erzeugen.

Kleine Hohlräume in der Nähe der Oberfläche oder des Strömungsfeldes, wo ein Mindestdruck herrscht, zeigen an, dass die Kavitation begonnen hat. Einmal in Gang gesetzt, wachsen die Blasen weiter, solange sie in Niederdruckgebieten bleiben. Wenn die Blasen in Hochdruckgebiete vordringen, kollabieren sie, wobei ein hoher Druck entsteht und alle festen Oberflächen in der Nähe erodiert werden.

Während des Kollapses bewegen sich Flüssigkeitsteilchen, die die Blase umgeben, schnell in ihr Zentrum. Die kinetische Energie dieser Teilchen erzeugt lokale Wasserschläge von hoher Intensität (Schock), die mit dem Fortschreiten der Front zum Zentrum der Blase zunehmen.

Akustische und visuelle Erkennung

Ausrüstungsbenutzer können Kavitation akustisch, visuell, durch akustische Instrumente, durch Maschinenvibrationssensoren, durch Sonolumineszenzmessungen oder durch eine Abnahme oder Veränderung der Leistung im Vergleich zu einphasigen Strömungsbedingungen (z. B. Verlust von Durchfluss, Steifigkeit und Ansprechverhalten) erkennen.

Unter kavitierenden Strömungsbedingungen kann die Verschleißrate um ein Vielfaches höher sein als die durch Erosion und Korrosion allein verursachte. Kavitationsverschleiß kann die widerstandsfähigsten Werkstoffe – Werkzeugstähle, Stellite usw. – zerstören. Solche Schäden können schnell und in großem Umfang auftreten.

Das Ausmaß der durch Kavitation verursachten Schäden hängt davon ab, wie viel Druck und Geschwindigkeit die kollabierten Blasen erzeugen. Infolge dieses Drucks und dieser Geschwindigkeit erfährt die freiliegende Oberfläche eine Vielzahl von sehr unterschiedlichen Intensitäten.

Jede Beanspruchung dauert nur kurze Zeit; die Impulsgrößen und Kollapszeiten sind für größere Blasen bei gegebenen kollabierenden Druckdifferenzen größer. Je größer also die Zugspannung in der Flüssigkeit (je geringer der statische Druck), desto größer die Blasen, desto intensiver die Kavitation und desto gravierender die Schäden.

Die Impulse, die bei der Bildung und dem Kollaps von Dampfblasen entstehen, verursachen einzelne symmetrische Krater und dauerhafte Materialverformungen, wenn der Kollaps nahe der Oberfläche stattfindet. Folglich hat die Kavitationsschädigung, wie das Ermüdungsversagen, mehrere Aktivitätsperioden:

• Inkubationsperiode – Mikrorisse bilden sich um Korngrenzen und Einschlüsse aufgrund elastischer und plastischer Verformung der Oberfläche.

• Akkumulationsperiode – das Risswachstum verläuft im Verhältnis zum Grad der Spalt-, Scher- und Reißeinwirkung auf das Material.

• Steady-State-Periode – die Rate der Risskeimbildung und -ausbreitung wird für den Rest der Expositionszeit konstant.

In einem Flüssigkeitsströmungssystem (im Gegensatz zu einer Ultraschallwanne) bilden sich Dampfblasen dort, wo Zugspannungen (niedrige Drücke) auftreten, und Dampfblasen kollabieren in Bereichen mit höherem Druck, in denen Druckspannungen auf die Flüssigkeit ausgeübt werden können.

Daher ist der Bereich, in dem Schäden auftreten, oft recht weit von dem Bereich entfernt, in dem Hohlräume entstehen – was häufig zu einer falschen Diagnose des Problems führt. Kavitationsverschleiß ist mechanischer Natur und kann nicht ohne die Anwendung von Zug- und Druckspannungen auftreten.

Kavitation Hot Spots

Viele Bereiche in Hydrauliksystemen sind anfällig für Kavitationsverschleiß, wie z.B.:

• unterhalb von Steuerventilen mit hohen Druckdifferenzen,

• in den Ansaugkammern von Pumpen, in denen ein Unterdruck herrscht,

• in sich schnell bewegenden Aktuatoren (sowohl Linear- als auch Rotationstypen), in denen negative Lastbedingungen auftreten,

• in Leckagepfaden (über Dichtungen, in Leckagepfaden (über Dichtungen, Ventilsitze und Kolbenstege), wo hohe Geschwindigkeiten dazu führen, dass der Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt (ein Kavitationszustand, der oft als Drahtziehen bezeichnet wird) und

• in allen Vorrichtungen, in denen der Flüssigkeitsstrom scharfen Kurven, Querschnittsverringerungen mit nachfolgenden Ausdehnungen (in Hähnen, Klappen, Ventilen, Membranen) und anderen Verformungen ausgesetzt ist.

Kavitation stört die normalen Betriebsbedingungen von strömungsmechanischen Systemen und zerstört die Oberflächen von Bauteilen. Der Prozess besteht aus der Bildung von Hohlräumen bei niedrigem Druck, dem Wachstum der nachfolgenden Blasen, wenn sich der Druck stabilisiert, und schließlich dem Zusammenbruch der Blasen, wenn die Hohlräume (gas- oder dampfförmige Blasen) hohem Druck ausgesetzt werden.

Bei Kavitationsverschleiß ist der Druckabfall am Bauteil die treibende Kraft. Abbildung 2 zeigt den Kavitationsprozess, der in einer Zahnradpumpe und in einem Schieberventil auftritt und wie Hohlräume in flüssigkeitsgefüllten Komponenten entstehen, wachsen und kollabieren.

Abbildung 2. Kavitationsprozess in Hydraulikkomponenten

Verringerung des Kavitationsverschleißes

Beim Kavitationsverschleiß breiten sich Mikrorisse bis zu dem Punkt aus, an dem das Material der Impulsbelastung durch die implodierenden Dampfblasen nicht mehr standhalten kann. Wie bei jedem Ermüdungsversagen bilden sich Mikrorisse zunächst an Spannungserhöhungen (Kerben, Risse, Hinterschneidungen, Schweißfehler usw.) oder an heterogenen Bereichen des Materials (z. B. an der Richtung des Metallflusses, an Einschlüssen und entkohlten Abschnitten).

Daher ist eine raue Oberfläche anfällig für Kavitationsverschleiß, und da Pittings und ein raues Profil den Kavitationsschaden charakterisieren, nimmt der Schaden zu, je rauer die Oberfläche wird.

Das grundlegendste Mittel zur Bekämpfung des Kavitationsverschleißes ist die Minimierung der Zugbelastung des Fluids. Mit anderen Worten, die Benutzer der Anlagen müssen den Brechungsgrad oder die Vakuumbedingungen in den Zonen möglicher Kavitation verringern. Dazu können insbesondere folgende Maßnahmen geeignet sein:

• Erhöhen Sie das Druckniveau am Ausgang von Drosselventilen.

• Erhöhen Sie den Eingangsdruck am Sauganschluss der Pumpe durch Aufladung des Pumpeneinlasses.

• Verwenden Sie Anti-Kavitations-Kontrollen bei Anwendungen mit negativer Last.

• Reduzieren Sie den Wassergehalt der Flüssigkeit, um die Möglichkeit des Drahtziehens (Wasser hat einen höheren Dampfdruck als Öl) über Ventilsitze und dynamische Dichtungen zu vermeiden.

• Verwenden Sie eine Flüssigkeit mit niedrigem Dampfdruck.

• Wählen Sie eine Pumpe mit guten Fülleigenschaften im Gegensatz zu einer Konfiguration mit verengtem Einlass.

• Verwenden Sie eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität oder erhöhen Sie die Flüssigkeitstemperatur.

In vielen Fällen können Konstrukteure Kavitationsschäden durch die richtige Auswahl der Fertigungsmaterialien minimieren. So kann beispielsweise rostfreier Stahl anstelle von Aluminium gewählt werden (Abbildung 3), und die freiliegende Oberfläche wird mit einer kavitationsbeständigen Legierung aufgepanzert. Gummi- und andere Elastomerbeschichtungen haben ebenfalls dazu beigetragen, den Verschleiß durch Kavitation zu minimieren. Trotz ihres geringen Widerstands gegen Kavitation reflektieren diese Oberflächen die Schockwelle, ohne größere Schäden zu verursachen.

Abbildung 3. Reihenfolge der relativen Kavitationsbeständigkeit von Werkstoffen

Kavitationspartikel

Die Größe der durch Kavitationsverschleiß erzeugten Partikel ist eine Funktion der Brinell-Härte des exponierten Materials. Die größten Partikel treten während der Akkumulationsphase auf. Die Steigungen der kumulativen Partikelgrößenverteilungskurven nehmen mit zunehmender Dehnungsenergie des Werkstoffs zu. Die durchschnittliche Größe der durch Kavitation erzeugten Partikel nimmt mit zunehmender Kavitationsintensität ab.

Vorläufer von Kavitation

Bei der Untersuchung eines Kavitationsproblems in einem Fluidsystem müssen alle möglichen Quellen von Unterdruck (Vakuum), hoher Temperatur (Wärme) und Stellen, an denen Luft eindringen könnte, ermittelt werden. Die folgende Liste sollte als Richtlinie für die Identifizierung von Niederdruckbereichen in einem Fluidsystem dienen:

• Pumpenansaugung – unsachgemäße Hydraulik der Saugleitung (strömungsbegrenzende Bedingungen).

• Ventilblendeneffekt – Wirbel von Hochgeschwindigkeitsstrahlen in Durchflusskanälen von Steuerventilen.

• Tauchstrahl – ein Strahl, der sich in unbegrenzte Strömungsbereiche erstreckt, in denen Bereiche mit niedrigem Druck entstehen.

• Negative Lasten an Motoren und Zylindern – extern angetriebene Antriebslasten erzeugen einen Unterdruck im Antrieb.

• Druckstöße und Wasserschläge – der Verdünnungsanteil von Druckwellen kann Unterdruckbereiche in der Leitung erzeugen.

• Höheneffekt – niedriger atmosphärischer Druck setzt die Saugleitung einem Druck aus, der sich als unzureichend zum Füllen der Pumpenkammern erweisen kann.

Wärmequellen, die zu Kavitation führen

Zu den Wärmequellen, die zu übermäßig hohen Temperaturen und Kavitation in der Systemflüssigkeit beitragen, gehören die folgenden:

• Hohe Umgebungstemperatur
• Schlechter mechanischer Wirkungsgrad von Pumpen und Motoren
• Turbulente Strömungsbedingungen in Leitungen
• Verdampfungswärme in kavitierender Strömung
• Kompressionswärme in belüfteter Strömung
• Hoher Druckabfall über Regelöffnungen
• Starke Betriebs Arbeitszyklus
• Große Durchflussbeschränkungen in allen Teilen des Flüssigkeitskreislaufs
• Schlechte Kühlung oder mangelnde Wärmeübertragung
• Hohe Reibung durch raue Oberflächen und Abrieb

Mögliche zu prüfende Lufteintrittsstellen

Was die Lufteintrittsstellen eines Systems betrifft, Sie sollten diese Stellen sorgfältig prüfen, wenn ernsthafte Kavitation auftritt:

Behälter – Stellen, an denen es zu mechanischem Lufteintritt (durch Bewegung) kommt, an denen die Flüssigkeit verwirbelt wird, an denen die Flüssigkeit auf flüssige oder feste Oberflächen trifft, an denen der Behälter unter Druck steht, an denen eine zyklonale Strömung an der Ansaugöffnung der Pumpe auftritt, an denen während des Betriebs eine kritische Höhe (abgewinkelter Behälter) auftritt, die die Ansaugöffnung der Pumpe der Atmosphäre aussetzt, an denen die Flüssigkeit durch Bewegung in unwegsamem Gelände aufgewirbelt wird und/oder an denen der Flüssigkeitsstand im Behälter niedrig ist und die Ansaugöffnung der Pumpe der Atmosphäre ausgesetzt ist.

Pumpe – Leitungen und/oder Anschlüsse mit kleinem Durchmesser, restriktive Strömungspassagen, Strömungsumlenkungen und/oder lange Saugleitungen, schlechte Füllungseigenschaften der Pumpe (restriktive interne Strömungspassagen, hohe Pumpendrehzahl, zu großes Fördervolumen); zu große Höhe, um einen ausreichenden Reservoirdruck zur Versorgung der Pumpe bei Nennförderbedingungen zu gewährleisten; unzureichende Saughöhe, um die Flüssigkeit auf das Niveau des Pumpeneinlasses zu heben (d. h. zu großer Höhenunterschied zwischen dem Flüssigkeitsspiegel und dem Pumpeneinlass), unzureichende Saughöhe, um die Flüssigkeit im Reservoir auf die Nennförderbedingungen der Pumpe zu beschleunigen (keine Reaktion auf die Anforderungen der Pumpe an die Fördermenge).

Ventile – Düsen, die aus Öffnungen in einen begrenzten Strömungsraum austreten, Stromlinienströmung durch Kanäle, die in Kammern enden, in denen an den stromabwärts gelegenen Wänden des Ventils ein niedriger Druck herrscht, und/oder Drosselventile, die in eine Niederdruckleitung (Rücklaufleitung) münden.

Aktuatoren (verlängerte Dichtungen) – luftdurchlässige Stangendichtungen, vorhandene Luftdesorption und/oder dampfförmige Hohlräume, die sich bilden, wenn eine negative Belastung aufgrund externer Trägheitslasten auftritt.

Motoren (Wellendichtungen) – luftdurchlässige Dichtungen und gas- bzw. dampfförmige Kavitation, die auftritt, wenn eine negative Belastung aufgrund eines Schwungradeffekts besteht.

Akkumulator – Luft/Gas, das an einer verschlissenen Kolbendichtung, einer gerissenen Membran oder einer gerissenen Blase austritt.

Filter – Luft strömt durch externe Dichtungen in Saugleitungsfiltern oder interne Strömungsbeschränkungen, die eine Luftdesorption verursachen.

Kanalanschlüsse (Schlauchkupplungen, Rohrverschraubungen und Verteilerdichtungen) – Luft strömt durch Anschlussdichtungsflächen, die sich durch Vibrationen und thermische Ausdehnungs- und Kontraktionseffekte gelockert haben.

Kanäle – raue Wände, eingeklemmte Strömungsabschnitte oder Vorsprünge im Strömungsstrom.