Kavitaatioilmiö muodostuu nesteen jatkuvuuden katkeamisesta, kun paine alenee paikallisesti huomattavasti. Kuplien muodostuminen nesteissä (kavitaatio) alkaa jo silloin, kun vallitsee positiivinen paine, joka on yhtä suuri tai lähellä nesteen kylläisen höyryn painetta tietyssä lämpötilassa.

Vaihtelevilla nesteillä on erilainen kavitaatiokestävyys, koska se riippuu huomattavassa määrin kaasun ja vieraiden hiukkasten konsentraatiosta nesteessä.

Kavitaatiomekanismi

Kavitaatiomekanismia voidaan kuvata seuraavasti: Mikä tahansa neste sisältää joko kaasumaisia tai höyrymäisiä kuplia, jotka toimivat kavitaatioytiminä. Kun paine alennetaan tietylle tasolle, kuplista tulee höyryn tai liuenneiden kaasujen varasto.

Tämän tilan välitön seuraus on, että kuplat kasvavat nopeasti kooltaan. Myöhemmin, kun kuplat joutuvat alentuneen paineen vyöhykkeelle, niiden koko pienenee niiden sisältämien höyryjen tiivistymisen seurauksena.

Tämä tiivistymisprosessi tapahtuu melko nopeasti, ja siihen liittyy paikallisia hydraulisia iskuja, äänipäästöjä, aineellisten sidosten tuhoutumista ja muita ei-toivottuja ilmiöitä. Uskotaan, että tilavuusvakavuuden väheneminen useimmissa nesteissä liittyy erilaisten lisäaineiden, kuten kiinteiden kostumattomien hiukkasten ja kaasu- ja höyrykuplien, erityisesti submikroskooppisen tason hiukkasten, jotka toimivat kavitaatioytiminä, pitoisuuksiin.

Kriittinen näkökohta kavitaatiokulumisprosessissa on pinnan tuhoutuminen ja materiaalin siirtyminen, joka aiheutuu pinnan ja altistuvan nesteen välisistä suurista suhteellisista liikkeistä. Tällaisten liikkeiden seurauksena nesteen paikallinen paine laskee, jolloin nesteen lämpötila saavuttaa kiehumispisteen ja pieniä höyrykuvioita muodostuu.

Kun paine palautuu normaaliksi (joka on korkeampi kuin nesteen höyrynpaine), syntyy implokaatioita, jotka aiheuttavat ontelon tai höyrykuplien romahtamisen. Tämä kuplien luhistuminen synnyttää iskuaaltoja, jotka tuottavat suuria iskuvoimia viereisiin metallipintoihin ja aiheuttavat työkovettumista, väsymistä ja kavitaatiokuoppia.

Kavitaatio on siis nimitys mekanismille, jossa nesteessä olevat höyrykuplat (tai ontelot) kasvavat ja luhistuvat paikallisten paineenvaihteluiden vuoksi. Nämä vaihtelut voivat tuottaa alhaisen paineen, nesteen höyrynpaineen muodossa. Tämä höyrymäinen kavitaatioprosessi tapahtuu suunnilleen vakiolämpötilaolosuhteissa.

Kavitaatiotyypit

Kavitaatiolle on olemassa kaksi päätyyppiä: höyrymäinen ja kaasumainen.

Höyrymäinen kavitaatio on ebullitioprosessi, joka tapahtuu, jos kupla kasvaa räjähdysmäisesti rajattomasti nesteen muuttuessa nopeasti höyryksi. Tämä tilanne syntyy, kun painetaso laskee alle nesteen höyrynpaineen.

Kaasumainen kavitaatio on diffuusioprosessi, joka tapahtuu aina, kun paine laskee alle nesteeseen liuenneen ei-kondensoituvan kaasun kyllästyspaineen. Höyrymäinen kavitaatio on erittäin nopeaa ja tapahtuu mikrosekunneissa, mutta kaasumainen kavitaatio on paljon hitaampaa; siihen kuluva aika riippuu läsnä olevan konvektion (nesteen kierto) asteesta.

Kavitaatiokulumista tapahtuu vain höyrymäisessä kavitaatio-olosuhteissa – jolloin iskuaallot ja mikrosuihkut voivat syöstä pintoja. Kaasumainen kavitaatio ei aiheuta pintamateriaalin eroosiota.

Se ainoastaan aiheuttaa melua, synnyttää korkeita (jopa molekyylitason halkeilua aiheuttavia) lämpötiloja ja heikentää nesteen kemiallista koostumusta hapettumisen kautta. Kavitaatiokuluminen tunnetaan myös nimillä kavitaatioeroosio, höyrykavitaatio, kavitaatiopistesyöpyminen, kavitaatioväsyminen, nesteen iskueroosio ja lankaveto.

Kavitaatiokuluminen on nesteen ja pinnan välinen kulumistyyppi, joka syntyy, kun osa nesteestä altistuu ensin vetojännityksille, jotka saavat nesteen kiehumaan, ja sen jälkeen puristusjännityksille, jotka saavat höyrykuplat luhistumaan (implodoitumaan).

Tämä luhistuminen synnyttää mekaanisen tärähdyksen ja saa aikaan mikrosuihkujen iskeytymisen pintoihin, jolloin neste yhdistyy. Mikä tahansa järjestelmä, joka pystyy toistamaan tämän veto- ja puristusjännitysmallin, altistuu kavitaatiokulumiselle ja kaikille tällaiseen tuhoavaan toimintaan liittyville kauheuksille.

Kavitaatiokuluminen on samanlaista kuin pinnan väsymiskuluminen; materiaalit, jotka kestävät pinnan väsymistä (kovat, mutta eivät hauraat aineet), kestävät myös kavitaatiovaurioita.

Kavitaatiokulumisprosessi

Neste on väliaineena kavitaatiokulumisessa. Kavitaatiokuluminen ei vaadi toista pintaa; se edellyttää vain, että pinnan ja nesteen välillä on suuri suhteellinen liike. Tällainen liike vähentää paikallista painetta nesteessä. Kun neste saavuttaa kiehumispisteensä ja vaahtoaminen tapahtuu, muodostuu höyrykuplia, mikä aiheuttaa kavitaatiokulumista.

Jokainen höyrykuvio kestää lyhyen aikaa, koska lähes mikä tahansa paineen nousu saa kuplassa olevan höyryn tiivistymään välittömästi ja kuplan luhistumaan ja synnyttämään iskuaallon. Tämä paineaalto osuu sitten viereisiin metallipintoihin ja tuhoaa materiaalisidokset.

Syöksyaalto tuottaa ensin puristusjännityksen kiinteään pintaan, ja sitten kun se heijastuu, se tuottaa vetojännityksen, joka on kohtisuorassa pintaan nähden.

Kuvio 1. Paineaallon aiheuttama puristusjännitys. Höyrykuplan romahtaminen ja mikrosuihkun syntyminen

Kuvassa 1 on esitetty höyrykuplan romahtaminen ja mikrosuihkun syntyminen. Kavitaatiota esiintyy yleensä silloin, kun vallitsee hydrodynaaminen tila, jolle on ominaista hydrostaattisen paineen äkillinen ja voimakas muutos. Koska ebullitio voi tapahtua heti paineen laskiessa, höyrykuplia muodostuu ja romahtaa usein ja nopeasti.

Nesteeseen tunkeutuneet ilma- ja pölyhiukkaset toimivat ydintymispaikkoina höyrykavitaatioiden muodostumiselle. Nämä ytimet voivat olla pieniä kaasutäytteisiä taskuja säiliön raoissa tai yksinkertaisesti kaasutaskuja virtausvirrassa vapaasti liikkuvien epäpuhtaushiukkasten päällä. Näin ollen kaikki suljetut nesteet voivat sisältää riittävästi epäpuhtauksia kavitaation synnyttämiseksi.

Pienet tyhjätilat lähellä pintaa tai virtauskenttää, jossa on minimipaine, osoittavat, että kavitaatio on alkanut. Aloitettuaan kuplat jatkavat kasvuaan niin kauan kuin ne pysyvät matalapaineisilla alueilla. Kun kuplat kulkeutuvat korkeapainealueille, ne luhistuvat tuottaen voimakkaita paineita ja rapauttamalla lähistöllä olevia kiinteitä pintoja.

Luhistumisen aikana kuplan ympärillä olevat nestehiukkaset siirtyvät nopeasti kuplan keskelle. Näiden hiukkasten liike-energia synnyttää paikallisia voimakkaita vesivasaroita (shokki), jotka kasvavat rintaman edetessä kohti kuplan keskustaa.

Auditiivinen ja visuaalinen havaitseminen

Laitteiden käyttäjät voivat havaita kavitaation auditiivisesti, visuaalisesti, akustisilla mittalaitteilla, koneen värähtelyantureilla, sonoluminesenssimittauksella tai suorituskyvyn heikkenemisestä tai muutoksesta verrattuna yksivaiheisissa virtausolosuhteissa tuotettuun suorituskykyyn (esimerkiksi virtauksen, jäykkyyden ja vasteen heikkeneminen).

Kavitaatiovirtauksen olosuhteissa kulumisnopeus voi olla monin verroin korkeampi kuin pelkän eroosion ja korroosion aiheuttama. Kavitaatiokuluminen voi tuhota vahvimmat materiaalit – työkaluteräkset, steliitit jne. Tällaiset vauriot voivat tapahtua nopeasti ja laajasti.

Kavitaation aiheuttamien vaurioiden määrä riippuu siitä, kuinka suuren paineen ja nopeuden romahtaneet kuplat aiheuttavat. Tämän paineen ja nopeuden seurauksena altistuvaan pintaan kohdistuu hyvin vaihtelevia voimakkuuksia.

Jokainen impulssi kestää vain lyhyen aikaa; impulssin suuruudet ja luhistumisajat ovat suurempia suuremmille kuplille tietyillä luhistuvilla paine-eroilla. Näin ollen mitä suurempi on nesteen vetojännitys (mitä pienempi on staattinen paine), sitä suuremmat ovat kuplat, sitä voimakkaampi kavitaatio ja sitä vakavampi vaurio.

Höyrykuplien muodostuessa ja luhistuessa syntyvät impulssit aiheuttavat yksittäisiä symmetrisiä kraattereita ja pysyviä materiaalin muodonmuutoksia, kun luhistuminen tapahtuu pinnan vieressä. Näin ollen kavitaatiovauriolla, kuten väsymismurtumallakin, on useita toimintajaksoja:

• Inkubaatiojakso – mikrosäröt ydintyvät raerajojen ja sulkeumien ympärille sekä pinnan elastisen että plastisen muodonmuutoksen seurauksena.

• Kertymisjakso – säröjen kasvu etenee suhteessa materiaaliin kohdistuvan halkaisu-, leikkaus- ja repimisvaikutuksen asteeseen.

• Vakiointitilajakso – säröjen ydintymis- ja etenemisnopeus muuttuu vakioksi jäljellä olevan altistusajan ajan.

Nestevirtausjärjestelmässä (toisin kuin ultraäänisäiliössä) höyrykuplat muodostuvat siellä, missä nesteeseen kohdistuu vetojännityksiä (alhaiset paineet), ja höyrykuplat luhistuvat korkeamman paineen alueilla, missä nesteeseen voi kohdistua puristusjännityksiä.

Siten alue, jossa vaurioita syntyy, on usein melko erillään alueesta, jossa onkaloita syntyy – mikä johtaa usein ongelman virheelliseen diagnoosiin. Kavitaatiokuluminen on luonteeltaan mekaanista, eikä sitä voi tapahtua ilman veto- ja puristusjännityksiä.

Kavitaatiokulutuksen kuumat kohdat

Kavitaatiokulumiselle alttiita alueita hydrauliikkajärjestelmissä ovat esimerkiksi seuraavat:

• Säätöventtiilien alapuolella, joissa on suuria paine-eroja,

• Pumppujen imukammioissa, joissa vallitsevat nälkiintyneet sisääntulo-olosuhteet,

• Nopeasti liikkuvissa toimilaitteissa (sekä lineaarisissa että pyörivissä tyyppeissä), joissa esiintyvät negatiiviset kuormitusolosuhteet,

• Vuotoradoilla (tiivisteiden poikki, venttiilin istukoiden ja kelan maita pitkin), joissa suuret nopeudet aiheuttavat painetasojen laskun alle nesteen höyrynpaineen (kavitaatiotilanne, johon usein viitataan langanvetona), ja

• kaikissa laitteissa, joissa nestevirtaukseen kohdistuu jyrkkiä käännöksiä, poikkileikkausten pienenemistä ja sitä seuraavia laajenemisia (kanoissa, läppäventtiileissä, venttiileissä, membraaneissa) ja muita deformaatioita.

Kavitaatio häiritsee nestetyyppisten mekaanisten järjestelmien normaaleja toimintaolosuhteita ja tuhoaa komponenttien pintoja. Prosessi koostuu onteloiden muodostumisesta, kun paineet ovat alhaisia, myöhempien kuplien kasvusta paineen vakiintuessa ja lopulta kuplien luhistumisesta, kun ontelot (kaasumaiset tai höyrymäiset kuplat) altistuvat korkealle paineelle.

Huomaa, että painehäviö komponentin poikki on kavitaatiokulumisen liikkeellepaneva voima. Kuvassa 2 on esitetty hammaspyöräpumpussa ja karavitaatioventtiilissä tapahtuva kavitaatioprosessi, joka osoittaa, miten ontelot syntyvät, kasvavat ja romahtavat nestetyyppisissä komponenteissa.

Kuva 2. Kavitaatioprosessi hydraulisissa komponenteissa

Kavitaatiokulumisen vähentäminen

Kavitaatiokulumisessa mikrosäröt etenevät pisteeseen, jossa materiaali ei enää kestä impulssikuormitusta, jonka implodoituvat höyrykuplat aiheuttavat. Siksi hiukkaset lopulta irtoavat ja pääsevät järjestelmään.

Kuten missä tahansa väsymisvikaantumisessa, mikrosäröt muodostuvat ensin jännityksen nousupaikkoihin (lovet, repeämät, alikappaleet, hitsausvirheet jne.) tai materiaalin heterogeenisiin alueisiin (kuten metallin virtaussuuntaan, sulkeumiin ja hiiltymättömiin osiin).

Karhea pinta on siis altis kavitaatiokulumiselle, ja koska kavitaatiovaurioille ovat ominaisia kuoppia ja karhea profiili, vauriot kasvavat sitä mukaa, kun pinta muuttuu karheammaksi.

Kavitaatiokulumisen torjunnan perustavin keino on minimoida nesteeseen kohdistuva vetojännitys. Toisin sanoen laitteiden käyttäjien on alennettava taitekorkeutta tai tyhjiöolosuhteita mahdollisilla kavitaatiovyöhykkeillä. Erityisesti seuraavat toimet voivat olla tarkoituksenmukaisia:

• Nostetaan painetasoa kuristusventtiilien ulostulossa.

• Nostetaan tulopaine pumpun imuaukosta pumpun sisääntuloaukon ylipaineistuksella.

• Käytä antikavitaatiotarkistuksia negatiivisen kuorman toimilaitesovelluksissa.

• Vähennä nesteen vesipitoisuutta, jotta venttiilien istukoiden ja dynaamisten tiivisteiden yli ei pääse tapahtumaan vaijerinvetoa (veden höyrynpaine on suurempi kuin öljyn).

• Käytä nestettä, jonka höyrynpaine on alhainen.

• Valitse pumppu, jolla on hyvät täyttöominaisuudet, vastakohtana näännytetylle imukonfiguraatiolle.

• Käytä nestettä, jonka viskositeetti on alhainen, tai nosta nesteen lämpötilaa.

Monissa tapauksissa suunnittelun insinöörit pystyvät minimoimaan kavitaatiovahingot valitsemalla valmistusmateriaalit oikein. Esimerkiksi alumiinin sijasta voidaan valita ruostumaton teräs (kuva 3) ja käyttää kovaa pinnoitusta, jossa on kavitaatiota kestävä seos alttiilla pinnalla. Kumi- ja muut elastomeeripinnoitteet ovat myös auttaneet kavitaatiokulumisen minimoimisessa. Huolimatta heikosta kavitaatiokestävyydestään nämä pinnat heijastavat iskuaallon aiheuttamatta voimakkaita vaurioita.

Kuva 3. Materiaalien suhteellisen kavitaatiokestävyyden järjestys

Kavitaatiohiukkaset

Kavitaatiokulutuksessa syntyvien hiukkasten koko on riippuvainen altistuvan materiaalin Brinell-kovuudesta. Suurimmat hiukkaset syntyvät kasautumisvaiheessa. Kumulatiivisten hiukkaskokojakaumakäyrien kaltevuudet kasvavat materiaalin rasitusenergian kasvaessa. Kavitaation tuottamien hiukkasten keskikoko pienenee kavitaation voimakkuuden kasvaessa.

Kavitaation aiheuttajat

Tutkittaessa kavitaatio-ongelmaa nestejärjestelmässä on tunnistettava kaikki mahdolliset matalan paineen (tyhjiö) ja korkean lämpötilan (lämpö) lähteet sekä paikat, joihin ilmaa saattaa tunkeutua. Seuraavan luettelon tulisi toimia ohjeena tunnistettaessa matalapainealueita nestejärjestelmässä:

• Pumpun imu – epäasianmukainen imulinjan hydrauliikka (virtausta rajoittavat olosuhteet).

• Venttiilin aukkovaikutus – suurnopeussuihkujen aiheuttamat pyörteet säätöventtiilin virtauskanavissa.

• Vaimennettuu suihkuaukko – suihku, joka ulottuu rajatuille virtauskohteille, joilla syntyy matalapainealueita.

• Moottoreiden ja sylintereiden negatiiviset kuormat – ulkoisesti ohjatut toimilaitteen kuormat luovat toimilaitteeseen matalapaineita.

• Painekuormitus ja vesivasara – paineaaltojen harvennusosa pystyy luomaan alipaineisia alueita putkistoon.

• Korkeusvaikutus – matala ilmanpaine altistaa imulinjan paineelle, joka voi osoittautua riittämättömäksi pumppukammioiden täyttämiseksi.

Kavitaatioon johtavat lämmönlähteet

Lämmönlähteitä, jotka edistävät järjestelmän nesteen liian korkeita lämpötiloja ja kavitaatiota, ovat muun muassa seuraavat:

• Ympäristön korkea lämpötila
• Pumppujen ja moottoreiden heikko mekaaninen hyötysuhde
• Turbulenttiset virtausolosuhteet putkistoissa
• Höyrystymislämpö kavitoivassa virtauksessa
• Kompressiolämpö ilmastetussa virtauksessa
• Korkeat painehäviöt säätöaukkojen kohdalla
• Kova toiminnallinen käyttösykli
• Suuret virtausrajoitukset kaikissa nestekiertojärjestelmän osissa
• Heikko jäähdytys tai lämmönsiirron puute
• Korkea kitka karkeista pinnoista ja hankaavasta toiminnasta

Mahdolliset tarkastettavat ilmansyöttökohdat

Järjestelmän ilmansyöttökohtiin liittyen, sinun tulisi tutkia nämä kohdat huolellisesti, kun vakavaa kavitaatiota esiintyy:

Säiliöt – paikat, joissa tapahtuu mekaanista (sekoitustyyppistä) ilman kulkeutumista, nesteen pyörteilyä, nesteen törmäämistä nestemäisiin tai kiinteisiin pintoihin, paineistetun säiliön olosuhteet, syklinen virtaus pumpun imuaukolla, kriittinen korkeus (vinossa oleva säiliö), joka esiintyy käytön aikana ja joka altistaa pumpun imuaukon ilmakehälle, nesteen työntyminen, joka johtuu liikkeestä vaikeakulkuisessa maastossa, ja/tai matala säiliön nestetaso, joka altistaa pumpun imuaukon ilmakehälle.

Pumppu – halkaisijaltaan pienet putket ja/tai portit, rajoittavat virtauskäytävät, virtauksen ohjaukset ja/tai pitkät imulinjaolosuhteet, huonot pumpun täyttöominaisuudet (rajoittavat sisäiset virtauskäytävät, suuri pumppausnopeus, liian suuri virtausvirtaama); liian suuri korkeus, jotta säiliön paine riittäisi syöttämään pumppua nimellisvirtaustilanteessa; riittämätön imukorkeus nesteen nostamiseksi pumpun sisääntulotasolle (eli nesteen tason ja pumpun sisääntulon välinen korkeus on liian suuri), riittämätön imukorkeus säiliön nesteen kiihdyttämiseksi pumpun nimellisvirtausolosuhteisiin (ei reagoi pumpun siirtymävaatimuksiin).

Venttiilit – suuttimet, jotka purkautuvat aukoista rajoitettuun virtaustilaan, virtaussuuntainen virtaus kanavien läpi, jotka päättyvät kammioihin, joissa matala paine on venttiilin alavirran puoleisilla seinämillä, ja/tai kuristusventtiilit, jotka purkautuvat matalapaineiseen (paluulinjaan) johtoon.

Aktuaattorit (laajennetut tiivisteet) – ilmaa läpäisevät sauvatiivisteet, olemassa oleva ilman desorptiokavitaatio ja/tai höyrymäiset kavitaatiot, jotka muodostuvat, kun ulkoisen inertiakuormituksen vuoksi esiintyy negatiivista kuormitusta.

Moottorit (akselitiivisteet) – ilmaa läpäisevät tiivisteet ja kaasumainen/höyrymäinen kavitaatio, joka syntyy, kun esiintyy negatiivista kuormitusta vauhtipyöräilmiön vaikutuksen vuoksi.

Akkumulaattorit – ilmaa/gasua vuotaa kuluneen männän tiivisteen, repeytyneen kalvon tai repeytyneen rakon läpi.

Suodatin – ilma ohittaa imulinjan suodattimien ulkoiset tiivisteet tai sisäiset virtausrajoitukset, jotka aiheuttavat ilman desorptiota.

Kanavaliittimet (letkukytkimet, putkiliittimet ja jakotukin tiivisteet) – ilma ohittaa liittimien tiivistepinnat, jotka tärinä ja lämpölaajenemis- ja supistumisvaikutukset ovat löystyttäneet.

Konduktiot – karheat seinämät, puristetut virtausosuudet tai ulkonemat virtausvirrassa.