A kavitáció jelensége a folyadék folytonosságának megszakadásából áll, ahol jelentős helyi nyomáscsökkenés következik be. A folyadékokon belüli buborékképződés (kavitáció) már olyan túlnyomás esetén is megkezdődik, amely az adott hőmérsékleten a folyadék telített gőzének nyomásával egyenlő vagy annak közelében van.

A különböző folyadékok különböző mértékben állnak ellen a kavitációnak, mert ez jelentős mértékben függ a folyadékban lévő gáz és idegen részecskék koncentrációjától.

Kopási mechanizmus

A kavitáció mechanizmusa a következőképpen írható le: Minden folyadék tartalmaz gáz- vagy gőznemű buborékokat, amelyek kavitációs magokként szolgálnak. Amikor a nyomás egy bizonyos szintre csökken, a buborékok a gőz vagy az oldott gázok tárolóhelyévé válnak.

Az állapot közvetlen következménye, hogy a buborékok mérete gyorsan megnő. Ezt követően, amikor a buborékok egy csökkentett nyomású zónába kerülnek, a bennük lévő gőzök kondenzálódása következtében csökken a méretük.

A kondenzációnak ez a folyamata meglehetősen gyorsan lezajlik, és helyi hidraulikai lökések, hangkibocsátás, az anyagi kötések megsemmisülése és más nemkívánatos jelenségek kísérik. Úgy vélik, hogy a térfogati stabilitás csökkenése a legtöbb folyadékban a különböző adalékanyagok tartalmával függ össze, mint például a szilárd, nem nedvesített részecskék és a gáz-gőz buborékok, különösen a szubmikroszkopikus szintűek, amelyek kavitációs magokként szolgálnak.

A kavitációs kopási folyamat kritikus szempontja a felületi roncsolódás és az anyag elmozdulása, amelyet a felület és a kitett folyadék közötti nagy relatív mozgások okoznak. Az ilyen mozgások eredményeként a folyadék helyi nyomása csökken, ami lehetővé teszi, hogy a folyadék hőmérséklete elérje a forráspontot, és kis gőzbuborékok alakuljanak ki.

Amikor a nyomás visszatér a normális szintre (ami magasabb, mint a folyadék gőznyomása), implóziók lépnek fel, amelyek az üreg vagy a gőzbuborékok összeomlását okozzák. A buborékok ezen összeomlása lökéshullámokat hoz létre, amelyek nagy ütőerőt fejtenek ki a szomszédos fémfelületeken, és munkakeményedést, fáradást és kavitációs gödröket okoznak.

A kavitáció tehát egy olyan mechanizmus neve, amelyben a folyadékban lévő gőzbuborékok (vagy üregek) a helyi nyomásingadozás hatására növekednek és omlanak össze. Ezek az ingadozások alacsony nyomást eredményezhetnek, a folyadék gőznyomása formájában. Ez a gőzös kavitációs folyamat megközelítőleg állandó hőmérsékleti viszonyok között játszódik le.

Kavitációs típusok

A kavitációnak két fő típusa létezik: a gőzös és a gáznemű.

A gőzös kavitáció egy ebullációs folyamat, amely akkor játszódik le, ha a buborék robbanásszerűen, korlátlanul növekszik, ahogy a folyadék gyorsan gőzzé alakul. Ez a helyzet akkor következik be, ha a nyomásszint a folyadék gőznyomása alá csökken.

A gáznemű kavitáció diffúziós folyamat, amely akkor következik be, ha a nyomás a folyadékban oldott nem kondenzálódó gáz telítési nyomása alá csökken. Míg a gőzös kavitáció rendkívül gyors, mikroszekundumok alatt megy végbe, a gáznemű kavitáció sokkal lassabb; az ehhez szükséges idő a jelen lévő konvekció (folyadékcirkuláció) mértékétől függ.

A kavitációs kopás csak gőzös kavitációs körülmények között következik be – ahol a lökéshullámok és a mikrosugarak képesek a felületeket erodálni. A gáznemű kavitáció nem okozza a felületi anyagok erózióját.

Csak zajt kelt, magas (akár molekuláris szintű repedés) hőmérsékletet hoz létre, és oxidáció révén rontja a folyadék kémiai összetételét. A kavitációs kopást kavitációs eróziónak, gőzkavitációnak, kavitációs lyukadásnak, kavitációs fáradásnak, folyadékütéses eróziónak és dróthúzásnak is nevezik.

A kavitációs kopás egy olyan folyadék-felület kopástípus, amely akkor következik be, amikor a folyadék egy része először húzófeszültségnek van kitéve, amely a folyadék felforrását okozza, majd nyomófeszültségnek van kitéve, amely a gőzbuborékok összeomlását (implodálását) okozza.

Ez az összeomlás mechanikai ütést eredményez, és mikrosugarak ütköznek a felületekre, egyesítve a folyadékot. Minden olyan rendszer, amely képes megismételni ezt a húzó- és nyomófeszültségi mintázatot, ki van téve a kavitációs kopásnak és az ilyen romboló tevékenységgel járó összes borzalomnak.

A kavitációs kopás hasonló a felületi fáradásos kopáshoz; a felületi fáradásnak ellenálló anyagok (kemény, de nem rideg anyagok) ellenállnak a kavitációs károsodásnak is.

Kavitációs kopás folyamata

A folyadék a kavitációs kopást okozó közeg. A kavitációs kopáshoz nincs szükség második felületre; csak az szükséges, hogy a felület és a folyadék között nagy relatív mozgás legyen. Az ilyen mozgás csökkenti a folyadékban lévő helyi nyomást. Amikor a folyadék eléri a forráspontját, és felhabzás következik be, gőzbuborékok keletkeznek, ami kavitációt eredményez.

Minden gőzbuborék rövid ideig tart, mert szinte bármilyen nyomásnövekedés hatására a buborékban lévő gőz azonnal kondenzálódik, a buborék pedig összeomlik, és lökéshullámot hoz létre. Ez a lökéshullám ezután a szomszédos fémfelületekre csapódik, és tönkreteszi az anyagi kötéseket.

A lökéshullám először nyomófeszültséget hoz létre a szilárd felületen, majd amikor visszaverődik, a felületre merőleges húzófeszültséget hoz létre.

1. ábra. A gőzbuborék összeomlása és a mikrosugár születése

Az 1. ábra a gőzbuborék összeomlását és a mikrosugár születését ábrázolja. Kavitáció általában ott fordul elő, ahol olyan hidrodinamikai állapot áll fenn, amelyet a hidrosztatikus nyomás hirtelen és durva változása jellemez. Mivel az ebulláció a nyomás azonnali csökkenésével bekövetkezhet, a gőzbuborékok gyakran és gyorsan keletkeznek és omlanak össze.

A folyadékban lévő levegő- és porszemcsék nukleációs helyként szolgálnak a gőzüregek kialakulásához. Ezek a magok lehetnek apró, gázzal töltött zsebek a tartály résein, vagy egyszerűen gázzsebek az áramlásban szabadon mozgó szennyező részecskéken. Ezért minden zárt folyadék tartalmazhat elegendő szennyeződést ahhoz, hogy kavitációt hozzon létre.

A felszín vagy az áramlási mező közelében lévő kis üregek, ahol minimális nyomás van, azt jelzik, hogy a kavitáció megkezdődött. Ha egyszer megindult, a buborékok tovább növekednek, amíg alacsony nyomású régiókban maradnak. Ahogy a buborékok a nagynyomású régiókba jutnak, összeomlanak, intenzív nyomást létrehozva és a közelben lévő szilárd felületeket erodálva.

Az összeomlás során a buborékot körülvevő folyadék részecskéi gyorsan a buborék középpontja felé mozognak. Ezeknek a részecskéknek a kinetikus energiája nagy intenzitású helyi vízkalapácsokat (lökéseket) hoz létre, amelyek a frontnak a buborék középpontja felé haladva egyre nőnek.

Hallható és vizuális észlelés

A berendezés felhasználói a kavitációt hallhatóan, vizuálisan, akusztikai műszerekkel, gépi rezgésérzékelőkkel, szonolumineszcencia méréssel vagy az egyfázisú áramlási körülmények között keletkezett teljesítmény csökkenése vagy megváltozása (például az áramlás, merevség és reakcióképesség csökkenése) alapján észlelhetik.

Kavitációs áramlási körülmények között a kopás mértéke többszöröse lehet a pusztán erózió és korrózió által okozott kopásnak. A kavitációs kopás a legerősebb anyagokat – szerszámacélokat, sztelliteket stb. Az ilyen károsodás gyorsan és nagymértékben bekövetkezhet.

A kavitáció által okozott károsodás mértéke attól függ, hogy az összeomlott buborékok mekkora nyomást és sebességet hoznak létre. Ennek a nyomásnak és sebességnek a következtében a kitett felületen a legkülönbözőbb intenzitású károk keletkeznek.

Minden egyes behatás csak rövid ideig tart; az impulzusok nagysága és az összeomlási idők nagyobb buborékok esetén nagyobbak, adott összeomlási nyomáskülönbségek mellett. Így minél nagyobb a folyadékra ható húzófeszültség (minél kisebb a statikus nyomás), annál nagyobbak a buborékok, annál intenzívebb a kavitáció és annál súlyosabb a károsodás.

A gőzbuborékok kialakulásakor és összeomlásakor keletkező impulzusok egyedi szimmetrikus krátereket és maradandó anyagdeformációkat okoznak, ha az összeomlás a felület mellett történik. Következésképpen a kavitációs károsodásnak, a fáradásos tönkremenetelhez hasonlóan, több aktivitási periódusa van:

• Inkubációs időszak – a felületen bekövetkező rugalmas és képlékeny alakváltozás következtében mikrorepedések nukleálódnak a szemcsehatárok és zárványok körül.

• Akkumulációs időszak – a repedésnövekedés az anyagot érő hasító, nyíró és szakító hatás mértékének függvényében halad.

• Szilárd állapotú időszak – a repedésmagképződés és -terjedés sebessége az expozíciós idő hátralévő részében állandóvá válik.

A folyadékáramlásos rendszerben (ellentétben az ultrahangos tartállyal) a gőzbuborékok ott képződnek, ahol a folyadékban húzófeszültségek (alacsony nyomás) lépnek fel, a gőzbuborékok pedig a magasabb nyomású régiókban omlanak össze, ahol a folyadékra nyomófeszültségek nehezedhetnek.

Az a régió, ahol a károsodás bekövetkezik, gyakran teljesen elkülönül attól a régiótól, ahol az üregek keletkeznek – ami gyakran a probléma helytelen diagnózisához vezet. A kavitációs kopás mechanikai jellegű, és nem fordulhat elő a húzó- és nyomófeszültségek alkalmazása nélkül.

Kavitációs forró pontok

A hidraulikus rendszerek számos területe hajlamos a kavitációs kopásra, például:

• A nagy nyomáskülönbségű vezérlőszelepek alatt,

• A szivattyúk szívókamráiban, ahol éhező bemeneti viszonyok uralkodnak,

• A gyorsan mozgó aktuátorokban (lineáris és forgó típusúak egyaránt), ahol negatív terhelési körülmények lépnek fel,

• A szivárgási utakon (tömítéseken keresztül, szelepüléseken és szeleptalpakon), ahol a nagy sebességek miatt a nyomásszint a folyadék gőznyomása alá csökken (a gyakran huzalhúzásnak nevezett kavitációs állapot), és

• Minden olyan berendezésben, ahol a folyadékáramlás éles kanyaroknak, a keresztmetszetek csökkenésének és az ezt követő tágulásoknak (a dugókban, csappantyúkban, szelepekben, membránokban) és egyéb deformációknak van kitéve.

A kavitáció megzavarja a folyadék típusú mechanikai rendszerek normál működési feltételeit, és tönkreteszi az alkatrészek felületét. A folyamat üregek kialakulásából áll, amikor a nyomás alacsony, az ezt követő buborékok növekedéséből, amikor a nyomás stabilizálódik, és végül a buborékok összeomlásából, amikor az üregek (gáz- vagy gőzbuborékok) nagy nyomásnak vannak kitéve.

Megjegyezzük, hogy az alkatrészen keresztüli nyomásesés a kavitációs kopás hajtóereje. A 2. ábra egy fogaskerékszivattyúban és egy orsószelepben lejátszódó kavitációs folyamatot ábrázolja, bemutatva, hogyan keletkeznek, növekednek és omlanak össze az üregek a folyadék típusú alkatrészekben.

2. ábra. Kavitációs folyamat hidraulikus alkatrészekben

Kavitációs kopás csökkentése

A kavitációs kopás során a mikrorepedések addig a pontig terjednek, ahol az anyag már nem képes ellenállni az impulzusszerű terhelésnek, amelyet az implodáló gőzbuborékok okoznak. Ezért a részecskék végül letörnek és belépnek a rendszerbe.

Mint minden fáradási hiba esetén, a mikrorepedések először a feszültségkiemelkedéseknél (bevágások, szakadások, alulvágások, hegesztési hibák stb.) vagy az anyag heterogén területein (például a fém áramlási irányánál, zárványoknál és dekarbonizált részeknél) alakulnak ki.

Ezért az érdes felület hajlamos a kavitációs kopásra, és mivel a kavitációs károsodást a pittingek és az érdes profil jellemzi, a károsodás a felület érdesebbé válásával növekszik.

A kavitációs kopás elleni küzdelem legalapvetőbb eszköze a folyadékra ható húzófeszültség minimalizálása. Más szóval a berendezés használóinak csökkenteniük kell a fénytörés szintjét vagy a vákuumviszonyokat a lehetséges kavitációs zónákban. Különösen a következő lépések lehetnek megfelelőek:

• Növelje a nyomásszintet a fojtószelepek kimeneténél.

• Növelje a bemeneti nyomást a szivattyú szívónyílásánál a szivattyú bemenetének feltöltésével.

• Meghúzásgátló ellenőrzések alkalmazása negatív terhelésű működtető alkalmazásoknál.

• Vissza kell csökkenteni a folyadék víztartalmát a szelepüléseken és dinamikus tömítéseken keresztüli huzalhúzás lehetőségének kiküszöbölése érdekében (a víznek nagyobb a gőznyomása, mint az olajnak).

• Alacsony gőznyomású folyadékot használjon.

• Válasszon jó töltési jellemzőkkel rendelkező szivattyút, szemben az éhező bemeneti konfigurációval.

• Kis viszkozitású folyadékot használjon, vagy növelje a folyadék hőmérsékletét.

A tervezőmérnökök sok esetben a gyártási anyagok megfelelő kiválasztásával minimalizálhatják a kavitációs károkat. Például alumínium helyett rozsdamentes acélt lehet választani (3. ábra), és a kitett felületen kavitációnak ellenálló ötvözetből készült kemény borítást lehet alkalmazni. A gumi és más elasztomer bevonatok szintén hozzájárultak a kavitációs kopás minimalizálásához. A kavitációval szembeni alacsony ellenállásuk ellenére ezek a felületek visszaverik a lökéshullámot anélkül, hogy intenzív károsodást okoznának.

3. ábra. Az anyagok relatív kavitációs ellenállásának sorrendje

Kavitációs részecskék

A kavitációs kopás során keletkező részecskék mérete a kitett anyag Brinell-keménységének függvénye. A legnagyobb részecskék a felhalmozódási időszakban keletkeznek. A kumulatív részecskeméret-eloszlási görbék meredekségei az anyag alakítási energiájának növekedésével nőnek. A kavitáció által létrehozott részecskék átlagos mérete a kavitációs intenzitás növekedésével csökken.

A kavitáció előidézői

A folyadékrendszerben fellépő kavitációs probléma vizsgálatakor azonosítani kell az összes lehetséges alacsony nyomás (vákuum), magas hőmérséklet (hő) és a levegő esetleges behatolásának helyeit. Az alábbi lista iránymutatásul szolgálhat a folyadékrendszerben lévő alacsony nyomású területek azonosításához:

• Szivattyú szívócső – nem megfelelő szívóvezeték-hidraulika (áramláskorlátozó körülmények).

• Szelep nyíláshatás – nagy sebességű sugárból származó örvények a vezérlőszelepek áramlási járataiban.

• Süllyedt sugár – olyan sugár, amely korlátlan áramlási területekre terjed, ahol alacsony nyomású területek jönnek létre.

• Motorok és hengerek negatív terhelése – a külső meghajtású működtetők terhelése alacsony nyomást hoz létre a működtetőben.

• Nyomáshullámok és vízkalapács – a nyomáshullámok ritkulási része képes negatív nyomású régiókat létrehozni a vezetékben.

• Magaslati hatás – az alacsony légköri nyomás olyan nyomásnak teszi ki a szívóvezetéket, amely elégtelennek bizonyulhat a szivattyú kamrák feltöltéséhez.

Kavitációhoz vezető hőforrások

A rendszerfolyadékban a következő hőforrások járulnak hozzá a túl magas hőmérséklethez és a kavitációhoz:

• Magas környezeti hőmérséklet
• A szivattyúk és motorok gyenge mechanikai hatásfoka
• Turbulens áramlási viszonyok a vezetékekben
• Párolgási hő a kavitáló áramlásban
• A kompressziós hő a levegőztetett áramlásban
• Nagy nyomásesés a vezérlőnyílásokon
• Súlyos üzemi működés üzemi ciklus
• Súlyos áramláskorlátozások a folyadékot keringtető rendszer minden részében
• Gyenge hűtés vagy a hőátadás hiánya
• Magas súrlódás a durva felületek és a koptató hatás miatt

Légbeszivárgás lehetséges helyei, amelyeket ellenőrizni kell

A rendszer légbeszivárgási pontjait illetően, ezeket a helyeket alaposan meg kell vizsgálnia, ha komoly kavitáció lép fel:

Tározók – olyan helyek, ahol mechanikus (keverés) típusú légbeszivárgás történik, örvénylő folyadék van, folyadék ütközik folyékony vagy szilárd felületekkel, nyomás alatt álló tározó körülmények, ciklonális áramlás a szivattyú szívónyílásánál, működés közben fellépő kritikus magasság (szögletes tározó), amely a szivattyú szívónyílását kiteszi a légkörnek, a folyadék lökdösődése a durva terepen való mozgás miatt és/vagy alacsony tározó folyadékszint, amely a szivattyú szívónyílását kiteszi a légkörnek.

Szivattyú – kis átmérőjű vezetékek és/vagy nyílások, szűk áramlási átjárók, áramlási terelések és/vagy hosszú szívóvezetékek, rossz szivattyútöltési jellemzők (szűk belső áramlási átjárók, nagy szivattyúzási sebesség, túl nagy áramlási elmozdulás); túl nagy magasság ahhoz, hogy elegendő tározónyomás biztosítsa a szivattyú ellátását a névleges áramlási feltételek mellett; nem megfelelő szívómagasság a folyadéknak a szivattyú bemeneti szintjére való emeléséhez (azaz túl nagy a folyadékszint és a szivattyú bemeneti nyílása közötti magasság), nem megfelelő szívómagasság a tározófolyadéknak a szivattyú névleges áramlási feltételeihez való felgyorsításához (nem reagál a szivattyú kitolási igényeire).

Szelepek – nyílásokból korlátozott áramlási térbe kiáramló fúvókák, áramvonalas áramlás olyan csatornákon keresztül, amelyek kamrákban végződnek, ahol alacsony nyomás van a szelep áramlás utáni falainál, és/vagy alacsony nyomású (visszatérő vezeték) vezetékbe kiáramló fojtószelepek.

Hajtóművek (kiterjesztett tömítések) – külső tehetetlenségi terhelés miatti negatív terhelés esetén kialakuló légáteresztő rúdtömítések, meglévő levegő deszorpció és/vagy gőznemű üregek.

Motorok (tengelytömítések) – lendkerékhatás miatti negatív terhelés esetén kialakuló légáteresztő tömítések és gáznemű/gőznemű üregek.

Akkumulátor – kopott dugattyútömítés, megrepedt membrán vagy szakadt hólyag mellett szivárgó levegő/gáz.

Szűrő – a szívóvezeték szűrőinek külső tömítésein áthaladó levegő vagy belső áramláskorlátozások, amelyek levegő deszorpciót okoznak.

Vezetékcsatlakozók (tömlőcsatlakozók, csőcsatlakozók és elosztótömítések) – a csatlakozó tömítőfelületein áthaladó levegő, amelyet a rezgés és a hőtágulási és összehúzódási hatások fellazítottak.

Conduit – érdes falak, lecsípett áramlási szakaszok vagy kiálló részek az áramlásban.