Il fenomeno della cavitazione consiste nell’interruzione della continuità nel liquido dove si ha una notevole riduzione locale della pressione. La formazione di bolle all’interno dei liquidi (cavitazione) inizia anche in presenza di pressioni positive che sono uguali o vicine alla pressione del vapore saturo del fluido alla temperatura data.

I vari liquidi hanno diversi gradi di resistenza alla cavitazione perché dipendono, in misura considerevole, dalla concentrazione di gas e particelle estranee nel liquido.

Meccanismo di cavitazione

Il meccanismo della cavitazione può essere descritto come segue: Qualsiasi liquido conterrà bolle gassose o vaporose, che servono come nuclei di cavitazione. Quando la pressione è ridotta ad un certo livello, le bolle diventano il deposito di vapore o di gas dissolti.

Il risultato immediato di questa condizione è che le bolle aumentano rapidamente di dimensioni. Successivamente, quando le bolle entrano in una zona di pressione ridotta, si riducono di dimensioni a causa della condensazione dei vapori che contengono.

Questo processo di condensazione avviene abbastanza rapidamente, accompagnato da shock idraulici locali, emissione di suoni, distruzione di legami materiali e altri fenomeni indesiderati. Si ritiene che la riduzione della stabilità volumetrica nella maggior parte dei liquidi sia associata al contenuto di vari additivi, come particelle solide non bagnate e bolle di gas-vapore, in particolare quelle a livello submicroscopico, che servono come nuclei di cavitazione.

Un aspetto critico del processo di usura per cavitazione è la distruzione della superficie e lo spostamento del materiale causato da elevati movimenti relativi tra una superficie e il fluido esposto. Come risultato di tali movimenti, la pressione locale del fluido si riduce, il che permette alla temperatura del fluido di raggiungere il punto di ebollizione e la formazione di piccole cavità di vapore.

Quando la pressione ritorna alla normalità (che è più alta della pressione di vapore del fluido), si verificano implosioni che causano il collasso della cavità o delle bolle di vapore. Questo collasso delle bolle genera onde d’urto che producono alte forze d’impatto sulle superfici metalliche adiacenti e causano l’incrudimento, la fatica e le fosse di cavitazione.

Quindi, la cavitazione è il nome dato a un meccanismo in cui le bolle di vapore (o cavità) in un fluido crescono e collassano a causa di fluttuazioni di pressione locali. Queste fluttuazioni possono produrre una bassa pressione, sotto forma di pressione di vapore del fluido. Questo processo di cavitazione vaporosa si verifica in condizioni di temperatura approssimativamente costante.

Tipi di cavitazione

Esistono due tipi principali di cavitazione: vaporosa e gassosa.

La cavitazione vaporosa è un processo di ebolizione che ha luogo se la bolla cresce in modo esplosivo in modo illimitato mentre il liquido si trasforma rapidamente in vapore. Questa situazione si verifica quando il livello di pressione va al di sotto della pressione di vapore del liquido.

La cavitazione gassosa è un processo di diffusione che si verifica ogni volta che la pressione scende al di sotto della pressione di saturazione del gas non condensabile dissolto nel liquido. Mentre la cavitazione vaporosa è estremamente rapida, verificandosi in microsecondi, la cavitazione gassosa è molto più lenta; il tempo necessario dipende dal grado di convezione (circolazione del fluido) presente.

L’usura da cavitazione si verifica solo in condizioni di cavitazione vaporosa – dove le onde d’urto e i microgetti possono erodere le superfici. La cavitazione gassosa non causa l’erosione del materiale superficiale.

Crea solo rumore, genera temperature elevate (anche a livello molecolare) e degrada la composizione chimica del fluido attraverso l’ossidazione. L’usura da cavitazione è anche conosciuta come erosione da cavitazione, cavitazione vaporosa, pitting da cavitazione, fatica da cavitazione, erosione da impatto liquido e trafilatura.

L’usura per cavitazione è un tipo di usura da fluido a superficie che si verifica quando una parte del fluido è prima esposta a sollecitazioni di trazione che causano l’ebollizione del fluido, poi esposta a sollecitazioni di compressione che fanno collassare (implodere) le bolle di vapore.

Questo collasso produce uno shock meccanico e causa l’impatto di microgetti contro le superfici, unificando il fluido. Qualsiasi sistema che può ripetere questo modello di stress di trazione e compressione è soggetto all’usura da cavitazione e a tutti gli orrori che accompagnano tale attività distruttiva.

L’usura da cavitazione è simile all’usura da fatica superficiale; i materiali che resistono alla fatica superficiale (sostanze dure ma non fragili) resistono anche ai danni da cavitazione.

Processo di usura da cavitazione

Il liquido è il mezzo che causa l’usura da cavitazione. L’usura per cavitazione non richiede una seconda superficie; richiede solo che esista un elevato movimento relativo tra la superficie e il fluido. Tale movimento riduce la pressione locale nel fluido. Quando il liquido raggiunge il suo punto di ebollizione e si verifica l’ebolizione, si formano delle bolle di vapore che producono la cavitazione.

Ogni cavità di vapore dura poco tempo perché quasi ogni aumento di pressione fa condensare istantaneamente il vapore nella bolla e la bolla collassa e produce un’onda d’urto. Quest’onda d’urto impatta sulle superfici metalliche adiacenti e distrugge i legami del materiale.

L’onda d’urto produce prima una tensione di compressione sulla superficie solida, e poi, quando viene riflessa, produce una tensione di trazione che è normale alla superficie.

Figura 1. Collasso della bolla di vapore e nascita di un microgetto

La figura 1 mostra il collasso di una bolla di vapore e la nascita di un microgetto. La cavitazione si trova generalmente dove esiste una condizione idrodinamica, caratterizzata da un improvviso e grossolano cambiamento della pressione idrostatica. Poiché l’ebollizione può verificarsi nell’istante in cui la pressione scende, le bolle di vapore si formano e collassano frequentemente e rapidamente.

Le particelle di aria e polvere intrappolate nel fluido servono come siti di nucleazione per la formazione di cavità di vapore. Questi nuclei possono essere piccole tasche piene di gas nelle fessure del contenitore o semplicemente tasche di gas su particelle contaminanti che si muovono liberamente nella corrente di flusso. Pertanto, tutti i fluidi confinati possono contenere impurità sufficienti a produrre la cavitazione.

Piccoli vuoti vicino alla superficie o al campo di flusso, dove esiste una pressione minima, indicano che la cavitazione è iniziata. Una volta iniziata, le bolle continuano a crescere finché rimangono nelle regioni a bassa pressione. Quando le bolle viaggiano in regioni ad alta pressione, collassano, producendo pressioni intense ed erodendo qualsiasi superficie solida nelle vicinanze.

Durante il collasso, le particelle di liquido che circondano la bolla si muovono rapidamente verso il suo centro. L’energia cinetica di queste particelle crea martelli d’acqua locali di alta intensità (shock), che crescono man mano che il fronte avanza verso il centro della bolla.

Rilevamento udibile e visivo

Gli utenti dell’attrezzatura possono rilevare la cavitazione in modo udibile, visivo, mediante strumentazione acustica, mediante sensori di vibrazione della macchina, mediante misurazione della sonoluminescenza o mediante una diminuzione o un cambiamento nelle prestazioni rispetto a quelle prodotte in condizioni di flusso monofase (per esempio, perdita di flusso, rigidità e risposta).

In condizioni di flusso cavitante, il tasso di usura può essere molte volte superiore a quello causato da erosione e corrosione da soli. L’usura da cavitazione può distruggere i materiali più forti – acciai per utensili, stelliti, ecc. Tali danni possono verificarsi rapidamente ed estesamente.

La quantità di danni che la cavitazione causa dipende da quanta pressione e velocità le bolle collassate creano. Come risultato di questa pressione e velocità, la superficie esposta subisce una varietà di intensità molto variabili.

Ogni imposizione dura solo un breve tempo; le grandezze degli impulsi e i tempi di collasso sono maggiori per bolle più grandi a dati differenziali di pressione di collasso. Quindi, maggiore è la tensione di trazione sul fluido (minore è la pressione statica), più grandi sono le bolle, più intensa è la cavitazione e più grave è il danno.

Gli impulsi che risultano quando le bolle di vapore si formano e collassano causano singoli crateri simmetrici e deformazioni permanenti del materiale quando il collasso avviene vicino alla superficie. Di conseguenza, il danno da cavitazione, come la rottura per fatica, ha diversi periodi di attività:

• Periodo di incubazione – le microcricche si nucleano intorno ai confini dei grani e alle inclusioni a causa della deformazione sia elastica che plastica della superficie.

• Periodo di accumulazione – la crescita delle cricche procede in relazione al grado di scissione, taglio e lacerazione del materiale.

• Periodo di stato stazionario – il tasso di nucleazione e propagazione delle cricche diventa costante per il resto del tempo di esposizione.

In un sistema a flusso di fluido (a differenza di un serbatoio a ultrasuoni), le bolle di vapore si formano dove si verificano le sollecitazioni di trazione del fluido (basse pressioni), e le bolle di vapore collassano nelle regioni a pressione più alta dove le sollecitazioni di compressione possono essere imposte al fluido.

Così la regione dove si verifica il danno è spesso abbastanza separata dalla regione in cui si creano le cavità – spesso portando a una diagnosi errata del problema. L’usura da cavitazione è di natura meccanica e non può verificarsi senza l’applicazione di tensioni di trazione e compressione.

Cavitation Hot Spots

Molte aree nei sistemi idraulici sono soggette all’usura da cavitazione, come ad esempio:

• A valle delle valvole di controllo che hanno alti differenziali di pressione,

• Nelle camere di aspirazione delle pompe dove esistono condizioni di ingresso affamato,

• Negli attuatori in rapido movimento (sia lineari che rotativi) dove si verificano condizioni di carico negativo,

• Nei percorsi di perdita (attraverso guarnizioni, nelle sedi delle valvole e nelle sedi dei cursori) dove le alte velocità causano la caduta dei livelli di pressione al di sotto della pressione di vapore del fluido (una condizione di cavitazione spesso indicata come trafilatura) e

• in tutti i dispositivi dove il flusso del fluido è soggetto a curve strette, riduzione delle sezioni trasversali con successive espansioni (in cocks, flaps, valvole, diaframmi) e altre deformazioni.

La cavitazione disturba le normali condizioni di funzionamento dei sistemi meccanici a fluido e distrugge le superfici dei componenti. Il processo consiste nella formazione di cavità quando le pressioni sono basse, la crescita di bolle successive quando la pressione si stabilizza e infine il collasso delle bolle quando le cavità (bolle gassose o vaporose) sono esposte ad alta pressione.

Nota che la caduta di pressione attraverso il componente è la forza motrice dell’usura da cavitazione. La figura 2 illustra il processo di cavitazione che si verifica in una pompa a ingranaggi e in una valvola a spola, mostrando come le cavità si generano, crescono e collassano in componenti di tipo fluido.

Figura 2. Processo di cavitazione nei componenti idraulici

Riduzione dell’usura da cavitazione

Nell’usura da cavitazione, le microfratture si propagano fino al punto in cui il materiale non può più sopportare il carico impulsivo che le bolle di vapore implodono. Di conseguenza, le particelle alla fine si staccano ed entrano nel sistema.

Come in ogni guasto da fatica, le microcricche si formano prima in corrispondenza dei risers (tacche, strappi, sottosquadri, difetti di saldatura, ecc.) o in zone eterogenee del materiale (come la direzionalità del flusso di metallo, le inclusioni e le sezioni decarburate).

Pertanto, una superficie ruvida è incline all’usura da cavitazione e poiché i pitting e un profilo ruvido caratterizzano il danno da cavitazione, il danno aumenta man mano che la superficie diventa più ruvida.

Il mezzo più basilare per combattere l’usura da cavitazione è ridurre al minimo lo stress da trazione sul fluido. In altre parole, gli utenti dell’attrezzatura devono abbassare il livello di rifrazione o le condizioni di vuoto nelle zone di possibile cavitazione. In particolare, i seguenti passi possono essere appropriati:

• Aumentare il livello di pressione all’uscita delle valvole di strozzamento.

• Aumentare la pressione in ingresso alla porta di aspirazione della pompa sovralimentando l’ingresso della pompa.

• Utilizzare controlli anticavitazione su applicazioni con attuatori a carico negativo.

• Ridurre il contenuto d’acqua del fluido per eliminare la possibilità di trafilatura (l’acqua ha una pressione di vapore più alta dell’olio) sulle sedi delle valvole e sulle guarnizioni dinamiche.

• Utilizzare un fluido con una bassa pressione di vapore.

• Selezionare una pompa con buone caratteristiche di riempimento in contrasto con una configurazione di ingresso affamato.

• Utilizzare un fluido con bassa viscosità o aumentare la temperatura del fluido.

In molti casi, i progettisti possono minimizzare i danni della cavitazione selezionando correttamente i materiali di fabbricazione. Per esempio, l’acciaio inossidabile può essere scelto al posto dell’alluminio (Figura 3) e usare un rivestimento duro con una lega resistente alla cavitazione sulla superficie esposta. Anche la gomma e altri rivestimenti elastomerici hanno aiutato a minimizzare l’usura da cavitazione. Nonostante la loro bassa resistenza alla cavitazione, queste superfici riflettono l’onda d’urto senza causare danni intensi.

Figura 3. Ordine della resistenza relativa alla cavitazione dei materiali

Particelle di cavitazione

La dimensione delle particelle generate dall’usura per cavitazione è una funzione della durezza Brinell del materiale esposto. Le particelle più grandi si verificano durante il periodo di accumulo. Le pendenze delle curve cumulative di distribuzione delle dimensioni delle particelle aumentano all’aumentare dell’energia di deformazione del materiale. La dimensione media delle particelle prodotte dalla cavitazione diminuisce all’aumentare dell’intensità della cavitazione.

Precursori della cavitazione

Quando si indaga su un problema di cavitazione in un sistema fluido, è necessario identificare tutte le possibili fonti di bassa pressione (vuoto), alta temperatura (calore), e luoghi in cui l’aria potrebbe entrare. La seguente lista dovrebbe servire come linea guida per identificare le aree di bassa pressione in un sistema fluido:

• Aspirazione della pompa – idraulica impropria della linea di aspirazione (condizioni di limitazione del flusso).

• Effetto orifizio della valvola – vortici dal getto ad alta velocità nei passaggi di flusso della valvola di controllo.

• Getto sommerso – un getto che si estende in aree di flusso non delimitate dove si creano regioni di bassa pressione.

• Carichi negativi su motori e cilindri – i carichi dell’attuatore azionati esternamente creano bassa pressione nell’attuatore.

• Sovrapposizioni di pressione e colpi d’ariete – la parte di rarefazione delle onde di pressione sono in grado di creare regioni di pressione negativa nella linea.

• Effetto alta quota – la bassa pressione atmosferica sottopone la linea di aspirazione a una pressione che può rivelarsi inadeguata a riempire le camere di pompaggio.

Fonti di calore che portano alla cavitazione

Le fonti di calore che contribuiscono a temperature eccessivamente alte e alla cavitazione nel fluido del sistema sono le seguenti:

• Alta temperatura ambiente
• Poco rendimento meccanico di pompe e motori
• Condizioni di flusso turbolento nei condotti
• Calore di vaporizzazione nel flusso cavitante
• Calore di compressione nel flusso aerato
• Alte cadute di pressione attraverso gli orifizi di controllo
• Grande ciclo di lavoro
• Grandi restrizioni di flusso in tutte le parti del sistema di circolazione del fluido
• Raffreddamento insufficiente o mancanza di trasferimento di calore
• Attrito elevato da superfici ruvide e azione abrasiva

Possibili punti di ingresso dell’aria da controllare

Per quanto riguarda i punti di ingresso dell’aria di un sistema, è necessario esaminare attentamente questi punti quando si verifica una grave cavitazione:

Serbatoi – siti in cui si verifica un trascinamento d’aria di tipo meccanico (agitazione), presenza di fluido vorticoso, impingement del fluido su superfici liquide o solide, condizioni di serbatoio pressurizzato, flusso ciclonico alla porta di aspirazione della pompa, altitudine critica (serbatoio angolato) durante il funzionamento che espone la porta di aspirazione della pompa all’atmosfera, scossoni del fluido dovuti al movimento su terreno accidentato e/o basso livello del fluido del serbatoio che espone la porta di aspirazione della pompa all’atmosfera.

Pompa – condotti e/o porte di piccolo diametro, passaggi di flusso restrittivi, deviazioni di flusso e/o condizioni di linea di aspirazione lunga, caratteristiche di riempimento della pompa scadenti (passaggi di flusso interni restrittivi, alta velocità di pompaggio, spostamento di flusso troppo grande); altitudine troppo elevata per fornire una pressione del serbatoio sufficiente ad alimentare la pompa in condizioni di flusso nominale; testa di aspirazione inadeguata per sollevare il fluido al livello di ingresso della pompa (cioè, elevazione tra il livello del fluido e l’ingresso della pompa troppo grande), testa di aspirazione insufficiente per accelerare il fluido del serbatoio alle condizioni di flusso nominale della pompa (non rispondente alle richieste di spostamento della pompa).

Valvole – getti che scaricano da orifizi in uno spazio di flusso limitato, flusso di corrente attraverso canali che terminano in camere dove la bassa pressione è alle pareti a valle della valvola, e/o valvole a farfalla che scaricano in un condotto a bassa pressione (linea di ritorno).

Attuatori (guarnizioni estese) – guarnizioni dell’asta di passaggio dell’aria, desorbimento dell’aria esistente, e/o cavità vaporose che si formano quando si verifica un carico negativo a causa di carichi inerziali esterni.

Motori (guarnizioni dell’albero) – guarnizioni di passaggio dell’aria e cavitazione gassosa/vaporosa che si verifica quando esiste un carico negativo a causa di un effetto volano.

Accumulatore – aria/gas che fuoriesce dalla guarnizione del pistone usurata, rottura della membrana o vescica lacerata.

Filtro – aria che passa attraverso guarnizioni esterne nei filtri della linea di aspirazione o restrizioni di flusso interne che causano il desorbimento dell’aria.

Connettori (giunti per tubi flessibili, raccordi per tubi e guarnizioni del collettore) – aria che passa attraverso superfici di tenuta del connettore che le vibrazioni e gli effetti di espansione e contrazione termica hanno allentato.

Tubo – pareti ruvide, sezioni di flusso schiacciate, o sporgenze nel flusso di flusso.