Het verschijnsel cavitatie bestaat in de onderbreking van de continuïteit in de vloeistof wanneer er sprake is van een aanzienlijke plaatselijke drukverlaging. De vorming van bellen in vloeistoffen (cavitatie) begint zelfs bij een positieve druk die gelijk is aan of dicht bij de druk van verzadigde damp van de vloeistof bij de gegeven temperatuur.

Verschillende vloeistoffen hebben een verschillende mate van weerstand tegen cavitatie omdat deze in belangrijke mate afhangt van de concentratie van gas en vreemde deeltjes in de vloeistof.

Weerstandsmechanisme

Het mechanisme van cavitatie kan als volgt worden beschreven: Elke vloeistof zal of gasvormige of dampvormige bellen bevatten, die dienen als de cavitatiekernen. Wanneer de druk tot een bepaald niveau wordt verlaagd, worden de bellen de opslagplaats van damp of van opgeloste gassen.

Het onmiddellijke gevolg van deze toestand is dat de bellen snel in omvang toenemen. Vervolgens, wanneer de bellen een zone van verminderde druk binnengaan, worden zij in grootte verminderd als gevolg van condensatie van de dampen die zij bevatten.

Dit proces van condensatie voltrekt zich vrij snel, vergezeld van plaatselijke hydraulische schokken, de emissie van geluid, de vernietiging van materiaalverbindingen en andere ongewenste verschijnselen. Men gelooft dat de vermindering van de volumetrische stabiliteit in de meeste vloeistoffen in verband wordt gebracht met de inhoud van diverse bijmengingen, zoals vaste niet bevochtigde deeltjes en gas-dampbellen, vooral die op submicroscopisch niveau, die als cavitatiekernen dienen.

Een kritiek aspect van het cavitatieslijtageproces is oppervlaktevernietiging en materiaalverplaatsing veroorzaakt door hoge relatieve bewegingen tussen een oppervlak en de blootgestelde vloeistof. Als gevolg van dergelijke bewegingen wordt de lokale druk van de vloeistof verlaagd, waardoor de temperatuur van de vloeistof het kookpunt kan bereiken en zich kleine dampholten kunnen vormen.

Wanneer de druk weer normaal wordt (wat hoger is dan de dampdruk van de vloeistof), treden implosies op waardoor de holte of dampbellen ineenstorten. Dit ineenstorten van de bellen genereert schokgolven die hoge impactkrachten op aangrenzende metaaloppervlakken veroorzaken en werkverharding, vermoeidheid en cavitatieputjes veroorzaken.

Hiermee is cavitatie de naam die gegeven wordt aan een mechanisme waarbij dampbellen (of holten) in een vloeistof groeien en ineenstorten als gevolg van plaatselijke drukschommelingen. Deze schommelingen kunnen een lage druk veroorzaken, in de vorm van de dampdruk van de vloeistof. Dit proces van dampcavitatie treedt op bij ongeveer constante temperatuursomstandigheden.

Cavitatietypes

Er bestaan twee hoofdtypes van cavitatie: damp- en gasvormige.

Dampcavitatie is een ebullitieproces dat plaatsvindt als de luchtbel explosief groeit op een onbegrensde manier wanneer vloeistof snel in damp verandert. Deze situatie doet zich voor wanneer het drukniveau onder de dampdruk van de vloeistof komt.

Gasvormige cavitatie is een diffusieproces dat optreedt wanneer de druk onder de verzadigingsdruk komt van het niet-condenseerbare gas dat in de vloeistof is opgelost. Terwijl gasvormige cavitatie uiterst snel is en in microseconden optreedt, is gasvormige cavitatie veel trager; de tijd die daarvoor nodig is, hangt af van de mate van convectie (vloeistofcirculatie) die aanwezig is.

Cavitatieslijtage treedt alleen op onder omstandigheden van gasvormige cavitatie – waar de schokgolven en microstralen de oppervlakken kunnen eroderen. Gasvormige cavitatie veroorzaakt geen erosie van oppervlaktemateriaal.

Het veroorzaakt alleen lawaai, genereert hoge (zelfs barstende temperaturen op moleculair niveau) en degradeert de chemische samenstelling van de vloeistof door oxidatie. Cavitatieslijtage is ook bekend als cavitatie-erosie, dampende cavitatie, cavitatie-pitting, cavitatie-moeheid, vloeistof-slag-erosie en draadtrekken.

Cavitatieslijtage is een vloeistof-op-oppervlak type slijtage dat optreedt wanneer een gedeelte van de vloeistof eerst wordt blootgesteld aan trekspanningen die de vloeistof doen koken, vervolgens wordt blootgesteld aan drukspanningen die de dampbellen doen instorten (imploderen).

Deze instorting veroorzaakt een mechanische schok en veroorzaakt microjets die tegen de oppervlakken botsen, waardoor de vloeistof wordt verenigd. Elk systeem dat dit trek- en drukspanningspatroon kan herhalen is onderhevig aan cavitatieslijtage en alle verschrikkingen die bij dergelijke destructieve activiteit horen.

Cavitatieslijtage is vergelijkbaar met oppervlaktevermoeiingsslijtage; materialen die bestand zijn tegen oppervlaktevermoeiing (harde maar niet brosse stoffen) zijn ook bestand tegen cavitatieschade.

Cavitatieslijtageproces

Vloeistof is het medium dat cavitatieslijtage veroorzaakt. Cavitatieslijtage vereist geen tweede oppervlak; het vereist slechts dat er een hoge relatieve beweging bestaat tussen het oppervlak en de vloeistof. Dergelijke beweging vermindert de lokale druk in de vloeistof. Wanneer de vloeistof zijn kookpunt bereikt en ebullition optreedt, vormen zich dampbellen, die cavitatie veroorzaken.

Elke dampholte duurt kort omdat bijna elke drukverhoging de damp in de bel ogenblikkelijk doet condenseren en de bel ineenstort en een schokgolf veroorzaakt. Deze schokgolf slaat dan in op aangrenzende metalen oppervlakken en vernietigt de materiaalverbindingen.

De schokgolf produceert eerst een drukspanning op het vaste oppervlak, en wanneer deze vervolgens wordt gereflecteerd, produceert deze een trekspanning die normaal is aan het oppervlak.

Figuur 1. Figuur 1 toont het ineenstorten van een dampbel en de geboorte van een microjet

. Cavitatie wordt over het algemeen gevonden waar een hydrodynamische voorwaarde, die door een plotselinge en grove verandering in hydrostatische druk wordt gekenmerkt, bestaat. Omdat ebullition kan voorkomen op het moment dat de druk daalt, vormen zich dampbellen en storten deze vaak en snel in.

Geïntegreerde lucht- en stofdeeltjes in de vloeistof dienen als nucleatieplaatsen voor de vorming van dampholten. Deze kernen kunnen kleine met gas gevulde zakken in de spleten van de container zijn of eenvoudigweg gaszakken op verontreinigende deeltjes die vrij in de stromingsstroom bewegen. Daarom kunnen alle opgesloten vloeistoffen voldoende verontreinigingen bevatten om cavitatie te veroorzaken.

Kleine holten nabij het oppervlak of het stromingsveld, waar een minimale druk heerst, geven aan dat cavitatie is begonnen. Eenmaal begonnen, blijven de bellen groeien zolang zij in lagedrukgebieden blijven. Wanneer de bellen zich naar gebieden met hoge druk verplaatsen, storten zij in, waarbij zij intense drukken produceren en alle vaste oppervlakken in de nabijheid uithollen.

Tijdens de ineenstorting verplaatsen vloeistofdeeltjes die de bel omringen zich snel naar het centrum ervan. Kinetische energie van deze deeltjes creëert lokale waterhamers van hoge intensiteit (schok), die groeien naarmate het front vordert in de richting van het centrum van de bel.

Hoorbare en zichtbare detectie

De gebruikers van de apparatuur kunnen cavitatie hoorbaar, visueel, door akoestische instrumenten, door trillingssensoren van de machine, door sonoluminescentiemeting of door een afname of verandering van de prestaties ten opzichte van die onder eenfasige stromingsomstandigheden (bijvoorbeeld verlies van stroming, stijfheid en reactie) detecteren.

Onder caviterende stromingsomstandigheden kan de slijtagesnelheid vele malen groter zijn dan die welke door erosie en corrosie alleen wordt veroorzaakt. Cavitatieslijtage kan de sterkste materialen vernietigen – gereedschapsstaal, stelliet, enz. Dergelijke schade kan snel en op grote schaal optreden.

De omvang van de schade die door cavitatie wordt veroorzaakt, hangt af van de druk en de snelheid die door de ineengestorte belletjes worden gecreëerd. Als gevolg van deze druk en snelheid ondergaat het blootgestelde oppervlak een verscheidenheid van sterk variërende intensiteiten.

Elke oplegging duurt slechts korte tijd; de impulsgrootten en de ineenstortingstijden zijn groter voor grotere bellen bij gegeven ineenstortingsdrukverschillen. Dus, hoe groter de trekspanning op de vloeistof (hoe lager de statische druk), hoe groter de bellen, hoe intenser de cavitatie en hoe ernstiger de schade.

De impulsen die resulteren wanneer dampbellen zich vormen en ineenstorten veroorzaken individuele symmetrische kraters en permanente materiaalvervormingen wanneer de ineenstorting naast het oppervlak plaatsvindt. Bijgevolg kent cavitatieschade, net als vermoeiingsschade, verschillende perioden van activiteit:

• Incubatieperiode – microscheurtjes vormen kernen rond korrelgrenzen en insluitsels als gevolg van zowel elastische als plastische vervorming van het oppervlak.

• Accumulatieperiode – de scheurgroei verloopt in verhouding tot de mate van splijt-, afschuif- en scheurvorming van het materiaal.

• Steady-state-periode – de snelheid van scheurvorming en -voortplanting wordt constant voor de rest van de blootstellingsduur.

In een vloeistofstromingssysteem (in tegenstelling tot een ultrasone tank) vormen zich dampbellen waar trekspanningen (lage druk) optreden, en vallen dampbellen uiteen in gebieden met hogere druk waar drukspanningen op de vloeistof kunnen worden uitgeoefend.

Dus het gebied waar schade optreedt, staat vaak geheel los van het gebied waar holten ontstaan – wat vaak leidt tot een onjuiste diagnose van het probleem. Cavitatieslijtage is mechanisch van aard en kan niet optreden zonder de toepassing van trek- en drukspanningen.

Cavitatie Hot Spots

Vele gebieden in hydraulische systemen zijn vatbaar voor cavitatie slijtage, zoals:

• Downstream van regelkleppen die hoge drukverschillen hebben,

• In de zuigkamers van pompen waar starved inlet condities bestaan,

• In snel bewegende actuators (zowel lineaire als roterende types) waar negatieve belasting condities voorkomen,

• In lekkage paden (over afdichtingen, klepzittingen en spoeloppervlakken) waar hoge snelheden drukniveaus doen dalen tot onder de dampdruk van de vloeistof (een cavitatieconditie die vaak draadtrekken wordt genoemd) en

• In alle apparaten waar de vloeistofstroom wordt blootgesteld aan scherpe bochten, verkleining van dwarsdoorsneden met daaropvolgende uitzetting (in kleppen, kleppen, membranen) en andere vervormingen.

Cavitatie verstoort de normale bedrijfscondities van vloeistof-achtige mechanische systemen en vernietigt de oppervlakken van onderdelen. Het proces bestaat uit de vorming van holten wanneer de druk laag is, de groei van daaropvolgende bellen wanneer de druk stabiliseert en tenslotte de ineenstorting van de bellen wanneer de holten (gas- of dampvormige bellen) aan hoge druk worden blootgesteld.

Merk op dat de drukval over het onderdeel de drijvende kracht is voor cavitatieslijtage. Figuur 2 toont het cavitatieproces dat optreedt in een tandwielpomp en in een spoelklep en laat zien hoe holten ontstaan, groeien en bezwijken in vloeistofachtige componenten.

Figuur 2. Cavitatieproces in hydraulische componenten

Verminderen van cavitatieslijtage

In cavitatieslijtage breiden microscheurtjes zich uit tot het punt waar het materiaal niet langer bestand is tegen de impulsbelasting die de imploderende dampbellen opleggen. Daarom breken deeltjes uiteindelijk af en komen in het systeem terecht.

Zoals bij elke vermoeiingsfout, vormen zich eerst microscheurtjes op spanningsverhogingen (inkepingen, scheuren, ondersnijdingen, lasdefecten, enz.) of op heterogene gebieden van het materiaal (zoals bij de richting van de metaalstroming, insluitingen, en ontkoolde secties).

Een ruw oppervlak is dus vatbaar voor cavitatieslijtage en omdat pitten en een ruw profiel de cavitatieschade kenmerken, neemt de schade toe naarmate het oppervlak ruwer wordt.

Het meest fundamentele middel om cavitatieslijtage tegen te gaan is de trekspanning op de vloeistof te minimaliseren. Met andere woorden, de gebruikers van de apparatuur moeten het brekingsniveau of de vacuümtoestand in de zones waar cavitatie mogelijk is, verlagen. In het bijzonder kunnen de volgende stappen geschikt zijn:

• Verhoog het drukniveau aan de uitlaat van smoorkleppen.

• Verhoog de inlaatdruk aan de zuigpoort van de pomp door de pompinlaat te superchargen.

• Gebruik anticavitatiecontroles bij toepassingen met negatieve belasting van actuators.

• Verminder het watergehalte van de vloeistof om de mogelijkheid van dradentrekken (water heeft een hogere dampdruk dan olie) over klepzittingen en dynamische afdichtingen te elimineren.

• Gebruik een vloeistof met een lage dampdruk.

• Kies een pomp met goede vuleigenschappen in plaats van een configuratie met een uitgehongerde inlaat.

• Gebruik een vloeistof met een lage viscositeit of verhoog de vloeistoftemperatuur.

In veel gevallen kunnen ontwerpingenieurs cavitatieschade minimaliseren door de juiste keuze van fabricagematerialen. Zo kan bijvoorbeeld roestvrij staal worden gekozen in plaats van aluminium (figuur 3) en een harde bekleding met een cavitatiebestendige legering op het blootgestelde oppervlak worden gebruikt. Rubber en andere elastomere deklagen hebben ook geholpen om cavitatieslijtage te minimaliseren. Ondanks hun lage weerstand tegen cavitatie weerkaatsen deze oppervlakken de schokgolf zonder intense schade te veroorzaken.

Figuur 3. Rangorde van de relatieve cavitatieweerstand van materialen

Cavitatiedeeltjes

De grootte van de deeltjes die door cavitatieslijtage worden gegenereerd, is een functie van de Brinell-hardheid van het blootgestelde materiaal. De grootste deeltjes ontstaan tijdens de accumulatieperiode. De hellingen van de cumulatieve deeltjesgrootteverdelingscurven nemen toe naarmate de vervormingsenergie van het materiaal toeneemt. De gemiddelde grootte van de door cavitatie geproduceerde deeltjes neemt af naarmate de cavitatie-intensiteit toeneemt.

Precursoren van cavitatie

Wanneer u een cavitatieprobleem in een vloeistofsysteem onderzoekt, moet u alle mogelijke bronnen van lage druk (vacuüm), hoge temperatuur (warmte) en plaatsen waar lucht zou kunnen binnendringen, identificeren. De volgende lijst dient als richtlijn voor het identificeren van lagedrukgebieden in een vloeistofsysteem:

• Pompaanzuiging – onjuiste hydraulica van de aanzuigleiding (doorstroombeperkende omstandigheden).

• Klep orifice effect – wervelingen van een hoge-snelheidsstraal in doorstroomopeningen van regelkleppen.

• Ondergedompelde straal – een straal die zich uitstrekt in onbegrensde doorstroomgebieden waar gebieden van lage druk worden gecreëerd.

• Negatieve belastingen op motoren en cilinders – extern aangedreven actuatorbelastingen creëren een lage druk in de actuator.

• Drukgolven en waterslag – het rarefactiegedeelte van drukgolven is in staat om negatieve drukgebieden in de leiding te creëren.

• Hoogte-effect – lage atmosferische druk onderwerpt de zuigleiding aan een druk die onvoldoende kan blijken te zijn voor het vullen van de pompkamers.

Warmtebronnen die tot cavitatie leiden

De warmtebronnen die bijdragen tot te hoge temperaturen en cavitatie in systeemvloeistof omvatten het volgende:

• Hoge omgevingstemperatuur
• Slecht mechanisch rendement van pompen en motoren
• Turbulente stromingscondities in leidingen
• Verdampingswarmte in caviterende stroming
• Compressiewarmte in beluchte stroming
• Hoge drukdalingen over regelopeningen
• Stevige bedrijfscyclus
• Cavitatiewarmte
• bedrijfscyclus
• Grote stromingsbeperkingen in alle delen van het vloeistofcirculatiesysteem
• Slechte koeling of gebrek aan warmteoverdracht
• Hoge wrijving door ruwe oppervlakken en schurende werking

Mogelijke plaatsen voor luchtinsijpeling om te controleren

Wat de punten van luchtinsijpeling van een systeem betreft, moet u deze plaatsen zorgvuldig onderzoeken wanneer ernstige cavitatie optreedt:

Reservoirs – plaatsen waar mechanische (agitatie) luchtinsluiting optreedt, wervelende vloeistof bestaat, vloeistof botst op vloeibare of vaste oppervlakken, reservoiromstandigheden onder druk, cyclonale stroming bij de pompzuigpoort, kritische hoogte (schuin reservoir) die optreedt tijdens bedrijf waardoor de pompzuigpoort wordt blootgesteld aan de atmosfeer, stoten van de vloeistof als gevolg van beweging over ruw terrein en/of laag vloeistofniveau in het reservoir waardoor de pompzuigpoort wordt blootgesteld aan de atmosfeer.

Pomp – leidingen en/of poorten met kleine diameter, beperkende stromingsdoorgangen, stromingsomleidingen en/of lange zuigleidingen, slechte vulkarakteristieken van de pomp (beperkende interne stromingsdoorgangen, hoge pompsnelheid, te grote stromingsverplaatsing); te grote hoogte om voldoende reservoirdruk te verkrijgen om de pomp bij nominaal debiet te voeden; onvoldoende zuighoogte om vloeistof op te tillen tot het niveau van de pompinlaat (d.w.z. de hoogte tussen het vloeistofniveau en de pompinlaat is te groot), onvoldoende zuighoogte om de reservoirmediumvloeistof te versnellen tot de nominale debietcondities van de pomp (reageert niet op de verplaatsingseisen van de pomp).

Kleppen – stralen die uit openingen in een beperkte stromingsruimte uitmonden, stroming stroomlijnen door kanalen die eindigen in kamers waar lage druk heerst aan de stroomafwaartse wanden van de klep, en/of smoorkleppen die uitmonden in een lage druk (retourleiding) leiding.

Actuators (verlengde afdichtingen) – luchtpasserende stangafdichtingen, bestaande luchtdesorptie, en/of zich vormende dampholten wanneer negatieve belasting optreedt als gevolg van externe traagheidsbelastingen.

Motoren (asafdichtingen) – luchtpasserende afdichtingen en gasvormige/dampe cavitatie die optreedt wanneer negatieve belasting optreedt als gevolg van een vliegwieleffect.

Accumulator – lucht/gas dat lekt langs versleten zuigerafdichting, gescheurd membraan, of gescheurde blaas.

Filter – lucht langs externe afdichtingen in zuigleidingfilters of interne stromingsbeperkingen die luchtdesorptie veroorzaken.

Leidingaansluitingen (slangkoppelingen, buisfittingen en spruitstukafdichtingen) – lucht langs afdichtvlakken van aansluitingen die door trillingen en thermische uitzettings- en inkrimpingseffecten zijn losgeraakt.

Leiding – ruwe wanden, afgeknepen stroomsecties, of uitsteeksels in de stroom.