Zjawisko kawitacji polega na przerwaniu ciągłości w cieczy, w której występuje znaczne lokalne obniżenie ciśnienia. Tworzenie się pęcherzyków w cieczach (kawitacja) rozpoczyna się nawet w obecności dodatnich ciśnień, które są równe lub zbliżone do ciśnienia pary nasyconej cieczy w danej temperaturze.

Różne ciecze mają różne stopnie odporności na kawitację, ponieważ zależą one w znacznym stopniu od stężenia gazu i cząstek obcych w cieczy.

Mechanizm zużycia

Mechanizm kawitacji można opisać w następujący sposób: Każda ciecz będzie zawierała pęcherzyki gazowe lub parowe, które służą jako jądra kawitacji. Kiedy ciśnienie zostaje obniżone do pewnego poziomu, pęcherzyki stają się repozytorium pary lub rozpuszczonych gazów.

Bezpośrednim skutkiem tego stanu jest szybki wzrost wielkości pęcherzyków. Następnie, gdy pęcherzyki dostają się do strefy obniżonego ciśnienia, ich wielkość zmniejsza się w wyniku kondensacji zawartych w nich oparów.

Ten proces kondensacji zachodzi dość szybko, czemu towarzyszą lokalne wstrząsy hydrauliczne, emisja dźwięku, niszczenie wiązań materiałowych i inne niepożądane zjawiska. Uważa się, że zmniejszenie stabilności objętościowej w większości cieczy jest związane z zawartością różnych domieszek, takich jak stałe niezwilżone cząstki i pęcherzyki gazowo-parowe, szczególnie te na poziomie submikroskopowym, które służą jako jądra kawitacji.

Krytycznym aspektem procesu zużycia kawitacyjnego jest zniszczenie powierzchni i przemieszczenie materiału spowodowane dużymi ruchami względnymi pomiędzy powierzchnią a narażoną cieczą. W wyniku takich ruchów, lokalne ciśnienie płynu ulega zmniejszeniu, co pozwala na osiągnięcie temperatury płynu do punktu wrzenia i tworzenie się małych pustek parowych.

Gdy ciśnienie powraca do normalnego (które jest wyższe niż ciśnienie pary płynu), dochodzi do implozji powodujących zapadanie się pustek lub pęcherzyków pary. To zapadanie się pęcherzyków generuje fale uderzeniowe, które wytwarzają duże siły uderzeniowe na przyległych powierzchniach metalowych i powodują hartowanie robocze, zmęczenie i wżery kawitacyjne.

Więc, kawitacja jest nazwą nadaną mechanizmowi, w którym pęcherzyki pary (lub puste przestrzenie) w płynie rosną i zapadają się z powodu lokalnych wahań ciśnienia. Fluktuacje te mogą wytwarzać niskie ciśnienie, w postaci ciśnienia pary cieczy. Ten proces kawitacji parowej zachodzi w przybliżeniu w stałych warunkach temperaturowych.

Rodzaje kawitacji

Istnieją dwa podstawowe rodzaje kawitacji: parowa i gazowa.

Kawitacja parowa jest procesem ebullition, który ma miejsce, gdy pęcherzyk rośnie eksplozywnie w sposób nieograniczony, ponieważ ciecz szybko zmienia się w parę. Sytuacja ta występuje, gdy poziom ciśnienia spada poniżej ciśnienia pary cieczy.

Kawitacja gazowa jest procesem dyfuzji, który występuje zawsze, gdy ciśnienie spada poniżej ciśnienia nasycenia niekondensującego gazu rozpuszczonego w cieczy. Podczas gdy kawitacja parowa jest niezwykle szybka, zachodząca w ciągu mikrosekund, kawitacja gazowa jest znacznie wolniejsza; czas jej trwania zależy od stopnia konwekcji (cyrkulacji płynu).

Zużycie kawitacyjne występuje tylko w warunkach kawitacji parowej – gdzie fale uderzeniowe i mikrojety mogą powodować erozję powierzchni. Kawitacja gazowa nie powoduje erozji materiału powierzchniowego.

Powoduje ona jedynie hałas, generuje wysokie (nawet pękanie na poziomie molekularnym) temperatury i degraduje skład chemiczny płynu poprzez utlenianie. Zużycie kawitacyjne jest również znane jako erozja kawitacyjna, kawitacja parowa, wżery kawitacyjne, zmęczenie kawitacyjne, erozja uderzeniowa cieczy i ciągnienie drutu.

Zużycie kawitacyjne to typ zużycia typu płyn-powierzchnia, który występuje, gdy część płynu jest najpierw narażona na naprężenia rozciągające, które powodują wrzenie płynu, a następnie narażona na naprężenia ściskające, które powodują zapadanie się pęcherzyków pary (implozja).

To zapadanie się powoduje wstrząs mechaniczny i powoduje uderzenia mikrodżetów o powierzchnie, ujednolicając płyn. Każdy system, który może powtarzać ten wzór naprężeń rozciągających i ściskających, podlega zużyciu kawitacyjnemu i wszystkim okropnościom towarzyszącym takiej destrukcyjnej działalności.

Zużycie kawitacyjne jest podobne do zużycia zmęczeniowego powierzchni; materiały, które są odporne na zmęczenie powierzchniowe (substancje twarde, ale nie kruche), są również odporne na uszkodzenia kawitacyjne.

Proces zużycia kawitacyjnego

Płyn jest medium, które powoduje zużycie kawitacyjne. Zużycie kawitacyjne nie wymaga drugiej powierzchni; wymaga jedynie, aby pomiędzy powierzchnią a cieczą istniał duży ruch względny. Taki ruch zmniejsza lokalne ciśnienie w płynie. Kiedy ciecz osiąga temperaturę wrzenia i następuje wyrzut, tworzą się pęcherzyki pary, co powoduje kawitację.

Każde zagłębienie pary trwa krótko, ponieważ prawie każdy wzrost ciśnienia powoduje natychmiastowe skraplanie się pary w pęcherzyku, a pęcherzyk zapada się i wytwarza falę uderzeniową. Ta fala uderzeniowa następnie uderza w sąsiednie powierzchnie metalowe i niszczy wiązania materiałowe.

Fala uderzeniowa najpierw wytwarza naprężenie ściskające na powierzchni stałej, a następnie po odbiciu wytwarza naprężenie rozciągające, które jest normalne do powierzchni.

Rysunek 1. Zapadanie się pęcherzyka pary i narodziny mikrodżeta

Rysunek 1 przedstawia zapadanie się pęcherzyka pary i narodziny mikrodżeta. Kawitacja występuje na ogół tam, gdzie występują warunki hydrodynamiczne, charakteryzujące się nagłą i gwałtowną zmianą ciśnienia hydrostatycznego. Ponieważ ebullition może wystąpić natychmiastowy spadek ciśnienia, pęcherzyki pary tworzą się i zapadają się często i szybko.

Uwięzione cząsteczki powietrza i pyłu w płynie służą jako miejsca nukleacji do tworzenia jam parowych. Te jądra mogą być małymi, wypełnionymi gazem kieszeniami w szczelinach zbiornika lub po prostu kieszeniami gazowymi na cząstkach zanieczyszczeń poruszających się swobodnie w strumieniu przepływu. Dlatego wszystkie ciecze zamknięte mogą zawierać zanieczyszczenia wystarczające do wytworzenia kawitacji.

Małe puste przestrzenie w pobliżu powierzchni lub pola przepływu, gdzie istnieje minimalne ciśnienie, wskazują, że kawitacja się rozpoczęła. Po zainicjowaniu, pęcherzyki kontynuują wzrost tak długo, jak długo pozostają w regionach o niskim ciśnieniu. Jak pęcherzyki podróżują do regionów wysokiego ciśnienia, zapadają się, produkując intensywne ciśnienia i erozji wszelkich stałych powierzchni w pobliżu.

Podczas zapadania się, cząstki cieczy otaczające pęcherzyk szybko przenieść do jego centrum. Energia kinetyczna z tych cząstek tworzy lokalne uderzenia wodne o dużej intensywności (wstrząsy), które rosną w miarę postępu frontu w kierunku centrum bańki.

Detekcja dźwiękowa i wizualna

Użytkownicy sprzętu mogą wykryć kawitację dźwiękowo, wizualnie, przez oprzyrządowanie akustyczne, przez czujniki drgań maszyny, przez pomiar sonoluminescencji lub przez spadek lub zmianę wydajności w stosunku do tej produkowanej w warunkach przepływu jednofazowego (na przykład, utrata przepływu, sztywności i reakcji).

W warunkach przepływu kawitacyjnego, szybkość zużycia może być wielokrotnie większa niż spowodowana przez samą erozję i korozję. Zużycie kawitacyjne może zniszczyć najtrwalsze materiały – stale narzędziowe, stellity, itp. Takie uszkodzenie może wystąpić szybko i rozlegle.

Ilość uszkodzeń, które powoduje kawitacja, zależy od tego, jak duże ciśnienie i prędkość tworzą zapadające się pęcherzyki. W wyniku tego ciśnienia i prędkości, odsłonięta powierzchnia ulega różnym intensywnościom.

Każde nałożenie trwa tylko przez krótki czas; wielkości impulsów i czasy zapadania się są większe dla większych pęcherzyków przy danych różnicach ciśnień zapadania się. Tak więc, im większe naprężenia rozciągające w płynie (im niższe ciśnienie statyczne), tym większe pęcherzyki, tym intensywniejsza kawitacja i poważniejsze uszkodzenia.

Impulsy, które powstają, gdy tworzą się i zapadają pęcherzyki pary, powodują pojedyncze symetryczne kratery i trwałe deformacje materiału, gdy zapadnięcie następuje przy powierzchni. W konsekwencji uszkodzenie kawitacyjne, podobnie jak uszkodzenie zmęczeniowe, ma kilka okresów aktywności:

• Okres inkubacji – mikropęknięcia zarodkują wokół granic ziaren i wtrąceń w wyniku zarówno sprężystego, jak i plastycznego odkształcenia powierzchni.

• Okres akumulacji – wzrost pęknięć postępuje w zależności od stopnia rozszczepienia, ścinania i rozrywania materiału.

• Okres stanu ustalonego – szybkość zarodkowania i propagacji pęknięć staje się stała przez resztę czasu ekspozycji.

W systemie przepływu płynu (w przeciwieństwie do zbiornika ultradźwiękowego), pęcherzyki pary tworzą się tam, gdzie występują naprężenia rozciągające płynu (niskie ciśnienia), a pęcherzyki pary zapadają się w regionach o wyższym ciśnieniu, gdzie na płyn mogą być nałożone naprężenia ściskające.

Więc region, w którym występuje uszkodzenie, jest często dość oddzielony od regionu, w którym powstają kawitacje – co często prowadzi do nieprawidłowej diagnozy problemu. Zużycie kawitacyjne jest z natury mechaniczne i nie może wystąpić bez zastosowania naprężeń rozciągających i ściskających.

Cavitation Hot Spots

Wiele obszarów w układach hydraulicznych jest podatnych na zużycie kawitacyjne, takich jak:

• W dolnej części zaworów sterujących, w których występują duże różnice ciśnień,

• W komorach ssawnych pomp, w których występują warunki głodowego wlotu,

• W szybko poruszających się siłownikach (zarówno liniowych, jak i obrotowych), w których występują warunki ujemnego obciążenia,

• W ścieżkach wycieków (przez uszczelnienia, gniazda zaworu i gniazda szpuli), gdzie duże prędkości powodują spadek ciśnienia poniżej ciśnienia pary cieczy (stan kawitacji często określany jako ciągnienie drutu) oraz

• We wszystkich urządzeniach, w których przepływ cieczy jest poddawany ostrym zakrętom, zmniejszaniu przekroju poprzecznego z następującym po tym rozszerzaniem (w kurkach, klapach, zaworach, membranach) i innym deformacjom.

Kawitacja zaburza normalne warunki pracy układów mechanicznych typu płynnego i niszczy powierzchnie elementów. Proces polega na tworzeniu się pustych przestrzeni przy niskich ciśnieniach, wzroście kolejnych pęcherzyków w miarę stabilizowania się ciśnienia i wreszcie na zapadaniu się pęcherzyków, gdy puste przestrzenie (pęcherzyki gazowe lub parowe) są wystawione na działanie wysokiego ciśnienia.

Zauważ, że spadek ciśnienia na elemencie jest siłą napędową zużycia kawitacyjnego. Rysunek 2 przedstawia proces kawitacji, który zachodzi w pompie zębatej i w zaworze suwakowym, pokazując jak powstają, rosną i zapadają się puste przestrzenie w elementach hydraulicznych.

Rysunek 2. Proces kawitacji w elementach hydraulicznych

Redukcja zużycia kawitacyjnego

W zużyciu kawitacyjnym mikropęknięcia rozprzestrzeniają się do punktu, w którym materiał nie jest już w stanie wytrzymać obciążenia impulsowego, jakie nakładają implodujące pęcherzyki pary. Dlatego cząstki ostatecznie odrywają się i dostają się do systemu.

Jak w przypadku każdego uszkodzenia zmęczeniowego, mikropęknięcia najpierw tworzą się w miejscach powstawania naprężeń (karby, rozdarcia, podcięcia, wady spawalnicze, itp.) lub w niejednorodnych obszarach materiału (takich jak kierunki przepływu metalu, wtrącenia i sekcje odwęglone).

W związku z tym, chropowata powierzchnia jest podatna na zużycie kawitacyjne, a ponieważ wżery i chropowaty profil charakteryzują uszkodzenia kawitacyjne, uszkodzenia wzrastają wraz ze wzrostem chropowatości powierzchni.

Najbardziej podstawowym sposobem zwalczania zużycia kawitacyjnego jest zminimalizowanie naprężeń rozciągających płyn. Innymi słowy, użytkownicy sprzętu muszą obniżyć poziom refrakcji lub warunki próżniowe w strefach możliwej kawitacji. W szczególności odpowiednie mogą być następujące kroki:

• Podwyższenie poziomu ciśnienia na wylocie zaworów dławiących.

• Podwyższenie ciśnienia wlotowego w porcie ssawnym pompy poprzez doładowanie wlotu pompy.

• Używać kontroli antykawitacyjnych w zastosowaniach z siłownikami o ujemnym obciążeniu.

• Zmniejszyć zawartość wody w płynie, aby wyeliminować możliwość przeciągania drutu (woda ma wyższe ciśnienie pary niż olej) przez gniazda zaworów i uszczelnienia dynamiczne.

• Użyj płynu o niskim ciśnieniu pary.

• Wybierz pompę o dobrej charakterystyce napełniania w przeciwieństwie do konfiguracji z wlotem głodowym.

• Użyj płynu o niskiej lepkości lub zwiększ temperaturę płynu.

W wielu przypadkach inżynierowie konstruktorzy mogą zminimalizować uszkodzenia kawitacyjne poprzez prawidłowy dobór materiałów do produkcji. Na przykład, można wybrać stal nierdzewną zamiast aluminium (Rysunek 3) i zastosować twardą okładzinę ze stopem odpornym na kawitację na odsłoniętej powierzchni. Guma i inne powłoki elastomerowe również pomogły zminimalizować zużycie kawitacyjne. Pomimo ich niskiej odporności na kawitację, powierzchnie te odbijają falę uderzeniową nie powodując intensywnych uszkodzeń.

Rysunek 3. Order of Relative Cavitation Resistance of Materials

Cząstki kawitacyjne

Rozmiar cząstek powstających w wyniku zużycia kawitacyjnego jest funkcją twardości Brinella narażonego materiału. Największe cząstki występują podczas okresu akumulacji. Nachylenia krzywych kumulacyjnego rozkładu wielkości cząstek wzrastają wraz ze wzrostem energii odkształcenia materiału. Średni rozmiar cząstek wytwarzanych przez kawitację zmniejsza się wraz ze wzrostem intensywności kawitacji.

Prekursory kawitacji

Podczas badania problemu kawitacji w układzie płynów należy zidentyfikować wszystkie możliwe źródła niskiego ciśnienia (próżni), wysokiej temperatury (ciepła) oraz miejsca, do których może przedostawać się powietrze. Poniższa lista powinna służyć jako wytyczne do identyfikacji obszarów niskiego ciśnienia w układzie płynów:

• Ssanie pompy – niewłaściwa hydraulika linii ssawnej (warunki ograniczające przepływ).

• Efekt kryzy zaworu – wiry wywołane przez strumień o dużej prędkości w przejściach przepływowych zaworu sterującego.

• Strumień zanurzony – strumień rozciągający się do obszarów przepływu nieograniczonego, w których powstają regiony niskiego ciśnienia.

• Obciążenia ujemne silników i siłowników – obciążenia siłowników o napędzie zewnętrznym powodują powstawanie niskiego ciśnienia w siłowniku.

• Zwyżki ciśnienia i uderzenia wodne – część rarefakcji fal ciśnienia jest zdolna do tworzenia regionów podciśnienia w linii.

• Efekt dużej wysokości – niskie ciśnienie atmosferyczne poddaje linię ssawną ciśnieniu, które może okazać się niewystarczające do napełnienia komór pomp.

Źródła ciepła prowadzące do kawitacji

Źródła ciepła, które przyczyniają się do nadmiernie wysokich temperatur i kawitacji w płynie systemowym, obejmują następujące elementy:

• Wysoka temperatura otoczenia
• Niska sprawność mechaniczna pomp i silników
• Turbulentne warunki przepływu w przewodach
• Ciepło parowania w przepływie kawitacyjnym
• Ciepło sprężania w przepływie napowietrzonym
• Wysokie spadki ciśnienia przez otwory kontrolne
• Szerokie operacyjne Cykl pracy
• Większe ograniczenia przepływu we wszystkich częściach systemu obiegu cieczy
• Niedostateczne chłodzenie lub brak wymiany ciepła
• Wysokie tarcie od szorstkich powierzchni i działania ściernego

Możliwe miejsca wnikania powietrza do sprawdzenia

Jeśli chodzi o punkty wnikania powietrza do systemu, należy dokładnie sprawdzić te miejsca, gdy występuje poważna kawitacja:

Zbiorniki – miejsca, w których występuje porywanie powietrza typu mechanicznego (mieszanie), występują zawirowania płynu, uderzenia płynu o powierzchnie ciekłe lub stałe, warunki zbiornika pod ciśnieniem, przepływ cykloniczny na przyłączu ssawnym pompy, wysokość krytyczna (zbiornik ustawiony pod kątem) występująca podczas pracy, która naraża przyłącze ssawne pompy na działanie atmosfery, wstrząsy płynu spowodowane przemieszczaniem się po nierównym terenie i/lub niski poziom płynu w zbiorniku, który naraża przyłącze ssawne pompy na działanie atmosfery.

Pompa – przewody i/lub porty o małej średnicy, restrykcyjne kanały przepływu, zmiany kierunku przepływu i/lub warunki długiego przewodu ssawnego, słaba charakterystyka napełniania pompy (restrykcyjne wewnętrzne kanały przepływu, duża prędkość pompowania, zbyt duże przesunięcie przepływu); wysokość zbyt duża, aby zapewnić wystarczające ciśnienie w zbiorniku do zasilania pompy w warunkach przepływu znamionowego; niewystarczająca wysokość ssania do podniesienia cieczy do poziomu wlotu pompy (to jest, wysokość pomiędzy poziomem cieczy a wlotem pompy zbyt duża), niewystarczająca wysokość ssania do przyspieszenia cieczy w zbiorniku do warunków przepływu znamionowego pompy (brak reakcji na wymagania dotyczące przemieszczenia pompy).

Zawory – strumienie wypływające z otworów do przestrzeni o ograniczonym przepływie, przepływ przez kanały kończące się w komorach, w których niskie ciśnienie występuje na ściankach zaworu za zaworem, i/lub zawory dławiące wypływające do przewodu o niskim ciśnieniu (linia powrotna).

Aktuatory (uszczelnienia przedłużone) – uszczelnienia prętów przepuszczające powietrze, istniejąca desorpcja powietrza i/lub kawitacja parowa tworząca się, gdy występuje obciążenie ujemne z powodu zewnętrznych obciążeń bezwładnościowych.

Silniki (uszczelnienia wału) – uszczelnienia przepuszczające powietrze i kawitacja gazowa/parowa występująca, gdy występuje obciążenie ujemne z powodu efektu koła zamachowego.

Akumulator – przeciek powietrza/gazu przez zużytą uszczelkę tłoka, pękniętą membranę lub rozerwany pęcherz.

Filtr – powietrze przechodzi przez uszczelki zewnętrzne w filtrach linii ssawnej lub wewnętrzne ograniczenia przepływu powodujące desorpcję powietrza.

Złącza przewodów (złącza węży, złącza rurowe i uszczelki kolektora) – powietrze przechodzi przez powierzchnie uszczelniające złącza, które uległy rozluźnieniu na skutek wibracji i rozszerzalności cieplnej i skurczu.

Kondukt – szorstkie ściany, ściśnięte odcinki przepływu lub występy w strumieniu przepływu.

.