Fenomenul de cavitație constă în întreruperea continuității în lichid acolo unde există o reducere locală considerabilă a presiunii. Formarea bulelor în interiorul lichidelor (cavitație) începe chiar și în prezența unor presiuni pozitive care sunt egale sau apropiate de presiunea vaporilor saturați ai fluidului la temperatura dată.

Diferite lichide au grade diferite de rezistență la cavitație deoarece depind, într-o măsură considerabilă, de concentrația de gaz și de particule străine din lichid.

Mecanismul de uzură

Mecanismul de cavitație poate fi descris după cum urmează: Orice lichid va conține fie bule gazoase, fie bule de vapori, care servesc drept nuclee de cavitație. Când presiunea este redusă până la un anumit nivel, bulele devin depozitarul vaporilor sau al gazelor dizolvate.

Rezultatul imediat al acestei condiții este că bulele cresc rapid în dimensiuni. Ulterior, când bulele intră într-o zonă de presiune redusă, ele își reduc dimensiunile ca urmare a condensării vaporilor pe care îi conțin.

Acest proces de condensare are loc destul de repede, fiind însoțit de șocuri hidraulice locale, de emisie de sunete, de distrugerea legăturilor materiale și de alte fenomene nedorite. Se crede că reducerea stabilității volumetrice în majoritatea lichidelor este asociată cu conținutul de diverși adaosuri, cum ar fi particule solide neumectate și bule de gaz și vapori, în special cele la nivel submicroscopic, care servesc drept nuclee de cavitație.

Un aspect critic al procesului de uzură prin cavitație este distrugerea suprafețelor și deplasarea materialelor cauzată de mișcările relative ridicate dintre o suprafață și fluidul expus. Ca urmare a acestor mișcări, presiunea locală a fluidului este redusă, ceea ce permite ca temperatura fluidului să atingă punctul de fierbere și să se formeze mici cavități de vapori.

Când presiunea revine la normal (care este mai mare decât presiunea de vapori a fluidului), apar implozii care determină colapsul cavității sau al bulelor de vapori. Această prăbușire a bulelor generează unde de șoc care produc forțe de impact mari pe suprafețele metalice adiacente și provoacă călire, oboseală și gropi de cavitație.

Ceci, cavitația este numele dat unui mecanism în care bulele de vapori (sau cavitățile) dintr-un fluid cresc și se prăbușesc datorită fluctuațiilor locale de presiune. Aceste fluctuații pot produce o presiune scăzută, sub forma presiunii de vapori a fluidului. Acest proces de cavitație vaporoasă are loc în condiții de temperatură aproximativ constantă.

Tipuri de cavitație

Există două tipuri principale de cavitație: vaporoasă și gazoasă.

Cavitația vaporoasă este un proces de ebuliție care are loc dacă bula crește exploziv în mod nemărginit pe măsură ce lichidul se transformă rapid în vapori. Această situație apare atunci când nivelul presiunii coboară sub presiunea de vapori a lichidului.

Cavitația gazoasă este un proces de difuzie care are loc ori de câte ori presiunea scade sub presiunea de saturație a gazului necondensabil dizolvat în lichid. În timp ce cavitația vaporoasă este extrem de rapidă, producându-se în microsecunde, cavitația gazoasă este mult mai lentă; timpul de care are nevoie depinde de gradul de convecție (circulația fluidului) prezent.

Uzura prin cavitație apare numai în condiții de cavitație vaporoasă – unde unde undele de șoc și microjeturile pot eroda suprafețele. Cavitația gazoasă nu provoacă eroziunea materialului de la suprafață.

Nu face decât să creeze zgomot, să genereze temperaturi ridicate (chiar și de cracare la nivel molecular) și să degradeze compoziția chimică a fluidului prin oxidare. Uzura prin cavitație este, de asemenea, cunoscută sub numele de eroziune prin cavitație, cavitație vaporoasă, pișcare prin cavitație, oboseală prin cavitație, eroziune prin impact cu lichid și tragere de sârmă.

Uzura prin cavitație este un tip de uzură de tip fluid-suprafață care apare atunci când o porțiune de fluid este expusă mai întâi la tensiuni de tracțiune care provoacă fierberea fluidului, apoi este expusă la tensiuni de compresiune care determină colapsul (implozia) bulelor de vapori.

Acest colaps produce un șoc mecanic și determină microjeturile să se lovească de suprafețe, unificând fluidul. Orice sistem care poate repeta acest model de tensiuni de tracțiune și compresiune este supus uzurii prin cavitație și tuturor ororilor care însoțesc o astfel de activitate distructivă.

Uzura prin cavitație este similară cu uzura prin oboseală de suprafață; materialele care rezistă la oboseala de suprafață (substanțe dure, dar nu fragile) rezistă, de asemenea, la deteriorarea prin cavitație.

Procesul de uzură prin cavitație

Lichidul este mediul care provoacă uzura prin cavitație. Uzura prin cavitație nu necesită o a doua suprafață; necesită doar ca între suprafață și fluid să existe o mișcare relativă ridicată. O astfel de mișcare reduce presiunea locală din fluid. Când lichidul atinge punctul de fierbere și are loc ebulliția, se formează bule de vapori, ceea ce produce cavitație.

Care cavitate de vapori durează puțin timp, deoarece aproape orice creștere a presiunii face ca vaporii din bulă să se condenseze instantaneu, iar bula să se prăbușească și să producă o undă de șoc. Această undă de șoc lovește apoi suprafețele metalice adiacente și distruge legăturile materiale.

Unda de șoc produce mai întâi o tensiune de compresiune pe suprafața solidă, iar apoi, când este reflectată, produce o tensiune de tracțiune care este normală la suprafață.

Figura 1. Colapsul unei bule de vapori și nașterea unui microjet

Figura 1 descrie colapsul unei bule de vapori și nașterea unui microjet. Cavitația se întâlnește, în general, acolo unde există o condiție hidrodinamică, caracterizată printr-o schimbare bruscă și brutală a presiunii hidrostatice. Deoarece ebulliția poate avea loc în clipa în care presiunea scade, bulele de vapori se formează și se prăbușesc frecvent și rapid.

Particulele de aer și de praf antrenate în fluid servesc ca situsuri de nucleare pentru formarea cavităților de vapori. Aceste nuclee pot fi mici buzunare umplute cu gaz în crăpăturile recipientului sau pur și simplu buzunare de gaz pe particulele contaminante care se deplasează liber în fluxul de curgere. Prin urmare, toate fluidele confinate pot conține suficiente impurități pentru a produce cavitație.

Cele mai mici goluri în apropierea suprafeței sau a câmpului de curgere, unde există o presiune minimă, indică faptul că a început cavitația. Odată inițiate, bulele continuă să crească atâta timp cât rămân în regiunile cu presiune scăzută. Pe măsură ce bulele se deplasează în regiuni cu presiune ridicată, ele se prăbușesc, producând presiuni intense și erodând orice suprafață solidă din apropiere.

În timpul prăbușirii, particulele de lichid care înconjoară bula se deplasează rapid spre centrul acesteia. Energia cinetică a acestor particule creează ciocane de apă locale de mare intensitate (șoc), care cresc pe măsură ce frontul progresează spre centrul bulei.

Detecție auditivă și vizuală

Utilizatorii echipamentelor pot detecta cavitația în mod auditiv, vizual, prin instrumente acustice, prin senzori de vibrații ale mașinii, prin măsurarea sonoluminescenței sau prin scăderea sau modificarea performanțelor față de cele produse în condiții de curgere monofazică (de exemplu, pierderea debitului, a rigidității și a răspunsului).

În condiții de curgere prin cavitație, rata de uzură poate fi de multe ori mai mare decât cea cauzată doar de eroziune și coroziune. Uzura prin cavitație poate distruge cele mai rezistente materiale – oțeluri pentru scule, steluțe, etc. Astfel de deteriorări se pot produce rapid și pe scară largă.

Cantitatea de deteriorare pe care o provoacă cavitația depinde de presiunea și viteza pe care le creează bulele prăbușite. Ca urmare a acestei presiuni și viteze, suprafața expusă suferă o varietate de intensități foarte variate.

Care impunere durează doar un timp scurt; mărimile impulsurilor și timpii de colaps sunt mai mari pentru bule mai mari la diferențiale de presiune de colaps date. Astfel, cu cât este mai mare tensiunea de tracțiune asupra fluidului (cu cât presiunea statică este mai mică), cu atât bulele sunt mai mari, cu atât mai intensă este cavitația și cu atât mai grave sunt pagubele.

Impulsurile care rezultă atunci când bulele de vapori se formează și se prăbușesc provoacă cratere individuale simetrice și deformări permanente ale materialului atunci când prăbușirea are loc lângă suprafață. În consecință, deteriorarea prin cavitație, ca și cedarea la oboseală, are mai multe perioade de activitate:

• Perioada de incubație – microcrăpăturile se nuclează în jurul granițelor de grăunți și incluziuni datorită deformării atât elastice cât și plastice a suprafeței.

• Perioada de acumulare – creșterea fisurilor avansează în raport cu gradul de acțiune de divizare, forfecare și rupere asupra materialului.

• Perioada de staționare – rata de nucleare și propagare a fisurilor devine constantă pentru restul timpului de expunere.

Într-un sistem de curgere a fluidului (spre deosebire de un rezervor cu ultrasunete), bulele de vapori se formează acolo unde apar tensiuni de tracțiune a fluidului (presiuni scăzute), iar bulele de vapori se prăbușesc în regiunile cu presiuni mai mari, unde se pot impune tensiuni de compresiune asupra fluidului.

Așa că regiunea în care apare deteriorarea este adesea destul de separată de regiunea în care se creează cavități – ceea ce duce adesea la un diagnostic incorect al problemei. Uzura prin cavitație este de natură mecanică și nu se poate produce fără aplicarea tensiunilor de tracțiune și compresiune.

Puncte fierbinți de cavitație

Multe zone din sistemele hidraulice sunt predispuse la uzura prin cavitație, cum ar fi:

• În aval de supapele de control care au diferențe mari de presiune,

• În camerele de aspirație ale pompelor unde există condiții de admisie înecate,

• În actuatoarele cu mișcare rapidă (atât de tip liniar cât și rotativ) unde apar condiții de sarcină negativă,

• În căile de scurgere (prin garnituri, scaunele supapelor și terenurile bobinelor) în care vitezele mari determină scăderea nivelurilor de presiune sub presiunea de vapori a fluidului (o condiție de cavitație menționată adesea sub denumirea de tragere a firelor) și

• În toate dispozitivele în care curgerea fluidului este supusă unor viraje bruște, reducerii secțiunilor transversale cu dilatări ulterioare (în robineți, clapete, supape, diafragme) și alte deformări.

Cavitația perturbă condițiile normale de funcționare a sistemelor mecanice de tip fluid și distruge suprafețele componentelor. Procesul constă în formarea de cavități atunci când presiunile sunt scăzute, creșterea bulelor ulterioare pe măsură ce presiunea se stabilizează și, în cele din urmă, prăbușirea bulelor atunci când cavitățile (bule gazoase sau vaporoase) sunt expuse la presiuni înalte.

Rețineți că pierderea de presiune pe componenta este forța motrice a uzurii prin cavitație. Figura 2 descrie procesul de cavitație care are loc într-o pompă cu roți dințate și într-o supapă cu tambur, arătând modul în care cavitățile generează, cresc și se prăbușesc în componentele de tip fluid.

Figura 2. Procesul de cavitație în componentele hidraulice

Reducerea uzurii prin cavitație

În uzura prin cavitație, microfisurile se propagă până în punctul în care materialul nu mai poate rezista la sarcina de impuls pe care o impun bulele de vapori în implozie. Prin urmare, particulele se desprind în cele din urmă și intră în sistem.

Ca în cazul oricărei defecțiuni de oboseală, microfisurile se formează mai întâi la crestăturile de tensiune (crestături, rupturi, tăieturi inferioare, defecte de sudură etc.) sau în zone eterogene ale materialului (cum ar fi la direcționalitatea fluxului de metal, incluziuni și secțiuni decarburate).

Din acest motiv, o suprafață aspră este predispusă la uzura prin cavitație și, deoarece accesoriile și un profil aspră caracterizează deteriorarea prin cavitație, deteriorarea crește pe măsură ce suprafața devine mai aspră.

Mediul cel mai de bază de combatere a uzurii prin cavitație este minimizarea tensiunii de tracțiune asupra fluidului. Cu alte cuvinte, utilizatorii echipamentelor trebuie să reducă nivelul de refracție sau condițiile de vid în zonele de posibilă cavitație. În special, următorii pași pot fi adecvați:

• Creșterea nivelului de presiune la ieșirea supapelor de strangulare.

• Creșterea presiunii de intrare la portul de aspirație al pompei prin supraalimentarea intrării pompei.

• Utilizați verificări anticavitație la aplicațiile de acționare cu sarcină negativă.

• Reduceți conținutul de apă al fluidului pentru a elimina posibilitatea de tragere a firelor (apa are o presiune a vaporilor mai mare decât uleiul) pe scaunele supapei și garniturile dinamice.

• Utilizați un fluid cu o presiune scăzută a vaporilor.

• Selectați o pompă cu caracteristici bune de umplere, spre deosebire de o configurație de admisie înecată.

• Utilizați un fluid cu vâscozitate scăzută sau creșteți temperatura fluidului.

În multe cazuri, inginerii proiectanți pot minimiza daunele cauzate de cavitație prin selectarea adecvată a materialelor de fabricație. De exemplu, se poate alege oțelul inoxidabil în locul aluminiului (figura 3) și se poate utiliza o placare dură cu un aliaj rezistent la cavitație pe suprafața expusă. Cauciucul și alte acoperiri elastomerice au contribuit, de asemenea, la minimizarea uzurii prin cavitație. În ciuda rezistenței lor scăzute la cavitație, aceste suprafețe reflectă unda de șoc fără a provoca deteriorări intense.

Figura 3. Ordinea rezistenței relative la cavitație a materialelor

Particule de cavitație

Dimensiunea particulelor generate de uzura prin cavitație este o funcție de duritatea Brinell a materialului expus. Cele mai mari particule apar în timpul perioadei de acumulare. Pantele curbelor de distribuție cumulativă a dimensiunilor particulelor cresc pe măsură ce crește energia de deformare a materialului. Mărimea medie a particulelor produse de cavitație scade pe măsură ce intensitatea cavitației crește.

Precursori de cavitație

Când investigați o problemă de cavitație într-un sistem de fluide, trebuie să identificați toate sursele posibile de presiune scăzută (vid), temperatură ridicată (căldură) și locurile în care ar putea pătrunde aer. Următoarea listă ar trebui să servească drept ghid pentru identificarea zonelor de joasă presiune într-un sistem de fluide:

• Aspirația pompei – hidraulica necorespunzătoare a conductei de aspirație (condiții de limitare a debitului).

• Efectul de orificiu al supapei – vortexuri de la jetul de mare viteză în pasajele de curgere ale supapei de control.

• Jet scufundat – un jet care se extinde în zone de curgere nemărginite unde se creează regiuni de joasă presiune.

• Încărcări negative pe motoare și cilindri – sarcinile acționării acționate din exterior creează o presiune scăzută în actuator.

• Supratensiuni de presiune și lovituri de ciocan de apă – porțiunea de rarefiere a undelor de presiune este capabilă să creeze regiuni de presiune negativă în conductă.

• Efectul de mare altitudine – presiunea atmosferică scăzută supune conducta de aspirație la o presiune care se poate dovedi inadecvată în umplerea camerelor de pompare.

Surse de căldură care duc la cavitație

Sursele de căldură care contribuie la temperaturi excesiv de ridicate și la cavitație în fluidul sistemului includ următoarele:

• Temperatura ambiantă ridicată
• Eficiența mecanică slabă a pompelor și motoarelor
• Condiții de curgere turbulentă în conducte
• Căldura de vaporizare în curgerea cu cavitație
• Căldura de compresie în curgerea aerată
• Căderi de presiune ridicate la nivelul orificiilor de control
• Operaționalitate severă. ciclu de funcționare operațională
• Restricții majore ale debitului în toate părțile sistemului de circulație a fluidului
• Răcire slabă sau lipsă de transfer de căldură
• Frecare ridicată din cauza suprafețelor rugoase și a acțiunii abrazive

Locuri posibile de pătrundere a aerului care trebuie verificate

În ceea ce privește punctele de pătrundere a aerului dintr-un sistem, ar trebui să examinați cu atenție aceste locații atunci când are loc o cavitație serioasă:

Rezervoare – locații în care are loc antrenarea aerului de tip mecanic (agitație), există lichid în vârtej, impactul fluidului pe suprafețe lichide sau solide, condiții de rezervor sub presiune, flux ciclonic la orificiul de aspirație al pompei, altitudinea critică (rezervor înclinat) care apare în timpul funcționării și care expune orificiul de aspirație al pompei la atmosferă, zdruncinarea fluidului din cauza deplasării pe teren accidentat și/sau nivelul scăzut al fluidului din rezervor care expune orificiul de aspirație al pompei la atmosferă.

Pompă – conducte și/sau orificii cu diametru mic, pasaje de curgere restrictive, devieri de debit și/sau condiții de conducte de aspirație lungi, caracteristici slabe de umplere a pompei (pasaje de curgere interne restrictive, viteză mare de pompare, deplasare prea mare a debitului); altitudine prea mare pentru a asigura o presiune suficientă în rezervor pentru a alimenta pompa în condiții de debit nominal; înălțime de aspirație insuficientă pentru a ridica fluidul până la nivelul de admisie al pompei (adică înălțimea dintre nivelul fluidului și admisia pompei este prea mare), înălțime de aspirație insuficientă pentru a accelera fluidul din rezervor până la condițiile de debit nominal al pompei (nu răspunde la cererile de deplasare a pompei).

Vane – jeturi care se descarcă din orificii într-un spațiu de curgere limitat, curgere aerodinamică prin canale care se termină în camere în care presiunea scăzută se află la pereții din aval ai supapei, și/sau supape de accelerație care se descarcă într-o conductă de joasă presiune (linie de retur).

Actuatoare (etanșări extinse) – etanșări ale tijei care trec aerul, desorbție de aer existentă și/sau cavități vaporoase care se formează atunci când apare o sarcină negativă din cauza unor sarcini inerțiale externe.

Motoare (etanșări ale arborelui) – etanșări care trec aerul și cavitație gazoasă/vaporoasă care apare atunci când există o sarcină negativă din cauza unui efect de volan.

Acumulator – scurgeri de aer/gaze care trec pe lângă etanșarea uzată a pistonului, o membrană ruptă sau o bășică ruptă.

Filtrul – aer care trece prin garnituri externe de etanșare în filtrele liniei de aspirație sau restricții interne de debit care cauzează desorbția aerului.

Conductoare (racorduri pentru furtunuri, fitinguri pentru tuburi și garnituri de etanșare ale colectorului) – aer care trece prin suprafețele de etanșare ale conectorului pe care vibrațiile și efectele de dilatare și contracție termică le-au slăbit.

Conducte – pereți aspri, secțiuni de curgere ciupite sau proeminențe în fluxul de curgere.

.