Fenomenet kavitation innebär att kontinuiteten i vätskan bryts när trycket lokalt minskar avsevärt. Bildandet av bubblor i vätskor (kavitation) börjar även i närvaro av övertryck som är lika med eller nära trycket för vätskans mättade ånga vid en given temperatur.

Varier olika vätskor har olika grad av motståndskraft mot kavitation eftersom de i hög grad beror på koncentrationen av gas och främmande partiklar i vätskan.

Kavitationens mekanism

Mekanismen för kavitation kan beskrivas på följande sätt: Varje vätska kommer att innehålla antingen gas- eller ångbubblor som fungerar som kavitationskärnor. När trycket sänks till en viss nivå blir bubblorna förvaringsplats för ånga eller lösta gaser.

Det omedelbara resultatet av detta tillstånd är att bubblorna snabbt ökar i storlek. När bubblorna sedan kommer in i en zon med reducerat tryck minskar de i storlek till följd av kondensering av de ångor som de innehåller.

Denna kondenseringsprocess äger rum ganska snabbt och åtföljs av lokala hydrauliska stötar, ljudemissioner, förstörelse av materialbindningar och andra oönskade fenomen. Man tror att minskningen av den volymetriska stabiliteten i de flesta vätskor är förknippad med innehållet av olika tillsatser, t.ex. fasta, icke-mättade partiklar och gas- och ångbubblor, särskilt sådana på submikroskopisk nivå, som tjänar som kavitationskärnor.

En kritisk aspekt av kavitationsslitaget är ytförstöring och materialförskjutning som orsakas av höga relativa rörelser mellan en yta och den utsatta vätskan. Som ett resultat av sådana rörelser sänks det lokala trycket i vätskan, vilket gör att vätskans temperatur når kokpunkten och små ångkaviteter bildas.

När trycket återgår till det normala (vilket är högre än vätskans ångtryck) uppstår implosioner som gör att kaviteten eller ångbubblorna kollapsar. Denna kollaps av bubblorna genererar stötvågor som ger upphov till höga slagkrafter på intilliggande metallytor och orsakar arbetshärdning, utmattning och kavitationsgropar.

Kavitation är alltså benämningen på en mekanism där ångbubblor (eller hålrum) i en vätska växer och kollapsar på grund av lokala tryckfluktuationer. Dessa fluktuationer kan ge upphov till ett lågt tryck, i form av vätskans ångtryck. Denna kavitationsprocess för ånga sker vid ungefär konstanta temperaturförhållanden.

Kavitationstyper

Två huvudtyper av kavitation finns: ångformig och gasformig.

Dampformig kavitation är en ebullitionsprocess som äger rum om bubblan växer explosivt på ett gränslöst sätt när vätska snabbt övergår till ånga. Denna situation uppstår när trycknivån går under vätskans ångtryck.

Gasformig kavitation är en diffusionsprocess som inträffar när trycket sjunker under mättnadstrycket för den icke kondenserbara gas som är löst i vätskan. Medan ångkavitation är extremt snabb och inträffar på mikrosekunder är gaskavitation mycket långsammare; den tid det tar beror på graden av konvektion (vätskecirkulation) som är närvarande.

Kavitationsslitage uppstår endast under ångkavitationsförhållanden – där chockvågorna och mikrostrålarna kan erodera ytorna. Gasformig kavitation leder inte till att ytmaterial eroderas.

Den skapar endast buller, genererar höga temperaturer (till och med sprickbildning på molekylnivå) och försämrar vätskans kemiska sammansättning genom oxidation. Kavitationsslitage är också känt som kavitationserosion, ångformig kavitation, kavitationsgropar, kavitationsutmattning, vätskepåverkan erosion och tråddragning.

Kavitationsslitage är en typ av slitage mellan vätska och yta som uppstår när en del av vätskan först utsätts för dragspänningar som får vätskan att koka, och sedan utsätts för tryckspänningar som får ångbubblorna att kollapsa (implodera).

Denna kollapser ger upphov till en mekanisk chock och får mikrostrålar att slå mot ytorna, vilket förenar vätskan. Alla system som kan upprepa detta drag- och tryckspänningsmönster är föremål för kavitationsslitage och alla de fasor som följer med en sådan destruktiv aktivitet.

Kavitationsslitage liknar ytutmattningsslitage; material som motstår ytutmattning (hårda men inte spröda ämnen) motstår också kavitationsskador.

Kavitationsslitageprocess

Vätskan är det medium som orsakar kavitationsslitage. Kavitationsslitage kräver inte någon andra yta, utan endast att det finns en hög relativ rörelse mellan ytan och vätskan. En sådan rörelse minskar det lokala trycket i vätskan. När vätskan når sin kokpunkt och ebullition inträffar bildas ångbubblor, vilket ger upphov till kavitation.

Varje ångkavitation varar en kort tid eftersom nästan varje ökning av trycket gör att ångan i bubblan omedelbart kondenseras och att bubblan kollapsar och ger upphov till en chockvåg. Denna chockvåg slår sedan mot intilliggande metallytor och förstör materialbindningarna.

Stockvågen producerar först en tryckspänning på den fasta ytan, och när den sedan reflekteras producerar den en dragspänning som är normal till ytan.

Figur 1. Ångbubblans kollaps och födelsen av en mikrojet

Figur 1 visar kollapsen av en ångbubbla och födelsen av en mikrojet. Kavitation förekommer i allmänhet där det råder ett hydrodynamiskt tillstånd som kännetecknas av en plötslig och kraftig förändring av det hydrostatiska trycket. Eftersom ebullition kan inträffa i samma ögonblick som trycket sjunker, bildas och kollapsar ångbubblor ofta och snabbt.

Inträngda luft- och dammpartiklar i vätskan tjänar som kärnbildningsplatser för bildandet av ångkaviteter. Dessa kärnor kan vara små gasfyllda fickor i behållarens sprickor eller helt enkelt gasfickor på föroreningspartiklar som rör sig fritt i flödesströmmen. Därför kan alla inneslutna vätskor innehålla tillräckliga föroreningar för att producera kavitation.

Små håligheter nära ytan eller flödesfältet, där minimalt tryck råder, indikerar att kavitationen har börjat. När de väl har påbörjats fortsätter bubblorna att växa så länge de befinner sig i områden med lågt tryck. När bubblorna rör sig in i högtrycksområden kollapsar de, vilket ger upphov till intensiva tryck och eroderar alla fasta ytor i närheten.

Under kollapsen rör sig vätskepartiklar som omger bubblan snabbt till dess centrum. Kinetisk energi från dessa partiklar skapar lokala vattenhammare med hög intensitet (chock), som växer när fronten rör sig mot bubblans centrum.

Audiell och visuell detektering

Utrustningsanvändare kan upptäcka kavitation hörbart, visuellt, med hjälp av akustiska instrument, med hjälp av sensorer för maskinvibrationer, med hjälp av sonoluminescensmätning eller genom en minskning eller förändring av prestandan jämfört med den som produceras under enfasflödesförhållanden (t.ex. förlust av flödesförmåga, styvhet och respons).

Under kaviterande flödesförhållanden kan slitagehastigheten vara många gånger större än vad som orsakas av enbart erosion och korrosion. Kavitationsslitage kan förstöra de starkaste materialen – verktygsstål, stelliter osv. Sådana skador kan uppstå snabbt och omfattande.

Mängden skador som kavitation orsakar beror på hur mycket tryck och hastighet de kollapsade bubblorna skapar. Som ett resultat av detta tryck och denna hastighet genomgår den utsatta ytan en mängd mycket varierande intensiteter.

Varje pålagring varar endast en kort tid; impulsstorlekarna och kollapstiderna är större för större bubblor vid givna kollapsande tryckskillnader. Ju större dragspänningen i vätskan är (ju lägre det statiska trycket är), desto större bubblor, desto intensivare kavitation och desto allvarligare skador.

De impulser som uppstår när ångbubblor bildas och kollapsar orsakar enskilda symmetriska kratrar och permanenta materialdeformationer när kollapsen sker intill ytan. Följaktligen har kavitationsskador, liksom utmattningsbrott, flera aktivitetsperioder:

• Inkubationsperiod – mikrosprickor bildas kring korngränser och inneslutningar på grund av både elastisk och plastisk deformation av ytan.

• Ackumulationsperiod – spricktillväxten fortskrider i förhållande till graden av klyvning, skjuvning och rivning av materialet.

• Steady-state-period – hastigheten för sprickbildning och sprickutbredning blir konstant under resten av exponeringstiden.

I ett system med vätskeflöde (till skillnad från en ultraljudstank) bildas ångbubblor där det uppstår dragspänningar i vätskan (låga tryck), och ångbubblorna kollapsar i områden med högre tryck där tryckspänningar kan påföras vätskan.

Så den region där skadan uppkommer är ofta helt skild från den region där det bildas hålrum – vilket ofta leder till en felaktig diagnos av problemet. Kavitationsslitage är mekaniskt till sin natur och kan inte uppstå utan att drag- och tryckspänningar tillämpas.

Kavitationshärdar

Många områden i hydraulsystem är utsatta för kavitationsslitage, t.ex:

• Underström av styrventiler som har höga tryckskillnader,

• I pumpars sugkammare där det råder svält i inloppet,

• I snabbt rörliga manöverdon (både linjära och roterande typer) där det råder negativa belastningsförhållanden,

• I läckagebanor (över tätningar, ventilsäten och spolplattor) där höga hastigheter leder till att trycknivåerna sjunker under vätskans ångtryck (ett kavitationstillstånd som ofta kallas tråddragning) och

• I alla anordningar där vätskeströmningen utsätts för skarpa vändningar, minskning av tvärsnitt med efterföljande expansioner (i ventiler, klaffar, ventiler, membran) och andra deformationer.

Kavitation stör de normala driftsförhållandena i mekaniska system av vätsketyp och förstör komponenternas ytor. Processen består av att kaviteter bildas när trycket är lågt, att efterföljande bubblor växer när trycket stabiliseras och slutligen att bubblorna kollapsar när kaviteterna (gas- eller ångbubblor) utsätts för högtryck.

Notera att tryckfallet över komponenten är drivkraften för kavitationsslitage. Figur 2 visar kavitationsprocessen som sker i en kugghjulspump och i en spolventil som visar hur kaviteter genereras, växer och kollapsar i komponenter av vätsketyp.

Figur 2. Kavitationsprocessen i hydrauliska komponenter

Reduktion av kavitationsslitage

Vid kavitationsslitage fortplantar sig mikrosprickor till den punkt där materialet inte längre klarar av den impulsbelastning som de imploderande ångbubblorna medför. Därför bryts partiklar slutligen av och tränger in i systemet.

Som vid alla utmattningsfel bildas mikrosprickor först vid spänningshöjningar (skåror, revor, underhuggningar, svetsfel etc.) eller vid heterogena områden i materialet (t.ex. vid riktningen av metallflödet, inneslutningar och avkolnade sektioner).

En grov yta är därför benägen att utsättas för kavitationsslitage och eftersom pittings och en grov profil kännetecknar kavitationsskadorna ökar skadorna när ytan blir grövre.

Det mest grundläggande sättet att bekämpa kavitationsslitage är att minimera dragspänningen på vätskan. Med andra ord måste utrustningsanvändarna sänka brytningsnivån eller vakuumförhållandena i zoner med möjlig kavitation. Särskilt följande åtgärder kan vara lämpliga:

• Höj trycknivån vid utloppet av strypventiler.

• Höj inloppstrycket vid pumpens sugport genom att överlasta pumpens inlopp.

• Använd anticavitationskontroller vid tillämpningar med ställdon med negativ belastning.

• Minska vätskeinnehållet i vätskan för att eliminera risken för tråddragning (vatten har ett högre ångtryck än olja) över ventilsäten och dynamiska tätningar.

• Använd en vätska med lågt ångtryck.

• Välj en pump med goda fyllningsegenskaper i motsats till en svältande inloppskonfiguration.

• Använd en vätska med låg viskositet eller höj vätsketemperaturen.

I många fall kan konstruktörer minimera kavitationsskador genom att korrekt välja tillverkningsmaterial. Till exempel kan man välja rostfritt stål i stället för aluminium (figur 3) och använda hårda ytskikt med en kavitationsbeständig legering på den utsatta ytan. Gummi och andra elastomerbeläggningar har också bidragit till att minimera kavitationsslitage. Trots sitt låga motstånd mot kavitation reflekterar dessa ytor stötvågen utan att orsaka intensiva skador.

Figur 3. Ordning av materialens relativa kavitationsmotstånd

Kavitationspartiklar

Storleken på de partiklar som genereras av kavitationsslitage är en funktion av Brinellhårdheten hos det utsatta materialet. De största partiklarna uppstår under ackumulationsperioden. Lutningarna på kurvorna för den kumulativa partikelstorleksfördelningen ökar när materialets töjningsenergi ökar. Medelstorleken på de partiklar som produceras av kavitation minskar när kavitationsintensiteten ökar.

Precursorer till kavitation

När man undersöker ett kavitationsproblem i ett vätskesystem måste man identifiera alla möjliga källor till lågt tryck (vakuum), hög temperatur (värme) och platser där luft kan tränga in. Följande lista bör fungera som en riktlinje för att identifiera lågtrycksområden i ett vätskesystem:

• Pumpsugning – felaktig sugledningshydraulik (flödesbegränsande förhållanden).

• Ventilöppningseffekt – virvlar från höghastighetsstrålar i flödespassager för styrventiler.

• Submergerad stråle – en stråle som sträcker sig in i obundna flödesområden där områden med låga tryck skapas.

• Negativa belastningar på motorer och cylindrar – externt drivna ställdonslaster skapar lågt tryck i ställdonet.

• Tryckstötar och vattenslag – tryckvågornas sällankningsdel kan skapa områden med negativt tryck i ledningen.

• Höghöjdseffekt – lågt atmosfärstryck utsätter sugledningen för tryck som kan visa sig otillräckligt för att fylla pumpkamrarna.

Värmekällor som leder till kavitation

De värmekällor som bidrar till för höga temperaturer och kavitation i systemvätskan är följande:

• Hög omgivningstemperatur
• Svår mekanisk verkningsgrad hos pumpar och motorer
• Turbulenta flödesförhållanden i ledningar
• Förångningsvärme i kaviterande flöde
• Kompressionsvärme i luftigt flöde
• Höga tryckfall vid kontrollöppningar
• Svåra driftförhållanden. driftcykel
• Stora flödesbegränsningar i alla delar av vätskecirkulationssystemet
• Dålig kylning eller bristande värmeöverföring
• Hög friktion från grova ytor och slipverkan

Möjliga platser för luftinträngning som bör kontrolleras

När det gäller punkter för luftinträngning i ett system, bör du noggrant granska dessa platser när allvarlig kavitation uppstår:

Reservoarer – platser där mekanisk luftinblandning (agitation) förekommer, där vridande vätska förekommer, där vätska stöter på flytande eller fasta ytor, där tryck i reservoaren råder, där cykloniskt flöde vid pumpens sugport förekommer, där kritisk höjd (vinklad reservoar) uppstår under driften som utsätter pumpens sugport för atmosfären, där vätska stöts på grund av förflyttning i ojämn terräng och/eller låg vätskenivå i reservoaren som utsätter pumpens sugport för atmosfären.

Pump – ledningar och/eller öppningar med liten diameter, restriktiva flödespassager, flödesavledningar och/eller långa sugledningsförhållanden, dåliga fyllningsegenskaper hos pumpen (restriktiva interna flödespassager, hög pumphastighet, alltför stor flödesförskjutning); höjd som är för hög för att ge ett tillräckligt tryck i reservoaren för att försörja pumpen vid nominella flödesförhållanden; Otillräcklig sughöjd för att lyfta vätskan till pumpens inloppsnivå (dvs. för stor höjd mellan vätskenivån och pumpens inlopp), otillräcklig sughöjd för att accelerera reservoarvätskan till pumpens nominella flödesförhållanden (svarar inte på pumpens krav på förskjutning).

Ventiler – strålar som släpps ut från öppningar i ett begränsat flödesutrymme, strömlinjeformade flöden genom kanaler som slutar i kamrar där lågt tryck råder vid ventilens nedströmsväggar och/eller strypventiler som släpps ut i en ledning med lågt tryck (returledning).

Aktuatorer (förlängda tätningar) – luftgenomgående stångtätningar, existerande luftdesorption och/eller ångformiga kaviteter som bildas när negativ belastning uppstår på grund av externa tröghetslaster.

Motorer (axeltätningar) – luftgenomgående tätningar och gasformig/dampformig kavitation som uppstår när negativ belastning existerar på grund av svänghjuleffekten.

Ackumulator – luft/gas som läcker förbi en sliten kolvtätning, ett trasigt membran eller en söndersliten blåsa.

Filter – luft passerar externa tätningar i sugledningsfilter eller interna flödesbegränsningar som orsakar luftdesorption.

Kopplingar (slangkopplingar, rörkopplingar och grenrörstätningar) – luft passerar kopplingarnas tätningsytor som vibrationer och effekter av termisk expansion och kontraktion har lossnat.

Rörledningar – grova väggar, nedklämda flödessektioner eller utskjutande delar i flödesströmmen.