Г. Окслер. Что такое кавитация?

методы контроля и диагностики
3 (78) 2012
От редакции
Оригинальная статья впервые была опубликована в журнале
Valve World, March, 2012, p. 75
(www.valve-world.net). Перевод Т. Скляровой.
Что такое кавитация?
Г. Окслер, консультант в области обрабатывающей промышленности
Продолжение. Начало в № 2 / 77 / 2012 стр. 74.
В предыдущей статье1 я обозначил проблемы, связанные с кавитацией
в арматуре. Теперь же намерен дать некоторые разъяснения с точки
зрения физики данного явления – с тем, чтобы вы могли яснее
представлять себе, что такое кавитация и как ее избежать,
или я бы даже сказал, как управлять ею.
1
Оригинал – Valve World, November 2011, перевод – Арматуростроение, 2012, N 2.
Т
ермином «кавитация» обозначают физический
процесс, возникающий при определенных условиях в жидкой среде и весьма негативно отражающийся на оборудовании и деталях трубопровода.
Этот процесс включает в себя 2 этапа (см. рис. 1):
ТИПИЧНЫЙ РЕЗУЛЬТАТ КАВИТАЦИИ
Вот пример повреждений поворотного дискового затвора (см. рис. 2).
Рис. 1
Этап 1: Переход жидкости в парообразное состояние.
Этап 2: Переход пара в жидкое состояние.
ГДЕ ПРОИСХОДИТ КАВИТАЦИЯ?
Кавитация возможна в любой рабочей среде, где может иметь место превращение жидкости в пар. Основной
предпосылкой ее возникновения является большой перепад скоростей потока.
Подвижные детали:
Лопатки турбины
Лопасти насосов
Гребные винты
Неподвижные элементы:
Сужения в трубопроводах
Зауженные рабочие полости различных устройств
Проходные сечения арматуры
Мы будем говорить только об арматуре. Но приведенные теоретические основы справедливы и для других случаев.
К ЧЕМУ ПРИВОДИТ КАВИТАЦИЯ?
Громкий шум
Сильная вибрация
Эрозия материала (кавитационный износ) – повреждение оборудования!
70
Рис. 2
УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Давление на входе:
1.2-1.4 бар
Давление на выходе:
0.1 бар
Скорость потока:
2.2 м/с
(отнесенная к DN)
Срок службы:
2 года
Угол открытия диска поворотного затвора:
приблизительно 30°
Из чего сразу видно, что поворотный дисковый затвор
использовался неправильно, поскольку это вид запорной
арматуры, а не регулирующей.
ЧТО ПРИВОДИТ К КАВИТАЦИИ?
Если энергии для поддержания молекулярной структуры жидкости не хватает, жидкость испаряется.
Молекулы отдаляются друг от друга. Возникают пузырьки пара.
На примере воды это выглядит следующим образом.
наука и конструирование
3 (78) 2012
КОГДА ВОДА НАЧИНАЕТ ИСПАРЯТЬСЯ?
ЭНЕРГИЯ ПРОВОДИМОЙ СРЕДЫ
Переход воды из одного агрегатного состояния в другое – из жидкости в пар – зависит от двух параметров:
Температуры
Давления
Эта зависимость представлена кривой насыщения
водяного пара – рис. 3.
Энергия проводимой среды объединяет в себе несколько отдельных видов энергии (рис. 5):
Рис. 5
Посмотрим, как энергия «течет» по трубопроводу.
В начальный момент в резервуаре вся энергия воды
является потенциальной. Попав в трубу, потенциальная
энергия преобразуется в (см. рис. 6):
Рис. 3
При атмосферном давлении (1 бар) вода испаряется при 100 °C. Со снижением давления процесс испарения будет начинаться при всё более низкой температуре.
Например, при давлении 0,02 бара вода начинает испаряться уже при температуре 18 °C (см. рис. 4).
Рис. 6
Кинетическую энергию
Энергию давления
Потери энергии
Что происходит с энергией в узких местах?
При сужении потока увеличивается его скорость,
а с ней и кинетическая энергия. Кроме того, из-за заужения возрастают потери.
В самом узком месте (в проходном сечении) та доля
энергии, что приходится на энергию давления, становится совсем малой. (см. рис. 7).
Рис. 4
КАК И ПОЧЕМУ ДАВЛЕНИЕ ПАДАЕТ НИЖЕ
ДАВЛЕНИЯ НАСЫЩЕННОГО ПАРА?
Вода в трубопроводе находится под давлением, нагнетаемым работой насоса или гравитацией за счет разности высот (самотёчный трубопровод), которое явно
выше давления, необходимого для испарения.
Чтобы понять, почему давление пара в проходном сечении арматуры может снижаться, мы должны рассмотреть энергетическое равновесие потока.
72
Рис. 7
наука и конструирование
3 (78) 2012
ДАВЛЕНИЕ В ПРОХОДНОМ СЕЧЕНИИ
Если давление в результате перераспределения энергии в пользу кинетической падает ниже давления насыщенного пара – вода начинает испаряться, появляются
пузырьки, что (вкупе с расширением сечения) приводит
к росту давления, благодаря чему, в конце концов, пузырьки схлопываются (см рис. 8).
КОГДА ВОЗНИКАЕТ КАВИТАЦИЯ?
Основные факторы возникновения кавитации:
Высокий перепад давления
Низкое противодавление
Высокая скорость потока
КАК ИЗБЕЖАТЬ КАВИТАЦИИ?
Кавитация – физическое явление, возможность ее
возникновения зависит от условий эксплуатации.
На стадии разработки и конструирования, а также
при выборе арматуры для технологических трубопроводов следует учитывать кавитацию, предотвращая ее возникновение. Когда же это невозможно, надежную работу должны обеспечить правильно подобранная арматура,
стойкая к кавитационным процессам.
Рис. 8
СХЛОПЫВАНИЕ ПУЗЫРЬКОВ
Пузырьки, схлопывающиеся внутри трубопровода
(рис. 9) вдали от его стенок, не представляют никакой
опасности; интенсивность данного процесса зависит от
давления.
Основные постулаты, которым нужно следовать:
Задвижки, поворотные дисковые затворы должны устанавливаться только в качестве запорной арматуры;
Игольчатые клапаны должны быть специальной конструкции;
Финальная ступень редукции давления, или в тех ситуациях, где не справиться только правильным выбором конструкции, например, отверстие для повышения
противодавления.
Наука
Надеюсь, что вышеизложенное поможет вам разобраться в том, что же такое кавитация, где и когда она
возникает и как ее можно избежать, а также правильно
выбрать арматуру.
Готов ответить на любые ваши вопросы и оказать помощь при выборе трубопроводной арматуры.
Рис. 9
При переходе в жидкое состояние пузырьки мгновенно разрушаются (происходит микровзрыв), и окружавшая пузырек жидкость резко ускоряется, чтобы заполнить возникшую пустоту, в результате возникают
так называемые «микроструи» со скоростью свыше
1000 м/с. Причем, если пузырек касается стенки, энергия микроструй бывает как раз на эту стенку и направлена. Локальное давление в момент микровзрыва достигает
10.000 бар, что на молекулярном уровне означает неминуемый абразивный износ (см. рис. 10).
Рис. 10
73