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