Kavitasyon olgusu, önemli ölçüde yerel basınç azalmasının olduğu sıvıda sürekliliğin bozulmasından oluşur. Sıvıların içinde kabarcık oluşumu (kavitasyon), verilen sıcaklıkta sıvının doymuş buharının basıncına eşit veya buna yakın pozitif basınçların varlığında bile başlar.
Çeşitli sıvılar, kavitasyona karşı farklı derecelerde direnç gösterirler, çünkü bunlar önemli ölçüde sıvıdaki gaz ve yabancı parçacıkların konsantrasyonuna bağlıdır.
Aşınma Mekanizması
Kavitasyon mekanizması aşağıdaki gibi tarif edilebilir: Herhangi bir sıvı, kavitasyon çekirdeği görevi gören gaz veya buhar kabarcıkları içerecektir. Basınç belirli bir seviyeye düşürüldüğünde, kabarcıklar buhar veya çözünmüş gazların deposu haline gelir.
Bu durumun hemen sonucu, kabarcıkların boyut olarak hızla artmasıdır. Daha sonra, kabarcıklar düşük basınçlı bir bölgeye girdiğinde, içerdikleri buharların yoğunlaşması sonucunda boyutları küçülür.
Bu yoğunlaşma süreci, yerel hidrolik şoklar, ses emisyonu, maddi bağların yok edilmesi ve diğer istenmeyen fenomenler eşliğinde oldukça hızlı bir şekilde gerçekleşir. Çoğu sıvıda hacimsel kararlılıktaki azalmanın, ıslanmamış katı parçacıklar ve gaz-buhar kabarcıkları, özellikle de kavitasyon çekirdeği görevi gören submikroskopik düzeyde olanlar gibi çeşitli katkı maddelerinin içeriği ile ilişkili olduğuna inanılmaktadır.
Kavitasyon aşınma sürecinin kritik bir yönü, bir yüzey ile maruz kalan sıvı arasındaki yüksek bağıl hareketlerin neden olduğu yüzey tahribatı ve malzeme yer değiştirmesidir. Bu tür hareketler sonucunda sıvının lokal basıncı azalır, bu da sıvının sıcaklığının kaynama noktasına ulaşmasını ve küçük buhar boşluklarının oluşmasını sağlar.
Havalandırmalı Tank Kavitasyona Neden Oluyor
Emiş Hattı Kısıtlaması Kavitasyon
Basınç normale döndüğünde (bu, sıvının buhar basıncından daha yüksektir), boşluk veya buhar kabarcıklarının çökmesine neden olan iç patlamalar meydana gelir. Kabarcıkların bu çökmesi, bitişik metal yüzeyler üzerinde yüksek darbe kuvvetleri üreten ve iş sertleşmesine, yorulmaya ve kavitasyon çukurlarına neden olan şok dalgaları üretir.
Bu nedenle kavitasyon, bir sıvıdaki buhar kabarcıklarının (veya boşluklarının) yerel basınç dalgalanmaları nedeniyle büyüdüğü ve çöktüğü bir mekanizmaya verilen addır. Bu dalgalanmalar, sıvının buhar basıncı şeklinde düşük bir basınç üretebilir. Bu buharlı kavitasyon işlemi yaklaşık olarak sabit sıcaklık koşullarında gerçekleşir.
Kavitasyon Çeşitleri
İki ana kavitasyon türü vardır: buharlı ve gazlı.
Buharlı kavitasyon, sıvı hızla buhara dönüşürken kabarcık sınırsız bir şekilde patlayarak büyürse meydana gelen bir kabarma işlemidir. Bu durum, basınç seviyesi sıvının buhar basıncının altına düştüğünde ortaya çıkar.
Gaz kavitasyon, basınç sıvı içinde çözünmüş yoğuşmasız gazın doyma basıncının altına düştüğünde meydana gelen bir difüzyon işlemidir. Buharlı kavitasyon mikrosaniyeler içinde meydana gelen son derece hızlı iken, gazlı kavitasyon çok daha yavaştır; geçen süre, mevcut konveksiyon (sıvı sirkülasyonu) derecesine bağlıdır.
Kavitasyon aşınması, yalnızca şok dalgalarının ve mikro jetlerin yüzeyleri aşındırabileceği buharlı kavitasyon koşullarında meydana gelir. Gazlı kavitasyon, yüzey malzemesinin aşınmasına neden olmaz.
Sadece gürültü yaratır, yüksek (hatta moleküler seviyede çatlama) sıcaklıklar üretir ve oksidasyon yoluyla sıvının kimyasal bileşimini bozar . Kavitasyon aşınması ayrıca kavitasyon erozyonu, buharlı kavitasyon, kavitasyon çukurlaşması, kavitasyon yorgunluğu, sıvı darbe erozyonu ve tel çekme olarak da bilinir.
Kavitasyon aşınması, sıvının bir kısmı önce sıvının kaynamasına neden olan çekme gerilimlerine maruz kaldığında, ardından buhar kabarcıklarının çökmesine (patlamasına) neden olan basınç gerilimlerine maruz kaldığında ortaya çıkan sıvıdan yüzeye aşınma tipidir.
Bu çökme mekanik bir şok üretir ve mikro jetlerin yüzeylere çarparak sıvıyı birleştirmesine neden olur. Bu çekme ve sıkıştırma stres modelini tekrar edebilen herhangi bir sistem, kavitasyon aşınmasına ve bu tür yıkıcı faaliyetlere eşlik eden tüm korkulara maruz kalır.
Kavitasyon aşınması, yüzey yorulma aşınmasına benzer; yüzey yorgunluğuna direnen malzemeler (sert ama kırılgan olmayan maddeler) kavitasyon hasarına da direnir.
Kavitasyon Aşınma Prosesi
Sıvı, kavitasyon aşınmasına neden olan ortamdır. Kavitasyon aşınması ikinci bir yüzey gerektirmez; sadece yüzey ile sıvı arasında yüksek bağıl hareketin var olmasını gerektirir. Böyle bir hareket, sıvıdaki yerel basıncı azaltır. Sıvı kaynama noktasına ulaştığında ve kabarma meydana geldiğinde, kavitasyon oluşturan buhar kabarcıkları oluşur.
Her buhar boşluğu kısa sürer çünkü basınçtaki hemen hemen her artış, balondaki buharın anında yoğunlaşmasına ve balonun çökmesine ve bir şok dalgası üretmesine neden olur. Bu şok dalgası daha sonra bitişik metal yüzeylere çarpar ve malzeme bağlarını yok eder.
Şok dalgası önce katı yüzey üzerinde bir sıkıştırma gerilimi üretir ve daha sonra yansıdığında yüzeye normal olan bir çekme gerilimi üretir.
Şekil 1. Buhar Kabarcık Çöküşü ve Bir Mikrojetin Doğuşu
Şekil 1, bir buhar balonunun çöküşünü ve bir mikro jetin doğuşunu göstermektedir. Kavitasyon genellikle, hidrostatik basınçta ani ve büyük bir değişiklik ile karakterize edilen bir hidrodinamik koşulun bulunduğu yerde bulunur. Ani basınç düşüşleri meydana gelebileceğinden, buhar kabarcıkları sık sık ve hızlı bir şekilde oluşur ve çöker.
Akışkandaki sürüklenen hava ve toz parçacıkları, buhar boşluklarının oluşumu için çekirdeklenme yerleri olarak hizmet eder. Bu çekirdekler, kabın yarıklarındaki gazla dolu küçük cepler veya akış akımında serbestçe hareket eden kirletici partiküller üzerindeki gaz cepleri olabilir. Bu nedenle, tüm sınırlandırılmış sıvılar, kavitasyon oluşturmak için yeterli safsızlık içerebilir.
Minimum basıncın mevcut olduğu yüzey veya akış alanı yakınındaki küçük boşluklar, kavitasyonun başladığını gösterir. Bir kez başlatıldığında, düşük basınçlı bölgelerde kaldıkları sürece kabarcıklar büyümeye devam eder. Kabarcıklar yüksek basınçlı bölgelere doğru ilerlerken çökerek yoğun basınçlar üretir ve çevredeki tüm katı yüzeyleri aşındırır.
Çökme sırasında, balonu çevreleyen sıvı parçacıkları hızla merkezine doğru hareket eder. Bu parçacıklardan gelen kinetik enerji, balonun merkezine doğru ilerledikçe büyüyen, yüksek yoğunluklu (şok) yerel su çekiçleri yaratır.
Sesli ve Görsel Algılama
Ekipman kullanıcıları kavitasyonu işitsel, görsel olarak, akustik enstrümantasyonla, makine titreşim sensörleriyle, sonolüminesans ölçümü yoluyla veya tek fazlı akış koşullarında (örneğin, akış kaybı, rijitlik ve tepki) üretilenden performans düşüşü veya değişikliği ile tespit edebilir. .
Kavitasyonlu akış koşulları altında, aşınma oranı, yalnızca erozyon ve korozyonun neden olduğu aşınma hızından çok daha fazla olabilir. Kavitasyon aşınması en güçlü malzemeleri yok edebilir – takım çelikleri, stelitler vb. Bu tür hasarlar hızlı ve kapsamlı bir şekilde meydana gelebilir.
Kavitasyonun neden olduğu hasarın miktarı, çöken baloncukların ne kadar basınç ve hız oluşturduğuna bağlıdır. Bu basınç ve hızın bir sonucu olarak, maruz kalan yüzey çok çeşitli yoğunluklara maruz kalır.
Her dayatma yalnızca kısa bir süre sürer; darbe büyüklükleri ve çökme süreleri, verilen çöken basınç farklarında daha büyük kabarcıklar için daha büyüktür. Böylece, akışkan üzerindeki çekme gerilimi ne kadar büyükse (statik basınç ne kadar düşükse), kabarcıklar o kadar büyük, kavitasyon o kadar yoğun ve hasar o kadar ciddi olur.
Buhar kabarcıkları oluştuğunda ve çöktüğünde ortaya çıkan darbeler, bireysel simetrik kraterlere ve çökme yüzeyin yanında meydana geldiğinde kalıcı malzeme deformasyonlarına neden olur. Sonuç olarak, kavitasyon hasarı, yorulma başarısızlığı gibi, birkaç aktivite periyoduna sahiptir:
- Kuluçka dönemi – mikro çatlaklar, yüzeyin hem elastik hem de plastik deformasyonu nedeniyle tane sınırları ve kapanımlar etrafında çekirdeklenir.
- Birikme periyodu – malzeme üzerindeki yarılma, kesme ve yırtılma eyleminin derecesine bağlı olarak çatlak büyümesi ilerler.
- Kararlı durum periyodu – çatlak çekirdeklenme ve yayılma hızı, maruz kalma süresinin geri kalanı için sabit hale gelir.
Bir akışkan akış sisteminde (bir ultrasonik tanktan farklı olarak), akışkan çekme gerilmelerinin (düşük basınçlar) meydana geldiği yerde buhar kabarcıkları oluşur ve akışkan üzerinde basınç gerilmelerinin uygulanabileceği daha yüksek basınçlı bölgelerde buhar kabarcıkları çöker.
Bu nedenle, hasarın meydana geldiği bölge, genellikle boşlukların oluşturulduğu bölgeden oldukça farklıdır – genellikle sorunun yanlış teşhisine yol açar. Kavitasyon aşınması doğası gereği mekaniktir ve çekme ve basınç gerilmeleri uygulanmadan gerçekleşemez.
Kavitasyon Sıcak Noktaları
Hidrolik sistemlerdeki birçok alan kavitasyon aşınmasına eğilimlidir, örneğin:
- Yüksek basınç farklarına sahip kontrol vanalarının akış aşağısında,
- Aç kalmış giriş koşullarının olduğu pompaların emiş odalarında,
- Negatif yük koşullarının oluştuğu hızlı hareket eden aktüatörlerde (hem lineer hem de döner tiplerde),
- Yüksek hızların basınç seviyelerinin sıvının buhar basıncının altına düşmesine neden olduğu sızıntı yollarında (contalar, valf yuvaları ve makara alanları boyunca) (genellikle tel çekme olarak adlandırılan bir kavitasyon durumu) ve
- Akışkan akışının keskin dönüşlere maruz kaldığı tüm cihazlarda, sonraki genişlemeler (musluklarda, kanatlarda, valflerde, diyaframlarda) ve diğer deformasyonlarla enine kesitlerde azalma.
Kavitasyon, sıvı tipi mekanik sistemlerin normal çalışma koşullarını bozar ve bileşenlerin yüzeylerini tahrip eder. İşlem, basınçlar düşük olduğunda oluşan boşluklardan, basınç stabilize olurken sonraki kabarcıkların büyümesinden ve son olarak boşluklar (gazlı veya buharlı kabarcıklar) yüksek basınca maruz kaldığında kabarcıkların çökmesinden oluşur.
Bileşen üzerindeki basınç düşüşünün kavitasyon aşınmasının itici gücü olduğuna dikkat edin. Şekil 2, bir dişli pompada ve bir spool valfte meydana gelen kavitasyon sürecini betimler ve sıvı tipi bileşenlerde boşlukların nasıl oluştuğunu, büyüdüğünü ve çöktüğünü gösterir.
Hidrolik bileşenlerde kavitasyon işlemi
Kavitasyon Aşınmasını Azaltma
Kavitasyon aşınmasında, mikro çatlaklar, malzemenin içe doğru patlayan buhar kabarcıklarının dayattığı darbe yüküne artık dayanamayacağı noktaya kadar yayılır. Bu nedenle, parçacıklar sonunda parçalanır ve sisteme girer.
Herhangi bir yorulma arızasında olduğu gibi, mikro çatlaklar ilk olarak gerilim yükselticilerde (çentikler, yırtıklar, alttan kesikler, kaynak kusurları, vb.) veya malzemenin heterojen alanlarında (örneğin metal akışının yönü, inklüzyonlar ve karbondan arındırılmış bölümler gibi) oluşur.
Bu nedenle, pürüzlü bir yüzey kavitasyon aşınmasına eğilimlidir ve oyuklar ve pürüzlü bir profil kavitasyon hasarını karakterize ettiğinden, yüzey pürüzlü hale geldikçe hasar artar.
Kavitasyon aşınmasıyla mücadelenin en temel yolu, akışkan üzerindeki çekme gerilimini en aza indirmektir. Başka bir deyişle, ekipman kullanıcıları, olası kavitasyon bölgelerinde kırılma veya vakum koşullarını azaltmalıdır. Özellikle, aşağıdaki adımlar uygun olabilir:
- Kısma valflerinin çıkışındaki basınç seviyesini artırın.
- Pompa girişini aşırı doldurarak pompa emme portundaki giriş basıncını artırın.
- Negatif yük aktüatör uygulamalarında kavitasyon önleyici kontroller kullanın.
- Valf yuvaları ve dinamik contalar arasında tel çekme olasılığını (su, yağdan daha yüksek bir buhar basıncına sahiptir) ortadan kaldırmak için sıvının su içeriğini azaltın.
- Düşük buhar basıncına sahip bir sıvı kullanın.
- Aç bir giriş konfigürasyonunun aksine iyi doldurma özelliklerine sahip bir pompa seçin.
- Düşük viskoziteli bir sıvı kullanın veya sıvı sıcaklığını artırın.
Çoğu durumda tasarım mühendisleri, üretim malzemelerini doğru bir şekilde seçerek kavitasyon hasarını en aza indirebilir. Örneğin, alüminyum yerine paslanmaz çelik seçilebilir (Şekil 3) ve açıkta kalan yüzeyde kavitasyona dayanıklı alaşımlı sert kaplama kullanılabilir. Kauçuk ve diğer elastomerik kaplamalar da kavitasyon aşınmasını en aza indirmeye yardımcı oldu. Kavitasyona karşı düşük dirençlerine rağmen, bu yüzeyler şok dalgasını yoğun bir hasara neden olmadan yansıtır.
Malzemelerin Bağıl Kavitasyon Direnci Sıralaması
Kavitasyon Parçacıkları
Kavitasyon aşınması tarafından üretilen parçacıkların boyutu, maruz kalan malzemenin Brinell sertliğinin bir fonksiyonudur. En büyük parçacıklar birikim döneminde ortaya çıkar. Kümülatif parçacık boyutu dağılım eğrilerinin eğimleri, malzemenin gerinim enerjisi arttıkça artar. Kavitasyon yoğunluğu arttıkça kavitasyon tarafından üretilen parçacıkların ortalama boyutu azalır.
Kavitasyonun Öncüleri
Bir akışkan sistemindeki bir kavitasyon sorununu araştırırken, olası tüm düşük basınç (vakum), yüksek sıcaklık (ısı) kaynaklarını ve havanın girebileceği yerleri belirlemelisiniz. Aşağıdaki liste, bir akışkan sistemindeki düşük basınç alanlarını belirlemek için bir kılavuz görevi görmelidir:
- Pompa emiş – uygun olmayan emiş hattı hidroliği (akış sınırlama koşulları).
- Valf orifis etkisi – kontrol valfi akış geçitlerinde yüksek hızlı jetten gelen girdaplar.
- Batık jet – düşük basınç bölgelerinin yaratıldığı sınırsız akış alanlarına uzanan bir jet.
- Motorlar ve silindirler üzerindeki negatif yükler – harici tahrikli aktüatör yükleri aktüatörde düşük basınç oluşturur.
- Basınç dalgalanmaları ve su darbesi – basınç dalgalarının seyrekleşen kısmı, hatta negatif basınç bölgeleri oluşturabilir.
- Yüksek irtifa etkisi – düşük atmosferik basınç, emme hattını, pompa odalarını doldurmada yetersiz kalabilecek basınca maruz bırakır.
Kavitasyona Yol Açan Isı Kaynakları
Sistem sıvısında aşırı yüksek sıcaklıklara ve kavitasyona katkıda bulunan ısı kaynakları şunları içerir:
- Yüksek ortam sıcaklığı
- Pompaların ve motorların zayıf mekanik verimliliği
- Kanallarda türbülanslı akış koşulları
- Kavitasyonlu akışta buharlaşma ısısı
- Havalandırılmış akışta sıkıştırma ısısı
- Kontrol delikleri boyunca yüksek basınç düşüşleri
- Şiddetli operasyonel görev döngüsü
- Akışkan dolaşım sisteminin tüm bölümlerinde büyük akış kısıtlamaları
- Zayıf soğutma veya ısı transferi eksikliği
- Pürüzlü yüzeylerden yüksek sürtünme ve aşındırıcı etki
Kontrol Edilecek Olası Hava Giriş Konumları
Bir sistemin hava giriş noktaları söz konusu olduğunda, ciddi kavitasyon meydana geldiğinde bu yerleri dikkatlice incelemelisiniz:
Rezervuarlar – mekanik (ajitasyon) tip hava girişinin olduğu, dönen akışkanın olduğu, sıvı veya katı yüzeylere sıvı çarpmasının, basınçlı rezervuar koşullarının, pompa emiş ağzındaki siklonik akışın, çalışma sırasında meydana gelen kritik yükseklik (açılı rezervuar) pompa emişini açığa çıkaran yerler atmosfere giriş, engebeli arazi üzerindeki hareket nedeniyle akışkanın itişip kakışması ve/veya pompa emiş portunu atmosfere maruz bırakan düşük rezervuar sıvı seviyesi.
Pompa – küçük çaplı kanallar ve/veya portlar, kısıtlayıcı akış geçişleri, akış sapmaları ve/veya uzun emiş hattı koşulları, zayıf pompa doldurma özellikleri (kısıtlayıcı iç akış geçişleri, yüksek pompalama hızı, aşırı büyük akış yer değiştirmesi); pompayı nominal akış koşullarında beslemek için yeterli rezervuar basıncını sağlamak için çok yüksek rakım; pompa giriş seviyesine sıvıyı kaldırmak için yetersiz emme yüksekliği (yani, sıvı seviyesi ile pompa alımı arasındaki yükseklik çok fazla), rezervuar sıvısını pompanın nominal akış koşullarına hızlandırmak için yetersiz emme yüksekliği (pompa yer değiştirme taleplerine yanıt vermiyor) .
Valfler – menfezlerden sınırlı akış alanına boşaltılan jetler, düşük basıncın valfin akış aşağı duvarlarında olduğu odalarda sonlanan kanallar boyunca akışı düzenler ve/veya düşük basınç (dönüş hattı) borusuna boşaltan kısma valfleri.
Aktüatörler (genişletilmiş contalar) – hava geçiren çubuk contaları, mevcut hava desorpsiyonu ve/veya harici atalet yükleri nedeniyle negatif yükleme meydana geldiğinde oluşan buhar boşlukları.
Motorlar (şaft keçeleri) – bir volan etkisi nedeniyle negatif yükleme olduğunda meydana gelen hava geçiş keçeleri ve gazlı/buharlı kavitasyon.
Akümülatör – aşınmış piston contasını, yırtılmış diyaframı veya yırtık iç lastiği geçen hava/gaz sızıntısı.
Filtre – emme hattı filtrelerinde hava geçiren dış contalar veya hava desorpsiyonuna neden olan dahili akış kısıtlamaları.
Boru bağlantıları (hortum kaplinleri, boru bağlantı parçaları ve manifold contaları) – Titreşim ve termal genleşme ve büzülme etkilerinin gevşediği hava geçiren konektör sızdırmazlık yüzeyleri.
Kanal – kaba duvarlar, sıkıştırılmış akış bölümleri veya akış akışındaki çıkıntılar.