Кавитационной эрозией и другими явлениями

Кавитационная эрозия наблюдается при эксплуатации гидротурбин, гребных винтов, насосов, клапанов, запорных устройств в трубопроводах. Она обусловлена нестационарностью потока жидкости, обтекающей твердое тело. Кавитация - это процесс образования и исчезновения пузырьков в жидкости. Исчезновение пузырьков сопровождается гидравлическим ударом, который и является причиной кавитационной эрозии. Возникновение пузырьков происходит в области низкого давления, а исчезновение - в области высокого давления. Таким образом, область кавитационного разрушения часто бывает значительно удалена от зоны возникновения пузырьков.

Кавитационная эрозия появляется в виде местного разрушения деталей гидромашин и других устройств, металлические поверхности которых соприкасаются с потоком жидкости, когда в нем возникают местные падения давления. Причиной разрушения металла являются повторные местные ударные нагружения, возникающие при захлопывании каверн, причем разрушение происходит, по-видимому, при одновременном влиянии и фактора коррозии.

Кавитационная эрозия в зоне резания способствует наиболее эффективной циркуляции абразивных зерен. Рассмотрим более подробно сущность кавитационной эрозии.

Кавитационная эрозия - разрушение поверхности твердого тела, вызываемое ударными волнами, образующимися при захлопывании кавитационных пузырьков.

Кавитационная эрозия может наблюдаться на крыльчатках и корпусах центробежных насосов, в рабочих органах регулирующих питательных клапанов РПК и в сгибах труб непосредственно за РПК.

Кавитационная эрозия и отслаивающее действие пузырьков применяются также и для ультразвуковой пайки алюминия и его сплавов. Как известно, алюминий очень трудно поддается пайке обычными методами. На воздухе алюминий мгновенно окисляется, покрываясь химически очень стойкой пленкой окиси, которая препятствует смачиванию поверхности металла жидким припоем. Ультразвук дает возможность сорвать эту пленку и сделать поверхность алюминия доступной для припоя.

Кавитационная эрозия появляется главным образом в результате импульсного механического воздействия гидравлических ударов потока жидкости на поверхность металла. Кавитации подвержены гребные винты, лопасти и камеры проточного тракта гидротурбин, рабочие колеса и камеры различных гидромашин.

Кавитационная эрозия вызывается механическим воздействием гидравлических ударов потока жидкости, в результате чего мельчайшие частицы металла отрываются от поверхности изделия и уносятся. При определенных условиях в обтекающем деталь слое жидкости возникают зоны пониженного давления, приводящие к зарождению так называемых кавитационных пузырьков. Когда пузырьки замыкаются, по поверхности металла происходят гидравлические удары, разрушающие ее. Термическая усталость 2, возникающая в результате действия циклических нагревов и охлаждений, приводит к образованию на поверхности детали сетки - трещин.

Интенсивной кавитационной эрозии подвергаются не только трущиеся тела, но и тела, совершающие высокочастотные (v - 5-104 Гц) колебания в свободном объеме жидкости.

Чаще всего кавитационная эрозия протекает в коррозионной среде. В этом случае наблюдается коррозионная кавитация. Этот вид коррозионно-механического воздействия может приводить к весьма сильным местным разрушениям с образованием глубоких каверн в зоне кавитации.

Механизм кавитационной эрозии является сложным, и до настоящего времени строгая теория этого явления не разработана.

Зависимость кавитационной эрозии от температуры для жидкостей в воздухе: 1 - вода; 2 - керосин; 3 - бензин; 4 - этиловый спирт; 5-ацетон; Д (7 -количество вещества, удаленного в результате эрозии).

Интенсивность кавитационной эрозии первоначально увеличивается с возрастанием температуры, затем, достигнув максимума, уменьшается.

На развитие кавитационной эрозии значительное влияние оказывает также химический фактор. Однако увеличение степени разрушения многие исследователи объясняют изменением механических свойств материалов, совершенно не касаясь механохимических эффектов разрушения. Этот специфический вид разрушения будет рассмотрен при коррозионно-механическом изнашивании.

В условиях кавитационной эрозии хорошо зарекомендовали себя алюминиевая и марганцевая бронза. Благодаря этому, а также из-за своей высокой антикоррозионности они находят довольно широкое применение при изготовлении деталей центробежных насосов, особенно рабочих колес. Однако из-за относительно низких прочностных показателей из бронзы изготовляют только детали небольших размеров. Детали крупных центробежных и осевых насосов, работающих в условиях кавитации, изготовляют из железоуглеродистых сплавов.

В результате кавитационной эрозии острые кромки отверстия обычно быстро разрушаются, что сопровождается изменением коэффициента расхода. Для снижения этого разрушения применяют твердые и стойкие против окисления металлы.

Экспериментальные исследования кавитационной эрозии доказали также, что разрушение обтекаемой поверхности в пределах кавитационной зоны происходит неравномерно. Наиболее значительному износу подвергаются участки поверхности, расположенные в конце кавитационной зоны, где разрушение кавитационных пузырьков происходит при большем внешнем давлении.

Коррозия может сопутствовать кавитационной эрозии вследствие химической активности жидкости.

Способность материалов сопротивляться кавитационной эрозии обычно называют кавитационной стойкостью. Кавитационная стойкость материалов изменяется в широких пределах в зависимости от их физико-механических свойств и состояния, этом уже от гидродинамических характеристик потока и свойств жидкости.

Большое влияние на интенсивность кавитационной эрозии оказывают режимные условия эксплуатации гидротурбин. Характерным в этом отношении является опыт эксплуатации гидротурбинного оборудования Братской ГЭС.

Для предупреждения и уменьшения кавитационной эрозии гидротурбин применяются различные меры конструктивного и эксплуатационного характера.

Влияние кислорода на интенсивность кавитационной эрозии стало резко возрастать с повышением температуры воды до 70С; при дальнейшем повышении температуры влияние кислорода уменьшается. Это связано, вероятно, с химической активностью кислорода и интенсивным окислением металла в процессе развития гидроэрозии.

При эксплуатации насосы подвергаются коррозионной и кавитационной эрозии, а при наличии в воде взвешенных наносов - и абразивному износу, способствующему развитию кавитации. Эрозия поверхности проточной части приводит к существенному снижению КПД, а в некоторых случаях - к разрушению.

Основным средством борьбы с кавитационной эрозией деталей гидравлических машин является исключение возможности возникновения кавитации или, по крайней мере, максимальное уменьшение степени ее развития. Если же при эксплуатации машины не удается избежать режимов с развитой кавитацией, то в ряде случаев, используя некоторые специальные методы, можно предотвратить возникновение кавитации на этих режимах или в значительной мере ослабить ее последствия. Сущность большинства методов заключается в повышении общего уровня давления внутри наиболее опасной, с точки зрения возникновения кавитации, области потока. Такими опасными зонами, как известно, являются: у насосов - область перед входом потока в рабочее колесо, у гидравлических турбин - область у выходных кромок лопастей рабочего колеса.

Разъедание металла вследствие кавитации обычно наблюдается в тех местах потока, где происходит повышение давления, сопровождающееся столкновением пузырьков пара и его конденсацией. К этим чисто механическим ударным действиям часто присоединяются химические воздействия на металл выделяющегося из жидкости воздуха, обогащенного кислородом, а в отдельных случаях и электролитические воздействия. В результате всех этих явлений, особенно если кавитация длится продолжительное время, происходит разъедание металла: он на большую глубину принимает губчатую структуру.