کاویتاسیون چیست؟
کاویتاسیون یک فرایند فیزیکی است که می‌تواند در مایعات ایجاد شود که در اثر تغییر فاز مایع به بخار بوجود می‌آید.
فرایند کاویتاسیون دو مرحله دارد:
مرحله اول : فاز سیال از فاز مایع به فاز بخار تغییر میکند.
مرحله دوم: تغییر از فاز بخار به فاز مایع
کاویتاسیون در چه محیطی می‌تواند ایجاد شود؟
کاویتاسیون در همه محیط‌ها می‌تواند ایجاد شود، جایی که تغیر فاز بین حالت مایع به حالت بخار امکان پذیر باشد.
در قطعات متحرک:
- پره‌های توربین
- پروانه‌های پمپ
- پروانه‌های کشتی
در قطعات غیر متحرک:
- کاهش ناگهانی سطح مقطع لوله
- استفاده از اوریفیس
- تغییرات گشودگی در شیرالات
بررسی‌های انجام شده مربوط به تاثیر کاویتاسیون در شیرالات صنعتی است که میتوان به سایر موارد نیز تعمیم داد.
تاثیرات کاویتاسیون چگونه نمایان میشود؟
- مرحله اول: بروز سرو صدا
- مرحل دوم: ارتعاش
- مرحله سوم: خوردگی و فرسایش قطعات ( خسارات ناشی از کاویتاسیون)
نمونه‌ای از آسیب کاویتاسیون بر روی قطعات یک شیر پروانه‌ای:
در این نمونه با شرایط کارکرد زیر، شیر دچار خوردگی شده است.
- فشار بالادست شیر: 2 ~ 1.4 bar
- فشار پایین دست شیر: 1 bar
- سرعت جریان: 2 m/s
- مدت زمان بهره برداری: 2 سال
- درجه باز شدگی شیر: تقریبا 30 درجه
نمونه‌ای از آسیب کاویتاسیون بر روی قطعات یک شیر کشویی:
این شیر به طور کامل بسته نشده است . در شکاف باقی مانده سرعت جریان بسیار بالا بوده و پس از 3 ماه کارکرد بدنه شیر مطابق تصویر زیر دچار خوردگی شده است.
پدیده کاویتاسیون چگونه بوجود می‌آید؟
هرگاه دمای مایع، در فشار ثابت افزایش و یا فشار آن در دمای ثابت، کاهش یابد، در نهایت حالت مایع شروع به تغییر کرده و حبابهای پر شده از بخار سیال تولید میگردند. این حبابها را میتوان به عنوان فضاهای خالی در مایع در نظر گرفت. بنابراین هم بوسیله افزایش دما در فشار ثابت و هم کاهش فشار دینامیکی در دمای ثابت ( افزایش سرعت سیال داخل شیر )، حباب در مایع بوجود می‌آید. نخستین پدیده، جوشیدن و دومین پدیده کاویتاسیون نام دارد. کاويتاسيون باعث جدا شدن ذرات ماده از سطوح مرزی بين جامد و مايع میگردد و در نتيجه، فرسايش و خوردگی شديد در هرگونه سطح در تماس با مايع، بوجود می‌آيد. حبابهای حاصل از کاويتاسيون، ناپايدار میباشند و ايجاد و انبساط آنها بستگی به کاهش فشار مايع دارند، ليکن به محض اينکه فشار سيال مجددا افزايش يابد، اين حبابها با سرعت زياد منقبض شده و دچار فروپاشی میگردند و در نتيجه امواج شوک نيرومند در سيال ايجاد میشود. اين امواج ذراتی از فلز را از هرگونه سازهای که در تماس با مايع قرار دارد، جدا کرده و باعث خوردگی و فرسايش آن میشوند و در نتيجه با گذشت زمان، سطوح مرزی تخريب ميگردند.
افزايش فشار و فروپاشی حبابهای حاصل از کاويتاسيون، باعث ايجاد ارتعاش و سرو صدا میگردند.
در شکل زیر نمودار تشکیل حبابها در اثر تغییرات فشار که ناشی از تغییرات سرعت سیال در شیر است نشان داده شده است.
همانطور که در نمودار فوق مشاهده میشود در شرایط فشار اتمسفریک ( 1 bar ) آب در 100 درجه سانتی گراد به جوش آمده و از فاز مایع به فاز بخار تبدیل میشود. در صورتی که فشار به 0.02 bar برسد آب در 18 درجه سانتی گراد از فاز مایع تبدیل به فاز بخار میشود.
توضیح تکمیلی در عملکرد شیرها با توجه به شرایط فوق به این شرح است که با کاهش میزان گشودگی شیر و به طبع آن افزایش سرعت، کاهش فشار رخ داده و مانند نمودار فوق ملکول‌های آب تبدیل به حبابهای بخار میشوند. با عبور از مقطع کاهش پیدا کرده سطح عبور جریان و افزایش سطح عبور جریان به حالت عادی در لوله سرعت کاهش پیدا کرده و فشار افزایش پیدا میکند .
بالا رفتن فشار باعث ترکیده شدن حباب ها و آزاد شدن انرژی زیادی بر روی سطوح میشود که این عامل تخریب را بوجود می‌آورد.
بررسی کاویتاسیون در شیر پروانه‌ای و در خط لوله:
کاویتاسیون در یک خط لوله غیرقابل چشم پوشی است. ترکیدن حبابها نه تنها باعث ایجاد صدا میشود، بلکه تخریب‌های موضعی در اثر انفجار حبابها را در دیواره‌های لوله و بدنه شیر ایجاد میکند که می‌تواند موجب ایجاد حفره شدید شود.
در شکل زیر تصویری شماتیک از ایجاد حبابهای هوا بعد از دیسک شیر که در حالت نیمه باز است، نشان داده شده است.
کاویتاسیون یک پدیده رایج در شیرهای قطع و وصل است و در زمانی بروز پیدا میکند که این شیرها در حالت نیمه باز ، بخصوص در چند درجه آخر بسته شدن دیسک باشند. به همین علت است که توصیه میشود این شیرها در حالت باز کامل و یا بسته کامل مورد استفاده قرار گرفته ودر شرایط نیمه باز استفاده نشوند.
شیرآلات می‌توانند کاویتاسیون را در مدت زمان محدودی تحمل کنند, اما هنگامی که شیر باید برای مدت زمان طولانی برای کاربرد کنترلی و تحت کاویتاسیون کار کند، طول عمر شیر به شدت کاهش می‌یابد. بنابراین لازم است تجزیه و تحلیل شرایط جریان در صورتیکه شیر برای کنترل جریان یا فشار استفاده میشود، انجام گردد.
در صورتیکه عملکرد کاملاً بی صدا از شیر مورد نظر باشد، بایستی با سازنده شیر در مورد داده‌های کاویتاسیون اولیه مشورت نمود. فقط شیرهای کنترلی خاص با تریم آنتی کاویتاسیون برای استفاده در شرایط خاص مناسب است.
برخی از روش‌های جلوگیری از پدیده کاویتاسیون:
سازندگان شیر می‌توانند تجزیه و تحلیل را برای پیش بینی زمان وقوع کاویتاسیون بر اساس آزمایش جریان انجام دهند. هنگامیکه کاویتاسیون پیش بینی میشود، برخی از روش‌های جلوگیری از آن عبارتند از:
- 1. فشار پایین دست را با استفاده از شیر کنترلی در پایین دست یا اوریفیس افزایش دهید.
- اختلاف فشار را با استفاده از دو شیر که به صورت سری نصب شده اند، کاهش دهید.
- از یک خط بای پس با سایز کوچک برای سرعت جریان کم استفاده کنید.
- شیر هوا را بلافاصله در پایین دست شیر نصب کنید تا از ایجاد توده هوا جلوگیری کند.
- برخی از شیرآلات مانند شیرهای گلوب را میتوان به تجهیزات کاهش دهنده کاویتاسیون مجهز نمود.
جمع بندی پایانی
در این مطلب، ابتدا کاویتاسیون و روابط حاکم بر آن به صورت دقیق مورد بررسی قرار گرفتند و در ادامه اثرات مخرب این پدیده و راه‌های رفع آن بیان شدند. در انتها نیز روش‌های جلوگیری از پدیده کاویتاسیون مورد بررسی قرار گرفت.
با به کار بستن موارد یاد شده، از ایجاد کاویتاسیون در شیرآلات جلوگیری کنید. مهندسان و کارشناسان گروه صنعتی میراب آماده پاسخگویی به کلیه سوالات و مشاوره به شما عزیزان هستند.
واحد فنی و مهندسی شرکت میراب