Kavitacija. Apibrėžimas, priežastys ir būdai jos išvengti?

Kavitacija – tiekimo sistemai žalingas procesas, kurio metu galimi įvairūs pažeidimai, deformuojamos plastinės siurblio dalys. Norint išvengti slėgio nuostolių ir pulsuojančių burbuliukų iš dujų, garų ar jų mišinio susidarymo siurbiamame skystyje (kavitacijos), svarbu žinoti ją sukeliančius veiksnius ir būdus, kaip užkirsti kelią kavitacijos susidarymo sąlygoms.

Mokslinis kavitacijos paaiškinimas – kas tai per procesas?

Kavitacijos procesas dažnai susidaro statinės sistemos siurblio išmetimo linijoje (jai susiaurėjus). Pagrindinė priežastis yra dėl susiaurėjimo sumažėjęs vandens (ar kito skysčio) slėgis. Slėgis nukrenta dėl padidėjusios kinetinės energijos ir susidariusių nuostolių. Atsiranda kavitacijos burbuliukai ir pažeidžiama slėgių pusiausvyra (kai garų slėgis viršija vidinį skysčio slėgį). Srautui įveikus (pratekėjus) susiaurėjusią dalį, jis sulėtėja (mažesnis greitis), išauga slėgis ir burbuliukai susprogsta. Dėl kavitacijos metu išsiskiriančios stiprios energijos, gali būti pažeidžiamos indo sienelės (kai prie sienelių prikibę burbuliukai sprogsta, kyla mini hidrauliniai smūgiai), o laiku netaikant apsaugos priemonių, gali ir visiškai suardyti sieneles. Pirmieji ženklai, įspėjantys, kad sistemoje prasidėjo kavitacijos procesas yra didesnis nei įprasta triukšmas siurblyje ir atsiradusi vibracija. Pažeidžiamiausios vietos vandens tiekimo sistemose yra susiaurėjimai ir siurblių darbo ratai. Susiaurėjimai dažniausiai sukelia staigius srauto greičio ir slėgio pokyčius, o ratų pažeidžiamumą didina šiurkštus paviršius.

Natūralioje gamtinėje aplinkoje esančiame vandenyje visuomet yra priemaišų. Didžiausią jų dalį sudaro atmosferos dujos. Dėl skysčiams būdingų tirpalų savybių, gamtoje esančiame vandenyje tirpsta azotas ir deguonis (iš oro). Deguonies ištirpsta maždaug du kartus mažiau lyginant su azotu. Ištirpstančių medžiagų kiekiai priklauso ir nuo vandens temperatūros. Pavyzdžiui, drungname vandenyje (20°С) ištirpsta apie 665 ml anglies dioksido (viename litre). Kuo vanduo šaltesnis, tuo jo ištirpsta daugiau. Lediniame vandenyje (0°С) anglies dioksido viename litre ištirpsta maždaug tris kartus daugiau nei 20°С temperatūros vandenyje. Skirtingų medžiagų tirpumas skiriasi. Litre 0°С vandens ištirptų vos 10 ml helio (inertinių dujų grupei priklausantis elementas) ir daugiau nei 4500 ml vandenilio sulfido (nuodingos, degios dujos, susidarančios, kai yra organiniai junginiai deguonies, pavyzdžiui pelkėse ar įvairiuose vandens šaltiniuose, kur pūva negyvas planktonas). 

Nuo ko priklauso dujų tirpumas?

Dujų tirpumas priklauso ir nuo vandens slėgio. Kuo jis didesnis, tuo dujos tirpesnės. Jei slėgis siekia 25 barus, litre ištirps daugiau nei 16 litrų CO2 ,o jei slėgiui padvigubėjus – beveik 26 litrų CO2. Slėgiui mažėjant, proporcingai mažėja ir tirpumas. Šie procesai pastebimi ir plika akimi. Kurį laiką palikus vandens indą, ant sienelių galima pamatyti burbuliukus iš dujų. Šis procesas dar greitesnis, jei naudojamas mineralinis vanduo. Dujų ir garų burbuliukų gausu ir verdančiame vandenyje.

Temperatūros įtaka kavitacijos procesui

Aukštesnė temperatūra yra vienas iš terminės kavitacijos susiformavimo veiksnių, tačiau ne vienintelis. Dar vienas svarbus veiksnys yra sumažėjęs slėgis (virš skysčio). Prasidėjus kavitacijai skystis pereina į dujų ir vandens mišinį. Kavitacijos procesas dažniausiai atsiranda siurbimo sistemose, kuriose vandens siurblys montuojamas virš vandens ar kito skysčio (dėl neigiamo įsiurbimo slėgio). Terminė kavitacija (vanduo užverda) gali prasidėti, jei prie siurblio įleidimo angos nepakankama skysčio. 

Kai slėgis įsiurbimo vamzdyje sumažėja, didesnė vandens dalis pakeičia būseną ir tampa vandens ir dujų mišiniu. Šio kavitacinio verdančio vandens siurbti tradiciniu siurbliu negalima, jie tam nepritaikyti. Stabilus sistemos darbas užtikrinamas tik tuomet, kai skysčio slėgis yra didesnis už dujų garų slėgį. Jei atsiranda kavitacijos procesą rodantys burbuliukai, reiškia, kad slėgio pusiausvyra sutrikusi.

Kokius pažeidimus tiekimo sistemoje sukelia kavitacija

Sumažėjus vietiniam slėgiui skystyje, kai nors vienoje srauto vietoje skysčio slėgis tampa mažesnis už garų slėgį, skystis virsta dujomis ir atsiranda dujų burbuliukai. Tokių pulsuojančių burbuliukų iš dujų ar/ir garų susidarymas ir išnykimas pumpuojamame skystyje vadinamas kavitacija. Garo burbuliukai susidaro, jei lokalus slėgis susilygina su skysčio garų slėgiu arba yra žemesnis. Sprogdami garo burbuliukai sukelia slėgio bangas, kurios dėl cikliškų apkrovų poveikio gali lemti darbinių siurblio dalių plastines deformacijas. Garo burbuliukai sprogsta, kai su srautu pasiekia aukštesnio slėgio sritį.

Kavitacijai dažniausiai būdingas triukšmas. Jei susidaro sąlygos kavitacijai, jos apriboja minimalų siurblio įsiurbimo aukštį. Šis procesas sukelia ne vieną pažeidimą. Po tiesioginio poveikio, gali sekti ir elektrocheminė korozija ir padidėjusi temperatūra (dėl plastinės deformacijos). Aukštai temperatūrai ir korozijai atspariausios medžiagos – plieno lydiniai, ypač atsparus įvairių rūšių legiruotas plienas. 

Apskaičiavus minimalų leistiną teigiamą slėgį įsiurbime NPSH (šis rodiklis parodo, koks minimalus slėgis reikalingas įsiurbime, kad konkretaus tipo siurblys sklandžiai veiktų ir nekiltų kavitacijos rizika) galima numatyti laiką, kada sistemoje gali susidaryti palankios sąlygos atsirasti kavitacijai.

Norint apskaičiuoti, koks statinis skysčio aukštis (hz) reikalingas siurblio įvade, kad neatsirastų kavitacija, galima vadovautis šia formule:

hp (skystį veikiantis absoliutus slėgis, matuojamas vandens stulpo metrais) + hz (siurblio montavimo aukščio skirtumas, metrais) ≥ (NPSHr + 0,5 (atsargos koeficientas) + hr (slėgio nuostoliai vamzdyne ir armatūroje, metrais) + hv (prisotintų skysčio garų slėgis prie darbinės temperatūros, metrais). 

Maksimalų siurblio įsiurbimo aukštį lemia siurblio montavimo aukštis virš jūros lygio ir siurbiamo skysčio temperatūra.

Didesnio skersmens už siurblio įvado skersmenį vamzdynas gali padėti minimalizuoti slėgio nuostolius. Šis patarimas itin aktualus, kai siurblys veikia maksimaliu ar beveik maksimalaus našumo režimu, o siurbiamas skystis yra 4-5 m žemiau už siurblio įsiurbimo ašį. Tokiu atveju labai svarbi siurblio montavimo vieta – ji turėtų būti kuo arčiau prie siurbiamo skysčio paviršiaus.

Būdai, padedantys sumažinti kavitacijos riziką

Laiku ėmusis apsaugos priemonių, kavitacijos procesų galima išvengti ar bent jau ženkliai sumažinti jų susidarymo tikimybę. Kad siurblys veiktų patikimai, saugiai ir tarnautų ilgai, rekomenduojame imtis šių veiksmų:

1. Siurblį sumontuoti arba perkelti kuo arčiau įsiurbimo vietos. Tai padės sumažinti nuostolius;
2. Naudoti didesnio skersmens įsiurbimo vamzdį ar pakeisti seną į platesnį. Tai taip pat gali padėti sumažinti nuostolius;
3. Sumažinti našumą ir apsisukimų skaičių. Tai padės sumažinti sąlyginį hidraulinį slėgį (kavitacijos rezervą);
4. Vengti šiurkščių paviršių vidinėse vamzdžių sienelėse;
5. Sumažinti alkūnių, sklendžių, vožtuvų bei posūkių kiekį. Tai taip pat mažina nuostolius;
6. Siurblį montuoti (ar permontuoti) žemiau. Mažesniame aukštyje mažėja siurbimo vakuumas ir didėja virš skysčio esantis slėgis. 
7. Sumažinti skysčio temperatūrą. Tada sumažės sočiųjų garų slėgis.

Dar svarbu atkreipti dėmesį ir į siurblio darbo kreivę. Realus (faktinis) siurblio darbo taškas turi būti kuo arčiau didžiausio efektyvumo taško.

Kaip iš anksto apskaičiuoti siurblio kavitacijos rezervą

Norint išvengti kavitacijos sukeliamų pažeidimų įrenginiuose, rekomenduojama siurblio kavitacijos rezervą paskaičiuoti dar tik projektuojant vandens tiekimo sistemą. Kad rezervas būtų pakankamas, privalu žinoti, koks turi būti maksimalus įsiurbimo aukštis (H). Šis parametras kiekvienam siurbliui skaičiuojamas individualiai ir priklauso nuo našumo ir sąlygų.

Apskaičiuoti maksimalų įsiurbimo aukštį galima pagal šią formulę: 

H = Pb (virš skysčio esantis slėgis) * 10,2 – NPSH (sąlyginis hidraulinis slėgis) – Hf (nuostoliai įsiurbimo linijoje vandens stulpo metrais) – Hv (skysčio sočiųjų garų slėgis esant darbinei temperatūrai) – Hs (atsargos riba)

Atvirų sistemų slėgis virš skysčio (Pb) yra lygus atmosferos slėgiui (apie 10,2 m). Atsargos ribą (Hs) nustato konstruktoriai. Dažniausiai ji lygi 0,5 m. Naudojant šią formulę, siekiama užtikrinti, kad sistemoje būtų pakankamas priešslėgis net prie maksimalių veikimo parametrų. Svarbiausia, kad įsiurbimo angoje susidaręs vakuumas nebūtų didesnis nei skysčio garų slėgis, kai siurblys veikia esant darbinei temperatūrai. Šių sąlygų užtikrinimas padės užkirsti kelią žalingiems kavitacijos procesams.

Kavitacijos rezervas (NPSH) nurodo, koks minimalus įsiurbimo slėgis reikalingas, kad konkretaus modelio siurblys sklandžiai veiktų ir nesusidarytų sąlygos prasidėti kavitacijos procesui. Šis sąlyginis slėgis (rezervas) išreiškiamas vandens stulpo metrais. Taip patikrinama slėgio pusiausvyra įsiurbime. Šis parametras leidžia prognozuoti, ar esant numatytam slėgiui įsiurbimo angoje, įrenginys veiks tinkamai, nepertraukiamai, ar yra grėsmė, kad siurbiamas skystis užvirs (susidarys kavitacija).