Кратко и по существу.
Механизмы кавитационного разрушения
- Образование и схлопывание паровых микропузырьков в зоне пониженного давления. При схлопывании пузырька вблизи твердой поверхности образуются микроструи (microjets) и ударные волны — они создают локальные удары и циклические напряжения на поверхности. Интенсивность описывает уравнение Рэлея–Плессе (упрощённо):
$$\rho \left(R\ddot{R}+\frac{3}{2}{\dot{R}}^2\right)=p_B-p_{\infty }-4\mu \frac{\dot{R}}{R}-\frac{2\sigma }{R},$$ где $R(t)$ — радиус пузырька, $p_B$ — давление внутри пузырька, $p_{\infty }$ — внешнее давление, $\rho ,\mu ,\sigma$ — плотность, вязкость, поверхностное натяжение.
- Физические эффекты: микроструи со скоростями порядка $10^2-10^3\text{м/с}$ и локальные давления при ударе до сотен МПа — единиц ГПа, ударные волны, кавитационные импульсные нагрузки и высокочастотная усталость поверхности.
- Последствия: питтинг (ямки), усталостное разрушение, удаление лакового/защитного слоя, стресс-коррозия при агрессивной среде, снижение геометрии деталей (лопасти, корпуса), повышение шумности и вибраций.
Параметры для оценки кавитации
- Кавитационное число:
$$\sigma =\frac{p-p_v}{\frac{1}{2}\rho V^2},$$ где $p$ — локальное статическое давление, $p_v$ — давление насыщения (паровое), $V$ — характерная скорость.
- Для насосов важна доступная запасная высота кавитации:
$${\mathrm{NPSH}}_a=\frac{p_a-p_v}{\rho g}+\frac{V^2}{2g}-h_f.$$ Кавитация возникает, если ${\mathrm{NPSH}}_a$ меньше требуемой ${\mathrm{NPSH}}_r$.
Как изменить режимы работы для уменьшения повреждений (практические меры)
1. Оперативные меры (быстрее, дешевле):
- Увеличить локальное давление / подать более высокое давление на всасе (повысить $p$ или ${\mathrm{NPSH}}_a$).
- Снизить температуру жидкости (уменьшение $p_v$) — если позволяет процесс.
- Уменьшить скорость потока $V$ или частоту вращения (VFD) — уменьшает динамическое разрежение и $\sigma$.
- Избегать режимов работы вблизи точек с низким давлением (например, работать ближе к BEP для насосов, избегать высоких удельных скоростей).
2. Гидравлические изменения:
- Сгладить геометрию: убрать острые кромки, резкие сужения/расширения, длинные отводы с неблагоприятным профилем, оптимизировать профиль лопастей.
- Увеличить диаметр каналов в местах, где возникает критическое падение давления, установить индукеры/диффузоры для снижения локального ускорения потока.
- Установить рассеивающие элементы (например, диффузионные участки) или снижающие кавитацию тримы (anti-cavitation trim).
3. Газовая/вспененная интервенция:
- Преднамеренная инжекция газовых пузырьков или воздухообогащение потока (микропузырьки) может смягчать схлопывания, уменьшая интенсивность ударов.
4. Материалы и покрытия:
- Использовать материалы с высокой прочностью и пластичностью, стойкие к усталости (нержавеющие стали, никелевые сплавы, кобальтовые сплавы).
- Нанесение твёрдых покрытий (карбиды, хромирование, термо- или плазменное напыление) или эластомерных/композитных покрытий, способных поглощать удары.
- Поверхностная обработка (закалка, дробеструйная обработка) для повышения усталостной прочности.
5. Регулярный мониторинг и профилактика:
- Контроль вибраций, шума и падения КПД — раннее обнаружение кавитационного повреждения.
- Плановое восстановление/замена повреждённых элементов, применение антикоррозионных мер.
Приоритет действий
- Сначала — оперативные настройки: повысить давление на всасе, снизить скорость, снизить температуру.
- Если недостаточно — переработать гидравлику (геометрию), добавить газовую интервенцию.
- Долгосрочно — выбор материалов и покрытий плюс конструктивные изменения.
Кратко: уменьшение разрежения и/или уменьшение парообразования (увеличение $\sigma$ и ${\mathrm{NPSH}}_a$), сглаживание потоков и защита поверхностей — главные пути снижения кавитационного разрушения.