Кавитация при регулираща арматура

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 7, 2006

 

Причини за възникване на кавитацията, методи за оценка и анализ на въздействието й

Кавитацията е резултат от мигновеното образуване на газови мехури във флуида, което се дължи на увеличаването на скоростта му в мястото на стесняване на потока. Нарастването на скоростта е последвано от рязко понижаване на налягането на флуида след стеснението. Движението на флуида след стеснението води до възстановяване на стойността на налягането, което предизвиква спукване на газовите мехури. Освободената енергия резултира в появата на вибрации, шум и издълбаване на язви по вътрешните повърхности на вентила и тръбопровода.

Често инженерите са изправени пред важния въпрос - когато се избира регулиращ вентил, кое е по-важно - налягането или скоростта на флуида през регулиращия му орган. Въпреки че изходящата скорост на флуида трябва да бъде отчетена при избора на регулиращ вентил, това няма да опише изцяло физическия феномен, който се случва вътре в него. Следователно, използването на метода за избор на регулиращ вентил, базиран на скоростта на флуида, не би могло да бъде надеждно при решаването на много проблеми, възникващи вътре в регулиращата арматура, а и в много случаи не би могло да осигури най-икономичното решение.

Условия за възникване на кавитация

В един регулиращ вентил, управляващ чист флуид, кавитация би могла да възникне, ако статичното налягане на протичащата течност намалее до стойност по-малка от налягането при кипене на флуида. В този случай, непрекъснатостта на потока течност се нарушава от образуването на парни мехури. Тъй като при всички регулиращи вентили се наблюдава възстановяване на налягането (поради така нареченото ударно налягане), то крайното налягане по посока на потока обикновено е по-високо от статичното налягане в мястото на стеснението. Когато налягането по посока на потока е по-високо от налягането на кипене на флуида, както бе подчертано, парните мехури се превръщат обратно в течност.

Падът на налягане на вентила, налягането на парите и вентилният фактор за възстановяване на налягането са параметрите, използвани за определяне на пълното дроселиране на потока и състоянието на кавитация.

Същност на кавитацията

Спукването на парните мехури може да причини местни ударни вълни с налягане около 14.5 MPa, т.е. до 100 000 psi. Също така, при кавитацията се формират микроструи от флуида поради несиметричното деформиране на мехурите. Комбинацията от високоинтензивни вълни и микроструите въздейства ударно върху повърхностите на клапана и би могла да причини тежки повреди. Щетите от кавитацията се изразяват в бързо влошаване на експлоатационните характеристики на клапана и седлото на вентила. Възможно следствие от кавитацията са и повреди по корпуса му. Не са изключени и проблеми, свързани с повишаване на шума и вибрациите, както и от възникване на потенциален риск за безопасността. Поради тези причини е необходимо да се изясни и да се избегне това явление, особено в условия с голям пад на налягане на вентила.

Характеристики за оценка

Три са параметрите, които трябва да се вземат под внимание, за да се предвиди и оцени кавитацията при регулиращите арматури - входно налягане на вентила (P1), изходно налягане на вентила (P2) и налягането при кипене на течността (Pv). Степента на пораженията от кавитацията зависи изключително от връзката между тези три параметъра. По-високият пад на налягане на вентила (т.е. по-голяма разлика между P1-P2), както и по-близка стойност на Pv до P2 биха довели до по-интензивна кавитация.

Дроселиране на потока

Както вече бе подчертано, скоростта на флуида през регулиращия орган не би могла успешно да се използва като база за предвиждане на вредите от кавитацията. Възстановената стойност на налягането е функция от специфичната вътрешна геометрия на регулиращия вентил. Най-общо казано, колкото по-добра проточност има един вентил, толкова по-висока е стойността на възстановеното след стеснения участък налягане - което увеличава възможността от кавитация. Падът на налягането в един вентил, при който стартира процесът на кавитация, се нарича критичен пад на налягане. Изцяло дроселиран поток ще съществува, ако текущият пад на налягането е по-голям от критичния пад на налягане и ако изходящото налягане е по-голямо от налягането при кипене на флуида.

Скоростта на флуида в регулиращия орган на вентила не е параметър, който се използва за предвиждане и определяне на напълно дроселиран поток или пълна кавитация. Затова, именно падът на налягане на вентила, налягането на кипене и вентилният фактор на възстановяване на налягането са параметрите, които обикновено се използват за определяне на пълното дроселиране на потока и състоянието на кавитация.

Необходимостта от дроселираща система

При регулиращите вентили допълнително се прави избор на подходяща дроселираща система с оглед преодоляване пада на налягане и други условия на протичащия работен флуид през вентила (кавитация, изпаряване на флуида, абразивни съставки, протичане на свиваеми флуиди при надкритични падове на налягането и др.). Много е важен изборът на тип задвижване, който също определя изпълнението на вентила (с облекчено налягане, без облекчено налягане, директен реверсивен). Изброените фактори се отнасят към главните критерии при конструктивния избор на вентила.

В случай на вероятност от възникване на кавитация е необходимо, също така, да се избере дроселираща система с повишена устойчивост срещу нейното влияние, т.е. да се използва клапан с отвори или клапан и седло със заварен уплътнителен слой от твърда сплав. Използва се и няколкостепенна редукция на налягането, като приложението на такива вентили е основно в областта на енергетиката.

Сигма метод за оценка на кавитацията

Сред методите, които се използват за анализ и изследване на пораженията, които би могла да нанесе кавитация върху регулиращите вентили, е т.нар. сигма метод. При този метод се сравняват текущите условия с т.нар. показател сигма на вентила, който представлява определен чрез лабораторни тестове праг на разрушаването му, характерен за специфичната геометрия. Базови за сигма метода са падът на налягане на вентила, налягането при кипене, габаритите на вентила и редица други характеристики, които обикновено се определят чрез лабораторни тестове на еталонни вентили.

Устойчивост
на кавитация

Както вече бе посочено, кавитация се наблюдава, когато статичното налягане на флуида по времена протичането си през вентила достигне стойността на парциалното налягане на наситените пари на флуида. Това се случва в най-тесните сечения, където протичането е с голяма скорост.

Устойчивостта на вентилите от възникване на кавитация се оценява с т.нар. фактор D, който се дефинира като:

D = (p1 - p2)/(p1 - pmin),

където p1 и p2 са стойностите на статичното налягане на входа/изхода на вентила, а pmin е най-малкото статично налягане вътре в него.

Стойността на D се изменя от 0 до 1, при което по-големите числа означават по-голяма устойчивост спрямо възникването на кавитация. Ако в горната зависимост се включи и налягането на наситените пари psp, то:

p2 = p1 - D.(p1 - psp) [Pa]

Експериментално определените стойности на безразмерния фактор D са от порядъка - при параболичен клапан от 0,2 до 0,8; при цилиндричен клапан (V-port) от 0,15 до 0,5, при клапан с отвори от 0,4 до 0,6.

Установено е, че стойността на коефициента D е толкова по-благоприятна, колкото по-малък е размерът на най-малкото дроселиращо сечение или неговото хидравлично сечение. При параболичните (формовани) клапани тази стойност зависи от отварянето на вентила, като най-добрите стойности се постигат в началото на хода при малки стойности на дебитния коефициент Kv. Необходимо е да се спази входът на протичане на флуида да бъде под клапана, защото в противен случай постигнатите стойности ще бъдат по-лоши. При клапаните с прорези (V-port) стойността на D зависи от ширината на прорезите и не зависи от хода. При клапаните с отвори, най-малко измерените резултати се колебаят в най-тесен диапазон. Стойността на D зависи от отварянето на вентила. Най-благоприятни стойности се постигат при малки диаметри на пробитите дупки (от порядъка на 4 до 6 mm).

Въздействие
на кавитацията

Необходимо е да правим разлика между устойчивостта от възникване на кавитация и устойчивостта от въздействието на кавитацията. Коефициентът D описва само момента на възникване на първите кавитационни мехурчета. Той не определя интензитета и въздействието на възникналата кавитация, за които се съди в зависимост от нивото на акустичния шум при променящи се параметри на налягането. Колкото по-висок е акустичният шум, толкова е по-висок интензитетът на възникналата кавитация.

Експериментално е установено, че параболичният клапан при еднакви съотношения на налягането показва най-големи стойности на акустично налягане. На въздействието на кавитацията е подложена цялата регулираща повърхност и уплътнителните повърхности на клапана и седлото на вентила. Клапанът с прорези показва по-ниски стойности на шума. Регулиращите и уплътнителни повърхности на тези клапани са относително по-добре защитени.

Клапанът с отвори показва най-ниски стойности на шума. Уплътнителните му повърхности не са изложени на въздействието на кавитацията, а регулиращите повърхности са сравнително нечуствителни спрямо въздействието й. Но е важно да се спази посоката на протичане на флуида - навътре към клапана, с цел заглушаване на шума.

Проблемите, свързани с вредното въздействие на кавитацията и общото износване, вследствие протичането на флуида, се решават чрез подходящ избор на материал, от който е изработен вентилът. В тази посока водещите производители на регулираща арматура работят активно през последните години.




Новият брой 5/2017

брой 5-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top