В статье рассматривается кавитационный износ, одна из проблем с которой сталкиваются при эксплуатации трубопроводной арматуры в зонах высокого перепада давления, вызываемых высокими скоростями. Рассматриваемый вид износа приводит к разрушению материала в зоне его действия и ведет к преждевременному износу устройства.
Ключевые слова: регулирующая арматура, кавитация, износ, клетка лабиринтного типа.
Одной из проблем при эксплуатации трубопроводной арматуры является кавитация. Этот процесс, влекущий за собой преждевременный выход изделия из строя, возникает при прохождении жидкой среды через регулирующую арматуру. Кавитация — образование в жидкости полостей, заполненных паром, она возникает в клапанах, больших номинальных диаметров в областях с зауженными проходами, чаще всего эти области располагаются в районе регулирующего органа изделия. Это объясняется тем, что подобные условия создают высокую скорость потока, потому что через сечение трубы за одно и то же время проходит определенное количество жидкости, и чтобы тоже количество жидкости прошло через заужение, потоку нужно двигаться быстрее, что и влечет рост скорости потока. Это в свою очередь ведет к понижение местного давления за счет роста кинетической и снижения потенциальной энергии, согласно закону сохранения энергии. Как только в своем падении давление приблизится по величине к давлению насыщенных паров, начнётся бурное выделение растворенных в воде газов с одновременным парообразованием и образование пузырьков с газом и паром.
Пузырьки перемещаются с потоком в область более высокого давления, где мгновенно происходит процесс, при котором пузырьки с паром конденсируются, а с газом сжимаются, в результате чего жидкость с большой скоростью перемещается к центру [1]. Это приводит к тому, что кинетическая энергия соударяющихся частиц приводит появлению гидравлических микроударов, сопровождающиеся высокими выбросами давления и температуры (1000–1500 °C; 1500–2000 кг/см), что приводит к износу.
Износ объясняется тем, что под действием высоких температур в присутствии кислорода воздуха, происходит активное окисление. Возникающие при этом окислительные процессы усугубляются тем, что растворенный в жидкости воздух содержит почти в полтора раза больше кислорода, чем атмосферный воздух. Интенсивность окислительных процессов повышается в результате разрушения под действием гидравлических микроударов окислительной пленки, которая в обычных условиях замедляет окисление металлических поверхностей деталей [2].
Данный процесс, происходя вблизи стенок деталей арматуры, и влечет к их износу, что способствует поломки устройства. На рисунке 1 показан плунжер, подвергшийся износу.
Рис. 1. Последствия кавитационного износа плунжера
Помимо износа кавитация ведет к возникновению шума (в некоторых случаях превышающего 80 db) и вибраций. Шум может мешать трудовому процессу при условии, что клапан установлен вблизи рабочего места. А вибрация может приводить к ослабеванию затяга на резьбовых соединениях изделия, что влечет к разгерметизации в соединении корпус-крышка.
Для снижения износа от кавитации необходимо или уменьшить скорость потока среды, что можно осуществить изменении режимов работы гидросистемы либо при изменении конструкции арматуры, или применять материалы с высокими механическими свойствами, меньше подвергаемые износу. Но иногда бывает невозможно изменить характеристику режимов потока и использовать материалы высокой твердости, тогда необходимо решать проблему путем изменения конструкции, это делается при помощи установки клетки лабиринтного типа.
Лабиринтная клетка разрезает поток на несколько частей, для понижения его скорости. Клетка состоит из нескольких цилиндров с множеством отверстий, смещенных друг относительного друга, создающими лабиринт. Жидкость перемещается от одного цилиндра к другому и постепенно сбрасывает скорость в течение всего количества ступеней. С увеличением числа цилиндров все больше снижается скорость потока. В процессе работы каждый поворот снизит скорость среды. Клетка изображена на рисунке 2.
Рис. 2. Устройство клетки лабиринтного типа
Регулирующий клапан с клеткой лабиринтного типа успешно справляется с предупреждением износа, вызванного кавитацией.
Во-первых, жидкость разделяется на много маленьких проточных каналов. Таким образом, даже если поворотов в клетки не хватило для полного гашения кавитации, и образование пузырьков произошло, то их объем будет небольшим, а высвобожденная энергия слишком мала для разрушения материала.
Во-вторых, скорость потока удерживается на низком уровне. Поэтому давление не снизится до давления парообразования. Следовательно, не будет вызван эффект кавитации.
Количество и проточная часть всех каналов в клетки лабиринтного типа регулирующего клапана может быть настроены в соответствии с требуемой задачей, которая может возникнуть при проектировании арматуры.
Для обеспечения бескавитационной работы клапана необходимо использовать конструкцию, включающую в себя затвор с лабиринтной клеткой, это позволит сохранять арматуру большее время в работоспособном состоянии.
Литература:
- Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. Машиностроитель: Справочное пособие. — М., 1971. — 671 с.
- Мартынов, Н. Д. Исследования интенсивности кавитационного износа / Н. Д. Мартынов, С. А. Петрин, О. Ю. Бибик, А. С. Махетов. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 18 (152). — С. 58–63. — URL: https://moluch.ru/archive/152/43174/ (дата обращения: 08.08.2023).
