Что такое кавитация металла
Обновлено: 04.10.2024
Здравствуйте сегодня я хотел бы написать о том что такое "Кавитация" и "Эрозия" гребных винтов и как она происходит.
Для начала узнаем что такое кавитация - Кавитация (от лат. cavita — пустота) — процесс образования и последующего схлопывания пузырьков в потоке жидкости, сопровождающийся шумом и гидравлическими ударами, образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или пустот), которые могут содержать разреженный пар.
Если площадь лопастей небольшая, то давление здесь понижается настолько, что вода, обтекающая лопасть, вскипает, выделяя пузырьки пара. Микроскопические пузырьки сливаются в более крупные—каверны, а при очень сильном разрежении — в сплошную полость, что нарушает непрерывность потока. Это явление и называется кавитацией.
Различают две стадии кавитации. На первой студии каверны невелики и на работе винта практически не сказываются.
Однако пузырьки, лопаясь, создают огромные местные давления, отчего поверхность лопасти выкрашивается. При длительной работе кавитирующего винта такие эрозионные разрушения могут быть настолько значительными, что эффективность винта снизится.
При дальнейшем повышении скорости наступает вторая стадия кавитации. Сплошная полость захватывает всю лопасть и даже может замыкаться за ее пределами. Развиваемый винтом упор падает из-за резкого увеличения лобового сопротивления и искажения формы лопастей.
Кавитацию винта можно обнаружить по тому, что скорость лодки перестает расти, несмотря на дальнейшее повышение числа оборотов; гребной винт при этом издает специфический шум, на корпус передается вибрация, лодка движется скачками.
Момент наступления кавитации зависит не только от числа оборотов, но и от ряда других характеристик. Так, чем меньше площадь лопастей, больше толщина их профиля, ближе к ватерлинии расположен винт, тем при меньшей частоте вращения, т. е. «раньше», наступает кавитация. Появлению кавитации способствуют также большой угол наклона гребного вала, дефекты лопастей — изгиб, некачественная поверхность.
Так же при кавитации и возникает эрозия так как химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации.
Кавитационная эрозия металлов вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация также является причиной шума, вибрации и снижения эффективности работы гидроагрегатов.
Схлопывание кавитационных пузырей приводит к тому, что энергия окружающей жидкости сосредотачивается в очень небольших объёмах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума и приводят к эрозии металла. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках, так как снижает их скрытность.
Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Так сверхкавитационная торпеда «Шквал», в зависимости от плотности водной среды, развивает скорость до 370 км/ч. Еще кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.
Понятие о кавитации и эрозии гребных винтов.
Что такое кавитация металла
Опытами, проведенными на магнитострикционном вибраторе, установлено, что степень кавитационного повреждения твердого металла зависит от амплитуды колебания, увеличиваясь с ее ростом. Этот факт указывает па связь кавитационного разрушения с усталостным, которое наступает тем раньше, чем выше амплитуда напряжения или деформации. Кавитационное воздействие жидких металлов зависит и от других факторов. Так, увеличение статического давления в системе приводит к его ослаблению. Разрушение вследствие кавитации и эрозии тем больше, чем более грубо обработана поверхность металла. Имеются указания на уменьшение кавитационных повреждений стали (2,25% Cr, 1% Mo) в жидком висмуте при добавке к нему ингибиторов. По-видимому, кавитационное разрушение в этом случае существенно зависело от коррозионных процессов, которые при введении в жидкий металл ингибиторов были ослаблены. Кавитационно-эрозионные разрушения зависят от характера потока жидкого металла. С увеличением турбулентности потока при постоянной средней его скорости степень разрушения растет. Поэтому разрушения такого типа в теплообменных установках чаще наблюдаются на участках, где происходит изменение сечения потока или направления его движения.
Исследование кавитации углеродистых сталей в жидком висмуте показало, что с увеличением содержания в стали углерода их стойкость повышается (рис. 70). Испытания проводили на магнитострикциониом вибраторе с частотой 20 кгц при амплитуде колебаний образца 15 мкм в течение 1 ч. Из рис. 70, видно, что с ростом температуры кавитационное разрушение стали усиливается. Аналогичные результаты были получены при испытаниях в жидком висмуте хромистых сталей. Кроме того, их испытание показало, что кавитационная стойкость сталей увеличивалась при увеличении содержания в них хрома. Однако влияние этого элемента было заметно при повышении его концентрации до 6%; стали, содержащие от 6 до 24% Cr, имеют примерно одинаковую кавитационную стойкость. Следует отметить, что результаты кавитационных испытаний хромистых сталей прямо противоположны результатам коррозионных испытаний этих же сталей, которыми установлено увеличение скорости коррозии с увеличением содержания в сталях хрома. Этот факт наглядно указывает на различную природу кавитационного и коррозионного разрушений.
На рис. 71 представлена зависимость потери веса сталей в условиях кавитационного разрушения в жидком висмуте от их твердости. На этом графике данные испытаний углеродистых и хромистых сталей располагаются на общих линиях, что указывает на отсутствие зависимости кавитационного воздействия жидкометаллической среды от химического состава твердого металла. Такое заключение, конечно, имеет ограниченный характер, так как кавитационное повреждение материалов зависит от многих причин. Например, в связи с микролокальностью ударных импульсов повреждение материала усиливается с ростом неоднородности его структуры, что, в свою очередь, может быть вызвано изменением химического состава материала. Однако зависимость кавитационной стойкости от твердости в пределах одного класса материалов, по-видимому, является определяющей. Зависимости, аналогичные представленным на рис. 71 для сталей в жидком висмуте, были получены Л. А. Гликманом при кавитационных испытаниях различных материалов в воде.
В работе показано, что способность сталей противостоять кавитационному воздействию жидкого висмута подрастает в результате применения специальной термической обработки или неуглироживания поверхностного слоя, что также связано с повышением их твердости.
Таким образом, следует считать, что зависимость стойкости материала в условиях кавитационного воздействия жидкометаллической среды от его твердости весьма существенна. Наличие связи между ними можно объяснить следующим образом. Испытаниями металлов на усталость и упругопластической области установлено повышение выносливости с ростом их прочности (длительной и кратковременной). Так как увеличение твердости материалов означает увеличение их прочности, следовательно, материалы с большей твердостью должны иметь и более высокое сопротивление усталости. Кавитационное разрушение есть частный случай усталостного разрушения, протекающего при одностороннем сжимающем цикле нагружения с высокой частотой и происходящее в малой области приложения внешней силы при отдельном акте нагружения. Однако эти особенности кавитации не вызывают изменения ее основных закономерностей как усталостного процесса. Результатом соблюдения таких закономерностей является, например, четкая зависимость степени кавитационного повреждения материала от его твердости.
КАВИТАЦИЯ
Impingement attack — Кавитация. Коррозия, связанная с турбулентным течением жидкости. Может быть ускорена погруженными газовыми пузырьками. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО "Профессионал", НПО "Мир и семья"; Санкт-Петербург, 2003 г.)
Смотреть что такое КАВИТАЦИЯ в других словарях:
КАВИТАЦИЯ
(от лат. cavitas — пустота) образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузы. смотреть
кавитация ж. Образование в быстро движущейся жидкости пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью, ведущее к разъеданию металлических частей судовых гребных винтов, водяных турбин и т.п.
. смотреть
кавитация сущ., кол-во синонимов: 2 • суперкавитация (1) • фотокавитация (2) Словарь синонимов ASIS.В.Н. Тришин.2013. . Синонимы: суперкавитация. смотреть
(от лат. cavitas — пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (т. н. кавитац. пузырьков или ка. смотреть
КАВИТАЦИЯобразование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен ок. 1894 британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки.Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.Закон Бернулли. Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенствомгде p - давление, ? - плотность, а v - скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль (рис. 1), ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.Кавитационный коэффициент. Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях важны лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием ?, который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражениемгде pv - давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.Типы кавитации. На рис. 2 представлена кавитация на неподвижном подводном крыле, снятая в высокоскоростной гидродинамической трубе. При определенной скорости течения воды местное давление у поверхности крыла понижается до давления водяного пара. На поверхности крыла появляются кавитационные каверны. Пузыри растут, смещаясь в направлении течения. (Поскольку пузыри образуются возле поверхности крыла, они имеют полусферическую форму.) Такой тип кавитации называется нестационарной (сбегающей) пузырьковой кавитацией. Если на поверхности имеется какой-нибудь выступ, то пузыри концентрируются на нем. Такая стационарная кавитация тоже показана на рис. 2.Кавитация может происходить в зоне вихрей, образующихся в местах повышенного сдвига и пониженного давления. Вихревая кавитация часто наблюдается на передней кромке подводных крыльев, на передних кромках лопастей и позади ступицы гребного винта. Возможно одновременное возникновение разных типов кавитации. На рис. 3 представлен морской гребной винт с вихревой кавитацией на передних кромках лопастей, стационарными кавитационными кавернами на поверхности лопастей и присоединенной вихревой кавитацией позади ступицы. Кавитация в жидкости, вызываемая звуковой волной, называется акустической.Кавитация и техника. Скорость течения обычно сильно снижается у задней кромки профиля. Здесь давление становится выше давления пара. Как только условия, благоприятные для кавитации, исчезают, пузырьки тут же схлопываются. Энергия, высвобождающаяся при схлопывании пузырей, весьма значительна.Эрозия. Большая энергия, рассеиваемая при схлопывании кавитационных пузырей, может приводить к повреждению поверхностей подводных конструкций, гребных винтов, турбин, насосов и даже узлов ядерных реакторов. Масштабы такого явления, называемого гидравлической эрозией, могут быть разными - от точечной поверхностной эрозии после многих лет эксплуатации до катастрофического выхода из строя больших конструкций.Вибрация. Кавитация на гребных винтах может вызывать периодические колебания давления, действующего на корпус судна и силовые установки. Кавитационная вибрация судна создает дискомфортные условия для пассажиров и команды.КПД и скорость. Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Чрезмерная кавитация на гребном винте может уменьшить его тягу и ограничить максимальную скорость судна; кавитация может также быть причиной снижения производительности турбины или насоса и даже срыва его работы.Шум. Некоторая часть энергии, высвобождающейся при схлопывании кавитационных пузырей, преобразуется в звуковые волны. Такой шум особенно нежелателен на военно-морских судах, поскольку повышает вероятность их обнаружения.Как правило, кавитация нежелательна (в морской и турбонасосной технике). Но в некоторых случаях ее вызывают намеренно. Примером может служить кавитационный гидромонитор. Большая энергия, высвобождающаяся при схлопывании кавитационных пузырей в водяной струе, используется для бурения (за счет эрозии) горных пород и для обработки поверхностей.Биологическое действие. При ультразвуковом медицинском обследовании в биологических тканях могут возникать и расти кавитационные пузырьки. При наличии кавитации ультразвук большой интенсивности может вызвать повреждение тканей. См. также ГИДРОАЭРОМЕХАНИКА; ГИДРОЛОКАТОР; УЛЬТРАЗВУК. смотреть
кавита́ция (лат. cavitas (cavitatis) углубление, полость) образование пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью, в результате уменьшения давле. смотреть
Кавитация происходит в любых местах, где в воде создаются зоны низкого давления. Кавитации способствуют резкие изменения давления и турбулентные потоки. Повреждения могут происходить только при контакте воды с поверхностью. Наиболее часто подвергаются кавитации крыльчатки насосов и другие детали котла. Линии сдувки и клапаны также часто подвергаются кавитации. Повреждение крыльчаток насосов чаще происходит со стороны всасывания, клапанов со стороны нагнетания. Конденсатпыс трубопроводы и детали турбин подвергаются кавитации довольно редко.
Кавитация - процесс, при котором в жидкости происходит быстрое образование и схлопывание пузырьков пара. Появлению паровых пузырьков способствуют перепады давления в жидкости. Жидкость фактически вскипает при пониженном давлении. Паровые пузырьки быстро схлопываются, что приводит к образованию микроструй, соударяющихся с поверхностью металла. Повреждение может происходит ь лишь в обычном защитном слое оксида, но в серьезных случаях оно может непосредственно затронуть лежащий под ним металл, физически выбивая менее устойчивые фазы сплава.
Для формирования кавитационных пузырьков требуется энергия. Часть этой энергии расходуется на создание поверхности пузырьков. Поскольку формирование пузырька на готовой поверхности происходит с меньшей затратой энергии, то формирование кавитационных пузырьков на ней облегчается. На движущихся поверхностях или рядом с ними давление может быть самым низким, а турбулентность самой высокой. Кроме того, центрами заро - дышеобразования пузырьков становятся разрывы на поверхности пузырьков.
Долей секунды. Схлопывание каждого пузырька вызывает относительно небольшое повреждение, но в течение тысяч пиктов формирования и схлопыва - ния повреждение накапливается. Как только на поверхности появятся неравномерности, кавитационные разрушения начнут концентрироваться у по-
Важнейшие условия, благоприятствующие кавитации
Кавитацию в насосах часто вызывают слишком большие перепады давления между всасыванием и нагнетанием. Ускоряющей кавитацию причиной
Давления способствует дросселирование на стороне всасывания насоса. Образованию пузырьков может способствовать газ. уносимый через негерме-
Подвергшихся кавитации, может присутствовать (или отсутствовать) слой продуктов коррозии. Однако, если кавитация действовала незадолго до осмотра детали, продукты коррозии будут присутствовать, но в минимальном количестве. Коррозия обычно ускоряет разрушение металла, однако кавитация может действовать и в отсутствие коррозии. Кавитации может подвергнуться даже стекло.
Характернейшей чертой кавитационного повреждения служит его локальность. Износ наиболее серьезен в лопастях крыльчатки насоса по внешнему периметру, где скорость крыльчатки и. по-видимому, турбулентность наиболее высоки (Рис. 18.3). Разрушения наиболее серьезны на задних кромках лопастей, где образуются области низкого давления (Рис.
18.4) . Например, валы насосов могут подвергаться локальной кавитации в тех местах, где поверхности находяться в условиях турбулентности (Рис.
18.5) . Соседние поверхности обычно лишь слегка отшлифованы или почти полностью лишены повреждений. Все кромки, углы и выступы усиливают турбулентность, создают участки зародышеобразования для пузырьков пара и становятся областями предпочтительного повреждения.
Если детали вибрируют, то повреждение может появиться на всех поверхностях, находящихся в контакте с водой. Однако более часты режимы вибрации, когда движение детали осуществляется в одной плоскости, и в этих спу-
Чаях кавитация воздействует на противоположные стороны детали.
Кавитацию работающею насоса иногда можно определить по звукам, которые исходят от него. При активной кавитация они похожи на звуки при ударе камней по металлической поверхности. Однако шум насоса и вибрация обычно маскируют эти звуки.
Повреждения от кавитации могут быть уменьшены путем изменений в конструкции. выбора подходящих сплавов, применения покрытий и/или обработки поверхности. Принципы изменения конструкции направлены на уменьшение турбулентности, вибраций и быстрых изменений давления. Поддержание достаточного давления на выходе, предотвращение утечек в сальниках и дросселирования на стороне наг нетания снижают вероятность повреждения насосов. Шлифовка поверхности крыльчатки и применение покрытий из эластомеров предотвращают повреждения, уменьшая число центров зародышеобразования и. соответственно, поглощая энергию взрывающихся пузырьков.
Повреждения от кавитации похожи на кислотную коррозию. Несмотря на некоторую схожесть с явлениями соударения и эрозии, кавитация приводит к образованию четко отличающихся от них разрушений. Благодаря своеобразным характеристикам этих повреждений микроскопические исследования часто убедительно показывают, что произошла именно кавитация.
См. также главу 7 («Коррозия при низких значениях рН в эксплуатационный период») и главу 17 («Эрозия»),
До тройника Ориентация образца: Горизонтальная
Срок службы, годы: 6
Программа водообработки: Фосфатная Давление в барабане: 1200 фунто/кв. дюйм (8.3 МПа) Характеристики труб: Наружный диаметр 2,5 дюйма (64 мм),
Углеродистая сталь Топливо: Мазут № 6, природный газ
Трубопровода. Близи места соединения трубопровода и тройника образовалось сквозное отверстие (Рис. 18.1). Кавитация ограничивалась губчатыми участками разрушения металла с острыми выступами; окружающие поверхности не подверглись существенным повреждениям.
Разрушение происходило во время проводившейся вручную нродвуки. Продувку проводили част о из-за загрязнения питательной воды в системе до котла.
ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ 18.2
Срок службы, годы: 1
Программа водообработки: Фосфатная
Давление в барабане: 1200 фунт/кв. дюйм (8,3 МПа)
Характеристики труб: Наружный диаметр 10,5 дюйма (270 мм),
7 лопастей, чугун Средство обогрева: Черный щелок
Питательная вола не удовлетворяла требованиям, выполнение которых было пеоб-
Ссрьсзно изношена, и ее лопасти были истерты почти полностью. Износ был ограничен периферийной частью крыльчатки (РисЛ 8.3).
Читайте также: