Kavitácia patrí medzi javy, ktoré môžu v potrubných systémoch dlho zostať nepovšimnuté. Prevádzka začne byť hlučnejšia, objavia sa vibrácie, regulačný ventil sa správa nestabilne a po čase sa pri kontrole ukáže poškodenie povrchu ventilu, obežného kolesa čerpadla alebo ďalších častí technológie.
Nejde pritom iba o nepríjemný hluk. Dlhodobá kavitácia môže viesť k erózii materiálu, zhoršeniu regulačných vlastností, poškodeniu zariadení a v konečnom dôsledku aj k neplánovanej odstávke.
Aby sme jej dokázali predchádzať, musíme najskôr pochopiť, čo sa v kvapaline pri kavitácii skutočne deje.
Čo je kavitácia?
Kavitácia vzniká v kvapaline vtedy, keď lokálny statický tlak klesne na alebo pod tlak nasýtených pár kvapaliny pri danej teplote.
Kvapalina sa v danom mieste začne lokálne odparovať a vytvárajú sa malé parné dutiny alebo bubliny.
Keď sa kvapalina následne dostane do oblasti s vyšším tlakom, parné bubliny veľmi rýchlo skolabujú.
Práve tento kolaps je problém.
Pri implózii bublín vznikajú lokálne tlakové impulzy a mikroprúdy, ktoré môžu pri opakovanom pôsobení poškodzovať povrch kovových častí.
Výsledkom môže byť charakteristická kavitačná erózia.
Kde kavitácia najčastejšie vzniká?
Kavitácia môže vzniknúť všade tam, kde dochádza k výraznému lokálnemu poklesu tlaku kvapaliny.
Typickými miestami sú:
- regulačné ventily,
- čerpadlá,
- škrtiace prvky,
- clony,
- zúženia potrubia,
- miesta s vysokou rýchlosťou prúdenia,
- nevhodne navrhnuté potrubné úseky.
V priemyselnej praxi sa s ňou veľmi často stretávame práve pri regulačných ventiloch a odstredivých čerpadlách.
Prečo vzniká kavitácia na regulačnom ventile?
Regulačný ventil vytvára riadený tlakový spád.
Kvapalina pri prechode zúženým miestom ventilu zrýchľuje a jej statický tlak klesá. Najnižší tlak vzniká v oblasti označovanej ako vena contracta.
Ak tlak v tomto mieste klesne pod tlak nasýtených pár média, časť kvapaliny sa začne odparovať a vzniknú parné bubliny.
Za zúžením sa tlak opäť čiastočne obnoví.
Ak vystúpi dostatočne vysoko nad tlak nasýtených pár, vytvorené bubliny skolabujú.
Ak sa tento proces opakuje nepretržite, povrch vnútorných častí ventilu môže byť vystavený veľmi intenzívnemu namáhaniu.
Kavitácia a flashing nie sú to isté
Tieto dva javy sa často zamieňajú.
Pri kavitácii tlak najskôr klesne pod tlak nasýtených pár, vzniknú parné bubliny a následne sa tlak obnoví natoľko, že bubliny skolabujú.
Pri flashingu zostáva tlak za regulačným prvkom dostatočne nízky na to, aby časť média zostala v plynnej fáze.
Rozdiel je dôležitý aj pri návrhu technického riešenia.
Kavitáciu sa snažíme obmedziť tak, aby sa zabránilo vzniku alebo deštruktívnemu kolapsu bublín. Flashing si často vyžaduje zariadenie a materiály navrhnuté na dlhodobé dvojfázové prúdenie a erózne namáhanie.
Ako kavitáciu rozpoznať?
Jedným z prvých príznakov býva neobvyklý hluk.
Obsluha ho môže opisovať ako:
- praskanie,
- chrastenie,
- šumenie,
- zvuk pripomínajúci kamienky alebo štrk prúdiaci potrubím.
Samotný hluk však nestačí na jednoznačnú diagnostiku.
Vibrácie
Kolaps veľkého množstva bublín môže vyvolávať vibrácie ventilu a potrubia.
Dlhodobé vibrácie následne namáhajú:
- potrubné spoje,
- príruby,
- tesnenia,
- držiaky,
- snímače,
- kabeláž a ďalšie príslušenstvo.
Nestabilná regulácia
Pri výraznej kavitácii môže byť ovplyvnené aj správanie regulačného ventilu.
Procesná hodnota môže kolísať a regulácia nemusí reagovať tak stabilne, ako sa očakáva.
Poškodenie povrchu
Veľmi typickým znakom je erózne poškodenie kovových povrchov.
Materiál môže vyzerať, akoby bol pokrytý množstvom drobných jamiek alebo kráterov.
Pri dlhodobej prevádzke môže poškodenie postupovať až k výraznému úbytku materiálu.
Čo ovplyvňuje riziko vzniku kavitácie?
Kavitácia nie je daná iba jedným parametrom.
Rozhodujúca je kombinácia viacerých prevádzkových podmienok.
Tlak pred zariadením
Vyšší vstupný tlak môže pri veľkom tlakovom spáde vytvoriť náročnejšie podmienky na regulačnom prvku.
Tlak za zariadením
Ak je tlak za ventilom príliš nízky, zvyšuje sa riziko, že lokálny tlak vo vnútri ventilu dosiahne tlak nasýtených pár.
Teplota média
Tlak nasýtených pár výrazne závisí od teploty.
S rastúcou teplotou kvapaliny spravidla rastie aj jej tlak nasýtených pár, a preto môže byť pri rovnakých tlakových podmienkach riziko kavitácie vyššie.
Veľkosť tlakového spádu
Čím väčší tlak musí regulačný prvok zredukovať, tým náročnejšie môžu byť podmienky vo vnútri zariadenia.
Konštrukcia ventilu
Rozhoduje geometria ventilu, jeho regulačný prvok, spôsob vedenia prúdu a schopnosť rozdeliť tlakový spád.
Dva ventily rovnakej DN preto nemusia mať pri rovnakých podmienkach rovnakú odolnosť proti kavitácii.
Kavitácia pri čerpadlách
Pri čerpadlách vzniká kavitácia najčastejšie na sacej strane, keď tlak kvapaliny pri vstupe do obežného kolesa klesne príliš nízko.
Dôležitým parametrom je v tomto prípade NPSH – Net Positive Suction Head.
V praxi sa porovnáva:
- NPSH dostupné v systéme (NPSHa),
- NPSH požadované čerpadlom (NPSHr).
Pre spoľahlivú prevádzku musí mať systém dostatočnú rezervu medzi dostupným a požadovaným NPSH podľa návrhových požiadaviek výrobcu čerpadla a konkrétnej aplikácie.
K problémom môže prispieť napríklad:
- príliš veľká sacia výška,
- vysoká teplota kvapaliny,
- zanesený filter,
- nevhodne dimenzované sacie potrubie,
- veľké tlakové straty,
- nevhodný pracovný bod čerpadla.
Čo môže dlhodobá kavitácia poškodiť?
Následky sa nemusia obmedziť iba na ventil alebo čerpadlo.
Dlhodobá kavitácia môže negatívne ovplyvniť celý potrubný systém.
Ohrozené môžu byť:
- regulačné ventily,
- sedlá a kuželky ventilov,
- obežné kolesá čerpadiel,
- telesá čerpadiel,
- potrubie,
- tesnenia,
- prírubové spoje,
- snímače a meracia technika,
- potrubné podpery.
Postupné poškodzovanie môže zároveň meniť charakteristiku zariadenia a tým ovplyvniť celý technologický proces.
Ako kavitácii predchádzať?
Najlepším riešením je zohľadniť riziko kavitácie už pri návrhu technológie.
Správne dimenzovanie regulačného ventilu
Regulačný ventil by nemal byť vyberaný iba podľa DN potrubia.
Pri sizingu je potrebné poznať minimálne:
- médium,
- prietok,
- vstupný tlak,
- výstupný tlak,
- teplotu,
- hustotu a ďalšie vlastnosti média,
- prevádzkové minimum, normálny bod a maximum.
Na základe týchto údajov možno posúdiť pracovný bod ventilu a riziko kavitácie.
Rozdelenie tlakového spádu
Ak je potrebné redukovať veľmi veľký tlakový rozdiel, vhodným riešením môže byť jeho rozdelenie do viacerých stupňov.
Namiesto jedného prudkého poklesu tlaku sa energia média odoberá postupne.
Na tomto princípe pracujú aj niektoré špeciálne antikavitačné konštrukcie regulačných ventilov.
Správny pracovný bod čerpadla
Čerpadlo by malo pracovať v oblasti, pre ktorú bolo navrhnuté.
Treba zároveň zabezpečiť vhodné podmienky na sacej strane a dostatočnú NPSH rezervu.
Obmedzenie tlakových strát na saní
Pri sacom potrubí čerpadla treba minimalizovať zbytočné tlakové straty.
Pomôcť môže:
- vhodný priemer potrubia,
- kratšia trasa,
- obmedzenie zbytočných tvaroviek,
- čisté filtre,
- správne dimenzované armatúry.
Vhodné materiály
Ak sa kavitácii nedá úplne zabrániť, možno použiť materiály a povrchové úpravy s vyššou odolnosťou proti erózii.
To však rieši predovšetkým následky. Ak je to možné, prioritou by malo byť odstránenie alebo obmedzenie príčiny kavitácie.
Prečo nestačí vymeniť poškodený ventil?
Ak sa ventil po krátkom čase prevádzky opakovane poškodzuje kavitáciou, samotná výmena za rovnaký typ problém pravdepodobne nevyrieši.
Najskôr treba zistiť:
- aký tlak je pred ventilom,
- aký tlak je za ventilom,
- aký je skutočný prietok,
- aká je teplota média,
- v akej polohe ventil najčastejšie pracuje,
- či bol ventil správne nadimenzovaný.
Problém totiž nemusí byť v kvalite ventilu.
Môže ísť o nesprávne navrhnutý pracovný bod alebo nevhodne zvolenú konštrukciu pre dané podmienky.
Zapamätajte si
Kavitácia vzniká, keď lokálny tlak kvapaliny klesne na alebo pod tlak jej nasýtených pár a následne dôjde k obnoveniu tlaku a kolapsu vzniknutých parných bublín.
Charakteristickými prejavmi sú hluk, vibrácie, nestabilná prevádzka a erózne poškodenie materiálu.
Pri riešení problému preto nestačí iba vymeniť poškodenú armatúru. Potrebné je analyzovať tlakové pomery, prietok, teplotu, pracovný bod a samotný návrh zariadenia.
Záver
Kavitácia môže výrazne skrátiť životnosť regulačných ventilov, čerpadiel a ďalších komponentov potrubného systému. Zároveň môže spôsobovať hluk, vibrácie, nestabilnú reguláciu a v pokročilom štádiu aj vážne poškodenie zariadení.
Najefektívnejšou ochranou je správny návrh technológie – vhodné dimenzovanie regulačných ventilov a čerpadiel, kontrola tlakových pomerov a zohľadnenie vlastností média ešte pred uvedením systému do prevádzky.
Spoločnosť REFLOW SK dodáva regulačné armatúry, meraciu techniku a riešenia pre priemyselné aplikácie a pomáha zákazníkom s výberom a návrhom zariadení podľa konkrétnych prevádzkových podmienok.