Кавитационное разрушение (кавитационная эрозия)

Кавитационная эрозия наблюдается при эксплуатации гидротурбин, гребных винтов, насосов, клапанов, запорных устройств в трубопроводах. Она обусловлена нестационарностью потока жидкости, обтекающей твердое тело.

Кавитация (от латинского cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или каверн), заполненных паром. Кавитация бывает разная. Основные условия возникновения, например, гидродинамической кавитации — потоковое перемещение жидкости, перепады давления и вибронагруженность. То есть, все то, что есть в системе охлаждения двигателя. Кавитационные пузырьки отчасти похожи на те, что образуются в жидкости при закипании, но давление в кавитационных пузырьках существенно выше, а температура достигает нескольких сотен градусов по Цельсию. Когда эти пузырьки схлопываются, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Иначе говоря, жидкость, соприкасаясь с металлом, бомбардирует его точечными, но очень сильными ударами. И в итоге — разъедает.

Первоначально происходит прогрессирующее разрыхление материала, приводящее к образованию многочисленных микротрещин. Затем начинается выкрашивание мелких частиц. При определенных условиях кавитационная эрозия может в тысячи и даже сотни тысяч раз превосходить скорость коррозионного разрушения в той же среде. На разрушение деталей при кавитационном действии жидких коррозионных сред большое влияние оказывают состав и структура сплава и скорость потока.

Рис.5 Поверхность гребного винта покрыта «язвами» кавитационной эрозии

Кавитационное разрушение металла может быть чисто механическим, как в экспериментах со стеклом, пластмассой или с металлом в органических жидкостях. Однако разрушение может происходить и под действием механического и химического фак­торов, особенно, когда нарушены защитные пленки и коррозия может идти с высокой скоростью. Но даже в этом случае механи­ческий фактор очевиден: на поверхности металла появляется слой деформированных зерен, как если бы металл был сильно нагартован. Действие же химического фактора можно заметить, например, по увеличенной потере массы металла, если использовать для опытов морскую воду вместо пресной. Существует предположение, что большая потеря массы металла в присутствии коррозионной среды объясняется локаль­ной коррозионной усталостью. Кавитационной эрозии под­вержены роторы насосов, поверхности гребных винтов, лопатки водяных турбин, цилиндры дизельных двигателей, охлаждаемые водой. Поэтому центробежные насосы должны работать при высоких давлениях, чтобы препятствовать образованию пузырь­ков. Что касается турбинных лопаток, то аэрация воды способ­ствует уменьшению разрушений, вызванных схлопыванием пу­зырьков. Эластичные покрытия, такие как неопрен, резина и другие, придают значительную устойчивость к разрушению этого типа. Нержавеющая сталь 18-8 относительно устойчива (рис. 6), поэтому она используется для облицовки лопаток водяных турбин.

Для эффективной защиты от разрушения цилиндров дизель­ных двигателей добавляют в охлаждающую воду 2 г/л хромата натрия.

Рис.6 Устойчивость металла к кавитационной эрозии в лабораторных испытаниях. Вода из Кембриджа, комнатная температура.

Наиболее эффективным способом борьбы с кавитацией является конструктивное изменение геометрии устройства таким образом, чтобы кавитационные явления происходили на удалении от поверхности. Однако это не всегда возможно. В случае, если необходимо защитить от кавитации поверхность рабочих органов наносов, гидротурбин, гребных винтов и других устройств, на помощь приходит газотермическое напыление износостойких коррозионно-стойких металлических и металлокерамических покрытий. Покрытия толщиной от десятков до сотен микрон наносятся на высокой скорости, что позволяет обеспечить высокую плотность и адгезию покрытий к поверхности, а значит — надежно защитить деталь от кавитации. Изделия с антикавитационными металлическими и металлокерамическими покрытиями широко применяются в судостроении, строительстве гидротурбин гидроэлектростанций, производстве центробежных насосов.

Дата добавления: 2015-07-10