Dlaczego przepustnica jest podatna na kawitację?

Podatność nazawory motylkowekawitacja jest ściśle powiązana z ich charakterystyką strukturalną, charakterystyką dynamiki płynów i warunkami pracy. Konkretne powody są następujące:

1. Konstrukcja przepustnicy powoduje powstawanie lokalnych obszarów niżu

Elementami otwierającymi i zamykającymi przepustnic są płytki motylkowe w kształcie dysku. Podczas obracania w celu otwarcia płyn musi przepływać wokół krawędzi płytki motylkowej. Za płytą motylkową (po stronie odpływowej) utworzy się lokalna strefa niskiego ciśnienia. Gdy ciśnienie płynu spadnie poniżej ciśnienia pary nasyconej, rozpuszczone w cieczy gazy wytrącą się i utworzą pęcherzyki, co jest początkowym etapem kawitacji.

Typowy scenariusz: W warunkach dużej różnicy ciśnień lub przepływu wody z dużą prędkością prędkość przepływu na krawędzi płyty motylkowej gwałtownie wzrasta. Zgodnie z zasadą Bernoulliego wzrost prędkości przepływu prowadzi do spadku ciśnienia, co dodatkowo nasila powstawanie obszarów niżowych i stwarza warunki do kawitacji.

2. Wpływ turbulencji płynu i zapadnięcia się pęcherzyków

Kiedy płyn przenosi pęcherzyki do strefy wysokiego ciśnienia (takiej jak rurociągi znajdujące się poniżejzawory motylkowe), pęcherzyki szybko się zapadną, tworząc mikrostrumienie uderzające w powierzchnię metalu. Częstotliwość tego uderzenia jest niezwykle wysoka (do kilkudziesięciu tysięcy razy na sekundę), powodując stopniowe wżery i łuszczenie się powierzchni metalu, ostatecznie niszcząc powierzchnię uszczelniającą.

Dane dodatkowe: Eksperymenty wykazały, że siła uderzenia generowana przez zapadnięcie się pęcherzyka może osiągnąć kilkaset megapaskali, znacznie przekraczając wytrzymałość zmęczeniową zwykłych materiałów metalowych i stanowi podstawowy mechanizm uszkodzeń kawitacyjnych.

3. Właściwości regulacyjne przepustnic zwiększają ryzyko kawitacji

Zawory motylkowe są powszechnie stosowane do regulacji przepływu, ale gdy otwór jest mały (<15°~20°), ciecz przepływa przez wąską szczelinę pomiędzy płytką motylkową a gniazdem zaworu, powodując gwałtowny wzrost prędkości przepływu, dalsze zmniejszenie ciśnienia i znaczne zwiększenie ryzyka kawitacji.

Przypadek inżynieryjny: Jeśli przepustnica na zaworze wlotowym lub oczyszczalni ścieków elektrowni wodnej znajduje się przez dłuższy czas w stanie regulacji małego otwarcia, za płytą zaworu szybko pojawią się wgłębienia kawitacyjne, powodując uszkodzenie uszczelnienia i konieczność częstej wymiany płyty zaworu lub pierścienia uszczelniającego.

4. Wpływ charakterystyki medium i warunków pracy

Medium zawierające cząstki: Jeżeli płyn zawiera twarde cząstki, takie jak osad i tlenki metali, mikrostrumień generowany przez kawitację będzie przenosił cząstki i uderzały w powierzchnię uszczelniającą, tworząc kompozytowe uszkodzenie w postaci „erozji kawitacyjnej” i przyspieszając awarię.

Wysoka temperatura lub media żrące: Wysoka temperatura może zmniejszyć napięcie powierzchniowe cieczy i sprzyjać tworzeniu się pęcherzyków; Media korozyjne mogą osłabiać właściwości antykawitacyjne materiałów metalowych, a podwójny efekt pogłębia awarie przepustnic.

5. Ograniczenia typów i konstrukcji przepustnic

Pojedyncza przepustnica mimośrodowa/środkowa: Należy wziąć pod uwagę kierunek przepływu wody (płytka zaworu skierowana w dół). Odwrotna instalacja pogorszy stabilność pola przepływu i zwiększy ryzyko kawitacji.

Pionowy montaż rurociągu: Ciężar własny płyty zaworu może powodować nierównomierne naprężenia na powierzchni uszczelniającej, co powoduje miejscowe obniżenie ciśnienia i indukowanie kawitacji.

Miękko uszczelniony zawór motylkowy: Gumowe pierścienie uszczelniające są podatne na łuszczenie się i uszkodzenia pod wpływem kawitacji, choć są twardezawory motylkowe, choć odporne na erozję, mają wyższe koszty i ograniczone zastosowania.