Czym jest erozja kawitacyjna?
Erozja kawitacyjna jest efektem niszczenia powierzchni i utraty materiału powierzchniowego, głównie w maszynach hydraulicznych i związanych z nimi komponentach. Różnice ciśnień w cieczach o dużej prędkości mogą powodować powstawanie kieszeni parowych lub gazowych, które gwałtownie zapadają się na powierzchni materiału z powodu zmiany ciśnienia w pobliżu powierzchni. Te eksplodujące pęcherzyki gazu, znane również jako mikrodżety, o energii uderzenia rzędu 1000 barów mogą prędzej czy później doprowadzić do uszkodzenia materiału.
Podczas gdy doskonała odporność na korozję stali nierdzewnych doprowadziła do szerokiego komercyjnego zastosowania tych materiałów, słabe zachowanie trybologiczne, zwłaszcza niska odporność na zużycie ścierne / adhezyjne i tendencja do frettingu, uniemożliwiły wykorzystanie tych materiałów w zastosowaniach, w których wymagana jest zarówno odporność na korozję, jak i zużycie. Niskotemperaturowe nawęglanie lub azotonawęglanie oferuje rozwiązanie poprawiające właściwości mechaniczne bez zmiany odporności na korozję. Te termochemiczne procesy dyfuzyjne tworzą metastabilną fazę S węgla lub azotu, unikając jednocześnie wytrącania węglików i azotków, które powodują uczulenie. Ze względu na dodanie dużych stężeń atomów azotu i/lub węgla, na powierzchni powstają wysokie naprężenia ściskające. Te naprężenia ściskające wraz z zajęciem miejsc międzywęzłowych przez atomy azotu i/lub węgla powodują wzrost twardości powierzchni materiału i poprawę właściwości mechanicznych, np. w przypadku S³PKolsterising®.
Co powoduje erozję kawitacyjną?
Kawitacja jest powodowana przez fizyczne i strukturalne warunki cieczy i wywoływana na przykład przez następujące przyczyny:
- wzrost prędkości lokalnej wraz z redukcją ciśnienia do tworzenia się pęcherzyków
- wzrost ciśnienia powyżej temperatury wrzenia cieczy z nagłym zapadnięciem się pęcherzyków pary
- reakcje chemiczne w wyniku oddziaływania tlenu pod wysokim ciśnieniem i w wysokich temperaturach
- Powstawanie pierwiastków w wyniku erozji elektrolitycznej w kwaśnej lub zasadowej wodzie
Co wpływa na erozję kawitacyjną?
- parametry geometryczne (konstrukcyjne) (np. geometria oporów przepływu lub odległość między oporem przepływu a zagrożoną powierzchnią ciała stałego)
- parametry operacyjne (np. ciśnienie robocze i lepkość lub rodzaj płynu pod ciśnieniem)
- parametry specyficzne dla materiału (np. twardość i mikrostruktura deklarowanego materiału)
Jaki jest wpływ erozji kawitacyjnej na wirniki lub obudowy pomp?
- zwiększa się chropowatość ścianek, a tym samym zmniejsza się wydajność hydrauliczna.
- Zmniejszenie grubości ścianki może iść w parze z szorstkowaniem i może zmniejszyć nośność materiału ścianki.
- Większa chropowatość powierzchni może prowadzić do znacznej emisji hałasu.
- mogą wystąpić drastyczne straty ciśnienia i mocy.
- utrata przychodów spowodowana przestojem sprzętu i dodatkowymi kosztami analizy awarii, naprawy i wymiany.
- powodując awarie prowadzące do potencjalnego zagrożenia życia i obrażeń pracowników i innych osób.
Przykład: Różne rodzaje erozji kawitacyjnej
- Kawitacja arkusza zaczyna się na krawędzi śmigła, powodując stacjonarny atak na dużym obszarze.
- Kawitacja pęcherzykowa składa się z zestawu pojedynczych niestabilnych pęcherzyków i zwykle występuje w środkowej części łopaty z powodu nadmiernej krzywizny łopaty śmigła.
Czy można zapobiec kawitacji? Czy skład stopu wpływa na odporność erozyjną na kawitację?
Dostosowania operacyjne:
- zwiększyć ciśnienie cieczy
- unikać temperatur zbliżonych do temperatury wrzenia płynu
- itp.
Adaptacje geometryczne:
- zmniejszenie natężenia przepływu, ponieważ prowadzi to do zmniejszenia prędkości przepływu, a tym samym do lokalnego wzrostu ciśnienia
- używać profili z cienkimi ostrzami
- wybrać małe kąty natarcia łopatek
- unikanie nagłych odchyleń przepływu
- zaokrąglić krawędź natarcia
- itp.
Adaptacje materiałów:
- Zastosowanie materiałów stopowych, które są generalnie bardziej odporne na ścieranie/erozję w celu osiągnięcia wyższej twardości bazowej. Jednak stopowanie twardszych pierwiastków (np. Si) często wiąże się ze zmniejszoną ciągliwością.
Inne możliwości: Utwardzanie powierzchni za pomocą Kolsterising®
W jaki sposób Kolsterising® może pomóc w zapobieganiu erozji kawitacyjnej?
We wszystkich formach kawitacji stopień usuwania materiału zawsze zależy od odporności powierzchni materiału. Im twardszy jest materiał, ale nie jest kruchy, tym bardziej jest odporny, dlatego wybór materiałów odgrywa decydującą rolę. Austenityczne lub dupleksowe stale nierdzewne są stosunkowo odporne, ale często stosuje się powłoki, na przykład pancerze stellitowe, aby osiągnąć jeszcze wyższą odporność. Ze względu na konieczne przeróbki i stosunkowo kosztowne procesy, metoda ta jest raczej rozwiązaniem dla produktów niszowych.
Low temperature carburizing or nitrocarburizing offers an alternative solution to enhance the cavitation resistance without using expensive coatings while the corrosion resistance is maintained. These thermo-chemical diffusion processes (<500°C) form meta-stable carbon or nitrogen S-phase without forming carbides and nitrides precipitation that causes sensitization. Due to the addition of large concentrations of nitrogen and/or carbon atoms, high compressive stresses are formed at the surface. These compressive stresses along with occupation of the interstitial sites by nitrogen and/or carbon atoms cause an increase in the surface hardness of the material and improved cavitation erosion resistance and other mechanical properties. Particularly due to the high ductility in connection with very high residual compressive stresses, the impact of bladder implosion – typical for cavitation – can be greatly reduced. Thus cavitation erosion is very clearly minimized for many applications and stainless steels materials, or almost completely avoided.
Kolejną zaletą utworzonych stref dyfuzyjnych jest brak odprysków i rozwarstwień, znanych z powłok. Jest to decydująca zaleta w porównaniu z powłokami stellitowymi lub ceramicznymi. Niskie temperatury procesu oznaczają również, że w gotowych komponentach nie występują zmiany wymiarowe, a zatem nie jest wymagana ponowna obróbka. Wszystkie rodzaje powłok mają również tę wadę, że nie jest możliwa obróbka złożonych konturów, ponieważ powierzchnie te nie mogą być odpowiednio pokryte. W przypadku procesówS³P możliwe jest uzyskanie wewnętrznych konturów, podcięć, a nawet najmniejszych otworów.