Практическое руководство компании НАЛКО по анализу причин повреждения котлов Nalco Chemical Company

Кавитация

Места, чаще всего подвергающиеся кавитации

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.

Общие сведения

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.

Предупреждение кавитации

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.

Часто рекомендуют применять твердые, стойкие к кавитации сплавы, в частности нержавеющие стали 18-8. Некоторый успех в борьбе с кавитаци - онными разрушениями уже получен от применения методов плазменного напыления и повышения твердости поверхности.

Меры предосторожности

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.

Сопутствующие проблемы

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).