یکی از صداهایی که برای کارکنان بخش موتورخانه یا اپراتورهای خطوط مهم است، صدای عبور سنگریزه از داخل لوله است این صدا با لرزشهای کم در بدنه شیرهای صنعتی یا پمپ اولین علامت برای پدیدهای به نام کاویتاسیون یا حفرهزایی است. پدیدهای که میتواند قطعات داخلی یک شیر را دچار خوردگیهای عمیق کند.
کاویتاسیون چیست و چگونه ایجاد میشود؟
برای درک ساده این پدیده باید به یک فرایند فیزیکی ساده در لوله و جریان سیال اشاره کرد و آن هم تغییرات فشار و سرعت جریان مایع درون لولهها است. وقتی یک سیال از مسیری کوچک (تنگ) عبور میکند، سرعت حرکت مایع افزایش پیدا میکند و طبق قوانین مکانیک سیالات، بالارفتن سرعت سیال باعث کاهش فشار استاتیک مایع میشود.
اگر این افت فشار ادامه پیدا کند و به عددی کمتر از فشار بخار مایع در همان دما برسد، مایع شروع به جوشش میکند. در این حالت حبابهای ریز بخار در سیال تشکیل میشوند.
با عبور سیال و خارجشدن از مسیر تنگ با عریض شدن مسیر مجدد سرعتکاهش یافته و فشار بالا میرود حبابهای بخاری که چند لحظه قبل تشکیل شده بودند، حالا وارد منطقهای با فشار بالا شدهاند. این حبابها تحمل فشار جدید را ندارند و ناگهان در خود فرومیریزند.
به این فروپاشی ناگهانی، انفجار داخلی یا Implosion میگویند. فروپاشی حبابها یک میعان ساده نیست. وقتی حباب فرومیریزد، باریکههای فوقالعاده متراکمی از مایع به نام مایکرو جت تشکیل میشوند.
این ضربات خردکننده با سرعتی بالاتر از سرعت صوت به سطوح فلزی مجاور برخورد میکنند. تکرار میلیونی این ضربات در ثانیه، دیواره فلز را خسته کرده و تکهتکه از آن جدا میکند.
کاویتاسیون در شیرآلات کنترلی و فشارشکن
مجموعهای از شیرآلات صنعتی و کنترلی باهدف Throttling و تنظیم جریان بهویژه در خطوط فشارقوی استفاده میشود و این به این معنا است که این تجهیزات بر اساس کنترل فشار سیال و جریان عبوری طراحی شدهاند.
یکی از سری تجهیزات کنترل سیال که بیش از همه در معرض این آسیب هستند شیرهای فشارشکن و شیرهای کنترلی هست چرا که وظیفه اصلی آنها ایجاد کنترل روی فشار سیال است.
مجموعه دیگری از ولوهای صنعتی مانند شیر توپی فلنج دار و شیر پروانهای اگر در حالت نیمهباز برای مدت طولانی باشند به دلیل ایجاد تلاطم در خروجی مستعد این پدیده هستند.
از کجا تشخیص دهیم کاویتاسیون رخداده است؟
خوردگی کاویتاسیون همیشه در چشم نیست و معمولاً داخل بدنه اتفاق میافتد. برای تشخیص آن بدون باز کردن قطعات، میتوان به این موارد دقت کرد:
• صدای شنپاشی یا برخورد سنگریزه به بدنه شیر و پمپ.
• لرزشهای مداوم با فرکانس بالا در خط لوله.
• افت غیرمعمول دبی خروجی، درحالیکه شیر کنترلی در درصد بازشو بالا قرار دارد پدیده Choked Flow
• کاهش ارتفاع پمپزنی در پمپهای سانتریفیوژ نسبت به منحنی عملکرد استاندارد کارخانه.
روشهای پیشگیری و مهار کاویتاسیون
مهندسان پاپینگ و شیرآلات صنعتی برای رفع این مشکل در سیستمهای تأسیساتی و صنعتی، چند راهکار ارائه دادهاند که بر اساس شرایط پروژه انتخاب میشوند:
اصلاح لولهکشی ورودی پمپها
افزایش قطر لوله مکش، کمکردن طول لوله، حذف زانوهای متوالی و افت ارتفاع مخزن نسبت به پمپ، فشار ورودی را بالا برده و جلوی جوشش مایع را میگیرد.
تقسیم افت فشار به چند مرحله
اگر در یک نقطه به کاهش فشار زیادی نیاز است، نباید تمام افت فشار را روی یک شیر قرارداد. استفاده از دو شیر بهصورت سری، افت فشار کلی را خرد میکند تا در هیچ منطقهای فشار از فشار بخار مایع پایینتر نیاید.
استفاده از شیرآلات کنترلی با تریم چندمرحلهای
در شیرهای کنترلی پیشرفته، مجرای داخلی (Cage) طوری طراحی میشود که سیال از مسیرهای پرپیچوخم یا دیوارههای سوراخدار عبور کند. این کار افت فشار را مرحلهبهمرحله اعمال کرده و حبابهای احتمالی را به مرکز جریان هدایت میکند تا موقع فروپاشی با دیواره بدنه شیر برخورد نداشته باشند.
در استاندارد ISA-75.01 افت فشار مجاز شیرها بر اساس ضریب بازیافت فشار (FL) محاسبه میشود تا قبل از خرید شیر، احتمال کاویتاسیون سنجیده شود. در صورت نیاز به بررسی ویژگیهای تریمهای استاندارد در شیرهای کنترلی و برقی، بررسی این ضریب در دیتاشیت تجهیز الزامی است.
انتخاب متریال مقاوم برای قطعات داخلی
اگر شرایط فرایند طوری است که حذف کامل افت فشار امکانپذیر نیست، باید اجزای داخلی شیر (سیت و پلاگ) یا پروانه پمپ از متریالهای سخت ساخته شوند.
آلیاژهای استیل ۳۱۶ و ۴۱۰ نسبت به چدن و برنج مقاومت بیشتری در برابر ضربه دارند. در شرایط سختتر، سختکاری سطحی قطعات با آلیاژ استلیت (Stellite) روی فولاد، طول عمر قطعه را در برابر ضربات مایکرو جت افزایش میدهد.
برای تجهیزاتی مثل شیرآلات فشار شکن که مدام در معرض افت فشار قرار دارند، استفاده از تریمهای سختکاری شده هدررفت قطعات را کاهش میدهد.
فرق کاویتاسیون با فلشینگ (Flashing) چیست؟
خیلی از افراد در گزارشهای فنی، کاویتاسیون را با فلشینگ اشتباه میگیرند. هر دو پدیده با افت فشار سیال به زیر فشار بخار شروع میشوند، اما یک تفاوت ساختاری در سرنوشت فشار خروجی دارند:
در کاویتاسیون، فشار سیال پس از افت اولیه، دوباره بالا میرود و به بالای فشار بخار میرسد. در نتیجه حبابها منفجر شده و به فلز آسیب میزنند. سیال خروجی از تجهیز، دوباره به شکل کاملاً مایع درمیآید.
در فلشینگ، فشار خروجی پمپ یا شیر همچنان پایینتر از فشار بخار باقی میماند. حبابها از بین نمیروند و سیال بهصورت مخلوط دوفازی (مایع و بخار) از تجهیز خارج میشود. آسیب فلشینگ بهصورت سایش یکدست در اثر سرعت بالای بخار است، نه چکشخواری ناشی از انفجار حباب.
نتیجه گیری
مهار کاویتاسیون نیاز به تغییر کل سیستم ندارد؛ بلکه با یک محاسبه سادهروی فشار کاری، دمای سیال و انتخاب درست تجهیزات حل میشود.
پیش از انتخاب شیر کنترلی یا پمپ، ابتدا مشخصات نقطهکاری از جمله فشار ورودی، فشار خروجی، دمای سیال و فشار بخار آن را ثبت کنید.
بررسی این مقادیر و تطبیق آن با ضریب بازیافت فشار تجهیز، مشخص میکند که آیا سیستم در محدوده خطر قرار دارد یا خیر. انتخاب متریال مقاوم و اصلاح هندسه مسیر عبور سیال، هزینههای تعویض مکرر قطعات در اثر کاویتاسیون را حذف میکند.
❓ سوالات متداول
کاویتاسیون در تمام مایعات صنعتی از جمله روغن، سوخت، اسیدها و سیالات شیمیایی رخ میدهد. تنها تفاوت در فشار بخار ($P_v$) آنهاست. هرچه فشار بخار یک مایع در دمای کاری بالاتر باشد (مانند بنزین یا مایعات فرار)، مایع سریعتر به نقطه جوشش موضعی میرسد و احتمال بروز کاویتاسیون در آن بیشتر است.
چطور میتوان بدون باز کردن شیر یا پمپ، کاویتاسیون را از خوردگی شیمیایی (Corrosion) تشخیص داد؟
خوردگی شیمیایی معمولاً سطح فلز را بهصورت یکنواخت یا با تغییر رنگ تغییر میدهد. اما کاویتاسیون یک آسیب مکانیکی است که سطحی کاملاً متخلخل، عمیق و شبیه به اسفنج (Pitting) ایجاد میکند. همچنین وجود صدای شنپاشی و ارتعاش با فرکانس بالا حین کارکرد تجهیز، نشانه قطعی کاویتاسیون است.
خیر، در اکثر موارد مشکل را بدتر میکند. وقتی شیر کنترلی بزرگتر از حد نیاز انتخاب شود، برای تنظیم دبی مجبور است در درصدهای بازشو بسیار پایین (مثلاً زیر ۱۵ تا ۲۰ درصد) کار کند. این کار باعث ایجاد یک شکاف بسیار تنگ بین سیت و پلاگ، افزایش شدید سرعت سیال و در نتیجه افت فشار ناگهانی و کاویتاسیون شدیدتر میشود.