Использование полимерной защиты рабочих поверхностей насоса от кавитационной эрозии

В насосных системах можно выделить области или пространства с повышенной интенсивностью возмущений потока жидкости, которые вызваны столкновением набегающего потока с таким препятствием, как передняя кромка рабочей поверхности: лопатки насоса, гидротурбина, гребной винт судна и т.п.

Струя, сталкиваясь с препятствием, вызывает замедление потока и, как следствие, понижение давления в этом пространстве. Падение давления настолько велико, что вызывает начало фазового превращения, т.е. образование зародышей (пузырьков) водяного пара и это является началом явления кавитации.

Механизм кавитации

По способу образования пузырьки в процессе кавитации могут иметь следующие виды:

• паровые: генерируются в условиях давления, близкого к давлению насыщения (испарения) жидкости при данной температуре. Пузырь заполнен преимущественно парами данной жидкости;
• газообразные: образуются в результате диффузии газа из жидкости в кавитационные пузырьки;
• гидродинамические: возникают в результате падения статического давления в жидкости ниже критического давления. Это уменьшение может быть вызвано локальным увеличением скорости потока или изменением внешних условий;
• вибрационные: возникают в результате локального перепада давления под воздействием акустической волны, распространяющейся в жидкости.

С учетом приведенного перечня различают несколько видов кавитации, но самое главное касается динамики процесса, точнее, воздействия на поверхности элементов, находящихся в кавитационной среде. После инициирования пузырек растет до тех пор, пока не достигнет определенных критических размеров, затем начинает схлопываться, и в конце коллапса взрывается.

Механическим воздействиям имплозии подвергаются неподвижные элементы конструкции турбомашины, расположенные в непосредственной близости от явления. Усилия, действующие на поверхность в результате имплозии, могут достигать 103 МПа и более – уровень, превышающий предел текучести большинства металлов и конструкционных сплавов, и именно по этой причине наблюдается постепенный, но систематический отрыв частиц поверхностного материала. Этот механизм называется кавитационной эрозией, что, очевидно, является нежелательным процессом с точки зрения долговечности эродирующей поверхности.

Почему образуется такая большая сила, способная вызвать разрушительные напряжения в поверхности (поверхностном слое) металлов?

Во-первых, воздействие, обусловленное природой явления кавитации, т.е. циклической последовательностью событий, т.е. зарождением, ростом, коллапсом и схлопыванием пузырьков и вызывает эффекты усталостного изнашивания, а во-вторых - что, по сути, является основным генератором разрушительной силы, давление имплозии хоть и кратковременное, но достигает огромных величин от нескольких сотен до нескольких тысяч мегапаскалей!

Само схлопывание одиночного пузыря длится очень недолго, всего 2-3 мкс, и является завершающей фазой процесса кавитационного коллапса пузырька. Жидкость практически сразу вытекает в «пустые места» с огромной скоростью 100-200, вплоть до 500 м/с. Ранее объем пузырька (до его схлопывания) увеличился на несколько порядков, а затем давление внутри может снизиться до высоковакуумной области, т.е. упасть на шесть порядков до уровня 10^-7МПа. Когда перепад давления становится слишком большим, чтобы поддерживать пузырь, он начинает разрушаться.

Кавитационная эрозия

Кавитация — явление, вызванное изменением давления в жидкости, заключающееся в зарождении, росте и исчезновении пузырьков, содержащих пары данной жидкости, растворенные в ней газы или пароводяную смесь. Этот процесс вызывает кавитационную эрозию из-за взрыва пузырьков вблизи или непосредственно на поверхности эродирующего материала.

Эффекты кавитационной эрозии наблюдались уже в конце XIX века на водяных турбинах и судовых гребных винтах, но в то время кавитационные повреждения поверхности еще трактовались как последствия специфической коррозии.

Конечно, в действительности такие явления, как коррозия и кавитация, происходят одновременно и могут даже «подгонять» друг друга. Кавитация, например, генерирует ток силой в несколько миллиампер, источником которого могут быть механические напряжения в поверхностном слое металла, что в свою очередь инициирует коррозионные (электрохимические) процессы.

С другой стороны, продукты коррозии изменяют структуру поверхности и легко проникают в жидкость, представляя собой загрязнение твердыми частицами. Неровности поверхности и загрязнение частиц могут вызвать зарождение кавитационных пузырьков в потоке.

Таким образом, мы имеем дело с зонами, в которых повреждение поверхности явно вызвано кавитацией, зонами с преобладанием коррозионного воздействия и зонами смешанного износа. Интенсивность и характер зарождения пузырьков на границе раздела жидкость/твердое тело также зависят от свободной энергии (или поверхностного натяжения) поверхности твердого тела.

Гладкие поверхности с низкой свободной энергией, близкой к свободной энергии жидкости (для воды она составляет примерно 70 мДж/м² при 20°С), т.е. гидрофобные поверхности, способствуют снижению вероятности образования кавитационных пузырьков, что, в свою очередь, приводит к ослаблению интенсивность эрозии.

Гладкость, гидрофобность и подверженность гидродинамическим воздействиям волны, вызванной имплозией, являются особенностями поверхности, оказывающими непосредственное влияние на эрозионную прочность строительных материалов.

Полимерные покрытия как защита от кавитационной эрозии

Одним из способов повышения эрозионной стойкости поверхности является использование для ее защиты специальных композиционных покрытий на полимерной основе. Полимеры представляют собой группы высокомолекулярных молекул (макромолекул), в которых основной единицей является мер. Меры — это группы одинаковых атомов, соединенных многократно.

Самое интересное, что длина макромолекулы во много раз превышает ее диаметр, что дает большую свободу в изменении положения звеньев в пространстве при сохранении стабильность структуры. Это свойство является причиной гибкости макромолекул и композитов на их основе.

Гибкость (которой не обладают металлы, в том числе специальные сплавы для кавитации) – особенность композиционных покрытий, является основной причиной релаксационного механизма деформации, что в сочетании с гидрофобностью способствует увеличению эрозионной прочности в кавитационной среде.