Kawitacja zaworów sterujących

Podczas doboru zaworów sterujących często należy zdecydować, czy ważniejszy jest parametr ciśnienia, czy też prędkość przepływu płynów? W środowisku producentów zaworów trwają na ten temat ciągłe dyskusje.
Chociaż w przypadku zaworu sterującego należy brać pod uwagę prędkość płynu w przekroju gniazda zaworu, parametr ten nie opisuje całości zjawisk zachodzących wewnątrz zaworu. Dlatego rozważanie tylko tego parametru może okazać się niewystarczające do rozwiązywania wszystkich problemów, jakie mogą wystąpić w zaworach,a w wielu przypadkach dobór zaworu opierający się na kryterium prędkości przepływu nie jest rozwiązaniem najbardziej ekonomicznym.
Kawitacja
W zaworze sterującym, przez który przepływa czysty płyn, może wystąpić kawitacja, jeśli ciśnienie statyczne przepływającego płynu obniży się poniżej ciśnienia parowania płynu. Wówczas ciągłość przepływu zostaje przerwana poprzez tworzenie się pęcherzyków pary. Ponieważ wszystkie zawory sterujące wykazują jakiś stopień odzysku ciśnienia, ciśnienie końcowe za zaworem jest wyższe niż ciśnienie statyczne w przekroju gniazda. Kiedy ciśnienie za zaworem wzrasta ponad wartość ciśnienia parowania, pęcherzyki pary wracają do płynu. Tę dwuetapową transformację nazywa się kawitacją.

^{Spadek ciśnienia na zaworze, ciśnienie pary oraz współczynnik odzysku ciśnienia to parametry wykorzystywane do określania dławienia krytycznego i kawitacji}
Implozja pęcherzyków pary może powodować lokalne wahania ciśnienia dochodzące nawet do 100 000 psi. Ponadto, podczas kawitacji, z powodu asymetrycznego rozpadania się pęcherzyków, tworzą się mikrostrumienie. Połączenie fali ciśnienia o dużej intensywności oraz uderzeń mikrostrumieni na powierzchnie zaworu może powodować poważne jego uszkodzenia. Uszkodzenia kawitacyjne prowadzą do szybkiego zużywania się grzyba i gniazda zaworu oraz powodują uszkodzenia jego korpusu (patrz: zdjęcie). Może to prowadzić również do zakłóceń w pracy zaworu, powstawanie wibracji, a także stanowić potencjalne zagrożenie dla bezpieczeństwa obsługi. Dlatego konieczne jest poznanie tego zjawiska i zapobieganie mu, szczególnie w przypadku dużych spadków ciśnienia.
Podczas określania warunków kawitacji dla zaworu sterującego, należy brać pod uwagę trzy parametry: ciśnienie wlotowe do zaworu (P1), ciśnienie wylotowe z zaworu (P2) oraz ciśnienie parowania płynu (Pv). Intensywność uszkodzeń spowodowanych kawitacją zależy w dużej mierze od zależności występujących pomiędzy tymi trzema parametrami. Im wyższe są spadki ciśnienia na zaworze (P1-P2) oraz im bardziej wartość Pv zbliżona jest to wartości P2, tym bardziej intensywna kawitacja.
Przerwanie strumienia przepływu
Odzyskiwanie ciśnienia w zaworach jest funkcją zależną od wewnętrznej geometrii zaworu. Ogólnie, im jest bardziej opływowa konstrukcja zaworu, tym jest większy odzysk ciśnienia ? a to w znacznym stopniu zwiększa możliwość wystąpienia kawitacji. Spadek ciśnienia w zaworze, przy którym zaczyna się kawitacja, nazywa się krytycznym spadkiem ciśnienia. Przerwanie strumienia przepływu wystąpi wówczas, jeśli rzeczywisty spadek ciśnienia jest większy niż spadek krytyczny oraz jeśli ciśnienie w przekroju gniazda jest większe od ciśnienia parowania płynu.
Na rysunku 1. podano, wg standardu ISA S75.01 oraz IEC 534-2, zależności funkcyjne dla zaworów sterujących, określające krytyczny spadek ciśnienia w zaworze dla przerwania przepływu. Równania pokazują, że prędkość przepływu nie jest parametrem, jakiego używa się do określania warunków przerwania strumienia przepływu czy też pełnej kawitacji. Natomiast takimi parametrami są: spadek ciśnienia na zaworze, ciśnienie parowania oraz współczynnik odzysku ciśnienia w zaworze.
Metoda sigma

Metoda, która służy do przewidywania kawitacji i uszkodzenia zaworu, znana jest pod nazwą ?metody sigma?. Metoda ta, zalecana przez ISA 75.23, oparta jest na testach laboratoryjnych i danych empirycznych. Ideą metody jest porównanie ?sigma warunków pracy? do ?sigma zaworu?, określonej przez testy laboratoryjne dla danej geometrii uszkodzeń (patrz: rys. 2.).
W metodzie sigma prędkość przepływu płynu nie wykorzystuje się do przewidywania uszkodzeń kawitacyjnych zaworu. Metoda wykorzystuje spadek ciśnienia na zaworze, wielkość zaworu oraz inne parametry charakteryzujące ciśnienie i wymiary zaworu, które określane są podczas testów na zaworach wykonywanych w warunkach laboratoryjnych.
Prędkość płynu
Prędkość płynu oblicza się według zależności podanych na rysunku 3. W przypadku przechodzenia płynów przez wiele otworów prędkość można obliczyć dla każdego otworu oddzielnie na podstawie spadku ciśnienia na danym otworze.
Chociaż prędkość przepływu przez otwory zależy od spadku ciśnienia, nie można na jej podstawie przewidzieć wystąpienia kawitacji czy też uszkodzeń spowodowanych kawitacją, ponieważ nie uwzględnia ona ciśnienia parowania płynu. Innymi słowy, aby przewidzieć kawitację oraz jej szkodliwy wpływ na zawór, konieczne jest obliczenie krytycznego spadku ciśnienia oraz warunków pracy zaworu metodą sigma.
Przykłady
Załóżmy, że analiza prędkości przepływu nie wykazuje problemu kawitacji w zaworze sterującym. Rozważmy różne warunki przepływu wody:

• warunki 1. ? prędkość przepływu 3,4 m³/min, ciśnienie wlotowe 136 atm, ciśnienie wylotowe 34 atm oraz ciśnienie parowania 6,8 . 10-2 atm (ciśnienie absolutne),
• warunki 2. ? prędkość przepływu 3,4 m³/min., ciśnienie wlotowe 34 atm, ciśnienie wylotowe 0,2 atm oraz ciśnienie parowania 6,8 . 10-2

 
^{Te dwa równania: sigma warunków roboczych oraz sigma zaworu ilustrują, że prędkość przepływu płynu nie powinna być wykorzystywana do prognozowania uszkodzeń kawitacyjnych}
Spadek ciśnienia w warunkach 1. (6,8 atm) jest wyższy niż w warunkach 2. (34 atm). Dlatego też, dla utrzymania tej samej prędkości przepływu i uniknięcia uszkodzenia otworów w obu przypadkach, zgodnie z równaniem podanym na rysunku 3., wymagany jest wyższy współczynnik K zaworu (więcej zakrętów lub otworów na drodze przepływu) w warunkach 1.
Jednak to w warunkach 2. występują znacznie poważniejsze uszkodzenia kawitacyjne, ponieważ ciśnienie wyjściowe w warunkach 2. jest zdecydowanie bliższe ciśnieniu parowania niż w warunkach 1.
Oznacza to, że analiza prędkości przepływu nie pozwala przewidzieć uszkodzeń kawitacyjnych, ponieważ prędkość zależy tylko od (P1-P2) i nie uwzględnia ciśnienia pary (Pv) oraz zależności pomiędzy P1, P2 i Pv.
Inny przykład: Zauważmy, że w wielu przypadkach wymaganie małej wartości prędkości wyjściowej, np: 30 m/sek., wynikające z konserwatywnego podejścia, może nie wystarczyć do zabezpieczenia zaworu przed uszkodzeniami kawitacyjnymi. Osiągnięcie tak niskiej prędkości wyjściowej wymaga wielu otworów na drodze przepływu (wielostopniowego dławienia), co może być kosztowne, a z drugiej strony wcale nie musi być konieczne.
W tym przypadku płynem jest woda o temperaturze 38OC oraz prędkości przepływu wynoszącej 0,75 m3/min., ciśnienie wlotowe zaworu wynosi P1 = 54 atm, ciśnienie wylotowe wynosi P2 = 13 atm, ciśnienie pary Pv = 6,8 . 10-2 atm. Rozwiązaniem dla tego przykładu byłoby zastosowanie 2-calowego, jednoetapowego klatkowego zaworu dławiącego z przewierconymi małymi otworami, w którym współczynnik odzysku ciśnienia wynosiłby FL = 0,94.

^{Równanie prędkości przepływu płynu przez otwór, nie może prognozować kawitacji, jeśli nie uwzględnia ciśnienia pary płynu}
Opierając się na równaniu zamieszczonym na rysunku 1., krytyczny spadek ciśnienia wynosi 48 atm, co jest wartością wyższą niż spadek ciśnienia w zaworze równy P1 ? P2 = 41 bar. Wynika z tego, że zjawisko krytycznego spadku ciśnienia i kawitacja nie wystąpią.
Rozważmy teraz metodę sigma. Z równań zamieszczonych na rysunku 2., otrzymuje się: sigma robocze równe 1,35 oraz sigma zaworu równe 1,13. Parametry empiryczne wymagane do obliczenia sigma zaworu zostały określone na podstawie testów 2-calowych zaworów serii 41005, przeprowadzonych w laboratorium przepływu Masoneilan. Sigma robocza jest większa od sigma zaworu; zatem na podstawie metody sigma można również stwierdzić, że zawór nie ulegnie uszkodzeniu na skutek kawitacji.
Z drugiej strony, stosując zależności zamieszczone na rysunku 3. dla K = 1,6 (dla przewierconych otworów), otrzymujemy prędkość wyjściową w tym zaworze równą 72 m/sek ? to jest znacznie więcej niż 30 m/sek wymagane przez niektórych producentów zaworów. Powyższe przykłady pokazują, że metoda krytycznego spadku ciśnienia oraz metoda sigma pozwalają na stwierdzenie, że jednoetapowy zawór może pracować bez narażenia na uszkodzenia kawitacyjne, pomimo faktu że prędkości wyjściowa jest znacznie wyższa niż 100 ft/sek. Ponadto zawór jednostopniowy jest zdecydowanie bardziej ekonomiczny dla danej aplikacji, niż zawory wielostopniowe. ce
Joseph Shahda jest naczelnym inżynierem ds. zaworów, produktów technicznych w firmie Masoneilan. www.masoneilan.com