Kawitacja elementów układu przepływowego pomp wodociągowych

Adam Koziej, Andrzej Weroński Kawitacja elementów układu przepływowego pomp wodociągowych WPROWADZENIE W kraju użytkuje się dziesiątki tysięcy pompowni wodociągowych szacuje się, że rocznie budowanych lub modernizowanych jest ponad tysiąc pompowni. Efektem postępu, jaki się dokonał, jest często kilkakrotne zmniejszenie zarówno kosztów inwestycyjnych jak i eksploatacyjnych, przy jednoczesnej istotnej poprawie niezawodności działania [1]. O całkowitych kosztach pompowania określanych jako koszty w cyklu życia agregatu pompowego, decydują koszty eksploatacyjne, w szczególności zaś koszty energii elektrycznej. Stanowią one dla pompowni wodociągowych ok. 80 % całkowitych kosztów, ponoszonych w czasie kilkunastoletniej eksploatacji. Naturalne jest dążenie konstruktorów i projektantów do zmniejszania energochłonności pompowania, przy zachowaniu wymaganej niezawodności działania. Prawidłowy dobór urządzenia oraz jego eksploatacja, w tym proces remontowy, w decydujący sposób wpływa na całkowite koszty eksploatacji układu pompowego [1, 2]. Pod pojęciem kawitacji rozumiemy zespół zjawisk polegający na powstawaniu pęcherzyków parowo-gazowych w strumieniu cieczy, w obszarze obniżonego ciśnienia i zanikaniu ich po przemieszczeniu do obszaru wyższego ciśnienia [3]. Tworzenie się pęcherzyków kawitacyjnych następuje wówczas, gdy ciśnienie cieczy obniża się do wartości równej lub bliskiej ciśnieniu pary nasyconej p v cieczy w danej temperaturze. W rzeczywistości zjawisko kawitacji pojawia się przy ciśnieniu krytycznym p cav, które różni się od prężności pary nasyconej cieczy. Różnice między ciśnieniami p v i p cav zależą głównie od rodzaju cieczy oraz od stopnia jej czystości [4, 5]. Pęcherzyki kawitacyjne w początkowym okresie zwiększają swoją objętość i w postaci smugi lub obłoku przemieszczają się wraz ze strumieniem cieczy. Na powierzchni sferycznej pęcherzyka występuje równowaga sił, siły naporu działającej z zewnątrz oraz siły napięcia powierzchniowego cieczy. W momencie wzrostu ciśnienia otaczającej cieczy równowaga sił zostaje zachwiana, ciecz wnika do pęcherzyka przez miejscowe uszkodzenie powierzchni strumieniem o dużej prędkości i energii. Jeśli to ma miejsce w pobliżu powierzchni, strumień przebija pęcherzyk na wskroś i uderza w materiał. Następuje naruszenie struktury warstwy wierzchniej materiału, na którego powierzchni widoczne są charakterystyczne kratery o ostrych krawędziach (rys. 1). Implozje kolejnych pęcherzyków parowo-gazowych generują fale ciśnienia, które występując w pobliżu ścianek kanału przepływowego wirnika obciążają je, wywołując proces zmęczenia materiału. Długotrwałe obciążenie zmęczeniowe ścianki kanału powoduje jej uszkodzenie i zniszczenie. Zjawisko takie nazywamy erozją kawitacyjną. Należy podkreślić fakt, że kawitacja jest w eksploatacji zjawiskiem szkodliwym nie tylko ze względu na erozję kawitacyjną, istotny jest także jej wpływ na charakterystyki i sprawność pompy [3, 6]. Ze względu na sposób powstawania pęcherzyków parowo-gazowych wyróżniamy: kawitację przepływową, wirową oraz wibracyjną. W czasie eksploatacji pomp wirowych dominującymi zjawiskami są kawitacja przepływowa i wirowa. Kawitacja przepływowa powodowana jest spadkiem ciśnienia w przewężeniu kanału przepływowego, a następnie jego wzrostem wraz ze wzrostem przekro- Mgr inż. Adam Koziej (a.koziej@pollub.pl), prof. dr hab. inż. Andrzej Weroński Wydział Mechaniczny, Politechnika Lubelska Rys. 1. Erozja kawitacyjna na powierzchni kanału przepływowego wirnika pompy po eksploatacji na stacji wodociągowej Fig. 1. Cavitation erosion process on the impeller-flow channel surface after exploitation on the water-supply station ju. Kawitację wirową powoduje natomiast spadek ciśnienia w jądrze wiru, a następnie jego wzrost na skutek zwolnienia krążenia cieczy [3, 6]. Spowodowana kawitacja wibracyjna może występować na cylindrach silników spalinowych chłodzonych cieczą oraz w gniazdach zaworów [7]. Zużyciu kawitacyjnemu w pompach wirowych podlegają elementy układu przepływowego. Wpływa to na obniżenie sprawności pompy, a w efekcie na zwiększenie energochłonności agregatu pompowego. Powoduje to wzrost kosztów eksploatacji oraz niekorzystnie rzutuje na warunki pracy układu pompowego, np. zwiększenie poziomu drgań. Eliminacja lub zmniejszenie zjawiska kawitacji w dziedzinie przepływów dotyczy: ulepszania elementów przepływowych, np. wirników pomp, elementów armatury itp., z uwzględnieniem zamian konstrukcyjnych oraz materiałowych; zapewnienia pompom (układom pompowym) korzystnych warunków eksploatacji, np. przez zwiększenie rozporządzalnej nadwyżki antykawitacyjnej. Wielkość nadwyżki antykawitacyjnej oznaczanej NPSH określa się jako sumę wysokości ciśnienia i prędkości pośrodku przekroju wlotowego króćca ssawnego ponad wysokość ciśnienia parowania cieczy [5]. CHARAKTERYSTYKA PROCESU ZUŻYCIA KAWITACYJNEGO UKŁADU PRZEPŁYWOWEGO POMP WIROWYCH Zjawisko kawitacji w pompach wirowych występuje w obszarze wlotu wirnika. Krawędź wlotowa każdej łopatki porusza się z dużą prędkością, powodując znaczny lokalny spadek ciśnienia cieczy dopływającej do kanałów wirnika. Występują tu miejscowe opory przepływu oraz przyspieszony wzrost prędkości. Skutkiem może być lokalne obniżenie ciśnienia do wartości ciśnienia krytycznego, wówczas występuje odparowanie cieczy. Pęcherzyki przemieszczają się wewnątrz kanału w obszar podwyższonego ciśnienia, gdzie następuje implozja. W początkowym stadium kawitacji pękanie 920 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXVIII

pęcherzyków parowo-gazowych kończy się w obrębie wirnika. Jeżeli kawitacja jest w pełni rozwinięta, to przeważająca liczba pęcherzyków imploduje w wirniku, a reszta unoszona jest poza obręb wirnika do kierownicy łopatkowej, a nawet do następnego stopnia pompy. Tam następuje implozja pęcherzyków kawitacyjnych i tworzenie wżerów kawitacyjnych. Opisanemu procesowi towarzyszą zjawiska mające charakter dynamiczny zakłócenie pracy pompy związane ze zmianami jej wydajności, wzrost poziomu hałasu oraz drgań, a w szczególności intensywne niszczenie powierzchni elementów [9, 10]. Zlokalizowanie wżerów i ubytków w obszarze wlotowym wirnika pompy wskazuje na umiejscowienie źródła powstawania pęcherzyków parowo-gazowych w rurociągu ssawnym. Pęcherzyki przemieszczają się w obszar wlotowy wirnika, gdzie następuje lokalny wzrost prędkości cieczy wraz ze zmianą kierunku oraz jej zawirowanie. Następuje dynamiczny spadek ciśnienia, co może spowodować początek kawitacji, a w konsekwencji niszczenie krawędzi wlotowych łopatek wirnika oraz kanałów przepływowych (rys. 2) [11]. Warstwa wierzchnia zniszczona oddziaływaniem kawitacji charakteryzuje się obecnością głębokich wżerów, zlokalizowanych w szczególności w obszarach występowania mniej odpornych składników struktury, np. grafitu w żeliwie szarym. Nieregularne ukształtowanie powierzchni uszkodzonej kawitacyjne jest charakterystyczne dla tego rodzaju zużycia. Istotny wpływ na kształt powierzchni zniszczonej w wyniku kawitacji mają także korozja oraz erozja (rys. 3). O kawitacji występującej w pompie mogą świadczyć: a) b) Rys. 2. Zużyte krawędzie wlotowe łopatek wirnika pompy niskiego ciśnienia typu 25A32 po eksploatacji na stacji wodociągowej Fig. 2. Damage on the impeller inlet value edge of low-pressure pump type 25A32 after exploitation on the water-supply station Łopatki wirnika i kierownicy oraz powierzchnie wewnętrzne ścianek ograniczających ciecz przepływającą przez wnętrze pomp, stanowią układ przepływowy pompy. W przypadku pomp niszczenie elementów konstrukcyjnych części przepływowych i przewodów może być spowodowane: erozją, wywołaną głównie cząstkami stałymi w przepływającej cieczy, korozją, spowodowaną własnościami fizykochemicznymi cieczy i materiału pompy, kawitacją, wynikającą ze spadku ciśnienia poniżej ciśnienia krytycznego przy danej temperaturze [11]. Dominującym może być jeden z wymienionych procesów. Rodzaje uszkodzeń można rozróżnić na podstawie obserwacji makroskopowej uszkodzonych obszarów oraz ich umiejscowienia. Strefy uszkodzone wskutek działania kawitacji przesunięte są nieco względem miejsca tworzenia się pęcherzy kawitacyjnych, w kierunku przepływu cieczy roboczej. Uszkodzenia wywołane kawitacją występują nie tylko na łopatkach, ale także na ściankach bocznych wirnika. Miejsca najniższego ciśnienia znajdują się na tylnej ściance łopatki w pobliżu krawędzi wlotowej. W obszarze tym następuje przyśpieszony wzrost prędkości przepływu, co sprzyja powstawaniu zjawiska kawitacji. Uszkodzenia spowodowane erozją kawitacyjną możemy zaobserwować także na korpusach ssących i korpusach tłocznych pomp. Powstają one najczęściej wskutek niewłaściwego doboru urządzenia, niewystarczającej wysokości napływu, zbyt dużej wysokości ssania, bądź uszkodzenia układu hydraulicznego, [10, 12, 13]. c) Rys. 3. Przykłady mikrostruktury powierzchni zniszczonej kawitacyjnie: a) kierownicy łopatkowej pompy (materiał Zl200); b) kanału przepływowego wirnika (materiał L250); c) grzybka zaworu zwrotnego (materiał MK80) Fig. 3. Examples of the microstructures cavitation damage surface: a) guiding case (material Zl200); impeller flow channel (material L250); non-return valve element (material MK80) NR 6/2007 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 921

zwiększony hałas i drgania powodowane znacznymi pulsacjami ciśnień; obniżenie sprawności pompy, zwłaszcza wysokości podnoszenia, a nawet zerwanie ciągłości strugi i spadek wydajności; zniszczenia spowodowane erozją kawitacyjną, świadczące o występowaniu kawitacji w dostatecznie długim czasie [8]. BADANIA ZUŻYCIA KAWITACYJNEGO ELEMENTÓW Eksperyment polegał na poddawaniu materiału niszczącemu działaniu kawitacji, wywołanej za pomocą urządzenia rotacyjnego, oraz pomiarze ubytków masy i pola powierzchni zerodowanej w określonych odstępach czasu. Urządzenie badawcze składało się z silnika elektrycznego napędzającego za pośrednictwem przekładni pasowej krążek, obracający się w cylindrycznym korpusie wypełnionym wodą. Elementem czynnym urządzenia rotacyjnego był krążek o średnicy 140 mm i grubości 6 mm. Krążek wirował w cylindrycznym korpusie o średnicy 145 mm i szerokości 32 mm. Pomiędzy krążkiem a ściankami korpusu istniała szczelina. Na skutek działania sił adhezji podczas obrotu krążka tworzył się obszar cieczy wirującej wraz z krążkiem. Przyczyną powodującą zaburzenie przepływu (lokalny spadek ciśnienia cieczy) i powstanie kawitacji był przelotowy otwór, wykonany równolegle do osi krążka. Linie prądu cieczy wytwarzane przez urządzenie rotacyjne zbliżone były do rzeczywistych warunków przepływu wirujących maszyn wodnych. Schemat tarczy wraz z wymiarami i rozmieszczeniem próbek oraz kawitatorów przedstawiono na rysunku 4. Tabela 1. Skład chemiczny i gęstośc stopów aluminium PA6 do przeróbki platycznej (wg PN-79/H-88026) Table 1. Chemical composition and density of PA6 alloy to plastic alternation (according to PN-79/H-88026) PA6 Cecha stopu Skład chemiczny % (reszta aluminium)* Cu Mg Mn Gęstość, g/cm 3 3,8 4,8 0,4 1,0 0,4 1,0 2,8 * maksymalna ilość zanieczyszczeń 0,15 % Tabela 2. Wybrane parametry fizyko-chemiczne wody wodociągowej Table 2. Chosen physical and chemical parameters of tap water Odczyn ph 7,1 Żelazo ogólne 0,07 mg/l Chlorki 27 mg/l Azotany 6,4 mg/l Siarczany 37 mg/l Twardość ogólna 380 mgcaco 3 /l 2 godziny w celu wyznaczenia czasów inkubacji i inicjacji do 10 godziny włącznie. Następnie czas trwania jednego cyklu badawczego wynosił 4 godziny. Po zakończeniu jednego cyklu badawczego wymieniano ciecz i przeprowadzano pomiar ubytku masy próbki oraz powierzchni zerodowanej. Wznowienie badań następowało po godzinnej przerwie, związanej z czynnościami pomiarowymi oraz operacją napełniania oraz kontroli stanu technicznego urządzenia. Łączny czas próby wynosił 50 godz. (3000 min). OMÓWIENIE WYNIKÓW BADAŃ I WNIOSKI Na podstawie wyników badań sporządzono krzywe erozji całkowitej V = f (t ) (rys. 5 i 6) oraz krzywe średniej głębokości erozji g śr = f (t ) (MDP) (rys. 7 i 8) dla badanych materiałów [14, 16, 17]. Rys. 4. Wirująca tarcza urządzenia badawczego Fig. 4. Rotating disc facility Próbkę przed zamontowaniem w gnieździe krążka szlifowano na papierach ściernych do numeru 800 włącznie, a następnie polerowano mechanicznie na tarczy polerskiej zawiesiną tlenku glinu lub pastą diamentową. Próbkę umieszczono w gnieździe w ten sposób, aby zgadzały się znaczniki na jej powierzchni i na powierzchni tarczy. Dobór materiałów do badań został przeprowadzony na podstawie danych krajowych producentów pomp wirowych dotyczących tworzyw konstrukcyjnych, a w szczególności materiałów stosowanych na elementy układu przepływowego pomp, np. żeliwo szare i mosiądz krzemowy. Jako materiał wzorcowy przyjęto stop aluminium do obróbki plastycznej. Próbki oznaczono odpowiednio: 11 i 12 materiał badany PA6, którego skład chemiczny podano w tabeli 1 oraz 13 i 14 materiał badany Zl200 żeliwo szare o strukturze perlityczno-ferrytycznej według normy PN-92/H-83101 o gęstości 7,1 g/cm 3. Ciecz stanowiła woda wodociągowa o temperaturze 10 C, której wybrane parametry fizykochemiczne przedstawiono w tabeli 2. Podczas rozruchu urządzenia temperatura kontrolowana była co 10 min. Pomiary w początkowej fazie testu wykonywano, co Rys. 5. Przebieg krzywej erozji całkowitej V w funkcji czasu t. Materiał badany stop PA6 Fig. 5. Cumulative volume loss curve. Testing material PA6 alloy Rys. 6. Przebieg krzywej erozji całkowitej V w funkcji czasu t. Materiał badany żeliwo szare Zl200 Fig. 6. Cumulative volume loss curve. Testing material grey cast iron Zl200 922 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXVIII

a) Rys. 7. Przebieg średniej głębokości erozji kawitacyjnej g er w funkcji czasu t. Próbka 11, materiał PA Fig. 7. Mean depth of cavitation erosion penetration curve. Specimen 11, material PA6 alloy b) Rys. 8. Przebieg średniej głębokości erozji kawitacyjnej g er w funkcji czasu t. Próbka 13, materiał ZL200 Fig. 8. Mean depth of cavitation erosion penetration curve. Specimen 13, material Zl200 Pole powierzchni zerodowanej A er wyznaczono za pomocą komputerowej analizy obrazu. Wyliczając parametr g śr posługiwano się zależnością: m g er = ρ m A er gdzie: Δm całkowity ubytek masowy materiału, ρ m gęstość materiału, A er pole powierzchni zerodowanej. c) PODSUMOWANIE Odporność na zużycie kawitacyjne elementów układu przepływowego pomp wodociągowych jest zależna od struktury materiału. Powstające wżery kawitacyjne znajdują się na całej powierzchni próbki bądź zlokalizowane są w pobliżu rys i wad, występujących na powierzchni próbki w ogniskach. Najczęściej są to rysy lub wady materiałowe. Proces zużycia kawitacyjnego przebiega w trzech fazach: fazie inicjacji, charakteryzującej się małym przyrostem ubytku objętości materiału; fazie ustalonego niszczenia, gdzie przyrost ubytku jest stały oraz fazie końcowej, gdzie szybkość ubytku materiału zmniejsza się. W początkowej fazie zjawiska obserwowana jest szybka penetracja zniszczeń w głąb warstwy wierzchniej materiału (rys. 5 i 6), następnie proces ulega stabilizacji i przyrost głębokości jest nieznaczny. Można założyć, że przyczyną zjawiska jest ubytek objętości elementów struktury o mniejszej odporności na kawitację. Na podstawie uzyskanych wyników można sformułować wniosek, iż odporność materiałów stosowanych w konstrukcjach układu przepływowego pomp wodociągowych zależy od struktury materiału, a także od jego warunków pracy. W rozpatrywanym przypadku jest to woda wodociągowa o podanych parametrach. Ważne jest jednak wzajemne oddziaływanie pomiędzy procesami korozyjnymi Rys. 9. Powierzchnia zniszczona kawitacyjnie czas ekspozycji: a) 1200 min, b) 2400 min, c) 3600 min. Urządzenie badawcze z wirującą tarczą, materiał żeliwo szare Zl200 Fig. 9. Cavitation damage on the surface test time: a) 1200 min, b) 2400 min, c) 3600 min. Rotating disc facility, material grey cast iron Zl200 i erozyjnymi a zużyciem kawitacyjnym. Przy doborze materiału konstrukcyjnego należy uwzględniać jego własności mechaniczne, korozyjne oraz odporność na erozję (powodowaną cząstkami stałymi). NR 6/2007 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 923

LITERATURA [1] Bagieński J.: Pompownie systemów wodociągowych i kanalizacyjnych współczesność i perspektywy. Materiały konferencyjne X Forum użytkowników pomp, 14-15 Października 2004, Słok k/bełchatowa, s. 15-23 [2] Koziej A.: Gospodarka głębinowymi agregatami pompowymi w MPWiK Sp. z o.o. w Lublinie. Materiały konferencyjne X Forum użytkowników pomp, 14-15 Października 2004, Słok k/bełchatowa, s. 191-197 [3] Świtalski P.: Słownik Pomp i Pompowni Kawitacja. Pompy Pompownie, Wrocław 1997, nr 4 (54), s. 9-10 [4] Łazarkiewicz S., Troskolański T.: Pompy wirowe. Warszawa 1973, Wydawnictwo WNT [5] Polska norma PN-81/M-44001: Pompy wirowe i ich układy. Wielkości charakterystyczne. Nazwy, określenia, symbole i jednostki miar [6] Gűlich J. F.: Selection criteria for suction impellers of centrifugal pumps. World Pumps, January 2001, p. 28-34 [7] Korczak A.: Kawitacja i erozja kawitacyjna w pompie wirowej. Pompy Pompownie, Wrocław 1999, nr 4 (78), s. 22-24 [8] Wojtyna M.: Energetyczne aspekty kawitacji. Pompy Pompownie, Wrocław 2005, nr 1 (116), s. 33-36 [9] Jędral W.: Pompy wirowe. Warszawa 2001, Wydawnictwo PWN [10] Koziej A.: Proces erozji kawitacyjnej elementów układu przepływowego pomp wirowych. Materiały konferencyjne II Sympozjum Doktoranckie Współczesne technologie w budowie maszyn, Kazimierz Dolny 2003, s. 15-19 LITERATURA [11] Bagieński J.: Kawitacja w urządzeniach wodociągowych i ciepłowniczych. Poznań 1998, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej [12] Koziej A.: Zużycie kawitacyjne elementów układu przepływowego poziomych zespołów pompowych niskiego ciśnienia na przykładzie stacji wodociągowej. Eksploatacja i niezawodność, PNTTE Warszawa 2004, nr 2 (22)/2004, s 32-36 [13] Koziej A.: Zjawisko kawitacji w pompach wirowych. Materiały konferencyjne pod redakcją Leszka Gardyńskiego, Inżynierowie nowej ery wobec problemów technologii i materiałów, Lublin 2004, s. 120-125 [14] Steller J.: Ocena odporności kawitacyjnej materiałów konstrukcyjnych w świetle wyników Międzynarodowego Kawitacyjnego Testu Erozyjnego. Materiały Konferencyjne HYDROFORUM 2000 Hydrauliczne maszyny wirnikowe w energetyce wodnej i innych działach gospodarki, Czorsztyn 2000, s. 614-626 [15] Polska norma PN-86/H-04427: Erozja kawitacyjna. Badanie odporności materiałów metodą wibracyjną [16] Thiruvengadam A.: Scaling laws for Cavitation erosion. Non-steady flow of water at high speeds, Proceedings of the IUTAM symposium held in Leningrad, 22-26 June 1971, NAUKA Publishing House Moscow 1973, p. 405-425 [17] Kwok C. T., Man H. C., Cheng F. T.: Cavitation erosion and damage mechanisms of alloys with duplex structures. Materials Science and Engineering A242 (1998), p. 108-120 924 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXVIII