مطالعه کاویتاسیون و فلشینگ در کنترل ولوها و روش های کنترل تخریب ناشی از آنها

معرفی لاگ های تصویری و کاربردهای آن ها
آذر ۴, ۱۳۹۶
بررسی مزایای عملیاتی و اقتصادی دبی سنج چند فازی نسبت به جداساز چندفازی رایج در صنایع نفت و گاز
آذر ۴, ۱۳۹۶

مطالعه کاویتاسیون و فلشینگ در کنترل ولوها و روش های کنترل تخریب ناشی از آنها

مقدمه

کاویتاسیون، تشکیل و ترکیدن حباب هایی در مایع است که دربرگیرنده بخار یا گاز هستند. در کل، کاویتاسیون از کاهش فشار استاتیک در مایع تشکیل می شود و از جوشیدن که با افزایش دمای مایع  همراه است قابل تشخیص است. البته یافتن تمایز روشن میان کاویتاسیون و جوشش در وضعیت های خاص ممکن است مشکل باشد. برای این که یک سطح جامد به واسطه پدیده ی کاویتاسیون دچار خوردگی شود لازم است که حباب ها روی سطح و یا نزدیک آن بترکند.

کاویتاسیون در توربین های هیدرولیک ، روی پروانه پمپ ها و کشتی ها و سطوح  در تماس با مایعات پرسرعت و یا سطوح در معرض تغییرا ت فشار ، رخ می دهد. ظاهر کاویتاسیون شبیه خوردگی حفره ای است و این حفره ها در کاویتاسیون خیلی خشن ترند و ناحیه متاثر از کاویتاسیون (در صورتی که بتازگی بوجود آمده باشند) عاری از رسوبات و اثرات خوردگی است.

شکل۱، فرآیند کاویتاسیون را به سادگی شرح می دهد. شکل a1 مخزنی محتوی مایع را نشان می دهد که با یک پیستون هوابندی شده است.  وقتی پیستون کشیده می شود (شکل b1) یک خلاء جزئی بالای مایع ایجاد می شود که باعث ایجاد و رشد حبابهای بخار در مایع می شود. در اصل مایع بدون افزایش دما می جوشد.

اگر پیستون به سمت سطح مایع فشار داده شود (شکل c1) فشار مایع افزایش می یابد و حباب ها فشرده شده و می ترکند. در یک مایع تحت کاویتاسیون این سه مرحله طی چند میلی ثانیه بوقوع می پیوندند. همان گونه که در شکل d1 نشان داده شده است با انفجار یک حباب بخار ، یک اژدر میکروسکوپی آب به وجود می آیدکه با سرعت ۱۰۰ تا ۵۰۰m/s  پرتاب شده و به سطح فلزی ضربه می زند و لایه های سطحی محافظ را می کند و یا به صورت موضعی موجب تغییر شکل فلز می گردد. لذا سطوح تازه در معرض خوردگی و خوردگی مجدد قرار می گیرند وکاویتاسیون بیشتری رخ می دهد. این آسیب بارها و بارها تکرار می شود.

 

شکل۱ –  نمایش شماتیکی کاویتاسیون با یک استوانه محتوی سیال و پیستون

                                                            

جهت  کنترل یا به حداقل رساندن کاویتاسیون می توان طراحی سیستم را بهبود داد، اختلاف فشار هیدرودینامیک  را به حداقل رساند ، مواد سخت تر و مقاوم تر به خوردگی استفاده نمود ، تمام سطوح فلزی بحرانی، صاف و عاری از اعوجاج  باشد و یا از پوشش های ارتجاعی نظیر لاستیک و برخی پلاستیک ها استفاده شود. توضیحات تکمیلی در بخش های بعدی ارائه شده است.[۱]

جدول،۱ مقاومت نسبی به کاویتاسیون در فلزات وآلیاژهای مختلف نسبت به آب تازه و آب دریا را نشان می دهد.

 جدول۱- مقاومت فلزات و آلیاژها برابر آسیب کاویتاسیون در تست لرزش در ۲۵درجه سانتیگراد [۲]

  1. کاویتاسیون و فلشینگ در کنترل ولو ها
    • جریان خفه (Choked flow)

معادله سایزینگ سیال بیان می دارد‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ که نرخ جریان مایع در کنترل ولو با جذر افت فشار متناسب است. این رابطه ساده در قسمت سبز رنگ نمودار شکل۲ نشان داده شده است (مقیاس محور افقی جذر افت فشار است) این رابطه خطی همیشه صدق نمی‌کند. در حالتی که افت فشار افزایش یافته ولی جریان سیال اضافه نمی شود  پدیده ای بنام خفگی اتفاق می افتد . در این حالت  افزایش بیشتر افت فشار در ولو منجر به افزایش جریان نمی گردد و گفته می شود جریان خفه شده است. ما این افت فشار محدودکننده یا خفه کننده را افت فشار نهایی(ΔpT) می‌گوییم (که گاهی افت فشار مجاز Δpallowableیا افت فشار ماکزیمم ΔpMax یا افت فشار بحرانی ΔpCrit. گفته می شود.)

سوال این است : چه اتفاقی باعث خفگی جریان می شود ؟ وقتی جریانی که از تنگه ی ونا vena contracta  (منطقه‌ای که سطح مقطع جریان در آن حداقل می گردد ) می گذرد به حداکثر سرعت خود می رسد. طبق قانون بقای انرژی چون انرژی جنبشی در تنگه ی  ونا به حداکثر مقدار خود می رسد، انرژی پتانسیل در شکل فشار استاتیکی باید به یک حداقل برسد (شکل۳). توجه کنید که در شکل، Δp از ΔpT کمتر است و جریان خفه نیست.

با افزایش افت فشار درون ولو ، جریان سیال نیز زیاد می شود و با افزایش سرعت و کاهش فشاردر تنگه ی ونا همراه است. اگر فشار تنگه ی ونا کمتر از فشار بخار مایع شود حباب های بخار در تنگه ی ونا تشکیل می شوند. چون بخار حجم بیشتری از مایع دارد حباب های بخار، تنگه ی ونا را پر می کنند و کاهش بیشتر در فشار پایین دستی به راحتی باعث بزرگ تر شدن حباب ها می شود اما جریان افزایش نمی یابد. لذا شکل گیری حباب ها در تنگه ی ونا سبب خفه شدن جریان         می شود.

  • کاویتاسیون

     شکل ۴ ، فرایند خفه شدن طی کاویتاسیون را تشریح می کند. در این شکل، Δp از ΔpT بزرگ تر است و جریان خفه می شود.

شکل۴- نمودار سرعت و فشار در یک شیر کنترلی با جریان خفه و کاویتاسیون

وقتی که حباب ها به سمت پایین جریان می روند، سطح جریان بصورت مقطعی افزایش و سرعت جریان کاهش یافته و فشار بالا می رود در این حال، حباب هایی با فشار داخلی معادل فشار بخار احاطه شده با یک فشار بالاتر وجود دارند. لذا حباب ها با هم یکی می شوند و این اختلاط حباب ها و تشکیل جریان خفه همراه با ترکیدن حباب های پایین دستی، کاویتاسیون نامیده می شود. هنگام ترکیدن حباب ها صدای پپ پپ تولید می شود در نتیجه صدایی شبیه سنگ ریزه در شیر شنیده می شود.این صدا می تواند آن قدر بلند باشد که آزاردهنده گردد و به شنوایی شخصی که مدت طولانی در معرض آن قرار می گیرد آسیب برساند.

همچنین وقتی حباب ها می ترکند امواجی ایجاد می کنند که می تواند صدمه جدی به شیر بزند. ظاهر تخریب ناشی از کاویتاسیون به رنگ خاکستری و خشن به نظر می‌رسد (در سمت راست شکل ۴ شکل پلاگ در یک گلوب ولو مشاهده می شود.) این آسیب خیلی سریع وگاهی در چند هفته یا ماه رخ می‌دهد. لذا باید هرچه سریعتر به مقابله با آن پرداخته شود. استفاده از مواد خیلی سخت اوضاع را بهتر می کنند اما معمولا میزان بهبود عملکرد، جبران هزینه بالا را نمی کند.

 

۱٫۳٫فلشینگ(Flashing)
اگر کاهش فشار پایین دستی ادامه یابد به نقطه ای می رسیم که فشار پایین دستی شیر، کمتر از فشار بخار مایع می شود. لذا حباب ها به جای ترکیدن بزرگ تر می شوند و خیلی زود الگوی جریان از حالت مایع حاوی حباب بخار به حالت بخار دارای قطرات ریز مایع تبدیل می شود، این پدیده فلشینگ نامیده می شود. ظاهر فلشینگ کاملا متفاوت از کاویتاسیون است و به شکل رودها و دره های  یکنواخت و درخشان در می آید (در سمت راست شکل۵، تصویر یک پلاگ شیر گلوب را می بینید) صدمه به صورت اثر سند بلاست است.

در پایین دست تنگه ی ونای جریان ، حجم زیادی از بخار با قطرات ریز فراوان مایع وجود دارد که به دلیل افزایش زیاد حجم  هنگام تبخیر مایع ، سرعت سیال در آنجا به صدها فوت در ثانیه افزایش می یابد و سرعت بالای

شکل- ۵ نمودار سرعت و فشار در یک شیر کنترلی با جریان خفه و فلشینگ

قطرات مایع می تواند باعث خوردگی قطعات ولو شود. فلشینگ معمولا به سرعتی که کاویتاسیون رخ می دهد پیش نمی آید معمولا استفاده از مواد سخت یا مقاوم به سایش ، این عیب را کاهش میدهد. قطعات trim که از جنس فولادهای زنگ نزن سخت ، نظیر ۱۷-۴PH ساخته شده اند کاملا برای این منظور مناسبند و بدنه هایی که از جنس ۳۱۶ss یا کروم مولیبدن ساخته شده باشند از فولاد کربنی خیلی بهتر خواهند بود.

     انتخاب ولو، موجد یا حذف کننده فلشینگ نیست و وجود شرایط و سیستم حاکم بر سیال ( p2کمتر از PV) فلشینگ را تحمیل می کند.

   نویز ایجاد شده توسط فلشینگ معمولا زیر ۸۵dBA است و با دانش نویسنده روشی برای محاسبه آن وجود ندارد.

  • حالت واقعی

شکل۲ و توضیحات همراه آن درباره جریان خفه ی کلاسیک است و انتقال ناگهانی جریان غیر خفه به کاملا خفه را نشان میدهد. در حقیقت در مسیر افت فشار و زیر مقادیر محاسبه شده ΔpT معمولا مقداری حباب بخار و کاویتاسیون وجود دارد. شکل ۶  انتقال جریان غیر خفه به کاملا خفه در حالت واقعی را نشان می دهد.

شکل ۶-  انتقال واقعی میان جریان غیرخفه و خفه

  • جلوگیری از کاویتاسیون و آسیب های آن با توجه به فاکتورFL

    مقدار ΔpT  تابعی است از حالات فرآیند ( p1 فشار بالادستی ولو و Pv فشار بخار مایع ) و هندسه داخلی ولو که با فاکتور تجربی بازیابی فشار مایع  FL  نمایش داده می شود. نمونه هایی از مقادیر FL در شکل ۷ مشاهده می شود.

FL  تابعی از نوع ولو و درصد باز شدن آن می باشد همچنین ولو هایی که FL بالاتری داشته باشند پتانسیل کمتری برای کاویتاسیون خواهند داشت.

شکل ۷ مقادیر نمونه از فاکتور بازیابی فشار مایع FL

روش های متعددی برای افزایش ΔpT و نتیجتا کاهش پتانسیل کاویتاسیون و نویز و صدمات همراه آن وجود دارد.که بصورت خلاصه با برخی از آنها اشاره می شود.

  • مقدارP1 را می توان با ثابت نگه داشتن Δp و انتقال شیر به موقعیت بالادستی یا به مکانی با ارتفاع پایین تر، افزایش داد.
  • با نصب ولو در جایی مانند قسمت سرد یک مبدل حرارتی که دمای مایع پایین تری دارد، می توان فشار بخار را کاهش داد.
  • می توان از نوع ولو با FL بالاتر استفاده کرد.البته با افزایش FL قیمت ولو نیز زیاد می شود. انواع ولو مقاوم به کاویتاسیون با مقادیر بالاتر FL در شکل۷ وجود دارند.

    چون نویز و آسیب ناشی از کاویتاسیون قبل از رسیدن به ΔpT  شروع می شود لذا برای جلوگیری از صدمات ، می توان از قاعده قبلی برای جلوگیری از عبور Δp از ΔpT استفاده کرد.

    روش مطمئن تر برای جلوگیری از صدمات کاویتاسیون در کنترل ولوها مطابق نظر یکی از سازندگان مهم کنترل ولو ، خودداری از کاربرد ولو در جاهایی است که نویز محاسبه شده از محدوده های تجربی فراتر می رود. چون نویز و تخریب، هر دو با یک چیز و آن هم ترکیدن حباب های بخار ایجاد می شوند، این روش می تواند موثر باشد. تجربه این سازنده نشان می دهد ولوهای ۳ اینچ و کوچکتر، در صورتی که سطح فشار صوتSPL ( براساس لوله  SCH40 که عایق کاری نشده است) از ۸۰ dBA  تجاوز نکند ، کمترین آسیب ها را از کاویتاسیون خواهند خورد. این محدوده نویز برای ولوهای ۴ و ۶ اینچ تا ۸۵ dBA و برای ولوهای ۸ اینچ و بزرگ تر تا ۹۰ dBA  می تواند افزایش یابد. برخی از سازندگان Globe  ولو در جاهایی که افت فشار Δp در ولو  بیشتر از ΔpT نیست، اجازه کاربرد ولوهایشان را می دهند در حالی که برخی دیگر با رویکردی محافظه کارانه توصیه می کنند که Δp واقعی که از ΔpT کمتر است ، محدود به افت فشار توصیه شده ی چند سازنده گردد.]۳[

  1. حفاظت کنترل ولو ها در برابر آسیب کاویتاسیون و فلشینگ

    به طورکلی، سازندگان ولو یک یا چند راهبرد طراحی را برای حفاظت در برابر اثرات فلشینگ و کاویتاسیون استفاده می کنند. این استراتژی ها را می توان در سه دسته بندی  مقاومتی، ایزولاسیونی وحذفی بیان کرد.

    در راهبردهای مقاومتی از مواد خیلی سخت که چقرمگی شکست یا استحکام تسلیم بالا یا آسیب پذیری کمتری نسبت به صدمات فرسایشی دارند ، استفاده می شود.

    راهبردهای طراحی ایزولاسیونی مستلزم طراحی مسیرهای جریان است به طوری که  برخورد فلشینگ یا کاویتاسیون روی سطوح بحرانی ولو را حداقل نماید.

   راهبردهای حذفی شامل به کارگیری مسیرهای پیچ و خم دار یا مکان های مهندسی شده ی افت فشار در ولو است. این راهبرد افزودن یک ولو یا صفحه سوراخدار برای تقسیم افت فشار در تجهیزات متعدد را دربر می گیرد، این عمل p2 بزرگ تری در اولین تجهیز ایجاد می کند و پتانسیل کاویتاسیون را کم می کند. همچنین مکش هوای اتمسفر یا تزریق هوای با فشار بالاتر به ولو ، مثال سوم راهبرد حذفی است.

    در مواردی سازندگان این راهبردها را برای حفاظت بیشتر ترکیب می کنند. در ذیل راهبردهای سه گانه فوق تشریح می شوند.

۳٫۱٫ راهبرد مقاومتی

    بهتر است جنس سازه طوری انتخاب شود که درتنش ها و صدمات مکانیکی و شیمیایی ایستادگی کنند. صدمات مکانیکی به دو شکل فرسایش (شامل سایش ، فلشینگ و یا کاویتاسیون) و تغییر شکل پلاستیک ماده و شکست متعاقب آن رخ می دهد. بعد از یک دوره صدمات مکانیکی ، بسیاری از پوشش های محافظ ماده (فیلم ها ، اکسیدها و غیره) از بین می روند و مواد نسبت به حملات شیمیایی آسیب پذیر می شوند. شکل۸ ، دو نوع پلاگ را که در دوره مشابه در معرض فلشینگ بوده اند نشان می دهد.

شکل۸- لبه پلاگ ولو سمت چپ از استلایت ۶ و پلاگ سمت راست از آلیاژ نرم تر ساخته شده است.هر دو پلاگ در شرایط و زمان مشابه در معرض فلشینگ بوده اند.

 

۲٫۲٫ راهبرد ایزولاسیونی

شکل۹٫ اجزای بدنه Angle  ولو

    عموما اجزای داخلی ولوها (trim) همانطور که جریان و افت فشار ولو را کنترل می کنند در معرض سریع ترین جریان ها هستند این سرعت های بالا  فرسایش و کندگی را شتاب می بخشند .در مناطق با جریان پرسرعت، سایش، تابعی از مدت زمانی است که مناطق در معرض آن قرار می گیرند. معنی ایزولاسیون، هدایت مسیر جریان است به طوری که از برخورد سیال به سطوح بحرانی جلوگیری یا آن را به حداقل برساند.

    شکل۹، برشی از طرح Angle  ولو را نشان می دهد. Angle ولوها وقتی عبور جریان از ولو به گونه ای باشد که در شکل مشاهده می شود، اجازه می دهند فلشینگ یا کاویتاسیون بعد از عبور سیال از trim رخ دهد و به شکل ایده آل انرژی و پتانسیل آسیب ناشی از فلشینگ و کاویتاسیون به جای برخورد با trim یا دیگر نقاط ولو، در مسیرجریان پراکنده شود.

شکل۱۰، تصویر مدل سازی دینامیک جریان معکوس پلاگ الکتریکی، ناحیه پرسرعت پایین دستی پلاگ را نمایش می دهد

همچنین مواد سخت شده را می توان به عنوان سپرهایی برای حفاظت خروجی ولو (چنان که در شکل ۱۰ ، نشان داده شده است) استفاده کرد. به این ترتیب راهبردهای مقاومتی و ایزولاسیونی با هم تلفیق می شوند. شکل۱۰ ، مدل دینامیکی سیال ، جهت جریان معکوس یک ولو چرخشی با پلاگ الکتریکی که برای شرایط فرسایشی طراحی شده است را نشان می دهد. ناحیه پرسرعت جریان که در آن تنگه  ی ونا در پایین دست پلاگ به وجود می آید، بعد از پلاگ و در خروجی ایجاد می شود. تلفیق راهبردهای ایزولاسیون و مقاومتی با حرکت سیال در  جهت معکوس و استفاده از مواد مقاوم به سایش در سیت و آستر خروجی  نمایان می شود.

 

۲٫۳٫ راهبرد حذفی

شکل۱۱ -کیج سوراخکاری شده(چپ) و بدنه Angleولو با کیج سوراخکاری شده و مرحله فشاری محوری

 برای ممانعت از  کاویتاسیون، راهبرد حذفی را می توان با دیگر راهبردها  مثل مقاومتی و ایزولاسیون، تلفیق و استفاده کرد. کاویتاسیون را می توان با ایجاد فشاربرگشت  موضعی (back pressure) در داخل ولو حذف کرد. البته این کار، فلشینگ را حذف نمی کند زیرا فشار پایین دستی هرگز بیش از فشار بخار سیال نمی شود.

 در موقعیت های نادر، فشار کل سیستم، در تمام حالات فرآیند، بیشتر از فشار بخار سیال می شود و فلشینگ حذف می شود ولی ممکن است کاویتاسیون ایجاد شود.

    هنوزبرای تقلیل یا جلوگیری از آسیب های کاویتاسیون متداول ترین روش راهبرد حذفی، طراحی محور است. سازندگان ولو برای مدیریت دقیق فشار تنگه ی ونای داخلی به شکلی که همواره بیش از فشار بخار سیال باشد کیج های سوراخکاری شده، مسیرهای پیچ در پیچ و دیگر طرح های trim  را به کار می بندند. این کار از تشکیل حباب ها جلوگیری یا آن را به حداقل رسانده و به خوبی کاویتاسیون را حذف می کند.

شکل۱۱، یک کیج سوراخکاری شده (چپ) را نشان می دهد که هر سه راهبرد مقاومتی(مواد سخت)، ایزولاسیونی(جریان پایین) و حذفی(استیجینگ فشاری) را با هم آمیخته است. اگر طراحی به دقت انجام شود، هندسه، قطر و  فاصله  سوراخ ها  در حالی که جریان از میان کیج می گذرد به ایزوله کردن جریال سریع سیال کمک می کند.

در شریط پیچیده تر کاویتاسیون ، نظیر آنچه درسمت راست شکل ۱۱، نشان داده شده ، ممکن است به راهبردهای طراحی اضافی نیاز شود. این طرح علاوه بر تمهیدات قبلی دارای استیجینگ فشار محوری است.این طرح خاص قابلیت تحمل psi6000 افت فشار و حذف یا حداقل رسانی کاویتاسیون و صدمات آن را دارد.

نتیجه گیری

 

فلشینگ و کاویتاسیون فرآیندهایی ترمودینامیکی حاصل از خواص سیال و وضعیت فرآیندی هستند. دانستن خواص سیال (مانند فشار بخار) و خواص سیستم (نظیر فشار و دمای فرآیند) برای فهم پتانسیل کاویتاسیون و فلشینگ برای انتخاب و کاربرد ولو مهم است.  فلشینگ و کاویتاسیون حتی در سیال های تمیزی که هیچ گونه ذرات جامدی ندارند می تواند آسیب های جدی به ولو وارد کنند.

در انواع روش های طراحی ، موضوعات فلشینگ و کاویتاسیون مدنظر قرار می گیرند اما عموما می توان آنها را به راهبردهای مقاومتی، ایزولاسیونی و حذفی دسته بندی کرد. فهم این سه قاعده اصلی می تواند به انتخاب طرح ایده آل برای کاربرد ولو در شرایط سخت کمک کند.]۴[

مراجع

  1. Surface Engineering for Corrosion and Wear Resistance, ASM International,2001, Davis, J.R. pp27-28,234

 

  1. Lawrence J. Korb, Rockwell International and David L. Olson, ASM Handbook, Volume 13, Corrosion, electronic files, 1997

 

  1. Liquid Flow in Control Valves, Jon Monsen,2015, http://www.valin.com/resources/blog/liquid-flow-control-valves

 

  1. Flashing and Cavitation, Bert Evans and Richard L. Ritter III , 18 Aug 2015, http://www.valvemagazine.com/magazine/sections/back-to-basics/6960-flashing-and-cavitation.html

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *