캐비테이션 부식 – 원인, 메커니즘 및 예방

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캐비테이션 부식 캐비테이션은 흐르는 액체 속에서 증기 기포가 생성되고 급격히 붕괴되면서 발생하는 물질 표면 파괴 현상입니다. 이 과정에서 발생하는 국부적인 압력 변화와 미세 충격은 금속 표면과 보호층을 점진적으로 파괴할 수 있습니다. 부식 환경에서 캐비테이션이 동시에 발생할 경우, 기계적 표면 파괴는 전기화학적 과정에 의해 더욱 증폭될 수 있습니다. 문제는 주로 다음과 같은 곳에서 발생합니다. 펌프, 임펠러, 수력 터빈, 밸브, 선박 프로펠러 및 유압 설비즉, 유속이 높고 국부적인 압력 변화가 급격한 곳이라면 어디든 해당됩니다.

캐비테이션이란 무엇인가요?

캐비테이션은 액체 내부의 압력이 특정 온도에서 액체의 증기압과 같거나 그 이하로 떨어질 때 발생하는 물리적 현상입니다.
이러한 조건에서 액체는 부분적으로 기체 상태로 변하기 시작하고 수증기로 채워진 작은 공간들이 생성됩니다. 캐비테이션 기포.
기포는 액체와 함께 움직입니다.
기포가 압력이 다시 증가하는 영역에 도달하면 수증기가 응축되어 기포가 빠르게 붕괴됩니다.
기포가 급격하게 붕괴되는 것이 캐비테이션 손상의 주요 원인입니다.

캐비테이션 부식은 어떻게 발생하나요?

이 메커니즘은 여러 단계로 설명될 수 있습니다.

흐르는 액체에서 국부적인 압력 강하가 발생합니다.
압력이 증기 방울이 형성될 수 있는 값에 도달하면,
기포는 액체와 함께 움직입니다.
그들은 기압이 더 높은 지역으로 이동합니다.
기포 내부의 수증기는 빠르게 응축됩니다.
거품이 가라앉는다.
표면 근처에서 국부적인 압력 펄스와 액체 미세 제트 흐름이 생성됩니다.
재료의 표면은 반복적인 기계적 하중을 받습니다.
재료에 변형, 미세 균열 및 점진적인 파손이 발생합니다.

해당 재료가 부식성 환경에서 작동될 경우, 손상된 표면은 추가적으로 가속 부식을 겪을 수 있습니다.

기포 붕괴가 금속을 손상시키는 이유는 무엇입니까?

캐비테이션 기포는 항상 대칭적으로 붕괴되는 것은 아닙니다.
금속 표면에 가까울 경우, 폭발로 인해 표면을 향해 매우 빠른 속도로 액체 미세 제트가 발생할 수 있습니다.
단기간에 높은 압력이 순간적으로 발생하는 현상도 있습니다.
일반적으로 단일 사건으로는 심각한 피해가 발생하지 않습니다.
하지만 문제는 수천, 수백만 번의 반복적인 내파가 작은 표면적에 영향을 미친다는 점입니다.
해당 재료는 반복적인 하중을 받게 되며, 이로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

국부적인 소성 변형
표면 피로,
미세 균열의 형성,
재료의 조각을 떼어내는 것,
분화구와 움푹 패인 구멍과 같은 지형 형성.

증기압 및 캐비테이션 발생

가장 중요한 것은 액체 증기압.
주어진 온도에서 모든 액체는 특유의 증기압을 가지고 있습니다.
시스템 내의 국소 정압이 이 값까지 떨어지면 증기 기포가 발생하기 시작할 수 있습니다.
온도가 상승하면 액체의 증기압이 증가합니다.
따라서 온도가 높을수록 동일한 액체가 낮은 온도일 때보다 더 높은 절대 압력에서 캐비테이션이 발생할 수 있습니다.

캐비테이션은 어디에서 가장 자주 발생합니까?

캐비테이션은 주로 압력이 급격히 떨어지는 곳에서 발생합니다.
대표적인 예는 다음과 같습니다.

원심 펌프,
펌프 임펠러,
수력 터빈,
선박용 나사,
제어 밸브,
스로틀,
노즐,
감속기,
파이프라인 축소,
배관 설비.

펌프의 캐비테이션

펌프는 캐비테이션에 특히 취약한 장치입니다.
펌프의 흡입측 압력이 감소합니다.
임펠러 입구의 압력이 너무 낮아지면 액체가 부분적으로 증발하기 시작할 수 있습니다.
그 결과 생성된 기포는 압력이 더 높은 곳으로 이동하여 격렬하게 붕괴됩니다.
로터 블레이드 표면에서 손상이 자주 발생합니다.

펌프 캐비테이션 증상

캐비테이션은 다음과 같은 특징적인 작동 증상을 유발할 수 있습니다.

특이한 소음,
진동,
펌프 효율 감소
불안정한 직업,
들어올리는 높이의 감소,
로터 마모 가속화,
진동 증가로 인한 베어링 및 씰 손상.

심한 캐비테이션 현상에서 발생하는 특유의 소음은 때때로 펌프를 통해 자갈이나 조약돌이 흐르는 소리에 비유됩니다.

NPSH 및 펌프 캐비테이션

펌프 설비를 설계할 때 캐비테이션 위험과 관련된 기본 매개변수 중 하나는 다음과 같습니다. NPSH – 순양정흡입수두.
주로 다음과 같은 두 가지를 구분합니다.

NPSH 이용 가능 – NPSHa - 실제 설치에서 사용 가능한 값
NPSH 필요 – NPSHr - 특정 작동 조건에서 펌프에 필요한 값.

캐비테이션 위험을 줄이기 위해서는 적절한 안전 여유를 유지하면서 펌프에 필요한 값보다 충분히 큰 NPSH를 확보해야 합니다.
흡입 압력이 너무 낮으면 캐비테이션 발생 위험이 급격히 증가합니다.

펌프 공동현상 발생 위험을 높이는 요인은 무엇입니까?

위험을 증가시키는 요인은 다음과 같습니다.

흡입 압력이 너무 낮습니다.
흡입 높이가 너무 높습니다.
흡입관의 직경이 너무 작습니다.
배관에서 상당한 압력 손실 발생
더러운 필터,
부분적으로 닫힌 밸브,
유량이 너무 높습니다.
액체 온도가 너무 높음
펌프 선택 오류,
펌프가 최적 작동 지점에서 멀리 떨어진 상태로 작동하고 있습니다.

밸브의 캐비테이션

캐비테이션은 제어 밸브에서도 발생할 수 있습니다.
유체가 제한된 구간을 통과할 때 속도는 증가하고 정압은 감소합니다.
압력이 증기압 이하로 떨어지면 기포가 발생합니다.
좁아진 부분을 지나면 압력이 다시 증가하여 급격히 붕괴될 수 있습니다.
그러면 다음과 같은 부위에 손상이 발생할 수 있습니다.

밸브 닫힘 요소,
소켓,
밸브 본체,
밸브 바로 뒤에 있는 파이프라인.

선박 프로펠러의 캐비테이션

캐비테이션은 선박 프로펠러에도 심각한 문제를 야기합니다.
프로펠러 날개가 빠르게 회전하면 저압 영역이 생성됩니다.
국소적인 압력이 물의 증기압보다 낮아지면 캐비테이션 기포가 발생합니다.
그들의 붕괴는 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다:

칼날 표면의 침식
소음,
진동,
나사 효율 감소,
물질의 점진적인 파괴.

캐비테이션 손상은 어떤 모습일까요?

캐비테이션으로 손상된 표면은 특유의 모양을 가질 수 있습니다.
초기에는 작은 국부적 변형과 미세 손상이 나타납니다.
이 과정이 진행됨에 따라 다음과 같은 현상이 나타납니다.

작은 분화구들,
불규칙한 움푹 들어간 곳,
거친 표면,
구덩이 같은 영역,
재료 파쇄.

고급 공정을 거치면 표면이 스펀지 같거나 "먹힌" 듯한 특유의 구조를 가질 수 있습니다.

캐비테이션 부식 및 공식 부식

캐비테이션 손상은 시각적으로 점식 부식과 유사할 수 있지만, 발생 메커니즘은 다릅니다.

특성	캐비테이션 부식	점식 부식
주요 원인	수증기 방울의 붕괴	수동층의 국부적 손상
흐름의 중요성	매우 큰	필수 조건은 아닙니다.
클로르키	캐비테이션이 발생하는 데 필수적인 것은 아닙니다.	스테인리스강에 있어 가장 중요한 요소 중 하나입니다.
과정의 본질	강한 기계적 영향	전기화학적 공정

캐비테이션 부식 및 침식 부식

두 현상은 관련이 있지만 동일하지는 않습니다.
침식 부식에서 주요 기계적 요인은 유동 매체의 상호 작용, 난류 및 그 안에 흔히 포함된 고체 입자의 상호작용입니다.
캐비테이션 현상에서 표면은 주로 증기 기포의 격렬한 붕괴에 의해 파괴됩니다.

특성	캐비테이션 부식	침식 부식
기계적 메커니즘	거품 붕괴	흐름, 난류 및 입자 충격
고체 입자	그것들은 필요하지 않습니다.	소비를 상당히 증가시키는 경우가 많습니다.
압력 강하	열쇠	반드시 증기가 발생하는 것은 아닙니다.
일반적인 장치	펌프, 터빈, 밸브, 선박 프로펠러	파이프라인, 엘보, 밸브, 펌프

스테인리스강과 캐비테이션 부식

스테인리스강은 기계적 특성과 내식성이 결합되어 캐비테이션 손상에 대한 저항성이 뛰어납니다.
하지만 스테인리스강을 보호하는 보호막은 매우 얇습니다.
강렬한 캐비테이션 현상은 이를 반복적으로 파괴할 수 있습니다.
손상 후 해당 층은 재생될 수 있습니다. 재부동화 표면.
하지만 캐비테이션 상호작용의 빈도와 에너지가 매우 높으면 효과적인 표면 복구보다 후속 손상이 더 빠르게 발생할 수 있습니다.

304L 및 316L과 캐비테이션

부실 1.4307 / 304L oraz 1.4404 / 316L 다양한 유량 설비에 사용할 수 있습니다.
316L은 몰리브덴을 함유하고 있어 많은 염화물 환경에서 국부 부식에 대한 저항성이 뛰어납니다.
하지만 이것이 곧 강력한 캐비테이션에 대한 높은 저항성을 의미하는 것은 아닙니다.
캐비테이션 저항성은 재료의 기계적 특성, 미세 구조, 경도, 변형률 및 현상 자체의 강도에 따라 달라집니다.

듀플렉스강과 캐비테이션

듀플렉스강과 같은 1.4462 / 듀플렉스 2205이 소재는 일반적인 오스테나이트계 강철인 304L 및 316L보다 우수한 기계적 강도와 높은 내식성을 결합합니다.
이는 다음과 같은 요소에 동시에 노출될 때 유익할 수 있습니다:

공격적인 환경,
높은 유량,
부식,
캐비테이션.

보다 열악한 환경에서는 슈퍼듀플렉스강과 같은 재질도 사용할 수 있습니다. 1.4410 / 2507.
하지만 단순히 더 높은 합금 소재를 선택하는 것만으로는 캐비테이션의 원인을 제거하는 것을 대체할 수 없습니다.

더 단단한 재질이 항상 문제를 해결해주지 않는 이유는 무엇일까요?

캐비테이션 저항성은 경도에만 의존하는 것은 아닙니다.
다음 사항들도 중요합니다:

피로 강도,
가소성,
미세구조,
변형 경화,
내식성,
표면 상태.

매우 단단하지만 부서지기 쉬운 재료는 국부적인 변형과 에너지 흡수 능력을 가진 재료와는 달리 반복적인 충격에 다르게 반응할 수 있습니다.
따라서 캐비테이션 저항성은 개별적인 요소만을 기준으로 평가해서는 안 되며, 전체 재료-환경 시스템의 특성으로 평가해야 합니다. 경도 값.

캐비테이션에 미치는 온도의 영향

온도는 액체의 증기압에 영향을 미칩니다.
온도가 올라가면 증기압이 올라갑니다.
이는 액체의 온도가 높을수록 기포 형성에 필요한 조건이 더 높은 절대 압력에서 발생할 수 있음을 의미합니다.
온도는 또한 다음과 같은 영향을 미칩니다.

액체 점도,
재료 특성,
부식 반응 속도,
스테인리스강의 재부동태화 능력.

표면 거칠기의 영향

표면 상태는 캐비테이션 발생 및 그에 따른 재료 파괴에 영향을 미칠 수 있습니다.
지형의 불규칙성, 손상 및 기존 분화구는 추가적인 충돌 집중을 촉진하는 지역을 만들 수 있습니다.
손상이 진행됨에 따라 표면은 점점 더 불규칙해지며, 이는 국부적인 유동 조건을 더욱 변화시킬 수 있습니다.

캐비테이션을 방지하는 방법은 무엇일까요?

캐비테이션 부식을 줄이는 가장 효과적인 방법은 무엇보다도 다음과 같습니다. 캐비테이션 자체를 제거하거나 제한하는 것.
이는 다음과 같은 방법으로 달성할 수 있습니다.

펌프 흡입 압력이 적절한지 확인합니다.
적절한 NPSH 공급을 보장하는 것
흡입 라인의 압력 손실을 줄입니다.
흡입관의 직경을 늘리는 것,
불필요한 협착 및 유동 저항을 줄입니다.
필터를 깨끗하게 유지하기,
펌프를 올바르게 선택하는 것,
기기가 적절한 성능 범위 내에서 작동하도록 하는 것,
급격한 압력 변화를 제한하는 것,
밸브와 스로트의 올바른 설계,
작동 조건에 적합한 재질을 선택합니다.

단순히 재질만 바꾸는 것으로는 충분하지 않은 이유는 무엇일까요?

캐비테이션 저항성이 더 높은 소재를 사용하면 기기의 수명을 연장할 수 있지만, 문제의 근본 원인을 해결하는 것은 아닙니다.
펌프가 부적절한 NPSH로 작동하거나 시스템 내에서 국부적인 압력 강하가 매우 큰 경우, 내구성이 뛰어난 재질이라도 지속적인 충격을 받게 됩니다.
그러므로 첫 번째 단계는 분석하는 것입니다. 시스템 유압그리고 나서야 재료를 선택합니다.

캐비테이션 손상을 어떻게 감지할 수 있을까요?

문제점을 파악하기 위해 다음과 같은 방법들이 사용됩니다.

표면 검사,
특징적인 분화구와 붕괴 현상에 대한 조사,
재료 두께 측정,
진동 모니터링,
장치 노이즈 분석,
펌프 작동 매개변수 제어
압력 및 유량 분석.

펌프의 경우, 로터 표면 손상, 비정상적인 소음, 진동 및 작동 매개변수 저하가 동시에 발생하는 것이 중요한 징후일 수 있습니다.

캐비테이션 부식 – 가장 중요한 결론

캐비테이션 부식은 다음과 관련이 있습니다. 액체 속에서 증기 방울이 생성되고 격렬하게 붕괴되는 현상.
기포는 주변 압력이 액체의 증기압까지 떨어질 때 형성됩니다. 기포는 압력이 더 높은 곳에 도달하면 빠르게 붕괴됩니다.
반복적인 내파는 국부적인 압력 파동, 액체 미세 분사, 표면 피로 및 점진적인 재료 파손을 유발합니다.
캐비테이션은 특히 다음과 같은 경우에 자주 발생합니다. 펌프, 로터, 터빈, 밸브 및 선박 프로펠러.
스테인리스강의 경우, 기계적 손상으로 인해 보호막이 반복적으로 파괴될 수 있습니다. 여기에 부식성 환경이 더해지면 전기화학적 과정이 열화 속도를 더욱 가속화할 수 있습니다.
기본적인 보호 방법은 더 비싼 종류의 강철을 사용하는 것이 아니라, 무엇보다도 적절한 유량 및 압력 조건을 보장하고 캐비테이션의 원인을 제거합니다..

부식은 재료, 환경 및 작동 조건에 따라 다양한 메커니즘을 통해 발생할 수 있습니다. 다른 유형의 부식에 대해서도 알아보세요.

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