氣蝕

科學知識 9547 338 2016-08-07

空蝕(cavitation;cavitation erosion)又稱氣蝕,穴蝕。流體在高速流動和壓力變化條件下,與流體接觸的金屬表面上發生洞穴狀腐蝕破壞的現象。常發生在如離心泵葉片葉端的高速減壓區,在此形成空穴,空穴在高壓區被壓破并產生沖擊壓力,破壞金屬表面上的保護膜,而使腐蝕速度加快。空蝕的特征是先在金屬表面形成許多細小的麻點,然后逐漸擴大成洞穴。

基本信息

  • 中文名稱

    氣蝕

  • 外文名稱

    cavitation;cavitation erosion

  • 釋義

    與流體接觸的金屬表面上發生腐蝕

  • 特征

    先在表面形成小麻點后擴大成洞穴

  • 現象

    固體與液體相對運動產生表面損傷

  • 危害

    產生振動和噪聲,降低機械性能

目錄
1現象
2簡介
3空蝕機理
4氣蝕危害
5損傷形貌
6氣蝕過程
7實驗方法
8參考文獻

現象

運動物體受到空化沖擊后表面出現的變形和材料剝蝕現象,又稱剝蝕或空蝕。空蝕是流體動力學、材料學和物理化學的復雜現象。空蝕是固體表面與液體相對運動所產生的表面損傷,通常發生在水泵零件、水輪機葉片和船舶螺旋槳等表面。

1902年,最先在英國驅逐艦“Cobra”號螺旋槳上發現空蝕。接著在水工建筑物和水力機械上也看到同樣的現象。當時認為槳葉材料的剝落是海水腐蝕造成的,但是試驗證明在燕餾水中運動的物體也會出現類似的剝蝕,因而確認這種現象僅是機械力沖擊的結果。據分析,上述兩種因素都起作用。在空化過程中,空泡急速產生、擴張,又急速潰滅,在液體中形成激波或高速微射流。金屬材料受到沖擊后,表面晶體結構被扭曲,出現化學不穩定性,使鄰近晶粒具有不同的電勢。物體表面局部點上材料剝落后,出現的新的純凈金屬和周圍舊金屬之間構成一對電極而產生腐蝕電流,從而加速電化學腐蝕過程。剝蝕區域中材料的機械性能顯著惡化,從而導致空蝕量激烈增加。因為空泡在潰滅過程中能形成電離層,所以施加適當的外磁場就能控制空蝕程度。

簡介

當液體在與固體表面接觸處的壓力低于它的蒸汽壓力時,將在固體表面附近形成氣泡。另外,溶解在液體中的氣體也可能析出而形成氣泡。隨后,當氣泡流動到液體壓力超過氣泡壓力的地方時,氣泡便潰滅,在潰滅瞬時產生極大的沖擊力和高溫。固體表面經受這種沖擊力的多次反復作用,材料發生疲勞脫落,使表面出現小凹坑,進而發展成海綿狀。嚴重的其實可在表面形成大片的凹坑,深度可達20mm。空蝕的程度以空蝕強度來衡量。空蝕強度常用單位時間內材料的減重、減容、穿孔數和表面粗糙度變化作為特征量。

空蝕過程分為幾個階段:最初只有材料表面的變形或少量減重,形成空蝕潛伏區,然后單位時間的減重突然增大,形成空蝕加速區,過些時間后,單位時同的減重慢慢減小,形成空蝕減速區;最后,單位時間的減重基本不變,形成空蝕穩定區。因為液體和材料的性質不同,上述各個階段中的變化也有差異。

空蝕是空化的后果,但并非所有空化都造成材料的損壞,只有不穩定的空化,如不定常流動中出現的空化或封閉空泡的尾端,才會引起空蝕。因此,空蝕往往出現在物體的局部區域。空蝕的機理與材料受固體微粒或液滴沖擊而損壞是不同的。為消除和減輕空蝕損壞,運動部件應在盡可能穩定的條件下運轉。消極的辦法是在可能發生空蝕的部位涂上或包上彈性強的材料,或注入氣體以吸收空泡潰滅所輻射的能量,也可用化學防腐方法來減輕空蝕過程的腐蝕作用。

空蝕機理

由于氣蝕涉及流動動力學條件、機械沖擊、過流部件材料種類與成分以及材料表面與液體的電化學交互作用等諸多方面,其損傷機理相當復雜,對于不同的材料、不同的實驗條件,往往得到不同的結論。存在以下幾種氣蝕損傷機理。

沖擊波機制

由于液體內局部壓力的變化引起蒸汽泡的形成、生長及潰滅,導致氣蝕的產生。當液體內的靜壓力下降到低于同一溫度下液體的蒸汽壓時。在液體內就會形成大量的氣泡,而氣泡群到達較高壓力的位置時。氣泡就會潰滅,氣泡的潰滅使氣泡內所儲存的勢能轉變成較小體積內流體的動能,使流體內形成流體沖擊波。這種沖擊波傳遞給流體中的過流部件時,會使過流部件表面產生應力脈沖和脈沖式的局部塑性變形,甚至產生加工硬化。流體沖擊波的反復作用使過流部件表面出現氣蝕坑。

微射流機制

由于液體中壓力的降低而產生大量的氣泡,氣泡在過流部件邊壁附近或與邊壁接觸的情況下,由于氣泡上下壁角邊界的不對稱性,在潰滅時,氣泡的上下壁面的潰滅速度不同。遠離壁面的氣泡壁將較早地破滅,而最靠近材料表面的氣泡壁將較遲地破裂,于是形成向壁的微射流。此微射流在極短的時間內就完成對材料表面的定向沖擊,所產生的應力相當于“水錘”作用。

熱效應機制

氣泡潰滅時產生很高的溫度,這一高溫作用到過流部件表面,使材料表層發生相變或產生其他現象,影響氣蝕過程。磨蝕過程中氣蝕區出現大量金屬球狀物的事實支持現行的熱作用理論,氣泡潰滅時產生的溫度,在過流部件表面達到材料熔點,使其熔化,在表面張力作用下凝固成球狀物,在氣蝕坑內渦旋水流的推動下旋轉研磨成光滑球體[hi。氣蝕試驗時常常見到發光現象,是潰滅氣泡中的水蒸汽或其他氣體達到高溫所致[1z]。

化學腐蝕機制

當氣泡在高壓區被壓縮時,要放出熱量,同時,由于水錘壓力對材料表面沖擊也會產生局部高溫,在這種高速和高壓作用下,可能產生材料的局部氧化。在氣泡潰滅沖擊作用下,氧化膜反復產生和消失,進一步加劇了氣蝕。不銹鋼的抗氣蝕性優于碳鋼和其他合金鋼支持了化學腐蝕機制。在進行轉盤清水氣蝕實驗時,不銹鋼試樣表面出現彩虹帶,其溫度可達573K],進一步證明了氣蝕過程中的化學作用。

電化學機制

氣蝕過程中,由于局部高溫在金屬中形成熱電偶,形成微電池,引起金屬的電化學腐蝕。采用電火花放電裝置產生氣泡,采用電化學技術檢測氣泡潰滅作用于金屬表面引起的電極電位變化表明,氣蝕過程中,金屬表面存在著氣蝕區和非氣蝕區的電偶作用,形成電化學電偶電池,加強汽泡潰滅對金屬局部的力學破壞作用。由于氣泡潰滅所形成的劇烈的力學作用使得合金的局部表面產生塑性變形,甚至表面膜受損,露出新鮮無膜的金屬表面,在金屬表面形成腐蝕電偶作用,同時,腐蝕點的形成造成局部應力集中,加強氣泡潰滅對金屬局部的力學破壞

作用。

其他觀點

Chert等人提出了一種新觀點,認為氣蝕是在氣泡形成過程中產生,而氣泡潰滅時不產生氣蝕。據報道,采用高速攝影技術觀察氣泡形成過程.通過分析氣泡產生的數量(3×107個/(cmZ·s))和真正對材料表面產生氣蝕破壞的氣泡數量(1/30000)及氣蝕沖擊間隔(100min)推斷,過流部件表面金屬材料的破壞主要是由于一種強大猛烈的沖擊渡,而不是由金屬材料疲勞破壞造成。總之,在大量涉及到氣蝕作用下材料損傷特性的文獻中,關于氣蝕的損傷機理眾說紛紜,莫衷一是,有時甚至相互矛盾。在研究和對比不同材料的氣蝕機理時,應特別關注實驗所采用的方法,因為對不同的氣蝕實驗方法得到的氣蝕損傷機理往往并不相同,并且氣蝕實驗尤其是超聲振動實驗與實際流體中產生的氣蝕條件存在較大差距。

減少氣蝕的有效措施是防止氣泡的產生。首先應使在液體中運動的表面具有流線型,避免在局部地方出現渦流,因為渦流區壓力低,容易產生氣泡。此外,應當減少液體中的含氣量和液體流動中的擾動,也將限制氣泡的形成。

選擇適當的材料能夠提高抗氣蝕能力。通常強度和韌性高的金屬材料具有較好的抗氣蝕性能,提高材料的抗腐蝕性也將減少氣蝕破壞。

氣蝕危害

1、產生振動和噪聲。氣泡潰滅時,液體質點互相撞擊,同時也撞擊金屬表面,產生各種頻率的噪聲,嚴重時可聽見泵內有“劈啪”的爆炸聲,同時引起機組振動。

2、降低泵的性能。汽蝕產生了大量的氣泡,堵塞了流道,破壞了泵內液體的連續流動,使泵的流量、揚程和效率明顯下降。

3、破壞過流部件。因機械剝蝕和電化學腐蝕的作用,使金屬材料發生破壞,通常受汽蝕破壞的部位多在葉輪出口附近和排液室進口附近。汽蝕初期,表現為金屬表面出現麻點,繼而表面呈現海綿狀、溝槽狀、蜂窩狀、魚鱗狀等痕跡;嚴重時可造成葉片或前后蓋板穿孔、甚至葉輪破裂,釀成嚴重事故。

損傷形貌

氣蝕表面形貌的研究大多基于SEM觀察。許多研究者的研究結果表明氣蝕表面產生嚴重的塑性變形,流體的微射流沖擊使材料表面產生氣蝕針孔,隨后在針孔壁處萌生裂紋,裂紋以疲勞方式向內部擴展,最后趨于平行表面方向擴展,當幾個裂紋相連按時造成表層小塊剝落,上述過程反復進行,使表層材料不斷剝落。氣蝕微觀表面凹凸不平,布滿氣蝕坑及裂紋,宏觀呈海綿狀形貌,有時產生針孔和麻點等。氣蝕坑邊沿形成坑唇,坑唇是氣蝕的主要特征,此現象支持現行的機械作用理論,即氣蝕破壞來自汽泡潰滅時產生的沖擊渡和微射流的沖擊作用。空化嚴重時,材料表面晶粒破碎脫落。掃描電鏡下有時可觀察到疲勞輝紋,由此,氣蝕被認為是一種疲勞破壞,而疲勞輝紋是疲勞斷裂的重要特征。Kocaflda及Vaidya等觀察到A1的氣蝕中產生的氣蝕小坑底部出現了條紋,與疲勞輝紋相似。對氣蝕表面和表面剝離粒子的SEM觀察和粗糙度的測量,發現氣蝕表面特性與疲勞斷裂特性相似。在氣蝕過程中,局部塑性變形條紋影響裂紋的形成及擴展,引起材料表面松弛和粒子剝離,當裂紋擴展到一定深度時,通常沿垂直和平行于表面的方向進行,這意味著孕育期已完成,以后發生材料重量的減小。氣蝕僅是造成材料損傷的許多因素之一,同時還觀察到由服役載荷和腐蝕造成的材料疲勞。裂紋沿晶界萌生、擴展和連接而導致晶粒剝落是氣蝕的一種重要失效模式。

氣蝕過程

用磁致伸縮氣蝕儀進行的氣蝕試驗表明.氣蝕失重率一時間曲線大致分成四個階段

(1)氣蝕的起始階段,即孕育期(Incubationperiod):在此階段,材料沒有損失或損失很少,表面產生了少量的塑性變形[m,z0]。在大多數氣蝕條件下均可以觀察到這一階段。孕育期的長短依賴于材料的性能和氣蝕的強度。

(2)氣蝕上升期(Accumulationperiod):在這一階段,隨著氣蝕暴露時間的延長,材料失重迅速增加,即在孕育期之后材料開始吸收越來越多的沖擊能量,導致表面加工硬化和沖擊加強,使得材料失重率迅速增加,這一時期主要受材料的加工硬化機制控制。在這一階段,氣蝕坑遍布整個表面。

(3)穩定期(Stationaryperiod):即氣蝕率恒定期,可觀察到氣蝕率保持一個恒定的值,這一時期與與材料表面的均勻沖擊加工硬化有關,氣蝕率達到最大值,導致曲線上出現峰值。對于不同的材料,這一時期有長有短。

(4)下降期(Attenuationperiod):在穩定期之后,氣蝕率開始下降。在下降期,氣蝕速率迅速下降或出現波動,氣蝕率的降低與靠近粗糙表面的汽泡潰滅壓力的減小、氣體進入充滿流體的蝕坑造成的緩沖作用及氣蝕區氣體在液體中的擴散有關。這一時期的初始特征是在測試材料表面形成了孤立的深坑。對于不同的材料,氣蝕各個時期的長短是不同的,就是同一種材料,采用相同的加工方法,若采用不同的實驗方法,得到的結果也不盡相同,可以預見,延長材料的孕育期,就可提高材料的抗氣蝕壽命,因此如何延長材料的氣蝕孕育期,一直是氣蝕研究的重點內容。當然,這幾個階段在抗氣蝕中的角色和重要性還有待于深入研究。在已有的研究成果中,人們試圖將這幾個階段與材料的特質與性能相聯系。隨著人們對氣蝕過程認識的不斷深入,氣蝕各階段與材料的性能之間、與氣蝕微觀形貌之間的關系會更加明晰,這又會促進人們對氣蝕機理的研究。 .

實驗方法

關于氣蝕的實驗研究,除采用已列入國家標準的超聲氣蝕實驗外,根據不同的流體條件,還采用文丘里管、旋轉圓盤儀等進行。較常用的氣蝕實驗方法主要有以下幾種:

(1)磁致伸縮振動氣蝕法

超聲波伸縮振動氣蝕法的基本原理是利用具有趨磁性的傳感器或者壓電傳感器在交變電流作用下能夠伸長或變短的特性.使置于換能器端部的試樣在液體中產生高頻振動,導致試樣表面產生氣泡,氣泡潰滅時使試樣發生氣蝕。該方法的優點是材料氣蝕速度快,效果顯著,在氣蝕機理的研究方面具有很大的應用價值,可以利用此方法進行抗氣蝕材料的初步篩選。

(2)文丘里管型氣蝕實驗法

又稱為縮放型氣蝕法。其實驗原理是:當液體流經文丘里管道時,流速在喉部達到一定程度,在該處所產生的低壓可使流經該處的液體空化,形成固定型空穴。在固定型空穴內表面上附著的游移型氣泡將在其尾部潰滅,如在固定型空穴尾部放置材料試樣,則試件表面由于游移型空泡潰滅而發生氣蝕破壞。由于這種方法中的液體流動情況與實際管道中水流的流態比較接近,因此,常用來研究管道材料的氣蝕機理和測定材料的抗氣蝕性。

(3)旋轉圓盤氣蝕實驗法

該法的實驗原理是;在轉盤上距軸心不同距離處有貫穿轉盤厚度的小孔或嵌在轉盤上的凸體,當轉盤在試驗流體內高速旋轉時,在小孔或凸體后將產生尾流空化,其中游移型氣泡將在尾流末端沿盤面潰滅,嵌入盤面氣泡潰滅處的試樣表面將產生氣蝕損傷。這種方法的特點是其所產生的空化狀態為具有強大破壞力的旋渦型空化,類似于在水輪機、水泵或閘門槽中產生的流態。它的氣蝕能力高于文丘里管型氣蝕法,其缺點為設備中的水流流態要比文丘里管型氣蝕設備或磁致伸縮儀復雜,且試驗周期長。對比上述不同的氣蝕實驗方法,不難發現:對于不同的氣蝕方法,因為所采用的時間和空問特征不同其結果是很難相互比較的。文丘里管、轉盤儀實驗(水力學實驗)與振動實驗相比,氣蝕率較低。

參考文獻

1.詞條作者:計志也《中國大百科全書》74卷(第二版)物理學詞條:流體力學:中國大百科全書出版社,2009-07:276頁.