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Cavitação, explicada e ilustrada - parte 02

Processo de desgaste por cavitação

Líquido é o meio que causa o desgaste por cavitação. O desgaste da cavitação não requer uma segunda superfície; requer apenas que exista um alto movimento relativo entre a superfície e o fluido. Esse movimento reduz a pressão local no fluido. Quando o líquido atinge seu ponto de ebulição e ocorre a ebulição, formam-se bolhas de vapor, que produzem cavitação.


Cada cavidade de vapor dura pouco tempo, porque quase qualquer aumento de pressão faz com que o vapor na bolha se condense instantaneamente e a bolha entre em colapso e produza uma onda de choque. Essa onda de choque colide com superfícies metálicas adjacentes e destrói as ligações do material.


A onda de choque primeiro produz uma tensão de compressão na superfície sólida e, em seguida, quando é refletida, produz uma tensão de tração que é normal à superfície.


A Figura 1 mostra o colapso de uma bolha de vapor e o nascimento de um microjato. A cavitação é geralmente encontrada onde existe uma condição hidrodinâmica, caracterizada por uma mudança brusca e repentina na pressão hidrostática. Como a ebulição pode ocorrer, a pressão instantânea cai, bolhas de vapor se formam e colapsam com frequência e rapidez.


As partículas de ar e poeira contidas no fluido servem como locais de nucleação para a formação de cavidades de vapor. Esses núcleos podem ser pequenas bolsas cheias de gás nas fendas do recipiente ou simplesmente bolsas de gás em partículas contaminantes que se movem livremente na corrente de fluxo. Portanto, todos os fluidos confinados podem conter impurezas suficientes para produzir cavitação.


Pequenos vazios próximos à superfície ou ao campo de fluxo, onde existe pressão mínima, indicam que a cavitação começou. Uma vez iniciadas, as bolhas continuam a crescer enquanto permanecerem em regiões de baixa pressão. À medida que as bolhas viajam para regiões de alta pressão, elas colapsam, produzindo pressões intensas e corroendo qualquer superfície sólida nas proximidades.


Durante o colapso, partículas de líquido ao redor da bolha se movem rapidamente para o centro. A energia cinética dessas partículas cria martelos de água locais de alta intensidade (choque), que crescem à medida que a frente avança em direção ao centro da bolha.

Detecção visual e sonora

Os usuários de equipamentos podem detectar cavitação audivelmente, visualmente, por instrumentação acústica, por sensores de vibração da máquina, por medição de sono luminescência ou por uma diminuição ou alteração no desempenho do produzido em condições de fluxo monofásico (por exemplo, perda de fluxo, rigidez e resposta) .


Sob condições de fluxo de cavitação, a taxa de desgaste pode ser muitas vezes maior do que a causada apenas pela erosão e corrosão. O desgaste da cavitação pode destruir os materiais mais fortes - aços para ferramentas, estiletes, etc. Esses danos podem ocorrer rápida e extensivamente.


A quantidade de dano que a cavitação causa depende de quanta pressão e velocidade as bolhas colapsadas criam. Como resultado dessa pressão e velocidade, a superfície exposta sofre uma variedade de intensidades muito grande.


Cada imposição dura apenas um curto período de tempo; as magnitudes dos impulsos e os tempos de colapso são maiores para bolhas maiores em determinados diferenciais de pressão em colapso. Assim, quanto maior a tensão de tração no fluido (menor a pressão estática), maiores as bolhas, mais intensa a cavitação e mais graves os danos.


Os impulsos resultantes da formação e colapso das bolhas de vapor causam crateras simétricas individuais e deformações permanentes do material quando o colapso ocorre próximo à superfície. Consequentemente, os danos causados ​​pela cavitação, como a falha por fadiga, têm vários períodos de atividade:


- Período de incubação - as microfissuras nucleadas em torno dos limites e inclusões de grãos devido à deformação elástica e plástica da superfície.


- Período de acumulação - o crescimento da trinca prossegue em relação ao grau de ação de divisão, cisalhamento e rasgo no material.


- Período de estado estacionário - a taxa de nucleação e propagação de trinca se torna constante pelo restante do tempo de exposição.


Em um sistema de fluxo de fluido (diferentemente de um tanque ultrassônico), as bolhas de vapor se formam onde ocorrem tensões de tração do fluido (baixas pressões) e as bolhas de vapor colapsam em regiões de alta pressão, onde as tensões de compressão podem ser impostas ao fluido.


Portanto, a região onde ocorre o dano costuma ser bastante separada da região em que as cavidades são criadas - geralmente levando a um diagnóstico incorreto do problema. O desgaste da cavitação é de natureza mecânica e não pode ocorrer sem a aplicação das tensões de tração e compressão.


Hot-spots da cavitação

Muitas áreas em sistemas hidráulicos são propensas a desgaste por cavitação, como:


- Abaixo do circuito de válvulas de controle que possuam grandes diferenciais de pressão,

- Nas câmaras de sucção de bombas, onde existem condições de entrada (inlet) escassos ou com má alimentação de fluido (sucção estrangulada),

- Em atuadores em movimento rápido (tipos linear e rotativo) em que ocorrem condições de carga negativa,

- Nos caminhos de vazamento (através de vedações, sedes de válvulas e aterros de carretéis), onde altas velocidades fazem com que os níveis de pressão caiam abaixo da pressão de vapor do fluido (uma condição de cavitação geralmente chamada de trefilação)

- Em todos os dispositivos onde o fluxo de fluido é sujeito a curvas fechadas, redução nas seções transversais com expansões subsequentes (em torneiras, abas, válvulas, diafragmas) e outras deformações.


A cavitação perturba as condições operacionais normais dos sistemas mecânicos do tipo fluido e destrói as superfícies dos componentes. O processo consiste na formação de cavidades quando as pressões são baixas, o crescimento de bolhas subsequentes à medida que a pressão se estabiliza e, finalmente, o colapso das bolhas quando as cavidades (bolhas gasosas ou vaporosas) são expostas a alta pressão.



Observe que a queda de pressão no componente é a força motriz do desgaste da cavitação. A Figura 2 mostra o processo de cavitação que ocorre em uma bomba de engrenagem e em uma válvula de carretel, mostrando como as cavidades geram, crescem e colapsam em componentes do tipo fluido.


Continue lendo na parte 03

Fonte: ‘Cavitation Explained and Illustrated’; E. C. Fitch, Tribolics, Inc.

https://www.machinerylubrication.com/Read/380/cavitation-wear-hydraulic

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