קוויטציה בשסתומי בקרה –ודרכים למניעתה

קוויטציה משולבת ומופיעה באופן קבוע בהם הזורם יוגדר כפאזה נוזלית. נוכל לזהותה במשאבות ובעיקר בשסתומי בקרה נוכל לאבחנה בעיקר כאשר הפרש הלחצים המופל על שסתום הבקרה גבוה ( High dP)
מהי אפוא קוויטציה:
מהי קויטציה ?
את הקויטציה נגדיר כמעבר של חלק מהזורם המוגדר כפאזה נוזלית אל פאזת האדים תוך האצת המהירות דרך חתך תושבת השסתום. רתיחת הנוזל תגרום להופעת בועות אדים אשר יקרסו במורד הזרם בעת חזרתם לפאזה הנוזלית תוך הפעלת לחץ נקודתי גבוה שיגרום לבלאי גבוה, מטרדי רעש ורעידות במכלול האטימה.

 

בעת בחירת והתאמת שסתום הבקרה לנתוני התהליך יש להבין את התופעה בעיקר בתנאי התהליך הדורשים הפרש לחצים גבוה על השסתום.
ניתן להסביר את היווצרות הקוויטציה באיור לפי הפירוט הבא:
בעת מעבר הזורם דרך חתך תושבת השסתום ירד הלחץ הסטטי (תוך כדי האצת מהירותו) אל מתחת ללחץ האדים של הנוזל.בנקודה זו ירתח הנוזל ויגרום בשל כך להיווצרותם של בועות אדים אשר יקרסו במורד הזרם בעת חזרתם לפאזה נוזלית. ( Pressure Recovery) כאשר זורם חוצה דרך שטח מעבר תושבת השסתום תואץ מהירות זרימתו ואילו לחצו הסטטי ירד באופן היחסי למהירותו.בעת מעבר זה עלולים להתפתח לחצים מקומיים עד כדי PSi 100,000 (!!).שיגרמו לתופעות דוגמת רעשים ורעידות חזקות של השסתום.

נקודת מפגש זו מוגדרת כ Pressure at Vena Contracta. והיא מתקיימת ומוגדרת בכל טיפוס ודגם של שסתום בקרה.

מידת ה- recovery (קבלה בחזרה) של הלחץ תלויה במבנה הפנימי של השסתום.באופן כללי ככל שהשסתום הוא בעל מעבר קווי זרם בקלות ( streamlined) , כך שה- recovery שלו גבוה יותר. כלומר אפשרות להיווצרות קוויטציה בשסתומים האלה גבוהה יותר. לשסתומים מסוג זה שייכים שסתומי פרפר, שסתומים כדוריים וכדומה.לשסתומים עם recovery נמוך שייך שסתום מסוג מסוג מעבר Globe הנקודה בשטח חתך הזרימה שבה נמדדת מהירות הזרימה המקס מול הלחץ המינמלי. ערכו הנמדד של מורד הזרם יקבע את האטת או הגברת הווצרות הקוויטציה.

נוסחה לחישוב מקדם הקוויטציה בשסתומי בקרה ( FL)

כיצד נחשב את מקדם הקוויטציה

הקוויטציה מאופיינת ב 5 דרגות העלולות לגרום לנזק מתמשך במכלול שסתום הבקרה:

  • incipient cavitation
  • constant cavitation
  • incipient damage
  • choking cavitation; and
  • maximum vibration cavitation

דרכים למניעת נזקי התופעה
אפשרות ראשונה – הפחתת מפל הלחץ על השסתום אל מתחת לנקודת הלחץ הקריטית. דבר זה יתאפשר על ידי הגברת לחץ האדים במעלה השסתום ( P1 ).תוך שינוי מקומו של השסתום לנקודה הנמוכה ביותר אל מול מפל הלחץ הכללי של המערכת.

אפשרות שנייה – בחירת שסתומי בעלי מקדם Recovery נמוך דוגמת שסתומים מטיפוס Globe.

במקרים קיצוניים ניתן להתקין שסתום בקרה רב דרגתי כמובא בתצלום מטה:
בתהליכים שבהם שסתומי בקרה סטנדרטיים למרות היותם מותאמים לעבודה חשופים עדיין לנזקי התופעה.
שילוב ביון נתוני תהליך של הפרשי לחצים גבוה מאוד מול טמפרטורה גבוהה מחייבים שימוש בשסתום המותאמים במיוחד כדוגמת דגם השסתום מסוג Lincolnlog.

השסתום מצויד ב Plug בעל 4 דרגות אשר נע יחסית בין התושבות ושובר את מפל הלחץ הגבוה, באופן הדרגתי. לכל אורך אחוזי הפתיחה יישמר ערכו הגבוה של מקדם הזרימה הקריטית (0.996). ולפי התרשים כמובא.
כל תזוזה במהלך פתיחת השסתום תאפשר מעבר ספיקה ללא גלישה אל מתחת ללחץ האדים של הזורם .מבנה זה יאפשר הפחתת הפרש הלחצים באופן מדורג ויבטל לחלוטין את הרעידות ומטרדי הרעש האופיינים לתופעת הקווטיציה.

ניתן לסכם איפוא את הנתונים כדלקמן : קוויטציה משולבת ומופיעה באופן קבוע בהם הזורם יוגדר כפאזה נוזלית. נוכל לאבחנה בעיקר כאשר הפרש הלחצים המופל על שסתום הבקרה גבוה ( High dP)
מידת ה- recovery (קבלה בחזרה) של הלחץ תלויה במבנה הפנימי של השסתום.באופן כללי ככל שהשסתום הוא בעל מעבר קווי זרם בקלות ( streamlined) , כך שה- recovery שלו גבוה יותר. כלומר אפשרות להיווצרות קוויטציה בשסתומים האלה גבוהה יותר.
לשסתומים מסוג זה שייכים שסתומי פרפר, שסתומים כדוריים וכדומה.לשסתומים עם recovery נמוך שייך שסתום מסוג מסוג מעבר Globe הנקודה בשטח חתך הזרימה שבה נמדדת מהירות הזרימה המקס מול הלחץ המינמלי. ערכו הנמדד של מורד הזרם יקבע את האטת או הגברת הווצרות הקוויטציה.