Кавитация как причина разрушения бетонных гидротехнических сооружений

Если давление в потоке воды понижается до давления насыщенных водяных паров, то в жидкости образуются пульсирующие полости, заполненные паром или газами, выделяющимися из жидкости – кавитационные пузырьки или каверны. При этом сплошность потока нарушается. Пузырьки снесенные потоком в область, где давление выше давления насыщенных водяных паров, захлопываются, растворяются.

Процесс образования, перемещения и разрушения полостей в жидкости называется кавитацией. При заполнении пузырьков паром кавитация называется паровой, пи заполнении газом – газовой кавитацией. Кавитация изменяет характер движения жидкости, вызывает дополнительные потери энергии, шум и эрозию материала твердых границ.

Твердые границы испытывают удары как при захлопывании пузырьков непосредственно у границы, так и на некотором удалении. В первом случае материал испытывает воздействие ударов более интенсивное, чем во втором, когда ударные волны достигают твердых границ, рассеяв часть энергии.

Ударные волны вызывают местную деформацию материала, бесчисленное число ударов приводит к усталости материала и его разрушению. Затем происходит вынос частиц разрушенного материала и образование в материале каверн. В бетоне вступает в силу динамическое воздействие потока на бетон, приводящее к выламыванию отдельностей бетона и подстилающей его скалы.

Критическое давление и критический вакуум

Для того чтобы ответить на вопрос будет ли иметь место в рассматриваемой области кавитация, требуется сравнить абсолютное давление в данной точке или вакуум с критическим давлением или критическим вакуумом либо сравнить число кавитации с критическим числом кавитации. Отсутствие кавитации выражается неравенствами:

рабс > ркр; (1.1)

h вак <  h вак. кр ;

K > K кр ,

(1.2)

(1.3)

где p _абс и h _вак – абсолютное давление и вакуум в данной точке;

p кр; и h вак. кр – критические давление и вакуум;

K и K_кр – число кавитации и критическое число кавитации.

Критическое давление – давление насыщенных водяных паров, отвечающих данной температуре, при которой начинается холодное кипение воды. Но так как формирование кавитационных пузырьков способствуют ядра кавитации – мельчайшие пузырьки, которые могут быть в жидкости, кавитация может возникнуть при давлении, превышающем давление насыщенных паров. Принимается p _к р = p _нас.

Таблица 1.1 – Давление насыщенных водяных паров, представленных в метрах водяного столба

t, %	0	10	20	40	60	80	100
h нас = p нас / рд	0,06	0,12	0,24	0,75	2,03	4,83	10,33

Критический вакуум – вакуум, отвечающий критическому давлению:

_ ^(р ат ) мин    ^р нас ^вак ' ^кр “ рд     75'

(1.4)

где рд = у - удельный вес жидкости;

Р ат — атмосферное давление.

Минимальное атмосферное давление, представленное в метрах водяного столба:

Р5 = ¹⁰'³³ — 900 — ⁰'³⁹ = ⁹'⁹4 — 900'            ⁽¹5

где 10,33 м. вод. ст. отвечает нормальному атмосферному давлению (на уровне моря при температуре воздуха 15%);

Vz

– поправка на превышение данной точки над уровнем моря;

Vz - абсолютная отметка, м;

0,39 – максимальное понижение давления за счет матеорологических фак- торов.

Формула критического вакуума, выраженного в метрах водяного столба:

- 994- ^jL-l^            Q6)

^ вак.кр    ^9,94   _{900    рд} .                     (1.0)

Дальнейшее понижение давления (увеличение вакуума) невозможно, поскольку в области, заполненной водой, оно не может быть меньше давления насыщенных водяных паров.

Локальное понижение давления наблюдается за различного вида неровностями на твердых границах и за выступами равномерно – зернистой шероховатости .

В неподвижной жидкости давление может достигнуть критического значения на поверхности вибрирующей конструкции.

Коэффициент понижения давления за неровностями. Критическое число кавитации, число кавитации

Типичные виды неровностей в водопропускных сооружениях, вызывающие в определенных условиях кавитацию, показаны на рис. 3.4 [1]: это уступ (выступ) против потока или по потоку, резкий изгиб в сторону направления течения, излом, впадина (желоб, шов, трещина), шероховатая поверхность. На бетонных поверхностях неровности образуют выступающие из бетона заполнители, следыы опалубки, на металлических поверхностях – незачищенные швы сварки, уступы при стыковке элементов облицовки. Может иметь место также волнистая неровность.

Для того чтобы дать ответ на вопрос, будет ли за неровностью кавитация, необходимо знать pхар и давление p, которое установится в рассматриваемой точ- ке с учетом влияния неровности:

^ хар

(1.7)

р   рхар   Ср • р •  ~  , где ихар - характерная скорость, за которую принимают скорость набега ния потока на неровность;

рхар — характерное давление в точке на тверой границе при отсутствии не- ровности;

р - плотность воды;

Ср - коэффициент понижения давления, учитывающий падение давление под влиянием неровности, которая вызывает появление центробежных сил при искривлении линий токов и образование вихрей при отрыве транзитного потока от твердых границ.

Коэффициент С р определяется экспериментальным путем и является для каждой формы неровности или тела постоянной величиной.

Критическое число кавитации:

„  _ Рхар ^- Рнас

Ккр           2    ,                              (1.8)

^и хар ^р —

Определяется в момент начала кавитации отношением разности харак- терного давления и давления насыщенных водяных паров к давлению, создавае- мому скоростным напором. Критическое число кавитации есть постоянная вели- чина для большинства видов неровностей.

Для произвольного момента набегания потока на неровность это отноше- ние называется числом кавитации, которое может иметь любые значения:

^р хар     ^р нас

К =

(1.9)

2 ^хар Р~

По формуле (1.8) отыскивается для данных условий по известным из экс- перимента рхар и нхар критический параметр кавитации. По формуле (1.9) вычис ляется по известным из расчета рхар и нхар переменное по значению число кавитации, сопоставлением которого с Ккр можно определить, будет ли иметь место в данном рассчитываемом случае кавитация. При числах кавитации, больших, чем Ккр, кавитация отсутствует, при числах кавитации, равных или меньших Ккр, имеет место кавитации.

Определение К_кр для неровностей, шероховатостей и для элементов проточных трактов сооружения (пазы, гасители, оголовки и пр.) производится лабораторным путем на кавитационном стенде.

Кавитационная эрозия

Последствием интенсивной кавитации является кавитационная эрозия. При уменьшении К за счет увеличения скорости интенсивность кавитации и кавитационной эрозии выше, чем при уменьшении давления. Интенсивность кавитационной эрозии оценивается скоростью роста объема эрозионных каверн и зависит от стадии развитии кавитации, которая определяется отношением числа кавитации к его критическому значению.

Начальной стадии кавитации отвечает коэффициент перемежаемости у, несколько больший нуля, при суперкавитации у = 1.

Длина кавитационного факела с увеличением интенсивности кавитации увеличивается. При суперкавитации пузырьки, наполненные паром, сливаются, образуя полость, которая может замыкаться внутри жидкости.

Поскольку кавитационная эрозия появляется при К < К_кр, о возможности кавитационной эрозии можно судить по коэффициенту кавитационной эрозии:

Кэр < Ккр,                             (1.11)

определяющему начало кавитационной эрозии. Таким образом, условие отсутствия кавитационной эрозии выражается неравенством:

Кэр < К < Ккр.                          (1.12)

Коэффициент Кэр и его относительное значение Кэр/Ккр неодинаковы для различных элементов сооружения и различных материалов.

Воздействие кавитации на материал сказывается появлением эрозии материала спустя некоторое время после начала кавитации. Так называемый инкубационный период, в течение которого накапливается усталость материала бе внешнего появления разрушений, длится в оабораторных условиях при отсут- ствии в воде воздуха для бетона марки 500 примерно 8 ч.

Меры борьбы с кавитационной эрозией

Кавитационная эрозия допустима в тех случаях, когда режимы, обуславливающие ее, непродолжительны или когда ее интенсивность невелика. В этих случаях кавитация не может привести сооружение к аварийному состоянию, а эксплутационные затраты на восстановление повреждений невелики, что оправдывает уменьшение капиталовложения в сооружения в связи с отказом от мер, полностью исключающих кавитационную эрозию. Однако, учитывая, что прогноз кавитацинной эрозии пока возможен лишь приближенно, допускать кавитацию, даже на ее начальной стадии, следует с осторожностью.

Меры, снижающие или исключающие кавитационную эрозию:

• - задание таких форм, размеров элементов, гидравлических режимов, при которых исключается появление кавитации;

• - придание элементам сооружения очертаний, которые позволяют использовать особенности суперкавитации: следует обеспечить срыв кавитационного факела с поверхности конструкции без замыкания его на расположенных ниже по течению твердых границах;

• - выравнивание поверхностей водопропускных трактов;

• - применение бетонов с повышенной кавитационной стойкостью или специальных кавитационных покрытий - облицовок;

• - подвод воздуха или вожы в область вакуума;

• - отрыв потока от твердых границ.

Говоря о кавитационной стойкости бетона и покрытий, следует иметь в виду, что даже при развитой стадии кавитации, но малых скоростях кавитационная эрозия отсутствует. Каждый материал при скорости, меньшей некоторой предельной, так называемой пороговой скорости, сопротивляется воздействию кавитации очень долго. Разрушительное действие кавитации становится существенным при:

V > ^пор.                               (1.13)

Скорости г_пор для бетонов различных марок при различном содержании воздуха в потоке, полученные интенсивности кавитации "I"- = 0,35, приведены в табл. 3.5 [1].

Данные табл. 3.5 [1] позволяют назначать ориентировочно марку бетона в зависимости от скорости потока, содержания в потоке воздуха.

Оценка интенсивности кавитационной эрозии может производиться сопоставлением полученных на кавитационном стенде скоростей нарастания / глубин каверн некоторого эталонного и рассматриваемого материалов. За эталонный материал принимается бетон марки 300 (на грани крупностью 40 мм), для которого при скорости течения 30 м/с /0 = 13 мм/ч.

Судить о кавитационной стойкости материала можно по относительной стойкости N материала путем сопоставления скоростей нарастания глубин каверн эталонного /₀ и рассматриваемого материала /:

N=j. (1.14)

Повышение кавитационной стойкости бетона достигается применением бетона повышенной марки, уменьшением крупности заполнителя, использованием в качестве заполнителя щебня, низким водоцементным отношением, выполнение бетонных поверхностей по возможности без значительных неровностей.

Подвод воздуха в оласть вакуума и аэрация потока у твердых границ являются наиболее эффективными способами борьбы с кавитационной эрозией. Примесь свободного воздуха изменяет физические характеристики воды, которая, становясь упругой средой, амортизирует удары при захлопывании пузырьков.

Выравнивание поверхностей после затвердевания бетона применяется в связи с тем, что по производственным условиям не удается выполнить поверхности требуемой гладкости. При выравнивании поверхностей впадины заделываются материалом повышенной кавитационной стойкости, выступы сглаживаются.

Выбор способа защиты проточной части сооружения от кавитационной эрозии – технико-экономическая задача, при решении ее следует учитывать, что в определенных условиях возможно также разрушение бетона в результате абразивного воздействия наносов.

Выводы: Кавитация является одной из важных причин разрушения бетона на гидротехнических сооружениях. Данный процесс может вывести сооружение из эксплуатации. Данным явлением при проектирование нельзя пренебрегать.