Кавитацией (от латинского cavitas пустота) называют процесс нарушения сплошности жидкости под действием изменяющегося давления. Другими словами, в воде образуются полости (пузырьки), заполненные паром. Ее возникновение связано с уменьшением давления в воде ниже критического значения, которое в свою очередь приблизительно равно давлению насыщенного пара при данной температуре воды. Кавитацию изучают в различных отраслях науки и техники в целях защиты от нее или для полезного применения.
Методы защиты гидросооружений от воздействия кавитации условно разделяются на три группы: недопущения возникновения кавитации; воздействия на структуру потока; обеспечения кавитационной стойкости облицовки водосбросов.
Один из методов защиты от кавитации обеспечивает надежность работы водосбросных сооружений путем устройства защитных облицовок с повышенной кавитационной стойкостью. Повышение марки бетона, улучшение технологии его приготовления, укладки и ухода за ним в процессе набора прочности увеличивает его сопротивляемость кавитационной эрозии в десятки раз. Широко применят также новые типы строительных материалов, имеющих высокую кавитационную стойкость: цементные бетоны с добавками полимерных материалов (эпоксидная смола, латекс и др.); полимербетоны и полимер растворы, в которых в качестве вяжущего используется эпоксидная смола, тиокол и другие материалы; окрасочные и штукатурные полимерные покрытия (в том числе армированные стеклотканью). В наиболее ответственных сооружениях или в отдельных узлах, например в камерах высоконапорных затворов и спиральных камерах для облицовки бетона применяется сталь.
Изменение давления в воде происходит при обтекании потоком элементов водопропускных сооружений, неровностей на поверхности водосливов или напорных водоводов, гасителей энергии на водобое, пазов затворов, входных оголовков глубинных водосбросов и др. Обтекание таких элементов происходит как правило с отрывом потока от их поверхности и образованием вихревых зон – зон отрыва.
Мельчайшие газовые пузырьки, которые всегда имеются в воде, попадая в зону пониженного давления, начинают резко увеличиваться. Это приводит к быстрому уменьшению давления внутри их, к испарению (вскипанию) воды и увеличению давления до давления насыщенных паров. Пузырьки переносятся потоком воды в зону более высокого давления, где происходит конденсация пара и захлопывание (разрушение) пузырьков. Захлопывание пузырьков сопровождается значительным ударным, а также химическим и электрическим, воздействием и слабым радиоактивным излучением. Весь процесс увеличения и захлопывания пузырьков происходит в течение нескольких миллисекунд, пузырьки в зоне отрыва появляются один за другим настолько быстро, что зрительно воспринимаются одной каверной.
Давление внутри пузырьков и в воде достигает сотен МПа, а температура нескольких тысяч градусов, что вызывает распад молекул воды и образование радикалов с высокой химической активностью. Соприкосновение облака кавитационных пузырьков, заполняющих область зоны отрыва, с твердой поверхностью вызывает ее разрушение кавитационную эрозию. Основной причиной кавитационной эрозии бетона и металла являются ударные импульсы, однако температурные и иные воздействия также могут играть существенную роль в механизме их разрушения.
Из многочисленных статей как отечественных, так и зарубежных авторов просматривается схожая картина эрозии гидротехнических сооружений. Например, из серии гидротехнических сооружений, подвергшихся эрозии, 55,7% поверхностей были разрушены действием водной смеси, насыщенной твердыми частицами, 25,3% — совместным действием водной смеси, насыщенной твердыми частицами и кавитацией, 15,2% за счет кавитации и 1,3% за счет химического воздействия.
В гидравлических системах эффекты кавитации практически всегда негативны. Существуют пять основных проблем, создаваемых явлением кавитации: шум, вибрации, колебания давления, эрозия и потеря эффективности. Эти отрицательные аспекты увеличивают как частоту операций по техническому обслуживанию, так и затраты на ремонт компонентов, что, в свою очередь, снижает возможности производства энергии на предприятиях.
Кавитация является самой разрушительной среди возможных причин эрозии гидротехнических сооружений.
Влияние водной смеси, насыщенной твердыми частицами, также является актуальной проблемой, но остается более предсказуемой по своей структуре.
Эрозия из-за кавитации может начаться из-за недостаточной обработки поверхностей или из-за наличия структурных элементов, таких как стыки между блоками. Причем кавитация может образовываться и при наличии смещений, поперечных канавок или выступающих стыков, возникших в результате ненадлежащих бетонных работ.
Каждый тип процесса эрозии имеет свое происхождение, принципы функционирования и, следовательно, разные последствия. Основным источником кавитационной эрозии являются волновые удары с величиной давления выше 69 МПа и микроструи со скоростью выше 100 м / с, которые возникают во время схлопывания пузырьков. Если эрозия от кавитации возникает, когда пузыри схлопываются перпендикулярно бетонной поверхности, она становится шероховатой. Между тем, эрозия водной смесью, насыщенной твердыми частицами, происходит из-за удара частиц, когда угол между поверхностью и направлением частиц меньше 90°, вызывая гладкие поверхности. Масштаб ущерба для каждого типа эрозии также различается. Кавитация вызывает серьезные повреждения в краткосрочной перспективе из-за величины сил, в то время как эрозионное воздействие частиц становится тяжелыми в долгосрочной. В обоих случаях наблюдается тенденция к удалению заполнителей из цементного раствора.
Согласно характеристикам эрозии в хрупком материале, таком как бетон, только путем экспериментальных исследований можно оценить и обнаружить повреждение, а также определить параметры корреляции между степенью эрозии и условиями потока. Таким образом, важно охарактеризовать состав и сопротивление бетона, который будет использоваться в водосбросе или в устройствах гашения потока.
Результаты, представленные рабочей группой во главе Branco R, подтверждают, что кавитация является наиболее разрушительным процессом эрозии. Тем не менее, это может привести к мысли, что эрозия, вызванная смесью воды и твердого вещества, может быть незначительной. Сама кавитация может вызвать высокое давление и трещины вокруг отдельных кусков заполнителя, уносимые потоком, вызывая эрозию под воздействием твердых частиц. По мере продолжения эрозии от высокоскоростного потока арматурные стержни могут обнажиться. Прутки могут начать вибрировать, что может привести к механическому повреждению поверхности. Оба явления серьезны, но у каждого есть свои конкретные физические процессы, его последствия, следы и масштабы во времени и пространстве также различны, но эти различия не делают ни одно из них менее важным. Кавитация приводит к почти мгновенным последствиям, но она уже хорошо изучена и имеет множество инструментов для уменьшения ее возникновения, например, аэрацию потока. Эрозия под воздействием твердых частиц обычно вызывает серьезные повреждения в долгосрочной перспективе, но, поскольку гидротехнические сооружения, построенные в прошлом, показывают признаки разрушения, необходимо принимать решения, чтобы избежать проблем с безопасностью гидротехнических сооружений. Тем более, оба процесса могут происходить одновременно, увеличивая эрозионное повреждение.
Один из самых эффективных способов защиты от кавитации, известный уже долгое время — это придание конструкциям особой формы, обеспечивающей безотрывное обтекание её потоком. Например, водосливам придается плавный профиль параболического или близкого к нему очертания. Такой способ, достаточно трудоемок из-за сложности изготовления и установки специальной опалубки, а также соблюдения определенного гидравлического режима.
Повышенной кавитационной стойкостью обладают мелкозернистые бетоны. Негативно влияет попеременное замораживание и оттаивание из-за возникновения микротрещин на поверхности.
Существенное влияние на кавитационную стойкость оказывает применение полимербетонов.
Одним из методов борьбы с кавитацией является применение покрытий и мембран. Испытания на эрозию с высоким напором проводились с использованием как полиуретановых, так и неопреновых покрытий. Оба покрытия показали хорошую стойкость к истиранию и кавитации. Проблема с подобными гибкими покрытиями заключается в их сцеплении с бетонными поверхностями. После того, как край или часть покрытия оторваны от поверхности, все покрытие может быть довольно быстро снято с помощью гидравлической силы.
Торкретирование широко используется при ремонте или строительстве зарубежных гидротехнических сооружений. Этот метод позволяет производить заливку бетона без использования опалубки, также можно производить ремонт в очень ограниченном пространстве. Помимо обычного торкретбетона, используются модифицированные бетоны, такие как торкретбетон, армированный фиброй, полимерный торкретбетон и микрокремнезем, что еще сильнее позволяет улучшить устойчивость к эрозии.
Лабораторные испытания показали, что добавление в бетонную смесь соответствующего количества дымчатого кремнезема и высокодисперсных водоредуцирующих добавок значительно повышает их прочность на сжатие. Что, в свою очередь, увеличивает стойкость к истиранию и эрозии. В результате этих испытаний бетоны, содержащие микрокремнезем, были использованы Инженерным корпусом армии США для ремонта абразивно-эрозионных повреждений в успокоительном бассейне плотины Кинзуа и в бетонной облицовке канала с низким расходом Реки Лос-Анджелес. Несмотря на неблагоприятные условия воздействия, особенно на плотине Кинзуа, кварцевый бетон по-прежнему демонстрирует отличную стойкость к абразивной эрозии. Пары кремнезема обладают потенциалом для улучшения многих свойств бетона. Однако очень высокая прочность на сжатие и, как следствие, повышение стойкости к истиранию и эрозии особенно полезны при ремонте гидротехнических сооружений. Бетон из дымчатого кремнезема следует рассматривать при ремонте участков, подверженных истиранию и эрозии, особенно в тех областях, где доступный заполнитель в противном случае может быть неприемлемым.
Устройство щелей для аэрации – это не только решение при проектировании нового объекта, но часто очень подходящее ремонтное дополнение к конструкции, испытывающей повреждения вследствие кавитационной эрозии.
Структурная реставрация и добавление щелей для вентиляции использовались при ремонте нескольких зарубежных гидротехнических объектов. Добавление щелей для аэрации, вероятно, значительно снижает пропускную способность конструкции из-за дополнительного объема увлеченного воздуха.
Отечественные авторы останавливаются на выравнивании поверхностей водопропускных трактов. Однако, это можно считать временной мерой, поскольку мелкие частицы и открытые поверхности водосливных плотин, особенно в суровых климатических условиях подвержены эрозии, сводящей со временем на нет эффективность выравнивания.
Более надёжным является применение бетонов с повышенной кавитационной стойкостью, к которым относятся бетоны с повышенной маркой прочности на мелком заполнителе. Недостатком этого способа является его дороговизна. Одним из часто используемых способов, который при правильном применении оказывается наиболее эффективным и наиболее дешёвым, является подвод воздуха в область вакуума. Наибольший эффект даёт сочетание этих трёх способов, что приводится в большом количестве статей.
При общем положительном влиянии аэраторов на кавитационную обстановку, следует отметить увеличение кавитационной опасности при работе водосброса в режиме истечения из-под затвора. Это связано с тем, что при сходе потока с трамплина-аэратора поток на довольно большом расстоянии (тем большем, чем тоньше струя) отрывается от водосливной поверхности. На этом участке нижняя поверхность потока контактирует с воздухом, который вовлекается в движение в виде спутной струи со скоростью, мало отличающейся от скорости воды на контакте с водяным потоком.
Вследствие этого резко замедляется процесс турбулизации потока и его способность к самоаэрации. Это снижает сопротивляемость тонких потоков процессам кавитации. По этой причине желательно избегать режимов работы с истечением из-под затвора.
В литературе можно найти применении противокавитационных покрытий бетона, представляющих прикрепленный к стенке водовода защитный слой из упругого материала, отличающийся тем, что с целью повышения надежности работы, защитный слой выполнен из пустотелых торообразных элементов с кольцевым разрезом по внешней их поверхности, причем прикрепление элементов к стенке водовода осуществлено посредством омоноличивания их с бетоном стенки. Как известно, упругие материалы очень хорошо противостоят кавитационной эрозии, но их применение сдерживает отсутствие надежного метода закрепления этих материалов, предотвращающих их отслоение от бетона.
Значимый эффект дает нанесение защитных покрытий. Исследования Тбилисского НИИ демонстрируют положительный результат от нанесения защитных покрытий из некоторых полимеров, например эпоксидной смолы, в том числе модифицированной тиоколом. Однако сама эпоксидная смола не имеет достаточной кавитационной стойкости. Поэтом был предложен способ производства покрытия из полиэтилена дублированного путем каландирования или прессования с текстилем, например фланелью. Установлено, что предпочтительным методом является прессование, а дублирование полиэтилена необходимо для возможности крепления его к поверхности бетона или металла. В качестве адгезива используют эпоксидную (лучше эпоксидно-тиоколовую) смолу, которую наносят на поверхность материала, затем наносят дублированный ПЭ и закрепляют прижимными устройствами. Полиэтилен имеет более высокую стойкость к кавитационному разрушению, чем эпоксидная смола, вследствие чего сами поверхности материалов эффективнее защищаются от кавитационного разрушения.
Разработано большое количество полимербетонных смесей, включающих в себя эпоксидную смолу, отвердитель, пластификатор и наполнители с разным удельным весом. У данных смесей в зависимости от процентного соотношения компонентов прослеживаются как положительное, так и отрицательное влияние, например, невысокая адгезия в защищаемой поверхности.
Отечественными и зарубежными авторами написано много научных работ по изучению эффекта кавитации. Однако проблема эрозии, связанной с ней, остается актуальной. Самой популярной мерой защиты до сих пор остается выравнивание поверхностей водопропускных трактов, но это можно считать только временной мерой. Применение других методов защиты практически не прослеживается на практике, что только подтверждает необходимость проведения дополнительных исследований в данном направлении.
Актуальным является разработка руководящих документов по безопасности плотин с включенной в нее необходимости стандартизированных испытаний на эрозию для бетонов, которые будут использоваться на подверженных участках. Это поможет создать условия, гарантирующие долгосрочное и хорошее функционирование гидротехнических сооружений. Для этого требуется провести испытания различных составов бетона, а также различные скорости вращения, концентрации и типы твердых частиц, поскольку они зависят от характеристик бассейна, в котором построено сооружение.