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バルブにおけるキャビテーション現象とは
作成日 03.20
キャビテーション現象とは
音が生体に悪影響を与えるのと同様に、特定の周波数は産業機器に深刻な損害を与える可能性があります。制御弁が適切に選択されていない場合、キャビテーションのリスクが増加し、それが高い騒音と振動レベルにつながり、弁の内部および下流の配管に非常に急速な損傷を引き起こす可能性があります。さらに、高い騒音レベルはしばしば配管、計器、その他の機器を損傷する可能性のある振動を引き起こします。
時間の経過とともに、バルブはその部品が劣化し、バルブによって生成されるキャビテーションが配管システムに深刻な損傷を引き起こします。この損傷は主に振動と騒音エネルギーによって引き起こされ、腐食プロセスを加速させます。大きな振幅の高騒音レベルによって反映されたバブルの近くおよび下流での収縮流の形成と崩壊がキャビテーションによって引き起こされます。これは通常、バルブボディ内のボールバルブやロータリーバルブで発生しますが、実際にはV字型ボールバルブの短い高回復ウエハー状ボディセクション、特にバタフライバルブのバルブ配管の下流側でも発生する可能性があります。バルブが特定の位置でストレスを受けると、キャビテーションが発生しやすく、配管やバルブの溶接修理で漏れが発生しやすくなり、このセクションの配管にはバルブが適していません。
バルブの内部または下流でキャビテーションが発生するかどうかにかかわらず、キャビテーションゾーン内の機器は大きな損傷を受ける可能性があります。超薄シート、スプリングおよび小断面のカンチレバー構造、大振幅の振動は、振動故障を引き起こす可能性があります。圧力計、トランスミッタ、サーモウェル、流量計、サンプリングシステムなどの計装機器には、頻繁に故障ポイントが見られます。スプリングを含むアクチュエータ、ポジショナ、リミットスイッチは、摩耗が加速し、マウントブラケット、ファスナー、コネクタは振動によって緩んだり故障したりします。
振動にさらされた摩耗面の間で発生するマイクロ腐食は、近くのキャビテーション弁でよく見られます。これにより、摩耗面の間で研磨摩耗として作用する硬い酸化物が生成されます。影響を受ける機器には、制御弁、ポンプ、回転スクリーン、サンプラー、その他の回転またはスライド機構に加えて、隔離弁および逆止弁が含まれます。
高振幅の振動は、金属製バルブ部品や配管壁の亀裂や腐食を引き起こす可能性もあります。飛散した金属粒子や腐食性化学物質は、配管内の流体を汚染する可能性があり、衛生バルブ配管や高純度配管流体に大きな影響を与える可能性があります。これも許容されません。
プラグバルブのキャビテーション故障の予測はより複雑であり、単純なブロッキング圧力降下の計算ではありません。経験則では、主流の流体の圧力が液体の蒸気圧に達するまで低下し、その結果、局所的な蒸発とその領域での蒸気泡の崩壊が起こる可能性があることが示唆されています。一部のバルブメーカーは、初期損傷圧力降下を定義することによって早期の侵食故障を予測しています。バルブメーカーのキャビテーション損傷予測の方法は、キャビテーションとノイズを引き起こす蒸気泡の崩壊に基づいています。メーカーは、計算されたノイズレベルが以下に示す限界を下回る場合、重大なキャビテーション損傷を回避できることを確認しています。
バルブサイズ 3インチまで - 80 dB
バルブサイズ 4～6インチ - 85 dB
バルブサイズ 8～14インチ - 90 dB
バルブサイズ 16インチ以上 - 95 dB
キャビテーション損傷を排除する方法
キャビテーションを排除するために特別に設計されたバルブは、流れの分割と段階的な圧力降下を使用します。
「バルブシャント」とは、大きな流れをいくつかの小さな流れに分割し、バルブの流れ経路を設計して、流れが複数の並列する小さな開口部を通過するようにすることです。キャビテーションバブルのサイズは、流れが通過する開口部によって計算されます。開口部が小さいほどバブルも小さくなり、その結果、ノイズが少なくなり、損傷も少なくなります。
「段階的な圧力降下」とは、バルブが2つ以上の調整ポイントを直列に接続するように設計されていることを意味します。そのため、単一のステップでの圧力降下全体ではなく、いくつかの小さなステップで圧力降下が行われます。個々の圧力降下が小さいほど、液体の蒸気圧を下回る絞り部の圧力を防ぎ、バルブのキャビテーションを排除します。
バルブ内でシャントと圧力損失ステージングを組み合わせることで、以下の方法でキャビテーション耐性を向上させることができます。バルブ改造時、制御バルブの入口圧力が高い場合（例：より上流側、または標高が低い場合）、キャビテーションを排除できることがあります。
さらに、制御バルブを液体の温度、したがって蒸気圧が低い場所（例：極低温側の熱交換器）に配置することで、キャビテーションの問題を排除するのに役立ちます。
まとめると、バルブのキャビテーション現象は、性能低下やバルブの損傷だけでなく、下流の配管や設備も危険にさらされることが示されています。キャビテーションを予測し、それを排除するための対策を講じることが、高価なバルブ消費の問題を回避する唯一の方法です。
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