คาวิเทชัน (cavitation) ที่เกิดขึ้นในวาล์วควบคุมคือปรากฏการณ์ที่ความดันภายในวาล์วลดลงเฉพาะจุดจนถึงระดับความดันไออิ่มตัว ทำให้เกิดฟองอากาศขึ้น และเมื่อความดันฟื้นตัวกลับที่ด้านปลายน้ำ ฟองอากาศเหล่านั้นจะแตกตัว การยุบตัวของฟองอากาศนี้จะกระแทกผิวโลหะอย่างต่อเนื่องจนก่อให้เกิดการกัดกร่อนเชิงกล (erosion) เสียงผิดปกติ และการสั่นสะเทือน หลักการพื้นฐานในการป้องกันมีสามข้อ ได้แก่ การออกแบบที่ไม่รับความดันต่าง (differential pressure) ทั้งหมดในขั้นเดียว การเลือกโครงสร้างทริม (trim) ที่ให้การยุบตัวของฟองอากาศห่างจากผิวลิ้นวาล์ว และการใช้วัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อนเชิงกลได้สูง จุดเริ่มต้นคือการประเมินความเป็นไปได้ของการเกิดจากความดันขาเข้า ความดันขาออก และอุณหภูมิของเหลวในไลน์ของตนเอง
สาระสำคัญของบทความนี้
- คาวิเทชันดำเนินไปในสองขั้นตอน คือ “การลดความดันภายในวาล์วทำให้เกิดฟองอากาศ → การฟื้นตัวของความดันที่ด้านปลายน้ำทำให้ฟองอากาศยุบตัว” โดยแรงกระแทกขณะยุบตัวเป็นสาเหตุหลักของการกัดกร่อนเชิงกล เสียงผิดปกติ และการสั่นสะเทือน
- มาตรการป้องกันไม่ใช่วิธีการเดียวที่แก้ได้ทุกกรณี แต่เป็นแนวคิดในการควบคุมด้วยการผสมผสานระหว่างการแบ่งความดันต่าง การเลือกโครงสร้างทริม และวัสดุที่ทนการกัดกร่อนเชิงกล
- ความเป็นไปได้ของการเกิดสามารถประเมินได้เป็นแนวทางในระดับหนึ่งจากความดันขาเข้า ความดันขาออก และอุณหภูมิของเหลว (ความดันไออิ่มตัว) การประเมินตั้งแต่ขั้นตอนออกแบบจึงมีประสิทธิภาพ
กลไกการเกิดคาวิเทชันและวิธีสังเกต
ในวาล์วควบคุม เมื่อช่องทางไหลถูกบีบแคบที่ช่องว่างระหว่างลิ้นวาล์วกับซีต ความเร็วการไหลจะเพิ่มขึ้น และความดันสถิตจะลดลงตามสัดส่วนนั้น เมื่อความดันเฉพาะจุดนี้ลดลงต่ำกว่าความดันไออิ่มตัวของของเหลว ของเหลวบางส่วนจะกลายเป็นไอและเกิดฟองอากาศขนาดเล็กขึ้น จากนั้นเมื่อช่องทางไหลขยายกว้างขึ้นและความดันฟื้นตัวที่ด้านปลายน้ำของวาล์ว ฟองอากาศจะยุบตัวอย่างรวดเร็ว โดยความดันเฉพาะจุดที่สูงซึ่งเกิดขึ้นในขณะนั้นจะกระแทกผิวโลหะซ้ำ ๆ
เสียงผิดปกติจะปรากฏเป็นเสียงคล้ายกรวดไหลผ่านหรือเสียงสูงต่อเนื่อง และอาจมาพร้อมกับการสั่นสะเทือนหรือเสียงรบกวนของระบบท่อ เนื่องจากมีลักษณะการดำเนินที่ต่างจากแฟลชชิง (flashing ปรากฏการณ์ที่ฟองอากาศไม่ฟื้นตัวแม้ที่ด้านปลายน้ำ และไหลในสภาพสองสถานะทั้งของเหลวและก๊าซ) การสังเกตแนวโน้มของเสียง การสั่นสะเทือน และตำแหน่งความเสียหายไปพร้อมกันจึงเป็นเบาะแสในการแยกแยะได้
ตำแหน่งที่การกัดกร่อนเชิงกล (erosion) มักจะกระจุกตัว
ฟองอากาศมักยุบตัวที่ตำแหน่งที่ความดันฟื้นตัว ได้แก่ ด้านปลายน้ำของลิ้นวาล์ว บริเวณใกล้ซีต และผนังด้านในของท่อปลายน้ำ ความเสียหายจึงมักกระจุกตัวอยู่บริเวณดังกล่าว หากพบผิวที่ถูกกัดกร่อนเป็นลักษณะฟองน้ำหรือผิวด้าน (แบบผิวลูกแพร์) ที่เกิดจากหลุมเล็ก ๆ กระจายรวมกัน ก็เป็นแนวทางหนึ่งที่ควรสงสัยว่าเป็นคาวิเทชัน การเทียบตำแหน่งความเสียหายกับทิศทางการไหลจะช่วยในการคาดการณ์สาเหตุได้
เกณฑ์การตัดสินใจในการออกแบบและการเลือกเพื่อยับยั้งการเกิด
ความเป็นไปได้ของการเกิดสามารถประเมินล่วงหน้าได้ในระดับหนึ่งจากความสัมพันธ์ระหว่างผลต่างของความดันขาเข้ากับความดันขาออก (ความดันต่าง) และความดันไออิ่มตัวที่สอดคล้องกับอุณหภูมิของเหลว โดยทั่วไป ยิ่งความดันขาออกใกล้กับความดันไออิ่มตัว และยิ่งความดันต่างมาก ก็ยิ่งเกิดได้ง่าย สำหรับของเหลวอุณหภูมิสูง ความดันไออิ่มตัวจะสูงขึ้น จึงต้องระวังว่าแม้อยู่ในเงื่อนไขความดันเดียวกันก็ยิ่งเกิดได้ง่ายกว่า
แนวคิดของมาตรการป้องกันมีสามข้อใหญ่ ๆ ข้อแรก คือไม่รับความดันต่างทั้งหมดในวาล์วขั้นเดียว แต่ใช้การลดความดันหลายขั้นหรือใช้ออริฟิซ (orifice) ร่วมด้วยเพื่อกระจายการลดความดัน และบรรเทาการตกของความดันเฉพาะจุด ข้อสอง คือเลือกโครงสร้างที่ให้การเกิดและการยุบตัวของฟองอากาศห่างจากผิวลิ้นวาล์ว เช่น ทริมหลายขั้น (multi-stage trim) ที่แบ่งการไหลเป็นหลายเส้นทางแล้วลดความดันทีละขั้น ข้อสาม คือในเงื่อนไขที่ไม่อาจหลีกเลี่ยงการยุบตัวได้ ให้ใช้วัสดุแข็งที่ทนต่อการกัดกร่อนเชิงกลได้สูง หรือการพอกผิว (hard facing) ด้วยวัสดุตระกูลสเตไลต์ (Stellite) เพื่อยับยั้งการลุกลามของความเสียหาย
การบรรเทาที่ฝ่ายผู้ใช้งานทำได้และข้อจำกัด
ไม่เพียงแต่ไลน์ที่ติดตั้งใหม่ แต่ในไลน์ที่มีอยู่เดิมก็อาจลดภาระได้ด้วยการทบทวนเงื่อนไขการใช้งาน เช่น การตรวจสอบว่าได้บีบความดันขาออกมากเกินความจำเป็นหรือไม่ และการพิจารณาตำแหน่งการติดตั้งวาล์ว (ตำแหน่งที่สามารถรักษาความดันย้อนกลับ back pressure ด้านปลายน้ำได้) อย่างไรก็ตาม วิธีเหล่านี้มีผลจำกัดขึ้นอยู่กับเงื่อนไข และในเงื่อนไขความดันต่างที่รุนแรงในเชิงพื้นฐานก็ยังจำเป็นต้องแก้ไขด้วยโครงสร้างและวัสดุของวาล์ว หากยังคงเดินเครื่องแบบบีบเกินกำลังต่อไป ความเสียหายจะลุกลามมากขึ้น จึงแนะนำให้จัดระเบียบเงื่อนไขแต่เนิ่น ๆ
คำถามที่พบบ่อย
Q1. คาวิเทชันกับแฟลชชิงต่างกันอย่างไร
A1. ทั้งสองเหมือนกันตรงที่เกิดฟองอากาศจากการลดความดัน แต่คาวิเทชันคือกรณีที่ความดันฟื้นตัวที่ด้านปลายน้ำแล้วฟองอากาศยุบตัว ส่วนแฟลชชิงคือกรณีที่ความดันไม่ฟื้นตัวและไหลในสภาพสองสถานะทั้งของเหลวและก๊าซ ลักษณะการเกิดความเสียหายก็ต่างกันด้วย
Q2. หากมีเสียงผิดปกติแล้วจะเป็นคาวิเทชันเสมอไปหรือไม่
A2. ไม่อาจกล่าวว่าเสมอไป เสียงผิดปกติอาจเกิดจากปัจจัยอื่นได้เช่นกัน เช่น แฟลชชิง ความเร็วการไหลที่มากเกินไป หรือการสั่นพ้อง (resonance) การตรวจสอบลักษณะของเสียงร่วมกับเงื่อนไขความดันและตำแหน่งความเสียหายจึงเป็นแนวทางในการพิจารณา
Q3. หากใช้วัสดุที่แข็งขึ้นจะแก้ปัญหาได้หรือไม่
A3. วัสดุที่ทนการกัดกร่อนเชิงกลเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการชะลอการลุกลามของความเสียหาย แต่ไม่ได้หยุดการเกิดในตัวมันเอง หลักการพื้นฐานคือการพิจารณาร่วมกับการกระจายความดันต่างและโครงสร้างทริม
Q4. ความดันต่างระดับใดจึงต้องเริ่มระวัง
A4. ไม่สามารถระบุค่าเกณฑ์ตายตัวเพียงค่าเดียวได้ เนื่องจากขึ้นอยู่กับความใกล้ระหว่างความดันขาออกกับความดันไออิ่มตัว อุณหภูมิของเหลว และคุณลักษณะการฟื้นตัวของความดันของวาล์ว จึงต้องพิจารณาด้วยการคำนวณประมาณการตามเงื่อนไขแต่ละกรณี โดยเป็นแนวทางว่ายิ่งอุณหภูมิสูงและความดันต่างสูงก็ยิ่งต้องระวัง
Q5. วาล์วที่ติดตั้งเดิมกำลังถูกกัดกร่อนลุกลาม ควรทำอะไรก่อน
A5. บันทึกตำแหน่งความเสียหายและทิศทางการไหล ความดันขาเข้าและขาออกขณะเดินเครื่อง และอุณหภูมิของเหลว เพื่อแยกแยะว่าเป็นคาวิเทชันหรือไม่ จากนั้นจึงพิจารณาว่าการผ่อนคลายเงื่อนไขเพียงพอหรือไม่ หรือจำเป็นต้องเปลี่ยนโครงสร้างและวัสดุ
Q6. ข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการคำนวณเงื่อนไขการเกิดมีอะไรบ้าง
A6. ข้อมูลพื้นฐานได้แก่ ความดันขาเข้า ความดันขาออก อุณหภูมิของเหลว (ความดันไออิ่มตัว) อัตราการไหล และชนิดของของเหลว เมื่อมีข้อมูลเหล่านี้ครบถ้วน ก็จะประเมินความเป็นไปได้ของการเกิดและทิศทางของมาตรการที่จำเป็นได้เป็นแนวทางในระดับหนึ่งได้ง่ายขึ้น
สรุป
มาตรการป้องกันคาวิเทชันของวาล์วควบคุมคือขั้นตอนที่ประเมินความเป็นไปได้ของการเกิดจากความดันขาเข้า ความดันขาออก และอุณหภูมิของเหลวก่อน แล้วจึงผสมผสานการกระจายความดันต่าง โครงสร้างทริมที่ให้การยุบตัวของฟองอากาศห่างจากผิว และวัสดุที่ทนการกัดกร่อนเชิงกล ตามเงื่อนไขแต่ละกรณี ทุกอย่างเริ่มต้นจาก “แนวทางประมาณการ” แล้วนำมาปรับใช้กับเงื่อนไขจริงของไลน์ตนเอง ซึ่งเป็นสิ่งที่กำหนดความแม่นยำ
หากท่านมีข้อกังวล เช่น “มีเสียงผิดปกติและการสั่นสะเทือนแต่ไม่สามารถตัดสินได้ว่าสาเหตุคือคาวิเทชันหรือไม่” “ทราบความดันขาเข้าและขาออกแต่ลังเลในการเลือกวาล์วรับมือ” หรือ “วาล์วที่ติดตั้งเดิมถูกกัดกร่อนลุกลามและอยากปรึกษาวิธีเปลี่ยนใหม่ในเงื่อนไขเดียวกัน” กรุณาจัดระเบียบเงื่อนไขต่าง ๆ เช่น ความดัน อุณหภูมิของเหลว และอัตราการไหล แล้วใช้บริการปรึกษาด้านเทคนิคและการเลือกวาล์วของ Yoshitake เราจะร่วมพิจารณาการเลือกวาล์วที่มีโครงสร้างและวัสดุที่เหมาะสมโดยอิงจากเงื่อนไขการเดินเครื่องของท่าน