คู่มือภาคปฏิบัติสำหรับวิศวกรและช่างเทคนิค
ที่ทำงานเกี่ยวกับระบบควบคุมของเหลวในโรงงานอุตสาหกรรม

1. 1. ปรากฏการณ์โพรงอากาศ (cavitation) คืออะไร?
2. 2. มันก่อให้เกิดความเสียหายอะไรบ้าง?
3. 3. ตัวเลข K_C — วิธีวัดความเสี่ยง
4. 4. วิธีแก้ไขที่ 1 : เลือกใช้วัสดุที่ดีกว่า
5. 5. วิธีแก้ไขที่ 2 : เปลี่ยนการออกแบบวาล์ว
6. 6. ข้อสรุปสำคัญ

วาล์วควบคุมเป็นอุปกรณ์สำคัญในโรงงานอุตสาหกรรมทุกแห่ง ทำหน้าที่ควบคุมความดัน การไหล อุณหภูมิ และระดับของของเหลว แต่มีปัญหาหนึ่งที่สามารถทำลายวาล์วจากภายในได้อย่างเงียบๆ - การเกิดโพรงอากาศ (cavitation)

ในบางกรณี การเกิดโพรงอากาศอาจก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่เดือน ข่าวดีก็คือ หากคุณรู้วิธีสังเกต ก็สามารถจัดการได้ คู่มือนี้จะอธิบายว่าการเกิดโพรงอากาศคืออะไร วิธีการวัดความเสี่ยง และสิ่งที่คุณสามารถทำได้เพื่อป้องกันการเกิดโพรงอากาศ (cavitation) ในวาล์วควบคุม

1. การเกิดโพรงอากาศ (cavitation) คืออะไร?

เมื่อของเหลวไหลผ่านวาล์วควบคุม มันจะต้องบีบตัวผ่านช่องว่างแคบๆ ระหว่างปลั๊กและแหวนรอง ช่องว่างแคบๆ นั้นจะทำให้ของเหลวไหลเร็วขึ้น และเมื่อของเหลวไหลเร็วขึ้น ความดันของมันก็จะลดลง

หากความดันลดลงมากจน ต่ำกว่าระดับของเหลวจุดเดือดที่อุณหภูมินั้น— ฟองไอน้ำขนาดเล็กก่อตัวขึ้นภายในของเหลว ปรากฏการณ์นี้สามารถเกิดขึ้นได้แม้ในน้ำเย็น ตราบใดที่ความดันลดลงต่ำพอ

เมื่อกระแสการไหลก็ กลับมาเปิดอีกครั้ง และความดันก็เพิ่ม สูงขึ้นอีก ฟองอากาศเหล่านั้นจึงยุบตัวลงอย่างฉับพลันและรุนแรง การยุบตัวนี้ เรียกว่า การเกิดโพรงอากาศ (cavitation) ซึ่งปลดปล่อยพลังงานออกมามหาศาลในพื้นที่เล็กๆในวาล์วควบคุม

2. มันก่อให้เกิดความเสียหายอะไรบ้าง?

เมื่อฟองอากาศเหล่านั้นยุบตัวลงใกล้พื้นผิวโลหะ พวกมันจะกระแทกพื้นผิวด้วยแรงมหาศาล ซึ่งบางครั้งอาจเทียบเท่ากับ...ความดันหลายร้อยบรรยากาศ ซ้ำแล้วซ้ำเล่า กระบวนการนี้ค่อยๆกัดกร่อนโลหะไปเรื่อยๆ ศัพท์ทางเทคนิคคือการกัดเซาะจากโพรงอากาศ.

ชิ้นส่วนที่เสี่ยงต่อความเสียหายมากที่สุด ได้แก่ ปลั๊ก แหวนรองที่นั่ง โครง และตัววาล์ว เมื่อเวลาผ่านไป ความเสียหายจะนำไปสู่ :

• วาล์วรั่วในขณะที่ควรปิดสนิท
• การสูญเสียการควบคุมการไหลที่แม่นยำ
• วาล์วเสียหายโดยสมบูรณ์ — บางครั้งอาจเกิดขึ้นภายในไม่กี่เดือน
• ความเสียหายลุกลามไปยังท่อด้านล่าง

ประเด็นที่ซับซ้อนอย่างหนึ่งคือ สภาวะการเกิดโพรงอากาศ (cavitation) ไม่ได้ปรากฏชัดเจนเสมอไปในขั้นตอนการออกแบบ วาล์วอาจทำงานได้ดีในระยะหนึ่ง จากนั้นสภาวะต่างๆ ก็เปลี่ยนแปลงไป และเมื่อความเสียหายปรากฏให้เห็น อาจร้ายแรงไปแล้ว

3. ตัวเลข K_C — วิธีวัดความเสี่ยง

วิศวกรใช้ตัวเลขง่ายๆ ที่เรียกว่าสัมประสิทธิ์การเกิดโพรงอากาศ K_C เพื่อประเมินโอกาสการเกิดโพรงอากาศ สูตรคำนวนหาค่า K_C คือ :

P₁ : ความดันที่เข้าสู่ลิ้นวาล์ว (ค่าสัมบูรณ์)

P₂ : ความดันที่ออกจากวาล์ว (ค่าสัมบูรณ์)

P_V : ความดันเดือดของของเหลวที่อุณหภูมินั้น

ยิ่งค่า K_C สูงขึ้น ก็ยิ่ง มีโอกาศเกิดโพรงอากาศได้มากขึ้นได้ เท่านั้น ลองคิดแบบนี้ดู : ค่า K_C สูง หมายความว่ามีแรงดันตกคร่อมวาล์วสูงมาก และของเหลวกำลังใกล้ถึงจุดเดือดภายในตัววาล์ว ความรุนแรงของการกัดเซาะจากโพรงอากาศก็จะยิ่งมีโอกาศเกิดสูงด้วย.

4. วิธีแก้ไขที่ 1 : เลือกใช้วัสดุที่ดีกว่า

เมื่อการเกิดโพรงอากาศ (cavitation) บางส่วนเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ เป้าหมายคือการเลือกใช้วัสดุที่ทนทานต่อแรงกระแทกได้ดี ส่วนประกอบสำคัญที่ต้องพิจารณาคือส่วนตกแต่งต่างๆ ได้แก่ ปลั๊ก วงแหวนที่นั่ง และโครงยึดสำหรับตัววาล์ว

สำหรับงานที่มีการเกิดโพรงอากาศเล็กน้อย หรือการใช้งานกับไอน้ำและน้ำร้อน ควรเปลี่ยนไปใช้โลหะที่ทนทานกว่า เช่น เหล็กกล้า Cr-Mo หรือสแตนเลส สำหรับของเหลวที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 100°C ขอแนะนำอย่างยิ่งให้ใช้โลหะประเภทนี้สำหรับชิ้นส่วนตกแต่งภายใน

เมื่อค่า K_C ≥ 0.5 หรือเมื่อสภาวะการเริ่มต้นทำงานรุนแรงเป็นพิเศษ จะมีการใช้กรรมวิธีเพิ่มความแข็งให้กับชิ้นส่วนตกแต่ง ตัวเลือกทั่วไป ได้แก่ :

• เหล็กกล้าไร้สนิมชุบแข็ง (SUS630)
  เหล็กกล้าอบชุบความร้อนที่มีความแข็งและความทนทานต่อการกัดกร่อนดีเยี่ยม นิยมใช้ในงานวาล์วแบบกรงและวาล์วหมุน
• เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก (SUS440C)
  ทำจากสแตนเลสชนิดแข็งมาก เหมาะสำหรับวาล์วแบบลูกโลก น้ำร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาเซลเซียส และไอน้ำที่มีละอองน้ำปนอยู่
• การเคลือบผิวแข็ง CoCr-A
  โลหะผสมโคบอลต์ถูกเชื่อมติดกับพื้นผิวของปลั๊กและที่นั่ง มีความแข็งสูงมากและทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อน
• โคลโมนอยการเคลือบผิวแข็ง
  เป็นการเคลือบด้วยโลหะผสมนิกเกิล คล้ายกับ CoCr-A Hardfacing ใช้งานได้ดีเป็นพิเศษในบริเวณที่มีกรดอินทรีย์หรือด่างอินทรีย์

5. วิธีแก้ไขที่ 2: เปลี่ยนการออกแบบวาล์ว

สำหรับสภาวะการเกิดโพรงอากาศ (cavitation) ที่รุนแรงมากขึ้น การออกแบบเปลี่ยนโครงสร้างภายในของวาล์วถือเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุด เป้าหมายคือการหยุดการเกิดฟองอากาศหรือเพื่อให้แน่ใจว่าพวกมันจะพังทลายลงควรอยู่ห่างจากพื้นผิวโลหะ

• วาล์วโครงสร้างแบบลูกโลกพร้อมกับมีกรง
  ในวาล์วแบบลูกโลกมาตรฐาน ฟองอากาศมักจะยุบตัวลงใกล้กับผนังตัววาล์ว ทำให้เกิดความเสียหายโดยตรง การออกแบบแบบกรงจะช่วยนำทางกระแสไหลผ่านรูเล็กๆ ในชิ้นส่วนทรงกระบอก ทำให้บริเวณที่ฟองอากาศยุบตัวนั้นอยู่ห่างจากผนังและไหลไปยังกระแสไหลที่เปิดโล่ง
• วาล์วที่มีโครงสร้างแบบกรงพร้อมกับมีหลายรู
  รูเล็กๆ จำนวนมากในกรงจะแบ่งกระแสลมออกเป็นลำน้ำเล็กๆ จำนวนมาก ลำน้ำเหล่านี้จะมาบรรจบกันตรงกลางกรง ห่างจากผนัง และพลังงานจะถูกปล่อยออกมาในพื้นที่โล่ง ซึ่งช่วยปกป้องผนังกรงจากการสึกกร่อน
• วาล์วที่มีโครงสร้างเป็นเขาวงกต
  วาล์วแบบเขาวงกตประกอบด้วยห้องเล็กๆ จำนวนมากที่ของเหลวไหลคดเคี้ยวผ่าน แต่ละห้องจะค่อยๆ ชะลอการไหลของของเหลวและลดความดันลงทีละขั้นตอน ผลที่ได้คือ บริเวณที่ฟองอากาศยุบตัวซึ่งเป็นอันตรายจะเคลื่อนตัวไปทางด้านล่าง ห่างจากที่นั่งและจุกปิด นอกจากนี้ หากพื้นผิวที่นั่งด้านแรกสึกหรอ วงแหวนที่นั่งสามารถเลื่อนไปเพื่อเผยให้เห็นพื้นผิวที่นั่งด้านที่สอง ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานของวาล์วได้นานขึ้น
• การลดแรงดันหลายขั้นตอน
  แทนที่จะเกิดการลดลงของความดันครั้งใหญ่เพียงครั้งเดียว การออกแบบนี้จะแบ่งการลดลงของความดันออกเป็นหลายขั้นตอนเล็กๆ เมื่อของเหลวไหลมาถึงจุดที่แคบที่สุด ความดันก็จะลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปแล้ว ดังนั้นจึงไม่ลดลงมากพอที่จะก่อให้เกิดฟองอากาศ นี่เป็นวิธีที่ตรงที่สุดในการป้องกันการเกิดโพรงอากาศโดยสิ้นเชิง
• แผ่นรูรับแสงด้านท้ายน้ำ
  แผ่นรูรับแสงแบบง่ายๆ ที่ติดตั้งในท่อหลังวาล์วจะช่วยกระจายแรงดันตกคร่อมทั้งหมดระหว่างสองจุดแทนที่จะเป็นจุดเดียว แรงดันตกคร่อมวาล์วน้อยลงหมายถึงความเสี่ยงต่อการเกิดโพรงอากาศน้อยลง ผลกระทบจะรุนแรงที่สุดเมื่อวาล์วเปิดกว้าง

6. ข้อสรุปสำคัญ

ปรากฏการณ์โพรงอากาศมีความซับซ้อน และไม่มีสูตรใดที่สามารถทำนายได้อย่างแม่นยำ แต่ขั้นตอนทั้งสี่นี้ครอบคลุมสาระสำคัญแล้ว :

• ตรวจสอบ K_C แต่แรก ถ้าค่าสูงกว่า 0.5 ให้วางแผนป้องกันไว้ อย่ารอจนกว่าจะเกิดความเสียหาย
• ใช้วัสดุที่แข็งกว่าสำหรับชิ้นส่วนตกแต่งปลั๊กและแหวนรองเป็นส่วนที่รับแรงกระแทกมากที่สุด
• ออกแบบให้ฟองอากาศยุบตัวออกห่างจากโลหะวาล์วแบบกรง วาล์วแบบหลายขั้นตอน และอุปกรณ์ตกแต่งแบบเขาวงกต ล้วนทำงานในลักษณะนี้ด้วยวิธีการที่แตกต่างกัน
• ตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอแม้แต่ลิ้นวาล์วที่ได้รับการปกป้องอย่างดีก็ยังต้องตรวจสอบเป็นระยะ ชิ้นส่วนภายในสามารถเปลี่ยนได้ แต่ตัวลิ้นวาล์วนั้นซ่อมยากกว่ามาก

มีคำถามเกี่ยวกับปรากฏการณ์โพรงอากาศ (cavitation) หรือต้องการหาวาล์วควบคุมที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานของคุณหรือไม่? ติดต่อ อัซบิล (ประเทศไทย) จำกัด ได้เลย ทีมงานด้านเทคนิคของเรายินดีให้ความช่วยเหลือ