Holger Döbert (Chem.Ing.)

anwendungsbezogene Werkstoffberatung, Korrosion und Korrosionsschutz, Schadensaufklärung

Kavitation und Kavitationskorrosion

Kavitation, ein rein physikalischer Vorgang, tritt vor allem bei Kreiselpumpen, Turbinen, Rührwerken und Schiffspropellern auf. Ein Unterschreiten des Dampfdruckes der Flüssigkeit, bedingt durch hohe Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenzen oder Strömungsablösung, führt zur sofortigen Verdampfung der Flüssigkeit. Unmittelbar danach, wenn der statische Druck der Flüssigkeit ihren Dampfdruck wieder überschreitet, fallen die gerade entstandenen Gasblasen wieder zusammen. Die implodierenden Gasblasen bewirken extreme Druckschwankungen, im Mikrobereich sind bis 100.000 bar möglich. Dadurch wird die Werkstoffoberfläche mechanisch zerrüttet. Ein typisches Schadensbild sind Anhäufungen kleiner, nadelstichartiger Löcher auf der Werkstoffoberfläche, ein fortgeschrittener Angriff zeichnet sich durch ein schwammartiges Gerüst aus.

Ein gleichzeitig wirkender korrosiver Angriff kann einen rasanten Anstieg des Materialverlustes bewirken, man spricht jetzt von Kavitationskorrosion.

Manchmal tritt an den von Kavitation betroffenen Bereichen auch eine Erosionskorrosion auf. Diese zeichnet sich durch scharfkantige, gerundete Narben aus. Im Zweifelfall kann durch einer Untersuchung mittels REM (Rasterelektronenmikroskop) ermittelt werden, welcher beider Mechanismen hauptsächlich gewirkt hat.

Ein Sonderfall ist die Pseudo- oder Gaskavitation; hier stammen die Gasblasen nicht von der Flüssigkeit, sondern von darin gelösten Gasen. Gaskavitation macht sich, wie echte Kavitation, durch laute Geräusche bemerkbar, die an Kieselsteine in einem Betonmischer erinnern. Das Ausmaß der Schäden ist jedoch geringer.

Kavitation an einer Propellerschaufel nach 5 Jahren Einsatz

Kavitation an einer Propellerschaufel aus Aluminiumbronze nach 5 Jahren Einsatz in Seewasser

Kavitation an einer Laufradschaufel einer Kreiselpumpe

Kavitation an einer Laufradschaufel einer Kreiselpumpe, ausgelöst durch Teillastbetrieb

Kreiselpumpen

Bei Kreiselpumpen läßt sich anhand des Schadensbildes häufig der Betriebszustand der Pumpe erkennen. Bei Teillastbetrieb sind die Schäden an der Saugseite des Laufrades vorhanden, wie an dem Beispiel rechts. Man spricht dann von Teillastkavitation.

Bei Überlastbetrieb sind die Materialverluste eher an der Druckseite zu finden, dann liegt eine Überlastkavitation vor.

Beim Betrieb von Kreiselpumpen können zahlreiche Fehler auftreten, ein schlimmer "Klassiker" ist ein Betrieb gegen geschlossene Druckschieber. Die Folge ist ein schneller Anstieg der Temperatur innerhalb der Pumpe auf einige Hundert °C.

Im Falle schlechter Ansaugverhältnisse treten saugseitige Strömungswirbel auf, welche dann Erosionskorrosion und Kavitation bewirken können.  

Kavitation am Saugstutzen einer Seewasserpumpe


Entstehung eines scharf begrenzten Strömungswirbels am Saugstutzen einer Seewasserpumpe, ausgelöst durch einen saugseitigen Krümmer. Als Folge entwickelte sich eine Erosionskorrosion (schmale Zone halb rechts) und eine starke Kavitation (Zone ganz rechts).

Sekundärschäden

Von Kavitation betroffene Strömungsmaschinen wie beispielsweise Kreiselpumpen fallen oft nicht wegen der resultierenden Materialverluste, sondern wegen Sekundärschäden aus.

Dazu gehören durch Reibkorrosion und Oberflächenzerrüttung verursachte Lagerschäden, Versagen der Wellenabdichtung und im schlimmsten Fall ein Dauerbruch (Ermüdungsbruch) der Antriebswelle.