Trong ngành công nghiệp máy bơm, Hiện Tượng Khí Thực (Cavitation) là một trong những thách thức kỹ thuật nguy hiểm và phức tạp nhất. Nó không chỉ làm suy giảm hiệu suất thủy lực của máy bơm (Q,H,N) mà còn gây ra sự phá hoại vật liệu nghiêm trọng được gọi là Ăn Mòn Khí Thực. Sự phá hoại này diễn ra âm thầm nhưng với tốc độ hủy diệt cao, làm rỗ, thủng lỗ chỗ bề mặt Bánh Xe Công Tác (BXCT) và vỏ bơm.

Bài viết chuyên sâu này, dưới góc độ của vật lý thủy động lực học, sẽ đi sâu vào cơ chế phát sinh và quá trình phá hoại của khí thực. Chúng ta sẽ phân tích chi tiết điều kiện áp suất (P≤Phh​) dẫn đến hiện tượng, cơ chế sụp đổ bọt khí (Implosion) tạo ra sóng xung kích hàng nghìn atmosphere, và các tác nhân thứ cấp—Hóa học, Nhiệt và Điện phân—cùng tham gia vào quá trình phá hủy vật liệu (Hình 5-1). Cuối cùng, chúng ta sẽ xem xét các chiến lược vật liệu để tăng cường khả năng chống chịu sự ăn mòn khí thực.
 

Hiện Tượng Khí Thực – Quá Trình Phát Sinh và Điều Kiện Cốt Lõi

• 1.1. Điều kiện Phát sinh Áp Suất Thấp:
  • Khí thực phát sinh khi áp suất thủy tĩnh (P) tại một vùng cục bộ của dòng chảy giảm xuống bằng hoặc nhỏ hơn áp suất hóa hơi (Phh​) của chất lỏng.
  • Phh​ và Nhiệt Độ: Đối với nước, Phh​ chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ (t). Ví dụ: ở t≤30∘C, Phh​ chỉ khoảng ≤0,4m cột nước (rất thấp). Khi nhiệt độ tăng, Phh​ tăng theo cấp số nhân, làm tăng nguy cơ khí thực.
• 1.2. Sự Hình Thành Bọt Khí (Vaporization):
  • Tại vùng P≤Phh​, chất lỏng bị sôi cục bộ, tạo ra các túi chứa đầy hơi nước và khí không tan (Oxy, Nitơ tách ra từ nước). Các túi này được gọi là bọt khí thực (Cavitation Bubbles).
• 1.3. Quá trình Vận chuyển:
  • Các bọt khí này bị cuốn theo dòng chảy tốc độ cao từ vùng áp suất thấp (cửa hút cánh bơm) đến vùng áp suất cao hơn (giữa hoặc cuối cánh bơm).

Cơ Chế Sụp Đổ Bọt Khí (Implosion) và Va Đập Thủy Lực

• 2.1. Ngưng Tụ Đột Ngột (Condensation):
  • Khi bọt khí đi vào vùng có P>Phh​, hơi nước bên trong đột ngột ngưng tụ trở lại thành chất lỏng. Quá trình này tạo ra một độ chân không sâu tại tâm bọt khí.
• 2.2. Sự Lao Vào Tâm (Implosion):
  • Chất lỏng xung quanh (tại thời điểm đó đang chịu áp suất thủy tĩnh cao) ngay lập tức lao vào tâm bọt khí với tốc độ cực kỳ cao để lấp đầy khoảng chân không.
• 2.3. Sóng Xung Kích và Tiếng Ồn:
  • Sự va đập cục bộ của các hạt chất lỏng tại tâm bọt khí tạo ra sóng xung kích (Shock Waves) và Jet Tốc Độ Cao (Micro-jets), gây ra tiếng ồn và rung động đặc trưng của khí thực.
  • Áp suất Cục Bộ: Áp suất tại điểm sụp đổ (va đập thủy lực cục bộ) có thể đạt đến hàng nghìn atmosphere (∼103atm), vượt xa khả năng chịu đựng của hầu hết các vật liệu kỹ thuật.

Cơ Chế Phá Hoại Bề Mặt Vật Liệu (Ăn Mòn Khí Thực)

• 3.1. Phá Hoại Cơ Học Trực Tiếp:
  • Khi bọt khí sụp đổ ngay cạnh bề mặt vật liệu (cánh bơm, vỏ bơm), sóng xung kích và micro-jets va đập trực tiếp, tạo ra những lực cắt và va đập cục bộ lặp đi lặp lại với tần số rất cao.
  • Sự va đập liên tục này dẫn đến việc bóc tách (Hydraulic Wedges) và phá hoại bề mặt vật liệu, tạo ra các vết rỗ và lõm ban đầu.
• 3.2. Tác Nhân Phá Hoại Thứ Cấp (Hình 5-1, a):
  • Tác nhân Hóa Học: Một lượng nhỏ khí không tan (Oxy) bị nén trong bọt khí, gây ra sự gia tăng nhiệt độ đột ngột, có thể dẫn đến phản ứng hóa học với vật liệu (oxi hóa).
  • Tác nhân Điện Phân: Sự gia tăng nhiệt độ và áp suất có thể kích thích các quá trình điện phân, làm tăng tốc độ ăn mòn điện hóa (tương tự như ăn mòn do dòng điện lạc).
  • Tác nhân Nhiệt: Nhiệt độ tăng đột ngột cục bộ do nén khí có thể gây ra biến dạng nhiệt vi mô trên bề mặt, làm vật liệu yếu đi.
• 3.3. Hậu Quả:
  • Sự kết hợp của các tác nhân Cơ học, Hóa học, Nhiệt và Điện phân dẫn đến hiện tượng "Ăn Mòn Khí Thực", khiến bề mặt cánh bơm bị rỗ và dần dần bị thủng lỗ chỗ (Hình 5-2).

Giải Pháp Vật Liệu và Thiết Kế Bề Mặt Chống Khí Thực

• 4.1. Lựa Chọn Vật Liệu:
  • Tác động phá hoại của khí thực có thể giảm nhỏ nếu sử dụng vật liệu có:
    • Độ bền Hóa học cao: Chống lại các phản ứng oxi hóa do nhiệt độ tăng.
    • Độ dẻo (Ductility) và Đàn hồi cao: Có khả năng hấp thụ năng lượng va đập từ sóng xung kích mà không bị nứt vỡ. (Ví dụ: Thép không gỉ Austenitic, Hợp kim Niken-Alumin Bronzes).
• 4.2. Gia Công Bề Mặt:
  • Gia công nhẵn (High Surface Finish): Giảm thiểu các điểm tập trung ứng suất và các bề mặt không hoàn hảo (nơi các bọt khí có xu hướng hình thành), làm chậm quá trình phát sinh khí thực.
  • Thiết kế Dạng Cánh Thích hợp: Tối ưu hóa hình dạng cánh để tránh các vùng tách dòng (Separation) và giảm thiểu gradient áp suất tiêu cực.

Hiện Tượng Khí Thực là một quá trình thủy động lực học phức tạp, trong đó sự giảm áp suất dưới Phh​ dẫn đến sự hình thành bọt hơi, và sự sụp đổ bọt khí (Implosion) là cơ chế phá hoại chính, tạo ra sóng xung kích hàng nghìn atmosphere. Sự phá hủy này được gọi là Ăn Mòn Khí Thực, một hình thức rỗ bề mặt do tác động tổng hợp của các yếu tố cơ học, nhiệt, hóa học và điện phân. Việc hiểu rõ cơ chế này là nền tảng để các chuyên gia lựa chọn vật liệu và thiết kế BXCT nhằm đảm bảo độ bền và tuổi thọ cho máy bơm.