تشخيص التجويف
التجويف هي ظاهرة مدمِّرة تحدث في المضخات والأنظمة الهيدروليكية الأخرى: التكوين السريع والانهيار العنيف (الانهيار الداخلي) لفقاعات البخار في السائل. ويحدث ذلك عندما ينخفض الضغط الساكن المحلي للسائل إلى أقل من ضغط بخاره، وبالتالي يغلي السائل للحظات في درجة الحرارة المحيطة ثم يتكثف مرة أخرى مع استعادة الضغط. على الرغم من أنه غالبًا ما يوصف بأنه “هسهسة” أو صوت “قعقعة الرخام”، إلا أن التجويف مصدر مهم ل اهتزاز ويمكن أن يسبب تلفًا شديدًا وتآكلًا في الدفاعات والأغلفة. والأهم من ذلك أنها علامة على وجود هيدروليكي بدلاً من أن تكون مشكلة ميكانيكية - ومع ذلك يمكن اكتشافها بسهولة مع تحليل الاهتزازات, مما يجعلها مثالًا كلاسيكيًا لاستخدام الاهتزاز لتشخيص خطأ في العملية.
1. التعريف: ما هو التجويف؟
تتوقف فيزياء التجويف على العلاقة بين الضغط المحلي وضغط البخار. فداخل المضخة، يتسارع السائل داخل المضخة عند دخوله إلى عين المكره، ووفقًا لمبدأ برنولي يؤدي هذا التسارع إلى انخفاض الضغط المحلي. إذا انخفض الضغط إلى ما دون ضغط بخار السائل، تتكوّن تجاويف بخار صغيرة. وهي تبقى على قيد الحياة فقط إلى أن يحملها التدفق إلى منطقة ذات ضغط أعلى - عادةً على بعد بضعة ملليمترات على طول الريشة - حيث تنهار بشكل شبه فوري. وكل انهيار هو عبارة عن انفجار مجهري من الداخل يطلق ارتفاعًا حادًا في الضغط وانفجارًا من الطاقة عالية التردد. ضاعف ذلك في آلاف الفقاعات التي تتشكل كل ثانية وسيكون التأثير التراكمي ضوضاء مسموعة واهتزازات قابلة للقياس، إلى جانب التنقر البطيء والمتواصل للأسطح المعدنية.
2. نوعان من التجويف
أ) تجويف الشفط
هذا هو الشكل الأكثر شيوعًا. ويحدث ذلك عندما تكون المضخة “متعطشة” للسوائل - أي عندما ينخفض صافي رأس الشفط الموجب المتاح (NPSHa) عن صافي رأس الشفط الموجب المطلوب (NPSHr) من المضخة.
- الآلية: يؤدي الضغط المنخفض عند عين المكره إلى غليان السائل، مُشكِّلاً فقاعات بخار. ومع انتقال هذه الفقاعات إلى مناطق الضغط الأعلى في ريش المكره، تنهار بعنف.
- الأسباب: مرشح أو مصفاة شفط أو مصفاة مسدودة، أو صمام شفط مغلق جزئيًا، أو خط شفط طويل جدًا أو صغير جدًا في القطر، أو مضخة مطلوبة لرفع السائل من ارتفاع كبير جدًا.
الهامش الجانبي للشفط هو في الأساس مشكلة NPSH، لذلك عند تصميم أو استكشاف أخطاء التركيبات وإصلاحها من المفيد التحقق من الأرقام بشكل واضح؛ حاسبة NPSH يحسب الرأس المتاح ويوضح مدى اقتراب النظام من عتبة التجويف.
ب) تجويف التفريغ
وهذا أقل شيوعًا ويحدث عندما يكون ضغط تفريغ المضخة مرتفعًا للغاية، مما يمنع السائل من التدفق خارج المضخة.
- الآلية: يُحتجز السائل بين ريش المكره، ويدور بسرعة عالية، مُكوّنًا منطقة فراغ منخفضة الضغط تتشكل فيها فقاعات. ثم تنفجر هذه الفقاعات عند خروجها من منطقة الضغط المنخفض.
- الأسباب: صمام تصريف مسدود أو مغلق، أو ضخ ضد "رأس ميت" (خط تصريف مسدود تمامًا).
يرتبط إعادة الدوران الداخلي عالي السرعة وراء تجويف التفريغ ارتباطًا وثيقًا بالتدفق إعادة التدوير, ، وهو عدم استقرار آخر منخفض التدفق يشترك في بعض الأعراض نفسها وهو واحد من عدة عيوب مضخة الطرد المركزي يتعلم المحلل التمييز.
3. التوقيع الاهتزازي للتجويف
الانفجار العنيف لآلاف فقاعات البخار الصغيرة لا يُنتج ترددًا واحدًا واضحًا، بل يُنشئ بصمة اهتزازية مميزة للغاية:
- ضوضاء النطاق العريض عالي التردد: المؤشر الأساسي هو الارتفاع الكبير في “أرضية الضوضاء” في طيف تحويل فورييه السريع, ، خاصةً عند الترددات العالية (عادةً فوق 2,000 هرتز). وتظهر على شكل “حدبة” واسعة من الطاقة العشوائية بدلاً من قمم منفصلة.
- عشوائي وغير مستقر: الاهتزاز عشوائي وغير دوري - وهذا هو بالضبط سبب عدم إنتاج خطوط حادة - ويمكن أن تتذبذب السعة الكلية بشكل ملحوظ من لحظة إلى أخرى. هذه العشوائية هي ما يفصل التجويف عن التدفق العادي الاضطرابات, ، والتي تميل إلى أن تكون أكثر اعتدالاً وأقل تواتراً.
- التوافقيات المحتملة لتردد تمرير الشفرة: في بعض الحالات يمكن أن تثير الطاقة العشوائية تردد تمرير الشفرة (BPF = عدد الدوارات × سرعة التشغيل) وتوافقياته، ولكن تظل السمة المهيمنة هي أرضية الضوضاء عريضة النطاق. في المضخات غالبًا ما يُطلق على هذا المكون نفسه اسم تردد مرور الريشة.
نظرًا لأن الطاقة واسعة النطاق ومندفعة، يمكن للتقنيات المضبوطة على التأثيرات المتكررة أن تزيد من حدة التشخيص: تحليل الغلاف ومقاييس مثل عامل القمة تستجيب بقوة للعابرات السريعة لانهيار الفقاعات. إذا تُرك التجويف ليتقدم يمكن أن يسبب تلفًا ثانويًا - تآكل المكره - والذي يؤدي بعد ذلك إلى حدوث تآكل ميكانيكي حقيقي عدم التوازن الذي يظهر كذروة عالية 1×، وهو تذكير مفيد بأن خطأ ما يمكن أن يولد خطأ آخر.
4. التأكيد
نظرًا لأن التوقيع هو أحد مصادر الضوضاء العشوائية، يمكن الخلط بينه وبين مصادر أخرى ذات صلة بالاضطراب أو التدفق، لذا فإن التأكيد جدير بالاهتمام قبل الالتزام بالإصلاح:
- الاستماع: غالبًا ما ينتج عن التجويف صوتًا مسموعًا واضحًا، مثل الحصى أو الرخام الذي يتدحرج داخل المضخة - وغالبًا ما يكون أول دليل يلاحظه المشغل على الأرض.
- تغييرات العملية: بالنسبة لتجويف الشفط المشتبه به، يجب أن يؤدي فتح صمام الشفط المغلق جزئيًا بعناية وببطء أو تنظيف مصفاة الشفط إلى تقليل الضوضاء عالية التردد أو القضاء عليها على الفور. يعد هذا الاختبار المتعمد للتغيير والمراقبة أحد أكثر التأكيدات المتاحة فعالية، لأنه يعالج السبب الهيدروليكي مباشرةً.
من المهم معالجة التجويف بسرعة. يعمل كل تجويف داخلي مثل مطرقة نفاثة مجهرية، مما يؤدي إلى تقطيع دوارات المكره وفلطية المضخة ويؤدي إلى فشل سابق لأوانه. في هذا المجال، يتمثل سير العمل العملي في الميدان في التأكد من بصمة النطاق العريض على محلل الاهتزاز، وإزالة السبب الهيدروليكي، ثم التحقق من عودة الماكينة إلى حالة ميكانيكية نظيفة. أداة محمولة ثنائية القناة مثل بالانست-1أ مناسب تمامًا لتلك الخطوة النهائية: بمجرد معالجة خطأ المعالجة، فإنه يقيس 1×1 من السعة والطور في المحامل الخاصة بالمضخة عند سرعة التشغيل، لذا فإن أي بقايا اختلال التوازن التي خلفها التآكل يمكن قياسها وتصحيحها عن طريق التآكل الموضعي موازنة.
