Диагностициране на кавитация
Кавитация е разрушително явление, което възниква в pumps и други хидравлични системи: бързото образуване и бурно разрушаване (имплозия) на парови мехурчета в течност. Това се случва, когато локалното статично налягане на течността падне под нейното налягане на изпаряване, в резултат на което течността за кратко време заври при стайна температура, а след това отново се кондензира при възстановяване на налягането. Въпреки че често се описва като „съскащ“ или „тракащ като топчета“ звук, кавитацията е значителен източник на вибрация и може да доведе до сериозни ерозивни повреди по работното колело и корпуса. Най-важното е, че това е признак за hydraulic проблем, а не механичен — и все пак се открива лесно с анализ на вибрациите, което го превръща в класически пример за използване на вибрациите за диагностициране на неизправност в процеса.
1. Определение: Какво е кавитация?
Физиката на кавитацията се основава на връзката между локалното налягане и налягането на парите. Вътре в помпата течността ускорява движението си при влизането в центъра на работното колело, а съгласно принципа на Бернули това ускорение води до понижаване на локалното налягане. Ако налягането спадне под налягането на парите на течността, се образуват миниатюрни кавитационни кухини. Те съществуват само докато потокът ги пренесе в зона с по-високо налягане – обикновено няколко милиметра по-нататък по лопатката – където се разпадат почти мигновено. Всяко разпадане е микроскопична имплозия, която освобождава рязък скок на налягането и изблик на високочестотна енергия. Умножете това по хилядите мехурчета, които се образуват всяка секунда, и кумулативният ефект е както чуваем шум, така и измерима вибрация, наред с бавното, неумолимо изяждане на металните повърхности.
2. Двата вида кавитация
а) Всмукателна кавитация
Това е най-често срещаният вид. Той възниква, когато помпата „остане без течност“ — тоест, когато наличната нетна положителна височина на всмукване (NPSHa) падне под необходимата нетна положителна височина на всмукване (NPSHr) за помпата.
- Механизъм: Ниското налягане в ухото на работното колело кара течността да заври, образувайки парни мехурчета. Тъй като тези мехурчета се пренасят в областите с по-високо налягане на лопатките на работното колело, те се свиват рязко.
- Причини: запушен всмукателен филтър или решетка, частично затворен всмукателен клапан, всмукателен тръбопровод с прекалено голяма дължина или прекалено малък диаметър, или помпа, която трябва да издига течността от прекалено голяма височина.
Резервът от страна на всмукването по същество е въпрос на NPSH, затова при проектирането или отстраняването на неизправности в дадена инсталация е полезно да се проверят конкретните стойности; нашите Калкулатор на NPSH изчислява наличния напор и показва колко близо се намира системата до прага на кавитация.
б) Кавитация при изпускане
Това е по-рядко срещано и се случва, когато налягането на изхода на помпата е изключително високо, което предотвратява изтичането на течност от помпата.
- Механизъм: Флуидът се задържа между лопатките на работното колело и рециркулира с висока скорост, създавайки вакуумна зона с ниско налягане, където се образуват мехурчета. Тези мехурчета след това имплодират, докато излизат от зоната с ниско налягане.
- Причини: Блокиран или затворен изпускателен клапан или изпомпване срещу „мъртво налягане“ (напълно блокирана изпускателна линия).
Високоскоростната вътрешна рециркулация, възникваща вследствие на кавитацията при изтичането, е тясно свързана с потока рециркулация, друга нестабилност при нисък дебит, която има някои от същите симптоми и е една от няколкото дефекти на центробежните помпи аналитикът се научава да прави разграничение.
3. Вибрационният подпис на кавитацията
Силната имплозия на хиляди малки парни мехурчета не произвежда единна, чиста честота. Вместо това, тя създава много отчетлива вибрационна сигнатура:
- Високочестотен широколентов шум: Основният показател е значителното повишение на „фоновия шум“ на FFT спектър, особено при високите честоти (обикновено над 2000 Hz). Тя се проявява като широка „изпъкналост“ от хаотична енергия, а не като отделни пикове.
- Случайно и нестабилно: вибрацията е случайна и непериодична — именно затова не се образуват остри линии — а общата амплитуда може да варира значително от момент на момент. Именно тази случайност отличава кавитацията от обикновеното течение турбуленция, която обикновено е по-лека и се проявява по-рядко.
- Възможни хармоници на честотата на преминаване на лопатката: в някои случаи случайната енергия може да възбуди честота на преминаване на лопатката (BPF = брой лопатки × работна скорост) и неговите хармоници, но основната характеристика остава широколентовият шумов фон. При помпите този компонент често се нарича честота на преминаване на лопатката.
Тъй като енергията е широколентова и импулсна, методите, пригодени за повтарящи се въздействия, могат да подобрят точността на диагнозата: анализ на обвивката и показатели като коефициент на пиковата стойност реагират остро на преходните състояния при бързото разрушаване на мехурчетата. Ако кавитацията продължи, тя може да доведе до вторични повреди — ерозия на работното колело — което от своя страна води до истински механичен дисбаланс което се проявява като висок 1× пик – полезно напомняне, че един дефект може да породи друг.
4. Потвърждение
Тъй като този сигнал представлява случаен шум, той може да бъде объркан с други източници, свързани с турбулентност или потока, затова е добре да се потвърди преди да се пристъпи към ремонт:
- Слушане: Кавитацията често предизвиква ясно доловим шум, като че ли в помпата се търкалят чакъл или топчета — често това е първият признак, който операторът забелязва на място.
- Промени в процесите: При съмнение за кавитация в смукателната система внимателното и бавно отваряне на частично затворения смукателен клапан или почистването на филтъра на смукателната тръба би трябвало незабавно да намали или премахне високочестотния шум. Този целенасочен тест, състоящ се в промяна и наблюдение, е един от най-ефективните начини за потвърждение, тъй като пряко въздейства върху хидравличната причина.
От решаващо значение е кавитацията да се отстрани своевременно. Всяка имплозия действа като микроскопичен пневматичен чук, който отчупва частици от лопатките на работното колело и спираловидния корпус на помпата, което води до преждевременна повреда. На място практическата процедура е да се потвърди широколентовият спектър на вибрационния анализатор, да се отстрани хидравличната причина и след това да се провери дали машината е възвърнала нормалното си механично състояние. Преносим двуканален уред като Балансет-1а е подходящ за тази последна стъпка: след като проблемът в процеса бъде отстранен, той измерва 1× амплитуда и фаза в самите лагери на помпата при работна скорост, така че всякакви остатъчни дисбаланс остатъците от ерозията могат да бъдат измерени и коригирани на място балансиране.
