Diagnostika kavitace
Kavitace je destruktivní jev, který se vyskytuje v čerpadla a dalších hydraulických systémech: rychlé vznikání a prudké kolapsy (imploze) parních bublin v kapalině. K tomuto jevu dochází, když lokální statický tlak kapaliny klesne pod její tlak par, takže kapalina na okamžik začne vřít při okolní teplotě a poté se při obnovení tlaku opět zkondenzuje. Ačkoli se tento jev často popisuje jako „syčivý“ nebo „chrastivý“ zvuk, kavitace je významným zdrojem vibrace a může způsobit vážné eroze na oběžných kolech a skříních. Především je to známka hydraulický spíše než mechanický problém – přesto je snadno zjistitelný pomocí analýza vibrací, což z něj činí klasický příklad využití vibrací k diagnostice poruchy procesu.
1. Definice: Co je kavitace?
Fyzika kavitace závisí na vztahu mezi lokálním tlakem a tlakem par. Uvnitř čerpadla kapalina při vstupu do oka oběžného kola zrychluje a podle Bernoulliho principu toto zrychlení snižuje lokální tlak. Pokud tlak klesne pod tlak par dané kapaliny, vznikají drobné parní dutinky. Ty přežívají pouze do té doby, než je proud unese do oblasti s vyšším tlakem – obvykle o několik milimetrů dále podél lopatky –, kde se téměř okamžitě zhroutí. Každé zhroucení je mikroskopická imploze, která uvolňuje prudký tlakový výkyv a výbuch vysokofrekvenční energie. Vynásobte to tisíci bublin, které se tvoří každou sekundu, a kumulativním efektem je jak slyšitelný hluk, tak měřitelné vibrace, spolu s pomalým, neúprosným důlkováním kovových povrchů.
2. Dva typy kavitace
a) Sací kavitace
Toto je nejčastější forma. Dochází k němu, když je čerpadlo „hladovějící“ po kapalině – tedy když hodnota dostupného čistého sacího tlaku (NPSHa) klesne pod hodnotu požadovaného čistého sacího tlaku (NPSHr) daného čerpadla.
- Mechanismus: Nízký tlak v oku oběžného kola způsobuje var kapaliny a tvorbu bublin páry. Jakmile jsou tyto bubliny unášeny do oblastí lopatek oběžného kola s vyšším tlakem, prudce se zhroutí.
- Příčiny: ucpaný sací filtr nebo síto, částečně uzavřený sací ventil, příliš dlouhé sací potrubí nebo potrubí s příliš malým průměrem, případně čerpadlo, které musí čerpat kapalinu z příliš velké výšky.
Rezerva na sací straně je v zásadě otázkou NPSH, a proto je při navrhování nebo řešení problémů v instalaci užitečné tyto hodnoty výslovně zkontrolovat; naše Kalkulačka NPSH vypočítá dostupný tlak a ukáže, jak blízko se systém nachází k prahu kavitace.
b) Kavitace výtlaku
Toto je méně časté a dochází k němu, když je výtlačný tlak čerpadla extrémně vysoký, což brání vytékání kapaliny z čerpadla.
- Mechanismus: Kapalina je zachycena mezi lopatkami oběžného kola a recirkuluje vysokou rychlostí, čímž vytváří nízkotlakou podtlakovou zónu, kde se tvoří bubliny. Tyto bubliny pak implodují, když se pohybují ven z nízkotlaké oblasti.
- Příčiny: Zablokovaný nebo zavřený výtlačný ventil, nebo čerpání proti „mrtvému tlaku“ (zcela zablokované výtlačné potrubí).
Vysokorychlostní vnitřní recirkulace za výstupní kavitací úzce souvisí s prouděním recirkulace, další nestabilita s nízkým prouděním, která vykazuje některé stejné příznaky a je jednou z několika poruchy odstředivých čerpadel analytik se naučí rozlišovat.
3. Vibrační podpis kavitace
Prudká imploze tisíců drobných bublinek páry nevytváří jedinou, úhlednou frekvenci. Místo toho vytváří velmi zřetelný vibrační podpis:
- Vysokofrekvenční širokopásmový šum: hlavním ukazatelem je výrazný nárůst „šumové hladiny“ Spektrum FFT, zejména ve vysokých frekvencích (obvykle nad 2 000 Hz). Projevuje se spíše jako široký „hrb“ náhodné energie než jako jednotlivé špičky.
- Náhodné a nestabilní: Vibrace jsou náhodné a neperiodické – a právě proto nevytvářejí žádné ostré linie – a celková amplituda se může z okamžiku na okamžik znatelně měnit. Právě tato náhodnost odlišuje kavitaci od běžného proudění turbulence, který bývá mírnější a vykazuje nižší frekvence.
- Možné harmonické frekvence průchodu lopatky: v některých případech může náhodná energie vyvolat frekvence průchodu lopatek (BPF = počet lopatek × provozní otáčky) a jeho harmonické, ale hlavním rysem zůstává širokopásmová šumová hladina. U čerpadel se tato složka často nazývá frekvence průchodu lopatky.
Vzhledem k tomu, že se jedná o širokopásmovou a impulzní energii, mohou diagnostiku zpřesnit metody přizpůsobené opakovaným nárazům: obalová analýza a ukazatele, jako jsou činitel kréstu reagují velmi citlivě na náhlé přechodové jevy při kolapsu bublin. Pokud se kavitace nechá volně postupovat, může způsobit sekundární poškození – erozi oběžného kola –, což následně vede ke skutečnému mechanickému. Každá implozivní vlna působí jako mikroskopické hydraulické tryskové kladívko, které postupně odštěpuje lopatky oběžného kola a spirálovou skříň čerpadla, což vede k předčasnému selhání. nevyváženost což se projevuje jako vysoký 1× vrchol, což je užitečná připomínka toho, že jedna porucha může vyvolat další.
4. Potvrzení
Jelikož se jedná o signál náhodného šumu, lze jej zaměnit s jinými zdroji souvisejícími s turbulencí nebo prouděním, a proto je vhodné provést ověření, než se pustíte do opravy:
- Naslouchání: Kavitace často vydává zřetelný zvuk, jako by se uvnitř čerpadla kutálel štěrk nebo kuličky – to je často první náznak, kterého si obsluha v provozovně všimne.
- Změny v procesech: V případě podezření na kavitaci na sání by mělo opatrné a pomalé otevření částečně uzavřeného sacího ventilu nebo vyčištění sacího filtru okamžitě vést ke snížení či úplnému odstranění vysokofrekvenčního hluku. Tento test, při kterém se provádí záměrná změna a následuje pozorování, patří k nejúčinnějším dostupným způsobům ověření, protože přímo zasahuje do hydraulické příčiny.
Je zásadně důležité řešit kavitaci co nejrychleji. Každá implozivní vlna působí jako mikroskopické hydraulické tryskové kladívko, které postupně odštěpuje lopatky oběžného kola a spirálovou skříň čerpadla, což vede k předčasnému selhání. V praxi se postupuje tak, že se nejprve ověří širokopásmový signál na analyzátoru vibrací, vyloučí se hydraulická příčina a poté se zkontroluje, zda se stroj vrátil do bezchybného mechanického stavu. Přenosný dvoukanálový přístroj, jako je například Balanset-1A se pro tento závěrečný krok velmi dobře hodí: jakmile je procesní porucha odstraněna, změří 1× amplituda a fáze v ložiscích samotného čerpadla při provozních otáčkách, takže jakékoli zbytkové nerovnováha ztráty způsobené erozí lze vyčíslit a napravit přímo na místě vyvažování.
