Kavitatsiooni diagnoosimine
Kavitatsioon on hävitav nähtus, mis esineb pumbad ja muudes hüdraulilistes süsteemides: aurumullide kiire tekkimine ja järsk kokkuvarisemine (implosioon) vedelikus. See juhtub siis, kui vedeliku kohalik staatiline rõhk langeb alla selle aururõhu, mistõttu vedelik keeb hetkeks ümbritseva õhu temperatuuril ja kondenseerub seejärel uuesti, kui rõhk taastub. Kuigi seda kirjeldatakse sageli kui „sisinat” või „marmorikuulide kolksumist”, on kavitatsioon oluline allikas vibratsioon ja võib põhjustada tiivikute ja korpuste tõsist, erosioonilist kahjustust. Oluline on see, et see on märk hüdrauliline pigem probleem kui mehaaniline viga — kuid seda on kergesti võimalik avastada vibratsioonianalüüs, mis teeb sellest klassikalise näite vibratsiooni kasutamisest protsessirikke diagnoosimiseks.
1. Definitsioon: Mis on kavitatsioon?
Kaviteerimise füüsika põhineb kohaliku rõhu ja aururõhu vahelisel seosel. Pumba sees kiirendub vedelik, kui see siseneb tiiviku silma, ning Bernoulli seaduse kohaselt langetab see kiirendus kohalikku rõhku. Kui rõhk langeb alla vedeliku aururõhu, tekivad pisikesed aurukambrid. Need püsivad ainult seni, kuni vool kannab need kõrgemasse rõhupiirkonda – tavaliselt mõne millimeetri kaugusele tiivikust –, kus need peaaegu silmapilkselt kokku varisevad. Iga kokkuvarisemine on mikroskoopiline implosioon, mis vabastab järsu rõhuhüppe ja kõrgsagedusliku energia purske. Korrutades seda tuhandete sekundis tekkivate mullidega, on kumulatiivne efekt nii kuuldav müra kui ka mõõdetav vibratsioon, millele lisandub metallpindade aeglane ja järeleandmatu korrodeerumine.
2. Kavitatsiooni kaks tüüpi
a) Imemiskavitatsioon
See on kõige levinum vorm. See tekib siis, kui pump jääb vedelikust ilma – st kui pumba kättesaadav positiivne imikõrgus (NPSHa) langeb alla pumba nõutava positiivse imikõrguse (NPSHr).
- Mehhanism: Madal rõhk tiiviku ava juures paneb vedeliku keema, moodustades aurumulle. Kui need mullid kanduvad tiiviku labade kõrgema rõhuga piirkondadesse, varisevad nad vägivaldselt kokku.
- Põhjused: ummistunud imifilter või -sõel, osaliselt suletud imiklap, liiga pikk või liiga väikese läbimõõduga imitoru või pump, mis peab vedelikku tõstma liiga suurelt kõrguselt.
Imu-poolne varu on põhimõtteliselt NPSH-probleem, seega on paigalduse projekteerimisel või veaotsingul kasulik neid näitajaid täpselt kontrollida; meie NPSH kalkulaator arvutab välja kasutatava tõstekõrguse ja näitab, kui lähedal on süsteem kavitatsiooni piirile.
b) Väljalaskekavitatsioon
See on vähem levinud ja juhtub siis, kui pumba väljalaskerõhk on äärmiselt kõrge, mis takistab vedeliku väljavoolu pumbast.
- Mehhanism: Vedelik jääb tiiviku labade vahele lõksu ja ringleb suure kiirusega, luues madalrõhu vaakumtsooni, kus tekivad mullid. Need mullid seejärel madalrõhu piirkonnast lahkudes plahvatavad.
- Põhjused: Ummistunud või suletud väljalaskeventiil või pumpamine vastu „surnud pea“ (täielikult ummistunud väljalasketoru).
Väljavoolu kavitatsiooni taga toimuv kiire sisemine ringlus on tihedalt seotud vooluga retsirkulatsioon, veel üks madalrõhu ebastabiilsus, millel on mõned samad tunnused ja mis on üks mitmest tsentrifugaalpumba rikked analüütik õpib eristama.
3. Kavitatsiooni vibratsiooni signatuur
Tuhandete pisikeste aurumullide vägivaldne kokkupõrge ei tekita ühte kindlat sagedust. Selle asemel loob see väga selge vibratsioonilise signatuuri:
- Kõrgsageduslik lairibamüra: peamine näitaja on märkimisväärne tõus seadme „müra tasemes“ FFT spekter, eriti kõrgetel sagedustel (tavaliselt üle 2000 Hz). See ilmneb pigem laia juhusliku energia „kõrgendusena” kui eraldiseisvate tippudena.
- Juhuslik ja ebastabiilne: vibratsioon on juhuslik ja mitteperioodiline – just seetõttu ei tekita see teravaid jooni – ning üldine amplituud võib hetkest hetkesse märgatavalt kõikuda. Just see juhuslikkus eristab kavitatsiooni tavalisest voolust turbulents, mis on tavaliselt kergem ja esineb harvem.
- Labadepöörlemissageduse võimalikud harmoonilised: mõnel juhul võib juhuslik energia ergutada tera läbimissagedus (BPF = tiivikute arv × töökiirus) ja selle harmoonilised, kuid peamiseks tunnuseks jääb lairiba mürapõhi. Pumpade puhul nimetatakse seda sama komponenti sageli labade läbimissagedus.
Kuna tegemist on laia sagedusala ja impulsiivse energiaga, võivad korduvatele mõjudele kohandatud meetodid diagnoosi täpsustada: ümbriskõvera analüüs ja sellised näitajad nagu haripunkti tegur reageerivad kiiresti mullide kiirele kokkuvarisemisele. Kui kavitatsiooni arengut ei peatata, võib see põhjustada sekundaarseid kahjustusi – tiiviku erosiooni –, mis omakorda tekitab tõelise mehaanilise tasakaalustamatus mis ilmneb kõrge 1× piigina, meenutades meile, et üks viga võib kaasa tuua teise.
4. Kinnitus
Kuna tegemist on juhusliku müraga, võib seda segi ajada muude turbulentsi või vooluga seotud müraallikatega, mistõttu tasub enne remondi alustamist olukorda täpsemalt kontrollida:
- Kuulamine: Kaviteerumine tekitab sageli selgelt kuuldava heli, nagu veereksid pumbas kruus või klaaskuulid – see on tihti esimene märk, mida operaator töökohal märkab.
- Protsessimuudatused: Kui kahtlustatakse imukavitatiooni, peaks osaliselt suletud imiklapiga ettevaatlik ja aeglane avamine või imisõela puhastamine kõrgsageduslikku müra kohe vähendama või kõrvaldama. See sihipärane „muuda ja jälgi“ test on üks tõhusamaid võimalikke viise olukorra kindlakstegemiseks, kuna sellega mõjutatakse otseselt hüdraulilist põhjust.
Kavitatsioon tuleb kindlasti kiiresti kõrvaldada. Iga implosioon toimib nagu mikroskoopiline löökhaamer, mis kulutab järk-järgult ära tiiviku labad ja pumba spiraalkorpuse, põhjustades seadme enneaegset riket. Praktikas seisneb töövoog selles, et kinnitatakse lairiba signatuur vibratsioonianalüsaatoril, kõrvaldatakse hüdrauliline põhjus ja seejärel veendutakse, et seade on taastanud puhta mehaanilise seisundi. Selleks sobib hästi kaasaskantav kahekanaliline seade, nagu näiteks Balanset-1A sobib selle viimase etapi jaoks hästi: kui protsessiviga on kõrvaldatud, mõõdab see 1× amplituud ja faas pumba enda laagrites töökiirusel, mistõttu mis tahes jääk tasakaalustamatus erosiooni tagajärjel tekkinud puudujääke on võimalik kohapeal mõõta ja parandada tasakaalustamine.
