تشخیص کاویتاسیون
کاویتاسیون یک پدیده مخرب است که در pumps و سایر سیستمهای هیدرولیکی رخ میدهد: تشکیل سریع و فروپاشی خشن (انفجار) حبابهای بخار در مایع. این زمانی اتفاق میافتد که فشار ایستایی محلی مایع از فشار بخار آن کمتر باشد، بنابراین مایع لحظهای در دمای محیط میجوش و سپس با بازیابی فشار مجدداً متراکم میشود. اگرچه اغلب به عنوان صدای «هیس» یا «سنگدرشتها صدای تقتق درمیدهند» توصیف میشود، کاویتاسیون منبع قابلتوجهی از لرزش است و میتواند خسارات فرسایشی شدید بر ملخها و جابهجایی ایجاد کند. به طور حیاتی، این نشانهای از یک هیدرولیک مشکل در فرآیند است نه مشکل مکانیکی — اما میتوان آن را به راحتی با کمک آن شناسایی کرد تحلیل ارتعاشات، که آن را یک نمونه کلاسیک از استفاده از ارتعاش برای تشخیص خرابی فرآیند میسازد.
۱. تعریف: کاویتاسیون چیست؟
فیزیک کاویتاسیون بر اساس رابطه بین فشار محلی و فشار بخار است. در داخل پمپ، مایع هنگام ورود به چشم ایمپلر شتاب میگیرد و بر اساس اصل برنولی، این شتاب فشار محلی را کاهش میدهد. اگر فشار زیر فشار بخار مایع کاهش یابد، حفرههای بخار کوچک ایجاد میشوند. آنها تنها تا زمانی که جریان آنها را به منطقه فشار بالاتری حمل میکند — معمولاً چند میلیمتر جلوتر در امتداد پره — زنده میماند و سپس تقریباً فوری فرو میریزد. هر فروپاشی یک فشردگی میکروسکوپی است که یک ضربه فشار تیز و انبوهی از انرژی با فرکانس بالا را آزاد میکند. در صورت ضرب این میزان در هزاران حباب تشکیل شده در هر ثانیه، اثر تجمعی هم سر و صدای شنیداری و هم ارتعاش قابلاندازهگیری است، در کنار خوردگی کند و بیامان سطوح فلزی.
۲. دو نوع کاویتاسیون
الف) کاویتاسیون مکشی
این رایجترین شکل است. این زمانی رخ میدهد که پمپ از مایع «محروم» شود — یعنی زمانی که Net Positive Suction Head Available (NPSHa) پایینتر از Net Positive Suction Head Required (NPSHr) مورد نیاز پمپ باشد.
- مکانیسم: فشار کم در چشم پروانه باعث جوشیدن مایع و تشکیل حبابهای بخار میشود. با انتقال این حبابها به نواحی پرفشارتر پرههای پروانه، آنها به شدت متلاشی میشوند.
- علل: فیلتر یا صافی مسدود شده در طرف مکش، دریچه مکش تا حدی بسته، خط مکش که بیش از حد طولانی یا قطر کمی داشته باشد، یا پمپی که برای بالا بردن مایع از ارتفاع بیش از حد بالا مورد نیاز است.
حاشیه طرف مکش اساساً یک مشکل NPSH است، بنابراین هنگام طراحی یا عیبیابی یک نصب کمک میکند که اعداد را به صراحت بررسی کنید؛ ما ماشین حساب NPSH سر موجود را محاسبه میکند و نشان میدهد که یک سیستم چقدر نزدیک به آستانه کاویتاسیون حرکت میکند.
ب) کاویتاسیون تخلیه
این مورد کمتر رایج است و زمانی رخ میدهد که فشار تخلیه پمپ بسیار بالا باشد و مانع از خروج سیال از پمپ شود.
- مکانیسم: سیال بین پرههای پروانه به دام میافتد و با سرعت بالا دوباره به گردش در میآید و یک ناحیه خلاء کمفشار ایجاد میکند که در آن حبابها تشکیل میشوند. سپس این حبابها هنگام خروج از ناحیه کمفشار، از داخل میترکند.
- علل: شیر تخلیه مسدود یا بسته، یا پمپاژ در خلاف جهت «سر مرده» (خط تخلیه کاملاً مسدود).
بازگردش داخلی با سرعت بالا در پسزمینه کاویتاسیون دشارژ با جریان ارتباط نزدیکی دارد گردش مجدد، یکی دیگر از ناپایداریهای کمجریان که برخی از علائم یکسان را به اشتراک میگذارد و یکی از چندین عیوب پمپ سانتریفیوژ که یک تحلیلگر یاد میگیرد تمایز قائل شود.
۳. اثر ارتعاشی کاویتاسیون
انفجار شدید هزاران حباب بخار کوچک، یک فرکانس واحد و مشخص تولید نمیکند. در عوض، یک امضای ارتعاشی بسیار متمایز ایجاد میکند:
- سر و صدای باندگسترده با فرکانس بالا: نشانگر اولیه افزایش قابل توجه در «سطح نویز پایه» ارتعاش طیف FFT، به ویژه در فرکانسهای بالا (معمولاً بالای 2000 هرتز). این بهصورت یک «تپه» گسترده از انرژی تصادفی ظاهر میشود نه اینکه بهصورت پیکهای گسسته.
- تصادفی و ناپایدار: ارتعاش تصادفی و غیرتناوبی است — که دقیقاً همین دلیل است که هیچ خط تیز تولید نمیکند — و دامنه کلی میتواند بهطور قابلتوجهی از لحظهای به لحظه نوسان کند. این تصادفیبودن آنچه کاویتاسیون را از جریان عادی جدا میکند تلاطم، که تمایل دارد ملایمتر و پایینتر در فرکانس باشد.
- هارمونیکهای بالقوه فرکانس عبور پره: در برخی موارد انرژی تصادفی میتواند عبور پره (BPF = تعداد پرهها × سرعت کارکرد) و هارمونیکهای آن را تحریک کند، اما ویژگی غالب سطح نویز باندگسترده باقی میماند. در پمپها این جزء یکسان غالباً به فرکانس عبور پره.
از آنجایی که انرژی گستردهطیف و ضربهای است، تکنیکهای طراحیشده برای ضربات تکراری میتوانند تشخیص را تیزتر کنند: تحلیل پوششی و معیارهایی مانند ضریب قله بهشدت به انتقالهای سریع فروپاشی حباب پاسخ میدهند. اگر کاویتاسیون رشد کند، میتواند آسیب ثانویه ایجاد کند — فرسایش پرههای پمپ — که سپس یک عدم تعادل واقعی مکانیکی معرفی میکند که بهصورت یک قله 1× بالا نمایش داده میشود، یادآوری مفیدی که یک نقص میتواند نقص دیگری را ایجاد کند.
۴. تأیید
از آنجایی که امضا یک سر و صدای تصادفی است، میتواند با منابع دیگر مرتبط با اضطراب یا جریان اشتباهگیری شود، بنابراین تأیید قبل از تعهد به تعمیر سودمند است:
- گوش دادن: کاویتاسیون اغلب یک صدای متمایز شنیداری ایجاد میکند، مانند سنگریزه یا سنگهای بازی که درون پمپ چرخش میکنند — معمولاً اولین نشانهای که اپراتور روی سکو متوجه میشود.
- تغییرات فرآیند: برای کاویتاسیون مکش مظنون، باز کردن آهسته و احتیاطآمیز یک شیر مکش نیمهبسته یا تمیز کردن صافی مکش باید بلافاصله نویز فرکانس بالا را کاهش یا حذف کند. این آزمایش تغییر و مشاهدهای عمدی یکی از موثرترین تأییدهای موجود است، زیرا بهطور مستقیم علت هیدرولیکی را کنترل میکند.
حیاتی است که کاویتاسیون را بهسرعت برطرف کنید. هر انفجار مانند یک مته جت میکروسکوپی عمل میکند و پرههای پمپ و اسکرول پمپ را خراش میدهد و منجر به خرابی زودرس میشود. در محل کار، جریان عملی این است که امضای گستردهطیف را بر روی یک دستگاه تحلیل ارتعاش تأیید کنید، علت هیدرولیکی را حذف کنید و سپس تأیید کنید که دستگاه به حالت مکانیکی تمیز برگشته است. یک دستگاه قابلحمل دوکانالی مانند بالانس-1a برای آن مرحله نهایی مناسب است: پس از درمان نقص فرآیند، 1× را اندازهگیری میکند دامنه و فاز در یاتاقانهای پمپ در سرعت کاری، بنابراین هر نامتعادل باقیمانده توسط فرسایش میتواند کمی و تصحیح شود با متعادل کردن.
