Kavitáció diagnosztizálása
Kavitáció egy roncsoló jelenség, amely a következőkben fordul elő: szivattyúk és más hidraulikus rendszerekben: gőzbuborékok gyors kialakulása és heves összeomlása (implóziója) egy folyadékban. Akkor következik be, amikor a folyadék helyi statikus nyomása a gőznyomása alá esik, így a folyadék pillanatnyilag forrni kezd környezeti hőmérsékleten, majd a nyomás helyreálltával újra lecsapódik. Bár gyakran “sziszegő” vagy “zörgő üveggolyók” hangjaként írják le, a kavitáció jelentős forrása a rezgés és súlyos, eróziós károkat okozhat a járókerekekben és a házakban. Lényeges, hogy ez egy hydraulic jellegű probléma jele, nem pedig mechanikai problémáé — ugyanakkor könnyen kimutatható a következővel: rezgéselemzés, ami klasszikus példája a rezgés felhasználásának egy folyamathiba diagnosztizálására.
1. Definíció: Mi a kavitáció?
A kavitáció fizikája a helyi nyomás és a gőznyomás közötti összefüggésen alapul. A szivattyú belsejében a folyadék felgyorsul, ahogy belép a járókerék szemébe, és Bernoulli elve szerint ez a gyorsulás csökkenti a helyi nyomást. Ha a nyomás a folyadék gőznyomása alá esik, apró gőzüregek keletkeznek. Ezek csak addig maradnak fenn, amíg az áramlás magasabb nyomású tartományba nem viszi őket — jellemzően néhány milliméterrel arrébb a lapát mentén —, ahol szinte azonnal összeomlanak. Minden egyes összeomlás egy mikroszkopikus implózió, amely éles nyomáscsúcsot és nagyfrekvenciás energialökést szabadít fel. Ezt megszorozva a másodpercenként keletkező buborékok ezreivel, az összesített hatás egyszerre hallható zaj és mérhető rezgés, a fémfelületek lassú, könyörtelen kimaródása mellett.
2. A kavitáció két típusa
a) Szívó kavitáció
Ez a leggyakoribb forma. Akkor fordul elő, amikor a szivattyú “éhezik” folyadékra — azaz amikor a rendelkezésre álló nettó pozitív szívómagasság (NPSHa) a szivattyú által megkövetelt nettó pozitív szívómagasság (NPSHr) alá esik.
- Mechanizmus: A járókerék szemében uralkodó alacsony nyomás a folyadék forrását okozza, ami gőzbuborékok képződését okozza. Ahogy ezek a buborékok a járókerék lapátjainak magasabb nyomású régióiba kerülnek, hevesen összeomlanak.
- Okok: eltömődött szívóoldali szűrő vagy szűrőbetét, részben zárt szívóoldali szelep, túl hosszú vagy túl kis átmérőjű szívóvezeték, illetve olyan szivattyú, amelynek túl nagy magasságból kell felemelnie a folyadékot.
A szívóoldali tartalék alapvetően NPSH-probléma, ezért egy berendezés tervezésekor vagy hibakeresésekor érdemes a számokat kifejezetten ellenőrizni; a mi NPSH-kalkulátor kiszámítja a rendelkezésre álló nyomómagasságot, és megmutatja, mennyire közel halad a rendszer a kavitációs küszöbhöz.
b) Nyomóoldali kavitáció
Ez ritkábban fordul elő, és akkor fordul elő, amikor a szivattyú nyomónyomása rendkívül magas, ami megakadályozza a folyadék kiáramlását a szivattyúból.
- Mechanizmus: A folyadék a járókerék lapátjai között csapdába esik, és nagy sebességgel kering vissza, alacsony nyomású vákuumzónát hozva létre, ahol buborékok képződnek. Ezek a buborékok ezután szétrobbannak, amikor elhagyják az alacsony nyomású területet.
- Okok: Eldugult vagy zárt nyomószelep, vagy „holt fejjel” (teljesen elzáródott nyomóvezeték) szembeni szivattyúzás.
A nyomóoldali kavitáció mögött álló nagy sebességű belső visszaáramlás szorosan összefügg az áramlással recirkuláció, egy másik kis áramlású instabilitás, amely néhány azonos tünetet mutat, és egyike azon több centrifugálszivattyú hibák amelyek megkülönböztetését az elemző megtanulja.
3. A kavitáció rezgési jellemzője
Több ezer apró gőzbuborék erőszakos összeroppanása nem hoz létre egyetlen, tiszta frekvenciát. Ehelyett egy nagyon jellegzetes rezgési jellemzőt hoz létre:
- Nagyfrekvenciás szélessávú zaj: az elsődleges jelzés a FFT spektrum“zajszintjének” jelentős emelkedése, különösen a magas frekvenciákon (jellemzően 2000 Hz felett). Inkább véletlenszerű energia széles “púpjaként” jelenik meg, semmint különálló csúcsokként.
- Véletlenszerű és állandóan változó: a rezgés véletlenszerű és nem periodikus — pontosan ezért nem hoz létre éles vonalakat —, és az összesített amplitúdó pillanatról pillanatra észrevehetően ingadozhat. Ez a véletlenszerűség az, ami a kavitációt megkülönbözteti a szokásos áramlástól turbulencia, amely általában enyhébb és alacsonyabb frekvenciájú.
- A lapátáthaladási frekvencia lehetséges harmonikusai: egyes esetekben a véletlenszerű energia gerjesztheti a lapátátmeneti frekvencia (BPF = a lapátok száma × üzemi fordulatszám) frekvenciát és annak harmonikusait, de a meghatározó jellemző továbbra is a széles sávú zajszint marad. Szivattyúkon ugyanezt a komponenst gyakran nevezik így: lapát áthaladási frekvencia.
Mivel az energia széles sávú és impulzusszerű, az ismétlődő lökésekre hangolt technikák élesíthetik a diagnózist: burkológörbe-elemzés és az olyan mérőszámok, mint csúcstényező erősen reagálnak a gyors buborékösszeomlási tranziensekre. Ha a kavitációt hagyják előrehaladni, másodlagos károsodást okozhat — a járókerék eróziója —, ami azután valódi mechanikai kiegyensúlyozatlanság jelenik meg, magas 1× csúcsként, ami jól emlékeztet arra, hogy az egyik hiba egy másikat szülhet.
4. Megerősítés
Mivel a jel véletlenszerű zaj, összetéveszthető más turbulencia- vagy áramlással kapcsolatos forrásokkal, ezért érdemes megerősíteni, mielőtt javításba kezdene:
- Hallgatás: a kavitáció gyakran jellegzetes, hallható hangot kelt, mintha kavics vagy üveggolyók gurulnának a szivattyú belsejében — sokszor ez az első jel, amelyet a kezelő a helyszínen észrevesz.
- Folyamatváltozások: feltételezett szívóoldali kavitáció esetén egy részben zárt szívószelep óvatos és lassú megnyitásának, vagy a szívóoldali szűrő tisztításának azonnal csökkentenie kell vagy meg kell szüntetnie a nagyfrekvenciás zajt. Ez a szándékos módosítás-és-megfigyelés teszt az egyik leghatékonyabb rendelkezésre álló megerősítés, mivel közvetlenül a hidraulikai okot befolyásolja.
Kulcsfontosságú a kavitáció gyors kezelése. Minden egyes implózió mikroszkopikus sugárkalapácsként hat, lemarva a járókerék lapátjait és a szivattyúházat, ami idő előtti meghibásodáshoz vezet. A gyakorlatban a terepi munkafolyamat a következő: a szélessávú jelkép megerősítése egy rezgéselemzőn, a hidraulikai ok megszüntetése, majd annak ellenőrzése, hogy a gép visszatért-e a tiszta mechanikai állapotba. Egy hordozható, kétcsatornás műszer, mint amilyen a Balanset-1A jól alkalmas ehhez az utolsó lépéshez: amint a folyamathiba megszűnt, üzemi fordulatszámon megméri az 1× amplitúdó és fázis összetevőt a szivattyú saját csapágyaiban, így bármilyen, az erózió által hátrahagyott maradék egyensúlyhiány mennyiségileg meghatározható és helyben, beépített állapotban korrigálható kiegyensúlyozás.
