Diagnosi della cavitazione
Cavitazione è un fenomeno distruttivo che si verifica in pumps e in altri sistemi idraulici: la rapida formazione e il violento collasso (implosione) di bolle di vapore in un liquido. Si verifica quando la pressione statica locale del liquido scende al di sotto della sua pressione di vapore, cosicché il liquido bolle momentaneamente a temperatura ambiente e poi si ricondensa con il ripristino della pressione. Sebbene venga spesso descritto come un suono di “sibilo” o “marbles rattling”, la cavitazione è una significativa fonte di vibrazione e può causare danni erosivi gravi alle giranti e alle carcasse. In modo cruciale, è il segnale di un hydraulic problema di processo piuttosto che meccanico — eppure è facilmente rilevabile con analisi delle vibrazioni, il che ne fa un esempio classico di utilizzo della vibrazione per diagnosticare un guasto di processo.
1. Definizione: Che cos'è la cavitazione?
La fisica della cavitazione si basa sul rapporto tra pressione locale e pressione di vapore. All'interno di una pompa, il liquido accelera entrando nell'occhio della girante e, per il principio di Bernoulli, tale accelerazione abbassa la pressione locale. Se la pressione scende al di sotto della pressione di vapore del liquido, si nucleano minuscole cavità di vapore. Queste sopravvivono soltanto finché il flusso le trasporta in una zona a pressione più elevata — in genere qualche millimetro più avanti lungo la paletta — dove collassano quasi istantaneamente. Ogni collasso è un'implosione microscopica che rilascia un brusco picco di pressione e una scarica di energia ad alta frequenza. Moltiplicando questo per le migliaia di bolle che si formano ogni secondo, l'effetto cumulativo si traduce sia in rumore udibile sia in vibrazione misurabile, oltre al lento e inesorabile cavitamento delle superfici metalliche.
2. I due tipi di cavitazione
a) Cavitazione di aspirazione
Questa è la forma più comune. Si verifica quando la pompa è “affamata” di fluido — ovvero quando l'altezza netta di aspirazione disponibile (NPSHa) scende al di sotto dell'altezza netta di aspirazione richiesta (NPSHr) dalla pompa.
- Meccanismo: La bassa pressione all'occhio della girante provoca l'ebollizione del liquido, formando bolle di vapore. Quando queste bolle vengono trasportate nelle zone a pressione più elevata delle pale della girante, collassano violentemente.
- Cause: un filtro o uno strainer di aspirazione intasato, una valvola di aspirazione parzialmente chiusa, una tubazione di aspirazione troppo lunga o di diametro insufficiente, oppure una pompa che deve sollevare il fluido da un'altezza eccessiva.
Il margine sul lato di aspirazione è fondamentalmente un problema di NPSH; pertanto, in fase di progettazione o di diagnosi di un impianto, è utile verificare esplicitamente i valori numerici; il nostro Calcolatore NPSH calcola l'altezza disponibile e mostra quanto il sistema sia vicino alla soglia di cavitazione.
b) Cavitazione di scarica
Questo fenomeno è meno comune e si verifica quando la pressione di mandata della pompa è estremamente elevata, impedendo al fluido di fuoriuscire dalla pompa.
- Meccanismo: Il fluido viene intrappolato tra le palette della girante e ricircola ad alta velocità, creando una zona di vuoto a bassa pressione in cui si formano bolle. Queste bolle poi implodono uscendo dalla zona di bassa pressione.
- Cause: Una valvola di scarico bloccata o chiusa, oppure il pompaggio contro un “deadhead” (una linea di scarico completamente bloccata).
La ricircolazione interna ad alta velocità che caratterizza la cavitazione sul lato di mandata è strettamente correlata al flusso ricircolo, un'altra instabilità a bassa portata che condivide parte degli stessi sintomi ed è una delle varie difetti delle pompe centrifughe che un analista impara a distinguere.
3. La firma vibratoria della cavitazione
La violenta implosione di migliaia di minuscole bolle di vapore non produce una singola frequenza precisa. Al contrario, crea una firma vibrazionale ben distinta:
- Rumore a banda larga ad alta frequenza: l'indicatore principale è un aumento significativo del “rumore di fondo” dello Spettro FFT, in particolare alle alte frequenze (tipicamente oltre 2.000 Hz). Si manifesta come un ampio “dosso” di energia casuale piuttosto che come picchi discreti.
- Casuale e instabile: la vibrazione è casuale e non periodica — ed è esattamente per questo che non produce righe spettrali nette — e l'ampiezza complessiva può fluttuare in modo apprezzabile da un momento all'altro. Questa casualità è ciò che distingue la cavitazione dal normale flusso turbolenza, che tende ad essere più lieve e a frequenze più basse.
- Possibili armoniche della frequenza di passaggio delle palette: in alcuni casi l'energia casuale può eccitare la frequenza di passaggio delle palette (BPF = numero di palette × velocità di marcia) e le sue armoniche, ma la caratteristica dominante rimane il rumore di fondo a banda larga. Nelle pompe, questa stessa componente è spesso chiamata frequenza di passaggio delle palette.
Poiché l'energia è a banda larga e impulsiva, le tecniche calibrate per gli impatti ripetitivi possono affinare la diagnosi: analisi dell'inviluppo e metriche quali fattore di cresta reagiscono fortemente ai transitori rapidi di collasso delle bolle. Se la cavitazione viene lasciata progredire, può causare danni secondari — erosione della girante — che introduce quindi un vero e proprio problema meccanico sbilanciare che si manifesta come un picco elevato a 1×, utile promemoria del fatto che un guasto può generarne un altro.
4. Conferma
Poiché la firma è costituita da rumore casuale, può essere confusa con altre sorgenti legate alla turbolenza o al flusso; pertanto, una conferma è opportuna prima di procedere a una riparazione:
- Ascolto: la cavitazione produce spesso un suono udibile caratteristico, simile a ghiaia o biglie che rotolano all'interno della pompa — spesso il primo indizio che un operatore nota in campo.
- Modifiche di processo: in caso di sospetta cavitazione per aspirazione, aprire con cautela e lentamente una valvola di aspirazione parzialmente chiusa, oppure pulire il filtro di aspirazione, dovrebbe ridurre o eliminare immediatamente il rumore ad alta frequenza. Questo test deliberato di tipo "modifica e osserva" è una delle conferme più efficaci disponibili, poiché agisce direttamente sulla causa idraulica.
È fondamentale intervenire rapidamente sulla cavitazione. Ogni implosione agisce come un martello microscopico, scheggiando le palette della girante e la voluta della pompa, portando a un guasto prematuro. In campo, il flusso di lavoro pratico consiste nel confermare la firma a banda larga su un analizzatore di vibrazioni, eliminare la causa idraulica e quindi verificare che la macchina sia tornata a uno stato meccanico corretto. Uno strumento portatile a due canali come il Bilanciamento-1a è particolarmente adatto a quest'ultima fase: una volta eliminato il guasto di processo, misura il componente a 1× ampiezza e fase nei cuscinetti della pompa alla velocità operativa, in modo che qualsiasi squilibrio residuo squilibrio lasciato dall'erosione possa essere quantificato e corretto mediante bilanciamento in loco bilanciamento.
