Kavitacijos diagnostika
Kavitacija yra destruktyvus reiškinys, pasitaikantis siurbliai ir kitose hidrauliniuose sistemose: greitas garų burbuliukų susidarymas ir staigus jų žlugimas (implozija) skystyje. Tai įvyksta, kai vietinis skysčio statinis slėgis nukrinta žemiau jo garų slėgio, todėl skystis trumpam užverda esant aplinkos temperatūrai, o slėgiui atsistatant vėl kondensuojasi. Nors tai dažnai apibūdinama kaip „šnypštimas“ arba „stiklinių rutuliukų barbenimas“, kavitacija yra svarbus vibracija ir gali sukelti rimtą, erozinį sparnuotės ir korpuso pažeidimą. Svarbiausia, tai yra hidraulinis problema, o ne mechaninė — tačiau ją lengvai galima nustatyti naudojant vibracijos analizė, todėl tai yra klasikinis pavyzdys, kaip vibracija naudojama proceso gedimui nustatyti.
1. Apibrėžimas: Kas yra kavitacija?
Kavitacijos fizika priklauso nuo vietinio slėgio ir garų slėgio santykio. Siurblio viduje skystis pagreitėja, kai patenka į rotoriaus akį, o pagal Bernulio dėsnį dėl šio pagreičio sumažėja vietinis slėgis. Jei slėgis nukrinta žemiau skysčio garų slėgio, susidaro mažytės garų ertmės. Jos išlieka tik tol, kol srautas jas nuneša į aukštesnio slėgio zoną – paprastai keletą milimetrų toliau palei mentę – kur jos beveik akimirksniu susinaikina. Kiekvienas susinaikinimas yra mikroskopinė implozija, kuri sukelia staigų slėgio šuolį ir aukšto dažnio energijos pliūpsnį. Padauginkite tai iš tūkstančių burbuliukų, susidarančių kiekvieną sekundę, ir bendras poveikis yra tiek girdimas triukšmas, tiek išmatuojamas vibravimas, kartu su lėtu, nepaliaujamu metalinių paviršių korozijos procesu.
2. Du kavitacijos tipai
a) Siurbimo kavitacija
Tai yra dažniausiai pasitaikanti forma. Ji atsiranda, kai siurbliui trūksta skysčio, t. y. kai siurblio turimas grynasis teigiamas siurbimo aukštis (NPSHa) tampa mažesnis už siurblio reikiamą grynąjį teigiamą siurbimo aukštį (NPSHr).
- Mechanizmas: Dėl žemo slėgio sparnuotės akute skystis užvirsta ir susidaro garų burbuliukai. Šiems burbuliukams patekus į aukštesnio slėgio sparnuotės menčių sritis, jie smarkiai subyra.
- Priežastys: užsikimšęs siurbimo filtras arba sietelis, iš dalies uždarytas siurbimo vožtuvas, per ilga arba per mažo skersmens siurbimo linija arba siurblys, kuriam tenka kelti skystį iš pernelyg didelio aukščio.
Siurbimo pusės atsarga iš esmės yra NPSH problema, todėl projektuojant įrenginį ar šalinant jo gedimus verta aiškiai patikrinti skaičius; mūsų NPSH skaičiuoklė apskaičiuoja turimą slėgį ir parodo, kaip arti kavitacijos ribos veikia sistema.
b) Iškrovos kavitacija
Tai rečiau pasitaiko, kai siurblio išleidimo slėgis yra itin didelis, todėl skystis negali ištekėti iš siurblio.
- Mechanizmas: Skystis įstringa tarp sparnuotės menčių ir recirkuliuoja dideliu greičiu, sukurdamas žemo slėgio vakuuminę zoną, kurioje susidaro burbuliukai. Šie burbuliukai, judėdami iš žemo slėgio srities, sprogsta.
- Priežastys: Užsikimšęs arba uždarytas išleidimo vožtuvas arba pumpavimas prieš „negyvą slėgį“ (visiškai užsikimšusi išleidimo linija).
Greita vidinė recirkuliacija, susidariusi už išmetimo kavitacijos zonos, yra glaudžiai susijusi su srautu recirkuliacija, dar vienas mažo srauto nestabilumas, kuriam būdingi kai kurie tie patys požymiai ir kuris yra vienas iš kelių centrifuginių siurblių gedimai analitikas išmoksta atskirti.
3. Kavitacijos vibracijos parašas
Smarkus tūkstančių mažyčių garų burbuliukų sprogimas nesukuria vieno, tvarkingo dažnio. Vietoj to, jis sukuria labai aiškų vibracijos parašą:
- Aukšto dažnio plačiajuostis triukšmas: pagrindinis rodiklis yra žymus „pagrindinio triukšmo lygio“ padidėjimas FFT spektras, ypač aukštuose dažniuose (paprastai virš 2 000 Hz). Tai pasireiškia kaip platus atsitiktinės energijos „iškilimas“, o ne kaip atskiri smailės.
- Atsitiktinis ir nepastovus: vibracija yra atsitiktinė ir neperiodinė – būtent dėl to nesusidaro aiškių linijų – o bendra amplitudė kiekvieną akimirką gali pastebimai svyruoti. Būtent šis atsitiktinumas ir skiria kavitaciją nuo įprasto srauto turbulencija, kuris paprastai yra švelnesnis ir pasitaiko rečiau.
- Galimos mentės praėjimo dažnio harmonikos: kai kuriais atvejais atsitiktinė energija gali sužadinti menčių praėjimo dažnis (BPF = mentelių skaičius × darbinis greitis) ir jo harmonikas, tačiau pagrindinis bruožas išlieka plačiajuosčio dažnio triukšmo fonas. Siurbliuose šis komponentas dažnai vadinamas mentės praėjimo dažnis.
Kadangi energija yra plačiajuosčio dažnio ir impulsinė, diagnostiką gali patikslinti metodai, pritaikyti pasikartojantiems smūgiams: gaubtinės analizė ir tokie rodikliai kaip viršūnės koeficientas reaguoja labai jautriai į staigius burbuliukų sprogimo procesus. Jei kavitacija nebus sustabdyta, ji gali sukelti antrinę žalą – sparnuotės eroziją – o tai savo ruožtu gali sukelti rimtą mechaninį disbalansas tai pasireiškia aukštu 1× piku, o tai yra naudinga priminimas, kad viena gedimo vieta gali sukelti kitą.
4. Patvirtinimas
Kadangi šis signalas yra atsitiktinio triukšmo pobūdžio, jį galima supainioti su kitais su turbulencija ar srautu susijusiais šaltiniais, todėl prieš imantis remonto verta tai patikrinti:
- Klausymasis: Kavitacija dažnai sukelia aiškiai girdimą garsą, tarsi siurblio viduje ridentųsi žvyras ar stikliniai rutuliukai – dažnai tai yra pirmasis požymis, kurį operatorius pastebi darbo vietoje.
- Procesų pokyčiai: Jei įtariama, kad susidaro siurbimo kavitacija, atsargiai ir lėtai atidarius iš dalies uždarytą siurbimo vožtuvą arba išvalius siurbimo filtrą, aukšto dažnio triukšmas turėtų iš karto sumažėti arba visiškai išnykti. Šis sąmoningas „pakeisk ir stebėk“ bandymas yra vienas iš veiksmingiausių būdų tai patvirtinti, nes juo tiesiogiai veikiama hidraulinė priežastis.
Labai svarbu greitai imtis priemonių prieš kavitaciją. Kiekvienas implozijos reiškinys veikia kaip mikroskopinis pneumatinis plaktukas, kuris po truputį nugramdo rotoriaus menteles ir siurblio spiralę, o tai veda prie ankstyvo gedimo. Praktikoje įprasta darbo eiga yra tokia: patvirtinti plačiajuosčio dažnio charakteristiką vibracijos analizatoriumi, pašalinti hidraulines priežastis ir tada patikrinti, ar įrenginys vėl veikia be mechaninių trikdžių. Nešiojamas dviejų kanalų prietaisas, pavyzdžiui, Balanset-1A puikiai tinka šiam paskutiniam etapui: pašalinus proceso gedimą, jis matuoja 1× amplitudė ir fazė siurblio guoliuose esant darbinio greičio sąlygoms, todėl bet kokie likučiai disbalansas erozijos paliktus pažeidimus galima įvertinti ir pašalinti vietoje balansavimas.
