Diagnostisering av kavitasjon
Kavitasjon er et ødeleggende fenomen som oppstår i pumps og andre hydrauliske systemer: den raske dannelsen og det voldsomme sammenbruddet (implosjonen) av dampbobler i en væske. Dette skjer når det lokale statiske trykket i væsken faller under damptrykket, slik at væsken kortvarig koker ved omgivelsestemperatur og deretter kondenserer igjen når trykket stiger igjen. Selv om det ofte beskrives som en «hvesende» eller «klirrende» lyd, er kavitasjon en betydelig kilde til vibrasjon og kan forårsake alvorlige, erosive skader på løpehjul og hus. Det viktigste er at dette er et tegn på en hydraulic et problem snarere enn et mekanisk problem — men det er likevel lett å oppdage med vibrasjonsanalyse, noe som gjør det til et klassisk eksempel på bruk av vibrasjon til å diagnostisere en prosessfeil.
1. Definisjon: Hva er kavitasjon?
Fysikken bak kavitasjon avhenger av forholdet mellom det lokale trykket og damptrykket. Inne i en pumpe akselererer væsken når den strømmer inn i løpehjulets øye, og i henhold til Bernoullis lov fører denne akselerasjonen til at det lokale trykket synker. Hvis trykket faller under væskens damptrykk, dannes det små dampbobler. De overlever bare til strømmen fører dem inn i et område med høyere trykk – vanligvis noen få millimeter lenger langs vingen – hvor de kollapser nesten øyeblikkelig. Hver kollaps er en mikroskopisk implosjon som frigjør en kraftig trykkstigning og en eksplosjon av høyfrekvent energi. Multipliser dette med de tusenvis av bobler som dannes hvert sekund, og den kumulative effekten er både hørbar støy og målbar vibrasjon, sammen med langsom, ubarmhjertig pitting av metalloverflater.
2. De to typene kavitasjon
a) Sugekavitasjon
Dette er den vanligste formen. Det oppstår når pumpen «mangler» væske – det vil si når den tilgjengelige positive sugehøyden (NPSHa) faller under den nødvendige positive sugehøyden (NPSHr) for pumpen.
- Mekanisme: Det lave trykket i løpehjulets øye får væsken til å koke, og det dannes dampbobler. Når disse boblene føres inn i områdene med høyere trykk i løpehjulets skovler, kollapser de voldsomt.
- Årsaker: et tilstoppet sugefilter eller en tilstoppet sil, en delvis lukket sugeventil, en sugeledning som er for lang eller har for liten diameter, eller en pumpe som må løfte væsken fra for stor høyde.
Sugesidemarginen er i bunn og grunn et NPSH-problem, så når man skal utforme eller feilsøke et anlegg, er det nyttig å sjekke tallene nøye; vår NPSH-kalkulator beregner det tilgjengelige trykket og viser hvor nær kavitasjonsgrensen systemet befinner seg.
b) Utløpskavitasjon
Dette er mindre vanlig og oppstår når pumpens utløpstrykk er ekstremt høyt, noe som hindrer væske i å strømme ut av pumpen.
- Mekanisme: Væsken blir fanget mellom impellervingene og resirkulerer med høy hastighet, noe som skaper en lavtrykksvakuumsone hvor bobler dannes. Disse boblene imploderer deretter når de beveger seg ut av lavtrykksområdet.
- Årsaker: En blokkert eller lukket utløpsventil, eller pumping mot et «dødt hode» (en fullstendig blokkert utløpsledning).
Den høyhastighets interne resirkulasjonen bak utløpskavitasjonen henger nært sammen med strømningen resirkulering, en annen lavstrømningsustabilitet som har noen av de samme symptomene og er en av flere feil på sentrifugalpumper en analytiker lærer å skille mellom.
3. Vibrasjonssignaturen til kavitasjon
Den voldsomme implosjonen av tusenvis av ørsmå dampbobler produserer ikke en enkelt, pen frekvens. I stedet skaper den en veldig tydelig vibrasjonssignatur:
- Høyfrekvent bredbåndsstøy: Den viktigste indikatoren er en betydelig økning i «støygrensen» til FFT-spektrum, særlig ved høye frekvenser (vanligvis over 2 000 Hz). Det fremstår som en bred «bule» av tilfeldig energi snarere enn som tydelige topper.
- Tilfeldig og ujevn: Vibrasjonen er tilfeldig og ikke-periodisk – og det er nettopp derfor den ikke danner skarpe linjer – og den totale amplituden kan variere merkbart fra øyeblikk til øyeblikk. Det er denne tilfeldigheten som skiller kavitasjon fra vanlig strømning turbulens, som vanligvis er mildere og forekommer sjeldnere.
- Potensielle overtoner ved bladpassfrekvensen: I noen tilfeller kan den tilfeldige energien sette i gang frekvensen av bladpasseringer (BPF = antall lameller × løpehastighet) og dens overtoner, men det dominerende trekk er fortsatt bredbåndsstøynivået. På pumper kalles denne samme komponenten ofte vingepasseringsfrekvens.
Siden energien er bredbåndsbasert og impulsiv, kan teknikker som er tilpasset gjentatte støt bidra til å avklare diagnosen: konvoluttanalyse og indikatorer som toppfaktor reagerer kraftig på de raske forløpene ved boblesprengning. Hvis kavitasjonen får utvikle seg, kan den forårsake sekundær skade – erosjon av løpehjulet – som deretter fører til en reell mekanisk ubalanse som viser seg som en høy 1×-topp, en nyttig påminnelse om at én feil kan føre til en annen.
4. Bekreftelse
Siden signalet består av tilfeldig støy, kan det forveksles med andre kilder knyttet til turbulens eller strømning, så det er lurt å få dette bekreftet før man setter i gang med en reparasjon:
- Lytting: Kavitasjon gir ofte en tydelig hørbar lyd, som om det ruller grus eller kuler inne i pumpen – ofte det første tegn operatøren legger merke til på gulvet.
- Endringer i prosessen: Ved mistanke om sugekavitasjon bør man forsiktig og langsomt åpne en delvis lukket sugeventil eller rengjøre sugesilen, noe som umiddelbart bør redusere eller fjerne høyfrekvent støy. Denne målrettede «endring og observasjon»-testen er en av de mest effektive bekreftelsesmetodene som finnes, fordi den direkte påvirker den hydrauliske årsaken.
Det er avgjørende å ta tak i kavitasjon raskt. Hver implosjon fungerer som en mikroskopisk trykkluftshammer som sliter på løpehjulets skovler og pumpens spiralhus, noe som fører til for tidlig svikt. I praksis består arbeidsgangen av å bekrefte bredbåndssignaturen på en vibrasjonsanalysator, utelukke hydrauliske årsaker og deretter kontrollere at maskinen er tilbake i en feilfri mekanisk tilstand. Et bærbart tokanalsinstrument som Balanset-1A er godt egnet til dette siste trinnet: Når prosessfeilen er utbedret, måler den 1× amplitude og fase i pumpens egne lagre ved driftshastighet, slik at eventuelle resterende ubalanse som er etterlatt av erosjon, kan måles og utbedres på stedet balansering.
