Diagnose van cavitatie
Cavitatie is een destructief verschijnsel dat zich voordoet in pumps en andere hydraulische systemen: de snelle vorming en heftige ineenstorting (implosie) van dampbellen in een vloeistof. Dit gebeurt wanneer de lokale statische druk van de vloeistof onder de dampdruk daalt, waardoor de vloeistof bij omgevingstemperatuur kortstondig kookt en vervolgens weer condenseert zodra de druk zich herstelt. Hoewel het vaak wordt omschreven als een “sissend” of “knikkerend” geluid, is cavitatie een belangrijke bron van trillingen en kan ernstige, erosieve schade aan waaierbladen en behuizingen veroorzaken. Belangrijker nog, het is een teken van een hydraulic probleem in plaats van een mechanisch probleem — maar het is wel duidelijk waarneembaar met trillingsanalyse, waardoor het een klassiek voorbeeld is van het gebruik van trillingen om een processtoring op te sporen.
1. Definitie: Wat is cavitatie?
De fysica van cavitatie draait om de verhouding tussen de lokale druk en de dampdruk. In een pomp versnelt de vloeistof bij het binnenstromen in het oog van de waaier, en volgens de wet van Bernoulli’s principe zorgt die versnelling ervoor dat de lokale druk daalt. Als de druk onder de dampdruk van de vloeistof zakt, ontstaan er minuscule dampbellen. Deze blijven slechts bestaan totdat de stroming ze naar een gebied met hogere druk voert – doorgaans enkele millimeters verderop langs de schoep – waar ze vrijwel onmiddellijk instorten. Elke instorting is een microscopische implosie die een scherpe drukpiek en een uitbarsting van hoogfrequente energie veroorzaakt. Vermenigvuldig dat met de duizenden belletjes die elke seconde worden gevormd en het cumulatieve effect is zowel hoorbaar geluid als meetbare trilling, naast de langzame, onophoudelijke putvorming op metalen oppervlakken.
2. De twee soorten cavitatie
a) Zuigcavitatie
Dit is de meest voorkomende vorm. Het treedt op wanneer de pomp “uitgehongerd” is van vloeistof — dat wil zeggen wanneer de beschikbare netto positieve aanzuighoogte (NPSHa) onder de vereiste netto positieve aanzuighoogte (NPSHr) van de pomp daalt.
- Mechanisme: De lage druk bij het oog van de waaier zorgt ervoor dat de vloeistof gaat koken en er dampbellen ontstaan. Wanneer deze bellen naar de hogere drukzones van de waaierbladen worden getransporteerd, klappen ze met geweld in.
- Oorzaken: een verstopt zuigfilter of -zeef, een gedeeltelijk gesloten zuigklep, een zuigleiding die te lang is of een te kleine diameter heeft, of een pomp die de vloeistof vanaf een te grote hoogte moet verpompen.
De zuigzijde-marge is in wezen een NPSH-probleem, dus bij het ontwerpen of het oplossen van problemen in een installatie is het nuttig om de cijfers nadrukkelijk te controleren; onze NPSH-calculator berekent de beschikbare opvoerhoogte en laat zien hoe dicht een systeem bij de cavitatiedrempel komt.
b) Perscavitatie
Dit komt minder vaak voor en treedt op wanneer de persdruk van de pomp extreem hoog is, waardoor er geen vloeistof uit de pomp kan stromen.
- Mechanisme: De vloeistof wordt opgesloten tussen de schoepen van de waaier en circuleert met hoge snelheid, waardoor een vacuümzone met lage druk ontstaat waar bellen ontstaan. Deze bellen imploderen vervolgens terwijl ze uit de lagedrukzone bewegen.
- Oorzaken: Een geblokkeerde of gesloten afvoerklep, of pompen tegen een “dode kop” (een volledig geblokkeerde afvoerleiding).
De interne recirculatie met hoge snelheid achter de drukkant-cavitatie hangt nauw samen met de stroming recirculatie, een andere instabiliteit bij lage stroming die enkele van dezelfde symptomen vertoont en een van de vele is defecten aan centrifugaalpompen een analist leert onderscheid te maken.
3. De trillingssignatuur van cavitatie
De heftige implosie van duizenden kleine dampbelletjes produceert geen enkele, zuivere frequentie, maar een zeer kenmerkende trillingssignatuur:
- Breedbandig hoogfrequent geluid: de belangrijkste indicator is een aanzienlijke stijging van de “ruisvloer” van de FFT-spectrum, met name bij hoge frequenties (meestal boven 2.000 Hz). Dit komt tot uiting in een brede “bult” van willekeurige energie in plaats van in afzonderlijke pieken.
- Willekeurig en onregelmatig: de trilling is willekeurig en niet-periodiek — en juist daarom ontstaan er geen scherpe lijnen — en de totale amplitude kan van moment tot moment merkbaar schommelen. Het is deze willekeurigheid die cavitatie onderscheidt van gewone stroming turbulentie, die doorgaans milder is en lager in frequentie.
- Mogelijke harmonischen van de bladdoorloopfrequentie: in sommige gevallen kan de willekeurige energie de bladpasseerfrequentie (BPF = aantal schoepen × bedrijfssnelheid) en de bijbehorende harmonischen, maar het belangrijkste kenmerk blijft de breedbandruisvloer. Bij pompen wordt deze component vaak aangeduid als schoeppasseringsfrequentie.
Omdat de energie breedbandig en impulsief is, kunnen technieken die zijn afgestemd op herhaalde stoten de diagnose verduidelijken: envelopanalyse en meetgrootheden zoals crestfactor reageren sterk op de snelle transiënten bij het uiteenspatten van de bellen. Als cavitatie zich ongestoord voortzet, kan dit secundaire schade veroorzaken — erosie van de waaier — wat vervolgens leidt tot een daadwerkelijke mechanische onbalans dat zich manifesteert als een hoge 1×-piek, een nuttige herinnering dat de ene fout de andere kan veroorzaken.
4. Bevestiging
Aangezien het signaal bestaat uit willekeurige ruis, kan het worden verward met andere bronnen die verband houden met turbulentie of stroming; het is daarom raadzaam om dit te verifiëren voordat u tot een reparatie overgaat:
- Luisteren: Cavitatie veroorzaakt vaak een duidelijk hoorbaar geluid, alsof er grind of knikkers in de pomp rondrollen — vaak het eerste teken dat een operator op de werkvloer opmerkt.
- Proceswijzigingen: Bij vermoeden van cavitatie in het zuigsysteem zou het voorzichtig en langzaam openen van een gedeeltelijk gesloten zuigklep, of het reinigen van de zuigfilter, het hoogfrequente geluid onmiddellijk moeten verminderen of doen verdwijnen. Deze bewuste ‘veranderen-en-observeren’-test is een van de meest effectieve manieren om dit te bevestigen, omdat hiermee de hydraulische oorzaak direct wordt aangepakt.
Het is van cruciaal belang om cavitatie snel aan te pakken. Elke implosie werkt als een microscopisch kleine hogedrukhamer, die stukjes afbreekt van de schoepen van de waaier en de pompspiraal, wat leidt tot voortijdige uitval. In de praktijk bestaat de werkwijze erin het breedbandpatroon op een trillingsanalysator te bevestigen, de hydraulische oorzaak weg te nemen en vervolgens te controleren of de machine weer in een mechanisch onbelaste toestand verkeert. Een draagbaar tweekanaalsinstrument zoals de Balanset-1A is bij uitstek geschikt voor die laatste stap: zodra de procesfout is verholpen, meet het de 1× amplitude en fase in de eigen lagers van de pomp bij bedrijfssnelheid, zodat eventuele resterende onbalans die door erosie zijn achtergelaten, kunnen ter plaatse worden gemeten en gecorrigeerd balanceren.
