Diagnosticarea cavitației
Cavitație este un fenomen distructiv care apare în pompe și alte sisteme hidraulice: formarea rapidă și colapsul violent (implozia) bulelor de vapori într-un lichid. Acest fenomen are loc atunci când presiunea statică locală a lichidului scade sub presiunea sa de vapori, astfel încât lichidul fierbe momentan la temperatura ambiantă și apoi se recondensează pe măsură ce presiunea revine la normal. Deși este adesea descrisă ca un sunet de “șuierat” sau de “zgomot de bile”, cavitația este o sursă semnificativă de vibrații și poate provoca deteriorări grave, de tip eroziv, la rotoare și carcase. Mai presus de toate, este un semn al unei hidraulic o problemă mai degrabă de proces decât una mecanică — și totuși este ușor de depistat cu analiza vibrațiilor, ceea ce îl face un exemplu clasic de utilizare a vibrațiilor pentru diagnosticarea unei defecțiuni a procesului.
1. Definiție: Ce este cavitația?
Fizica cavitației se bazează pe relația dintre presiunea locală și presiunea de vapori. În interiorul unei pompe, lichidul accelerează pe măsură ce pătrunde în ochiul rotorului, iar conform principiului lui Bernoulli, această accelerație determină scăderea presiunii locale. Dacă presiunea scade sub presiunea de vapori a lichidului, se formează mici cavități de vapori. Acestea supraviețuiesc doar până când fluxul le transportă într-o zonă cu presiune mai mare — de obicei, la câțiva milimetri mai departe de-a lungul paletei — unde se prăbușesc aproape instantaneu. Fiecare prăbușire este o implozie microscopică care eliberează un vârf brusc de presiune și o explozie de energie de înaltă frecvență. Înmulțiți acest lucru cu miile de bule formate în fiecare secundă, iar efectul cumulativ este atât un zgomot audibil, cât și o vibrație măsurabilă, alături de corodarea lentă și neîncetată a suprafețelor metalice.
2. Cele două tipuri de cavitație
a) Cavitație prin aspirație
Aceasta este cea mai frecventă formă. Ea apare atunci când pompa este “lipsită” de lichid — adică atunci când înălțimea netă pozitivă de aspirație disponibilă (NPSHa) scade sub înălțimea netă pozitivă de aspirație necesară (NPSHr) pentru pompă.
- Mecanism: Presiunea scăzută la nivelul ochiului rotorului face ca lichidul să fiarbă, formând bule de vapori. Pe măsură ce aceste bule sunt transportate în regiunile cu presiune mai mare ale paletelor rotorului, ele se prăbușesc violent.
- Cauze: un filtru de aspirație sau o sită înfundată, o supapă de aspirație parțial închisă, o conductă de aspirație prea lungă sau cu diametru prea mic, sau o pompă care trebuie să ridice lichidul de la o înălțime prea mare.
Marja de aspirație este, în esență, o problemă legată de NPSH, așa că, atunci când proiectați sau depanați o instalație, este util să verificați valorile în mod explicit; al nostru Calculator NPSH calculează înălțimea de ridicare disponibilă și arată cât de aproape se află sistemul de pragul de cavitație.
b) Cavitație de refulare
Acest lucru este mai puțin frecvent și apare atunci când presiunea de refulare a pompei este extrem de mare, împiedicând curgerea fluidului din pompă.
- Mecanism: Fluidul este prins între paletele rotorului și recirculă la viteză mare, creând o zonă de vid de joasă presiune unde se formează bule. Aceste bule implodează apoi pe măsură ce ies din zona de joasă presiune.
- Cauze: O supapă de refulare blocată sau închisă sau pomparea împotriva unei „coborâșuri” (o conductă de refulare complet blocată).
Recircularea internă de mare viteză care are loc în urma cavitației la ieșire este strâns legată de curgere recirculare, o altă instabilitate de curgere redusă care prezintă unele dintre aceleași simptome și este una dintre numeroasele defecțiuni ale pompelor centrifuge un analist învață să facă diferența.
3. Semnătura vibrațională a cavitației
Implozia violentă a mii de bule minuscule de vapori nu produce o singură frecvență clară. În schimb, creează o semnătură vibrațională foarte distinctă:
- Zgomot de bandă largă de înaltă frecvență: indicatorul principal este o creștere semnificativă a “nivelului de zgomot de fond” al Spectrul FFT, în special la frecvențe înalte (de obicei peste 2.000 Hz). Se prezintă sub forma unei “cocoașe” largi de energie aleatorie, mai degrabă decât sub forma unor vârfuri distincte.
- Aleatoriu și instabil: vibrația este aleatorie și neperiodică — tocmai de aceea nu produce linii clare — iar amplitudinea totală poate varia în mod vizibil de la un moment la altul. Această caracteristică aleatorie este ceea ce diferențiază cavitația de curgerea obișnuită turbulență, care tinde să fie mai ușoară și mai puțin frecventă.
- Armonici potențiale ale frecvenței de trecere a palelor: în unele cazuri, energia aleatorie poate excita frecvența de trecere a paletelor (BPF = numărul de palete × viteză de funcționare) și armonicele sale, dar caracteristica dominantă rămâne zgomotul de fond de bandă largă. În cazul pompelor, această componentă este adesea denumită frecvența de trecere a paletei.
Deoarece energia este de bandă largă și impulsivă, tehnicile adaptate la impacturi repetitive pot îmbunătăți precizia diagnosticului: analiza anvelopei și indicatori precum factorul de creastă reacționează puternic la fenomenele tranzitorii generate de colapsul rapid al bulelor. Dacă cavitația este lăsată să avanseze, aceasta poate provoca daune secundare — eroziunea rotorului — care, la rândul lor, duc la apariția unei adevărate defecțiuni mecanice dezechilibru care se manifestă sub forma unui vârf pronunțat de 1×, un memento util că o defecțiune poate genera alta.
4. Confirmare
Deoarece semnalul este unul de zgomot aleatoriu, acesta poate fi confundat cu alte surse legate de turbulență sau de curgere, așa că merită să se verifice acest lucru înainte de a se trece la reparații:
- Ascultare: cavitația produce adesea un sunet clar, ca și cum pietrișul sau bilele s-ar rostogoli în interiorul pompei — adesea acesta este primul indiciu pe care îl observă operatorul din sala de lucru.
- Modificări ale procesului: În cazul în care se suspectează apariția cavitației la aspirație, deschiderea cu grijă și încet a unei supape de aspirație parțial închise sau curățarea filtrului de aspirație ar trebui să reducă sau să elimine imediat zgomotul de înaltă frecvență. Acest test de modificare și observare este una dintre cele mai eficiente metode de confirmare disponibile, deoarece acționează direct asupra cauzei hidraulice.
Este esențial să se intervină rapid în cazul cavitației. Fiecare implozie acționează ca un ciocan cu jet microscopic, erodând paletele rotorului și voluta pompei și ducând la defectarea prematură a acesteia. În practică, procedura standard constă în confirmarea semnăturii de bandă largă pe un analizor de vibrații, eliminarea cauzei hidraulice și verificarea ulterioară a faptului că utilajul a revenit la o stare mecanică optimă. Un instrument portabil cu două canale, precum Balanset-1A este foarte potrivit pentru această etapă finală: odată ce defectul de proces a fost remediat, acesta măsoară 1× amplitudine și fază în rulmenții pompei la viteza de funcționare, astfel încât orice reziduu dezechilibru reziduurile lăsate în urmă de eroziune pot fi cuantificate și remediate pe loc echilibrare.
