Диагностика кавитации
Кавитация — это разрушительное явление, возникающее в насосы и других гидравлических системах: быстрое образование и бурное разрушение (имплозия) паровых пузырьков в жидкости. Это происходит, когда локальное статическое давление жидкости опускается ниже давления её паров, в результате чего жидкость на мгновение закипает при температуре окружающей среды, а затем вновь конденсируется по мере восстановления давления. Хотя это явление часто описывают как «шипение» или «звук перекатывающихся шариков», кавитация является значительным источником вибрация и может привести к серьезному эрозионному износу рабочих колес и корпусов. Что особенно важно, это является признаком гидравлический проблема скорее не механического характера — однако её легко обнаружить с помощью анализ вибраций, что делает его классическим примером использования вибрации для диагностики неисправностей в технологическом процессе.
1. Определение: что такое кавитация?
Физика кавитации зависит от соотношения между локальным давлением и давлением паров. Внутри насоса жидкость ускоряется при входе в глаз рабочего колеса, и согласно принципу Бернулли это ускорение приводит к падению локального давления. Если давление опускается ниже давления паров жидкости, возникают крошечные кавитационные пузырьки. Они существуют только до тех пор, пока поток не перенесет их в область с более высоким давлением — обычно на несколько миллиметров дальше по лопасти — где они почти мгновенно разрушаются. Каждое разрушение представляет собой микроскопический взрыв, который вызывает резкий скачок давления и выброс высокочастотной энергии. Умножьте это на тысячи пузырьков, образующихся каждую секунду, и совокупный эффект будет заключаться как в слышимом шуме, так и в измеримой вибрации, наряду с медленным, неумолимым образованием язв на металлических поверхностях.
2. Два типа кавитации
а) Кавирование при всасывании
Это наиболее распространённый вид. Он возникает, когда насос «лишается» жидкости, то есть когда доступный положительный напор всасывания (NPSHa) становится меньше требуемого положительного напора всасывания (NPSHr) для данного насоса.
- Механизм: Низкое давление в центре рабочего колеса приводит к кипению жидкости с образованием пузырьков пара. По мере того как эти пузырьки попадают в зоны повышенного давления между лопастями рабочего колеса, они резко сжимаются.
- Причины: засоренный всасывающий фильтр или сетчатый фильтр, частично закрытый всасывающий клапан, слишком длинный всасывающий трубопровод или трубопровод слишком малого диаметра, либо необходимость подъема жидкости насосом с слишком большой высоты.
Зазор на всасывающей стороне в основном связан с показателем NPSH, поэтому при проектировании или устранении неисправностей в установке полезно тщательно проверить расчетные данные; наши Калькулятор NPSH рассчитывает доступный напор и показывает, насколько близко система приближается к порогу кавитации.
б) Кавиационный разряд
Такая ситуация встречается реже и возникает, когда давление на выходе насоса чрезвычайно высокое, что препятствует выходу жидкости из насоса.
- Механизм: Жидкость задерживается между лопастями рабочего колеса и циркулирует с высокой скоростью, создавая зону пониженного давления, в которой образуются пузырьки. Затем эти пузырьки лопаются при выходе из зоны пониженного давления.
- Причины: Заблокированный или закрытый выпускной клапан, либо перекачка при «затворенном напоре» (полностью заблокированном выпускном трубопроводе).
Высокоскоростная внутренняя рециркуляция, возникающая за зоной выбросной кавитации, тесно связана с течением рециркуляция, ещё одна нестабильность с низким расходом, которая имеет некоторые общие признаки и является одной из нескольких неисправности центробежных насосов аналитик учится различать.
3. Вибрационная характеристика кавитации
Взрывное сжатие тысяч крошечных пузырьков пара не дает одной четкой частоты. Напротив, оно создает совершенно характерную вибрационную картину:
- Высокочастотный широкополосный шум: Основным показателем является значительное повышение «уровня шума» Спектр БПФ, особенно на высоких частотах (как правило, выше 2000 Гц). Она проявляется в виде широкого «горба» случайной энергии, а не в виде отдельных пиков.
- Случайный и нестационарный: Вибрация носит случайный и непериодический характер — именно поэтому она не образует четких линий — а общая амплитуда может заметно колебаться от момента к моменту. Именно эта случайность отличает кавитацию от обычного течения турбулентность, которая, как правило, протекает в более легкой форме и встречается реже.
- Возможные гармоники частоты прохождения лопасти: в некоторых случаях энергия случайных колебаний может возбудить частота прохождения лопасти (BPF = количество лопастей × рабочая скорость) и его гармоник, однако доминирующей характеристикой по-прежнему остается широкополосный уровень шума. В насосах эту же составляющую часто называют частота прохождения лопатки.
Поскольку энергия имеет широкополосный характер и импульсную природу, методы, рассчитанные на повторяющиеся воздействия, позволяют повысить точность диагностики: анализ огибающей а также такие показатели, как коэффициент пика резко реагируют на переходные процессы, связанные с быстрым разрушением пузырьков. Если кавиации не препятствовать, она может привести к вторичному повреждению — эрозии рабочего колеса, — что в свою очередь вызывает серьезные механические дисбаланс что проявляется в виде высокого пика 1×, что служит полезным напоминанием о том, что одна неисправность может повлечь за собой другую.
4. Подтверждение
Поскольку этот сигнал представляет собой случайный шум, его можно спутать с другими источниками, связанными с турбулентностью или потоком, поэтому перед тем, как приступать к ремонту, стоит проверить его:
- Аудирование: Кавитация часто сопровождается отчетливым звуком, похожим на стук гравия или шариков, катящихся внутри насоса — зачастую это первый признак, который замечает оператор на производстве.
- Изменения в процессе: При подозрении на кавитацию в всасывающей линии осторожное и медленное открытие частично закрытого всасывающего клапана или очистка всасывающего фильтра должны немедленно уменьшить или устранить высокочастотный шум. Этот метод, заключающийся в целенаправленном изменении параметров и наблюдении за результатами, является одним из наиболее эффективных способов подтверждения неисправности, поскольку позволяет напрямую воздействовать на гидравлическую причину.
Крайне важно оперативно устранять кавитацию. Каждый кавитационный удар действует как микроскопический пневмомолоток, постепенно разрушая лопасти рабочего колеса и спиральную камеру насоса, что приводит к преждевременному выходу оборудования из строя. В реальных условиях рабочий процесс заключается в следующем: сначала необходимо подтвердить наличие широкополосной сигнатуры на вибрационном анализаторе, устранить гидравлическую причину, а затем убедиться, что оборудование вернулось в исправное механическое состояние. Для этого можно использовать портативный двухканальный прибор, такой как Балансет-1А хорошо подходит для этого заключительного этапа: после устранения технологической неисправности он измеряет 1× амплитуда и фаза в подшипниках самого насоса при рабочей скорости, поэтому любые остаточные дисбаланс остатки, образовавшиеся в результате эрозии, можно оценить и устранить на месте балансировка.
