Diagnostika kavitácie
Kavitácia je ničivý jav, ktorý sa vyskytuje v pumps a iných hydraulických systémoch: rýchle vytváranie a prudké zrútenie (implózia) parných bublín v kvapaline. K tomu dochádza, keď miestny statický tlak kvapaliny klesne pod jej parný tlak, čím kvapalina na okamih začne vrieť pri okolitej teplote a následne sa opäť skondenzuje, keď sa tlak obnoví. Hoci sa tento jav často opisuje ako „syčanie“ alebo „chrastenie guličiek“, kavitácia je významným zdrojom vibrácie a môže spôsobiť vážne erozívne poškodenie obežných kolies a skríň. Predovšetkým je to známka hydraulický ide skôr o problém než o mechanickú poruchu – napriek tomu je ľahko zistiteľný pomocou analýza vibrácií, čo z neho robí klasický príklad využitia vibrácií na diagnostiku poruchy procesu.
1. Definícia: Čo je kavitácia?
Fyzika kavitácie závisí od vzťahu medzi lokálnym tlakom a tlakom pary. Vnútri čerpadla sa kvapalina zrýchľuje pri vstupe do stredu obežného kolesa a podľa Bernoulliho princípu toto zrýchlenie znižuje lokálny tlak. Ak tlak klesne pod tlak pary danej kvapaliny, vznikajú drobné parné dutiny. Vydržia len dovtedy, kým ich prúd neodnesie do oblasti s vyšším tlakom – zvyčajne o niekoľko milimetrov ďalej pozdĺž lopatky –, kde sa takmer okamžite zrútia. Každé zrútenie je mikroskopická implózia, ktorá uvoľňuje prudký nárast tlaku a výbuch vysokofrekvenčnej energie. Vynásobte to tisíckami bublín, ktoré sa vytvárajú každú sekundu, a kumulatívnym efektom je počuteľný hluk a merateľné vibrácie, spolu s pomalým, neúprosným poškodením kovových povrchov.
2. Dva typy kavitácie
a) Sacia kavitácia
Toto je najbežnejšia forma. Vyskytuje sa vtedy, keď čerpadlu chýba kvapalina – to znamená, keď hodnota NPSHa (dostupná čistá pozitívna sacia výška) klesne pod hodnotu NPSHr (požadovaná čistá pozitívna sacia výška) čerpadla.
- Mechanizmus: Nízky tlak v oku obežného kolesa spôsobuje var kvapaliny a tvorbu bublín pary. Keď sú tieto bubliny prenášané do oblastí s vyšším tlakom v lopatkách obežného kolesa, prudko sa zrútia.
- Príčiny: upchaný sací filter alebo sitko, čiastočne uzavretý sací ventil, príliš dlhé sacie potrubie alebo potrubie s príliš malým priemerom, prípadne čerpadlo, ktoré musí čerpať kvapalinu z príliš veľkej výšky.
Rezerva na strane sania je v podstate otázkou NPSH, preto je pri projektovaní alebo riešení problémov v inštalácii užitočné tieto hodnoty výslovne skontrolovať; naše Kalkulačka NPSH vypočíta dostupný tlak a ukáže, ako blízko sa systém nachádza k prahu kavitácie.
b) Kavitácia pri výboji
Toto je menej časté a vyskytuje sa, keď je výtlačný tlak čerpadla extrémne vysoký, čo bráni vytekaniu kvapaliny z čerpadla.
- Mechanizmus: Kvapalina je zachytená medzi lopatkami obežného kolesa a recirkuluje vysokou rýchlosťou, čím vytvára nízkotlakovú vákuovú zónu, kde sa tvoria bubliny. Tieto bubliny potom implodujú, keď sa pohybujú von z nízkotlakovej oblasti.
- Príčiny: Zablokovaný alebo zatvorený výtlačný ventil alebo čerpanie proti „mŕtvemu tlaku“ (úplne zablokované výtlačné potrubie).
Vnútorná recirkulácia s vysokou rýchlosťou za výstupnou kavitáciou úzko súvisí s prúdením recirkulácia, ďalšia nestabilita pri nízkom prietoku, ktorá vykazuje niektoré z tých istých príznakov a je jednou z viacerých Poruchy odstredivých čerpadiel analytik sa naučí rozlišovať.
3. Vibračný podpis kavitácie
Prudká implózia tisícov drobných bublín pary nevytvára jednu, čistú frekvenciu. Namiesto toho vytvára veľmi zreteľný vibračný podpis:
- Vysokofrekvenčný širokopásmový šum: Hlavným ukazovateľom je výrazný nárast „šumovej hladiny“ Spektrum FFT, najmä pri vysokých frekvenciách (zvyčajne nad 2 000 Hz). Prejavuje sa skôr ako široký „hrb“ náhodnej energie než ako diskrétne vrcholy.
- Náhodné a nestabilné: vibrácie sú náhodné a neperiodické – práve preto nevytvárajú žiadne ostré línie – a celková amplitúda sa môže z okamihu na okamih výrazne meniť. Práve táto náhodnosť odlišuje kavitáciu od bežného prúdenia turbulencia, ktorý býva miernejší a vyskytuje sa menej často.
- Možné harmonické kmity pri frekvencii otáčania lopatiek: v niektorých prípadoch môže náhodná energia vyvolať frekvencia prechodu lopatky (BPF = počet lopatiek × prevádzková rýchlosť) a jeho harmonické zložky, avšak hlavným rysom zostáva širokopásmová šumová hladina. Pri čerpadlách sa táto zložka často nazýva frekvencia prechodu lopatiek.
Keďže ide o širokopásmovú a impulznú energiu, diagnostiku môžu spresniť metódy prispôsobené opakovaným nárazom: analýza obálky a ukazovatele, ako napríklad faktor vrcholu reagujú veľmi citlivo na rýchle prechodové javy spojené s kolapsom bublín. Ak sa kavitácia nechá voľne prebiehať, môže spôsobiť sekundárne poškodenie – eróziu obežného kolesa –, čo následne vedie k skutočnému mechanickému nevyváženosť čo sa prejavuje ako vysoký 1× vrchol, čo je užitočná pripomienka, že jedna porucha môže spôsobiť ďalšiu.
4. Potvrdenie
Keďže ide o signál náhodného šumu, môže sa zameniť s inými zdrojmi súvisiacimi s turbulenciou alebo prúdením, preto je vhodné situáciu overiť skôr, ako sa pustíte do opravy:
- Počúvanie: Kavitácia často vydáva zreteľný zvuk, akoby sa vo vnútri čerpadla kotúľali kamienky alebo guličky – často je to prvý náznak, ktorý si obsluha všimne priamo v prevádzke.
- Zmeny v procesoch: Ak máte podozrenie na kavitáciu na strane sania, opatrné a pomalé otvorenie čiastočne uzavretého sacieho ventilu alebo vyčistenie sacieho filtra by malo okamžite znížiť alebo úplne odstrániť vysokofrekvenčný hluk. Tento test založený na cielených zmenách a následnom pozorovaní patrí medzi najúčinnejšie dostupné metódy overenia, pretože priamo pôsobí na hydraulickú príčinu.
Je mimoriadne dôležité rýchlo riešiť kavitáciu. Každá implózia pôsobí ako mikroskopické prúdové kladivo, ktoré odlupuje lamely obežného kolesa a špirálovú komoru čerpadla, čo vedie k predčasnej poruche. V praxi sa postupuje tak, že sa na vibračnom analyzátore overí širokopásmový signál, vylúči sa hydraulická príčina a následne sa overí, či sa stroj vrátil do bezchybného mechanického stavu. Prenosný dvojkanálový prístroj, ako je napríklad Balanset-1A je na tento záverečný krok ideálny: hneď ako je porucha procesu odstránená, zmeria 1× amplitúda a fáza v ložiskách samotného čerpadla pri prevádzkovej rýchlosti, takže akékoľvek zvyškové nerovnováha straty spôsobené eróziou je možné kvantifikovať a napraviť priamo na mieste vyvažovanie.
