Diagnosticiranje kavitacije
Kavitacija je uničujoč pojav, ki se pojavlja v pumps in drugih hidravličnih sistemih: hitro nastajanje in nasilno sesedanje (implozija) parnih mehurčkov v tekočini. Do tega pride, ko lokalni statični tlak tekočine pade pod njen parni tlak, tako da tekočina za trenutek zavre pri sobni temperaturi, nato pa se ponovno kondenzira, ko se tlak ponovno vzpostavi. Čeprav se pogosto opisuje kot »sikanje« ali »škrtanje kroglic«, je kavitacija pomemben vir vibracije in lahko povzroči hude erozivne poškodbe rotorjev in ohišij. Najpomembneje pa je, da je to znak hydraulic problem, ki ni mehanične narave — vendar ga je mogoče zlahka odkriti z analiza vibracij, kar ga uvršča med klasične primere uporabe vibracij za odkrivanje napak v procesu.
1. Definicija: Kaj je kavitacija?
Fizika kavitacije temelji na razmerju med lokalnim tlakom in parnim tlakom. V notranjosti črpalke se tekočina pospeši ob vstopu v osročno odprtino, pri čemer po Bernoullijevem načelu ta pospešek zniža lokalni tlak. Če tlak pade pod parni tlak tekočine, se začnejo nastajati drobne kavitarne mehurčki. Obstajajo le toliko časa, dokler jih tok ne odnese v območje višjega tlaka – običajno nekaj milimetrov naprej vzdolž lopatice –, kjer se skoraj takoj sesedejo. Vsaka seseditev je mikroskopska implozija, ki sproži ostri skok tlaka in izbruh visokofrekvenčne energije. To pomnožite s tisočimi mehurčki, ki se oblikujejo vsako sekundo, in skupni učinek je slišen hrup in merljiva vibracija, skupaj s počasnim, neizprosnim korozijskim vdolbljanjem kovinskih površin.
2. Dve vrsti kavitacije
a) Sesalna kavitacija
To je najpogostejša oblika. Do nje pride, ko črpalki primanjkuje tekočine – to pomeni, ko neto pozitivna sesalna višina (NPSHa) pade pod neto pozitivno sesalno višino (NPSHr), ki jo zahteva črpalka.
- Mehanizem: Nizek tlak na mestu rotorja povzroči vrenje tekočine in nastanek parnih mehurčkov. Ko se ti mehurčki prenesejo v območja z višjim tlakom v lopaticah rotorja, se silovito sesedejo.
- Vzroki: zamašen sesalni filter ali sito, delno zaprt sesalni ventil, preveč dolga sesalna cev ali cev s premajhnim premerom ali črpalka, ki mora tekočino dvigniti z prevelike višine.
Razlika na sesalni strani je v bistvu problem NPSH, zato je pri načrtovanju ali odpravljanju napak v napravi koristno izrecno preveriti te vrednosti; naš Kalkulator NPSH izračuna razpoložljivi tlak in prikaže, kako blizu praga kavitacije deluje sistem.
b) Kavitacija pri izpustu
To je manj pogosto in se zgodi, ko je izpustni tlak črpalke izjemno visok, kar preprečuje iztekanje tekočine iz črpalke.
- Mehanizem: Tekočina se ujame med lopatice rotorja in kroži z veliko hitrostjo, kar ustvarja nizkotlačno vakuumsko območje, kjer nastajajo mehurčki. Ti mehurčki nato implodirajo, ko se premikajo iz nizkotlačnega območja.
- Vzroki: Blokiran ali zaprt izpustni ventil ali črpanje proti "mrtvemu tlaku" (popolnoma blokiran izpustni vod).
Visokohitrostna notranja recirkulacija za kavitacijskim izpustom je tesno povezana s tokom recirkulacija, še ena nestabilnost z nizkim pretokom, ki ima nekatere podobne znake in je ena od več napake pri centrifugalnih črpalkah analitik se nauči razlikovati.
3. Vibracijski podpis kavitacije
Silovita implozija tisočerih drobnih parnih mehurčkov ne ustvari ene same, čiste frekvence. Namesto tega ustvari zelo izrazit vibracijski podpis:
- Visokofrekvenčni širokopasovni šum: glavni pokazatelj je znatno povečanje »osnovnega šuma« Spekter FFT, zlasti pri visokih frekvencah (običajno nad 2.000 Hz). Prikazuje se kot širok »grb« naključne energije in ne kot posamezni vrhovi.
- Naključno in nestabilno: vibracija je naključna in neperiodična – prav zato ne ustvarja ostrih črt – njena skupna amplituda pa se lahko iz trenutka v trenutek opazno spreminja. Prav ta naključnost ločuje kavitacijo od običajnega toka turbulenca, ki je ponavadi blažja in manj pogosta.
- Možne harmonike frekvence prehoda lopatice: v nekaterih primerih lahko naključna energija vzbudi frekvenca prehoda lopatic (BPF = število lopatic × hitrost teka) in njegove harmonike, vendar ostaja glavna značilnost širokopasovni šum v ozadju. Pri črpalkah se ta ista komponenta pogosto imenuje frekvenca prehoda lopatic.
Ker je energija širokopasovna in impulzna, lahko metode, prilagojene ponavljajočim se udarcem, izboljšajo diagnozo: analiza ovojnice in kazalniki, kot so faktor vrha se močno odzovejo na hitre prehodne pojave pri razpadanju mehurčkov. Če se kavitacija ne ustavi, lahko povzroči sekundarne poškodbe – erozijo rotorja –, kar nato povzroči resno mehansko neravnovesje kar se kaže kot visok 1× vrh, kar je koristen opomnik, da lahko ena napaka povzroči drugo.
4. Potrditev
Ker gre za naključni šum, ga je mogoče zamenjati z drugimi viri, povezanimi s turbulenco ali pretokom, zato je pred odločitvijo za popravilo smiselno preveriti:
- Poslušanje: kavitacija pogosto povzroča jasno slišni zvok, kot bi se v črpalki valjal pesek ali krogle – to je pogosto prvi znak, ki ga operater opazi v delovnem prostoru.
- Spremembe v postopku: Če obstaja sum na kavitacijo na sesalni strani, naj bi previdno in počasno odpiranje delno zaprtega sesalnega ventila ali čiščenje sesalnega filtra takoj zmanjšalo ali odpravilo visokofrekvenčni hrup. Ta nameren preskus »spremeni in opazuj« je eden najučinkovitejših načinov preverjanja, saj neposredno vpliva na hidravlični vzrok.
Kavitacijo je nujno treba hitro odpraviti. Vsaka implozija deluje kot mikroskopski udarni kladivček, ki odsekava lopatice rotorja in spiralno ohišje črpalke ter povzroča predčasno okvaro. V praksi poteka delovni postopek tako, da se na analizatorju vibracij preveri širokopasovni spekter, izključi hidravlične vzroke in nato preveri, ali je naprava ponovno v brezhibnem mehanskem stanju. Prenosni dvo-kanalni merilni instrument, kot je Balanset-1A je zelo primeren za ta zadnji korak: ko je napaka v procesu odpravljena, izmeri 1× amplituda in faza v lastnih ležajih črpalke pri delovni hitrosti, zato morebitni ostanki neravnovesje ki jih je pustila erozija, je mogoče količinsko opredeliti in popraviti na kraju samem uravnoteženje.
