Діагностика кавітації
Кавітація це деструктивне явище, яке виникає в насоси та інших гідравлічних системах: швидке утворення та бурхливе схлопування (імплозія) парових бульбашок у рідині. Це відбувається, коли локальний статичний тиск рідини падає нижче тиску її пари, тому рідина на мить закипає за температури навколишнього середовища, а потім знову конденсується, коли тиск відновлюється. Хоча це явище часто описують як “шипіння” або “брязкіт кульок”, кавітація є значним джерелом вібрація і може спричинити серйозні ерозійні пошкодження робочих коліс і корпусів. Дуже важливо, що це є ознакою гідравлічний а не механічна проблема - проте її легко виявити за допомогою аналіз вібрації, що робить його класичним прикладом використання вібрації для діагностики технологічної несправності.
1. Визначення: Що таке кавітація?
Фізика кавітації ґрунтується на взаємозв'язку між локальним тиском і тиском пари. Усередині насоса рідина прискорюється, коли входить у вхідне око робочого колеса, і за принципом Бернуллі це прискорення знижує локальний тиск. Якщо тиск падає нижче тиску пари рідини, зароджуються крихітні парові порожнини. Вони існують лише доти, доки потік не перенесе їх у зону вищого тиску — зазвичай на кілька міліметрів далі вздовж лопаті — де вони майже миттєво схлопуються. Кожне схлопування — це мікроскопічна імплозія, яка вивільняє різкий стрибок тиску та сплеск високочастотної енергії. Помножте це на тисячі бульбашок, що утворюються щосекунди, і сумарний ефект становить як чутний шум, так і вимірювану вібрацію, поряд із повільним, невпинним точковим руйнуванням металевих поверхонь.
2. Два типи кавітації
а) Кавітація всмоктування
Це найпоширеніша форма. Вона виникає, коли насос “голодує” через нестачу рідини — тобто коли наявний кавітаційний запас на вході (NPSHa) стає меншим за необхідний кавітаційний запас на вході (NPSHr) для насоса.
- Механізм: Низький тиск біля вушка крильчатки призводить до кипіння рідини, утворюючи бульбашки пари. Коли ці бульбашки переносяться в області лопаток крильчатки з вищим тиском, вони різко руйнуються.
- Причини: засмічений всмоктувальний фільтр або сітчастий фільтр, частково закритий всмоктувальний клапан, занадто довгий або занадто малий діаметр всмоктувальної лінії або насос, який повинен піднімати рідину з надто великої висоти.
Запас на стороні всмоктування по суті є питанням NPSH, тому під час проєктування або пошуку несправностей установки корисно перевіряти ці значення безпосередньо; наш Калькулятор NPSH обчислює наявний напір і показує, наскільки близько система підпливає до порогу кавітації.
b) Кавітація нагнітання
Це трапляється рідше і виникає, коли тиск нагнітання насоса надзвичайно високий, що перешкоджає виходу рідини з насоса.
- Механізм: Рідина затримується між лопатями робочого колеса та рециркулює з високою швидкістю, створюючи вакуумну зону низького тиску, де утворюються бульбашки. Ці бульбашки потім вибухають, виходячи з області низького тиску.
- Причини: Заблокований або закритий напірний клапан, або перекачування проти «мертвого напору» (повністю заблокована напірна лінія).
Високошвидкісна внутрішня рециркуляція, пов'язана з кавітацією на нагнітанні, тісно пов'язана з потоком рециркуляція, ще одна малопоточна нестабільність, яка має деякі з тих самих симптомів і є однією з декількох дефекти відцентрових насосів аналітик вчиться розрізняти.
3. Вібраційна сигнатура кавітації
Бурхливе зіткнення тисяч крихітних бульбашок пари не створює єдиної чіткої частоти. Натомість воно створює дуже чітку вібраційну сигнатуру:
- Високочастотний широкосмуговий шум: Основним показником є значне підвищення “шумового фону” в Спектр ШПФ, особливо на високих частотах (зазвичай понад 2 000 Гц). Він виглядає як широкий “горб” випадкової енергії, а не як дискретні піки.
- Випадковий і нестабільний: вібрація є випадковою і неперіодичною - саме тому вона не утворює різких ліній - і загальна амплітуда може помітно коливатися від моменту до моменту. Ця випадковість і відрізняє кавітацію від звичайної течії турбулентність, який, як правило, м'якший і нижчий за частотою.
- Потенційні гармоніки частоти проходження лопаток: У деяких випадках випадкова енергія може збуджувати частота проходження лопаті (BPF = кількість лопатей × робоча швидкість) та його гармонік, але домінуючою характеристикою залишається широкосмуговий рівень шуму. На насосах цю саму складову часто називають частота проходження лопаток.
Оскільки енергія є широкосмуговою та імпульсною, методи, налаштовані на повторювані удари, можуть уточнити діагноз: аналіз обвідної та метрики, такі як коефіцієнт амплітуди сильно реагують на швидкі перехідні процеси колапсу бульбашок. Якщо залишити кавітацію прогресувати, вона може спричинити вторинне пошкодження - ерозію робочого колеса, що призведе до справжнього механічного дисбаланс що відображається у вигляді високого піку 1×, корисне нагадування про те, що одна несправність може спричинити іншу.
4. Підтвердження
Оскільки сигнатура є випадковим шумом, її можна сплутати з іншими джерелами, пов'язаними з турбулентністю або потоком, тому перед початком ремонту варто підтвердити її наявність:
- Прослуховування: Кавітація часто викликає виразний звук, схожий на перекочування гравію або камінців всередині насоса, що часто є першою ознакою, яку оператор помічає на підлозі.
- Зміни в процесі: При підозрі на кавітацію всмоктування обережне і повільне відкриття частково закритого всмоктувального клапана або очищення всмоктувального сітчастого фільтра повинно негайно зменшити або усунути високочастотний шум. Цей тест навмисної зміни і спостереження є одним з найефективніших доступних підтверджень, оскільки він безпосередньо маніпулює гідравлічною причиною.
Вкрай важливо швидко усунути кавітацію. Кожна імплозія діє як мікроскопічний реактивний молот, руйнуючи лопаті робочого колеса і спіраль насоса і призводячи до передчасного виходу з ладу. У польових умовах практичний робочий процес полягає в тому, щоб підтвердити широкосмугову сигнатуру на віброаналізаторі, усунути гідравлічну причину, а потім переконатися, що машина повернулася до чистого механічного стану. Портативний двоканальний прилад, такий як Balanset-1A добре підходить для цього останнього етапу: щойно технологічну несправність усунуто, він вимірює 1× амплітуда і фаза у власних підшипниках насоса на робочій швидкості, тому будь-який залишковий дисбаланс залишені ерозією, можна кількісно оцінити та виправити на місці балансування.
