В этой статье вы узнаете о понятии кавитации, причинах и сроках ее возникновения, ущербе, который она может нанести насосам, и способах ее предотвращения. В статье 201 будут более подробно рассмотрены научные факторы, вызывающие кавитацию, методы ее обнаружения и многочисленные эффективные стратегии по смягчению ее последствий, включая использование привода для управления насосом.
Что такое кавитация и почему она возникает?
Кавитация может возникать в центробежных насосах по разным причинам. Одна из таких причин заключается в низком давлении на входе в насос. Низкое давление на входе может возникать из-за низкого уровня жидкости в резервуаре, из которого жидкость подают в насосную систему, или из-за утечки в трубах, приводящей к падению давления. Обычно это происходит при перекачке жидкости с места на место при очистке воды/сточных вод, а также при производстве продуктов питания и напитков.
Рисунки 1 и 2. Питтинговая коррозия из-за ударных волн, возникающих при схлопывании пузырьков пара, может привести даже к образованию дыр в лопастях насоса. (Изображение предоставлено компанией ABB)
Кавитация возникает из-за того, что пузырьки пара схлопываются внутри жидкости, распространяя ударные волны по всей жидкости. Пузырьки пара образуются при локальном падении давления ниже давления пара. Это может произойти внутри насоса или в трубах и клапанах, содержащих жидкость. Фактически, любое препятствие, которое может создать локальную зону низкого давления, может привести к образованию пузырьков пара.
Схлоgывание пузырька пара подобно небольшому быстрому взрыву, при котором локально высвобождается большое количество энергии, создающей повреждения. Взрыв пузырька приводит к эрозии поверхности, когда ударные волны ударяются о лопасти рабочего колеса или корпус насоса. Это вызывает сильный шум и заметную вибрацию. Подобные распространенные симптомы кавитации часто являются одними из первых признаков неисправности.
Вода может превратиться в пар при комнатной температуре, если локальное давление в трубе или насосе станет ниже давления пара. Важно понимать, что пузырьки образуются из-за локального перепада давления, а не из-за повышения температуры. Давление снижается только в определенных зонах системы, и тогда образуются пузырьки.
Кавитация может негативно сказаться на работе насоса и его сроке службы. Образование пузырьков пара может не представлять проблемы, но проблема может возникнуть, когда пузырьки в жидкости перемещаются по трубе или насосу и попадают в зону с нормальным давлением, как правило, на небольшом расстоянии от места их образования. В области нормального давления пузырьки лопаются с распространением ударных волн в жидкости. Ударные волны могут привести к образованию язв вплоть до повреждения лопастей рабочего колеса или корпуса насоса, как показано на рисунках 1 и 2. Но еще до этого эффективность насоса начинает снижаться. Как правило, за этим следует внеплановое техническое обслуживание или дорогостоящая замена насоса.
Как можно избежать кавитации?
Центробежные насосы характеризуются таким параметром, как кавитационный запас (NPSH). Этот параметр определяет, насколько высоким должно быть давление на входе в насос, чтобы избежать кавитации. Значение NPSH зависит от расхода жидкости (объема) в конкретных условиях, как показано на рисунке 3. При перекачке больших объемов требуется высокое давление на входе в насос. Снижение NPSH ниже указанного значения увеличивает риск возникновения кавитации. Информация о кавитационном запасе для конкретного насоса используется на этапе проектирования всей системы, чтобы обеспечить достаточное предварительное давление.
При опорожнении резервуара давление на входе в насос может снижаться по мере снижения уровня в резервуаре. Это увеличивает риск возникновения кавитации, и необходимо принять меры, чтобы избежать повреждения насоса.
Поскольку кавитация связана с давлением на входе в насос, рекомендуется измерить давление на входе и использовать эту информацию для остановки насоса, если давление становится слишком низким. Именно так реализуется традиционная защита от кавитации. В качестве индикатора можно также использовать низкий уровень жидкости в резервуаре. При использовании этих способов предотвращения кавитации остановка насоса также означает прекращение подачи жидкости, и в трубах может остаться некоторое количество жидкости, которое необходимо откачать.
Кавитационный запас также зависит от расхода жидкости. Снижение частоты вращения насоса также приведет к снижению расхода и напора/давления, создаваемого насосом. Таким образом, риск возникновения кавитации можно снизить, уменьшив скорость вращения насоса, когда давление на входе начинает падать, или просто остановив насос.
Какие еще проблемы может вызвать кавитация?
При возникновении кавитации ожидаемые затраты, как правило, связаны с обслуживанием и ремонтом насоса. Однако необходимо учитывать и другие затраты, например, дополнительные издержки, связанные с незапланированным простоем и снижением производительности. Существенным может оказаться производство жидкости низкого качества из-за кавитации.
Кавитация может привести к загрязнению, например, металлом или пластиком внутри насоса. Кроме того, материал может застревать внутри клапанов или датчиков, что приведет к их повреждению.
NPSH [ft]— Кавитационный запас [фут]. Q [GPM] — Q [галлон/мин]
Рисунок 3. По мере увеличения объема перекачиваемой жидкости давление на входе также должно увеличиваться, чтобы избежать кавитации.
При обработке воды качество не снижается, за исключением нежелательного загрязнения жидкости, поскольку вода сначала превращается в пар при образовании пузырьков, а затем снова превращается в воду, когда пузырьки схлопываются. Однако при производстве продуктов питания и напитков качество перекачиваемой жидкости имеет особо важное значение. Например, если перекачиваемое молоко начинает пениться из-за кавитации, вспенивание становится необратимым и качество молока снижается.
Любой необратимый процесс, вызванный кавитацией, приводит к снижению качества, потере доходов и увеличению затрат на дополнительную обработку. В некоторых случаях потери могут составлять 100%, а в других случаях жидкость можно использовать для других целей, но с дополнительными затратами на фильтрацию или какой-либо другой вид обработки. Поэтому важно учитывать, где в конечном итоге окажется материал после схлопывания пузырьков, и можно ли его удалить таким образом, чтобы использовать жидкость, или это приведет к 100%-ной потере.
Важно отметить, что кавитация представляет проблему во всех насосных системах. Продуманная конструкция системы и правильный выбор насоса с учетом требований к кавитационному запасу позволят снизить риск возникновения кавитации.
В следующей статье мы более подробно рассмотрим причины возникновения кавитации и ее последствия, а также расскажем о том, как ее обнаружить и уменьшить.
Джефф Моррис проработал в сфере автоматизации и управления более 20 лет, начав с должности менеджера по выпуску приводов и занимаясь управлением ассортиментом продукции, которая включает промышленные системы управления и центры управления двигателями, датчики и системы безопасности и автоматизации, а также продажей продуктов автоматизации, такие как ПЛК и ЧМИ. Будучи менеджером по развитию бизнеса производителей насосов и систем водоснабжения в США, Моррис помогает производителям насосов создавать более совершенные системы, демонстрируя преимущества использования приводов компании ABB, ПЛК и ЧМИ.
Даниэль Гутьеррес более 20 лет работает в области промышленной автоматизации и управления двигателями. Его опыт включает работу инженером по продажам продуктов промышленной автоматизации и инженером по прикладным задачам в области промышленной автоматизации, включая двигатели, частотно-регулируемые приводы, ПЛК и ЧМИ. Как технический специалист, Гутьеррес помогает производителям насосных и водопроводных систем модернизировать конструкцию систем управления.
