Cavitazione nelle pompe - cause, sintomi e metodi di prevenzione

La cavitazione è uno dei fenomeni più comuni che riducono la durata delle pompe centrifughe, sia negli impianti domestici sia nei grandi sistemi industriali e agricoli. Nel nostro precedente articolo Cos'è la cavitazione e come prevenirla abbiamo spiegato le basi di questo fenomeno. In questo testo approfondiamo l'argomento: in qualità di produttore di pompe per acqua dei marchi IBO e IPRO, mostriamo come riconoscere concretamente la cavitazione durante il funzionamento, come calcolare il margine NPSH nella progettazione della linea di aspirazione e quali componenti dell'impianto - controller, inverter, valvole, filtri e manometri - aiutano concretamente a ridurre il rischio che si verifichi. Il testo è rivolto soprattutto a installatori e tecnici dell'assistenza che ogni giorno selezionano e mettono in funzione pompe centrifughe.

Il fenomeno della cavitazione nelle pompe centrifughe - cosa succede all'interno della girante

La formazione della cavitazione in una pompa centrifuga ha una causa fisica ben precisa. Quando il liquido entra nell'imbocco della girante, la sua velocità di flusso aumenta bruscamente e, secondo il principio di Bernoulli, in questo punto la pressione del liquido diminuisce. Se la pressione del fluido scende al di sotto della pressione di vapore saturo del liquido alla temperatura in questione, si verifica un'evaporazione locale: nel liquido compaiono piccole bolle di vapore. È proprio questo momento - la pressione del liquido inferiore alla pressione di vapore - a rappresentare il punto di partenza dell'intero fenomeno della cavitazione.

Le bolle di vapore provocano una perturbazione locale della continuità del flusso del liquido, ma il vero problema si presenta poco dopo. La girante della pompa trasferisce il liquido pompato da una zona a bassa pressione (lato aspirazione) a una zona a pressione più elevata (lato mandata). Quando le bolle di vapore raggiungono la zona a pressione più elevata, si verifica la loro violenta implosione, con un collasso a una velocità paragonabile a microscopici colpi d'ariete. L'energia liberata durante questo processo è così elevata che, ripetendosi migliaia di volte al minuto, provoca danni erosivi da cavitazione sulla superficie della girante e del corpo della pompa.

È utile ricordare la relazione seguente: più bassa è la pressione di saturazione di un determinato liquido nelle condizioni operative dell'impianto, minore è il margine di sicurezza della pompa. Per questo motivo, la temperatura del liquido pompato influisce direttamente sulla facilità con cui si supera il limite di vaporizzazione.

Cavitazione gassosa e classica cavitazione da vapore - due meccanismi diversi

Nella pratica impiantistica è utile distinguere due fenomeni che vengono spesso confusi. La classica cavitazione da vapore si verifica quando la diminuzione della pressione è tale che il liquido evapora localmente all'interno della pompa: è il meccanismo descritto sopra. La cavitazione gassosa ha un'origine diversa: consiste nel rilascio dei gas disciolti nel liquido, solitamente aria, a causa della diminuzione della pressione, senza che sia necessario raggiungere la pressione del vapore saturo. Entrambi i fenomeni producono effetti simili - oscillazioni di pressione, calo della portata e rumore - ma differiscono nelle cause originarie e, di conseguenza, nei metodi di prevenzione.

La cavitazione gassosa compare più spesso in presenza di perdite nella tubazione di aspirazione, attraverso le quali l'aria entra nell'impianto, e quando la portata non è adeguatamente dimensionata rispetto al diametro della tubazione. La cavitazione classica da vapore è invece strettamente legata alle condizioni operative del lato di aspirazione della pompa: altezza di aspirazione, temperatura del fluido e resistenze al flusso.

Cosa aumenta il rischio di cavitazione nell'impianto - il lato di aspirazione della pompa sotto esame

La stragrande maggioranza dei casi di cavitazione nella pratica impiantistica ha origine sul lato di aspirazione della pompa, non sul lato di mandata. Tra le cause più comuni che aumentano il rischio di cavitazione rientrano:

• Altezza di aspirazione della pompa eccessiva – più in profondità la pompa deve aspirare il liquido, più bassa è la pressione statica sul lato di aspirazione e quindi minore è il margine rispetto alla pressione di vaporizzazione.
• Tubazione di aspirazione troppo lunga o troppo stretta – causa perdite di pressione proporzionali al quadrato della velocità del flusso, riducendo ulteriormente la pressione all'ingresso della girante.
• Temperatura del liquido elevata – all'aumentare della temperatura cresce la pressione del vapore saturo, riducendo il margine di sicurezza anche a parità di geometria dell'impianto.
• Perdite che causano l'aspirazione di aria – tipiche degli impianti di aspirazione con raccordi filettati o guarnizioni usurate.
• Portata troppo elevata rispetto ai parametri della pompa – funzionamento al di fuori della curva caratteristica, con una portata nettamente superiore al punto ottimale.

In pratica, ciò significa che una pompa centrifuga aspirante che lavora su una lunga tubazione di aspirazione, con una temperatura del fluido elevata e una grande altezza di aspirazione, è molto più esposta alle condizioni di cavitazione rispetto alla stessa pompa alimentata da un serbatoio situato vicino al livello dell'impianto. Scegliendo pompe sommerse invece di pompe aspiranti di superficie, in molti casi è possibile eliminare completamente il problema del lato di aspirazione: la girante lavora immersa nel liquido, riducendo significativamente il rischio di scendere al di sotto della pressione di vaporizzazione. La nostra panoramica delle pompe sommerse IBO mostra soluzioni utilizzate proprio in applicazioni idraulicamente più complesse.

NPSH, NPSHav e NPSHr - come progettare pompe resistenti alla cavitazione

Il parametro più importante per valutare il rischio di cavitazione già in fase di progettazione dell'impianto è l'NPSH (Net Positive Suction Head), ovvero la prevalenza di pressione di aspirazione al di sopra della pressione di vaporizzazione del liquido. Nella documentazione tecnica delle pompe centrifughe troviamo due valori che devono essere confrontati:

• NPSHav (available) - prevalenza di pressione disponibile, determinata dall'impianto specifico: altezza di aspirazione, lunghezza della tubazione di aspirazione, temperatura del liquido e pressione atmosferica nel luogo di installazione.
• NPSHr (required) - prevalenza di pressione richiesta, indicata dal produttore della pompa per un determinato punto di funzionamento sulla curva caratteristica. È un valore derivante dalla struttura della girante e dalla configurazione della pompa centrifuga utilizzata nel modello in questione.

La regola fondamentale che ogni installatore dovrebbe conoscere è la seguente: le pompe devono essere progettate in modo che l'NPSHav sia sempre chiaramente superiore all'NPSHr - in pratica si consiglia un margine di sicurezza di circa 0,5-1 metro di colonna di liquido. Se questa condizione non è soddisfatta, il funzionamento della pompa porta quasi inevitabilmente alla cavitazione, indipendentemente dalla qualità della pompa centrifuga. Pertanto, nella scelta di pompe di superficie o pompe sommerse per un impianto specifico, il calcolo dell'NPSHav reale nelle condizioni operative previste dovrebbe precedere la scelta di un modello specifico, non il contrario.

Sintomi della cavitazione durante il funzionamento della pompa

La cavitazione può essere riconosciuta prima che si verifichino danni permanenti ai componenti della pompa. Tra i sintomi tipici rientrano:

• rumore caratteristico simile a quello di una pompa che trasporta ghiaia o piccoli ciottoli - è il suono dell'implosione delle bolle di vapore,
• aumento delle vibrazioni del corpo della pompa e della tubazione, oltre il normale livello di esercizio,
• funzionamento irregolare e pulsante della pompa, con oscillazioni della pressione visibili sul manometro sul lato di mandata,
• calo evidente delle prestazioni della pompa a parametri dell'impianto invariati,
• aumento della temperatura dei cuscinetti e della tenuta meccanica più rapido del solito.

L’installazione di un manometro sul lato di aspirazione e di mandata della pompa è uno degli strumenti diagnostici più semplici: un calo improvviso e ripetuto della pressione sul lato di aspirazione spesso precede di alcune ore o giorni di funzionamento dell’impianto la comparsa di sintomi udibili della cavitazione.

Conseguenze della cavitazione – danni ai componenti della pompa

Il funzionamento prolungato in condizioni di cavitazione provoca danni permanenti e costosi alla pompa. I più caratteristici sono i cosiddetti crateri di cavitazione – irregolari cavità spugnose nel materiale sulla superficie della girante, nei punti in cui l’implosione delle bolle di vapore avviene con maggiore intensità. Nei casi avanzati, i danni da cavitazione interessano anche il corpo della pompa nella zona dei canali di flusso.

La cavitazione raramente agisce isolatamente – di solito è accompagnata da ulteriori conseguenze:

• usura accelerata e perdita di tenuta della tenuta meccanica dell’albero, causate da vibrazioni e variazioni locali della pressione,
• danni ai cuscinetti del motore dovuti alle vibrazioni trasmesse all’albero,
• riduzione delle prestazioni della pompa e aumento del consumo di energia elettrica rispetto al risultato ottenuto,
• nei casi estremi – perdita completa della pervietà della girante e necessità di sostituirla.

È importante sottolineare che i danni ai componenti della pompa causati dalla cavitazione generalmente non sono coperti dalla garanzia del produttore, poiché derivano da una scelta o da un utilizzo non corretti dell’impianto e non da un difetto di fabbrica dell’apparecchio. È quindi ancora più conveniente prevenire questo fenomeno già in fase di progettazione e avviamento dell’impianto.

Come prevenire la cavitazione nella pratica – dotazione e scelta dell’impianto

Limitare efficacemente il rischio di cavitazione raramente dipende da una sola azione: di solito è necessario combinare la scelta corretta della pompa con un’adeguata dotazione dell’impianto. La nostra offerta comprende, oltre alle pompe di circolazione, ricircolo, sommergibili, sommerse e di superficie dei marchi IBO e IPRO, anche componenti che favoriscono direttamente un funzionamento stabile dell’impianto, privo di cavitazione:

• Inverter (convertitori di frequenza) – regolando la velocità del motore della pompa in base al fabbisogno idrico corrente, limitano il funzionamento della pompa nei punti della curva caratteristica in cui il rischio di cavitazione è maggiore. Descriviamo più dettagliatamente il loro principio di funzionamento nell’articolo Pompa sommersa – tipologie, installazione e vantaggi dell’inverter, mentre modelli e accessori specifici si trovano nella sezione inverter e accessori.
• Controllori per pompe - monitorano in tempo reale la pressione e i parametri di funzionamento, spegnendo la pompa prima che si verifichi un funzionamento prolungato in condizioni di cavitazione o di marcia a secco. Il fenomeno della marcia a secco, strettamente correlato al tema della cavitazione, è descritto più dettagliatamente nel testo Che cos'è la marcia a secco della pompa e come proteggersi.
• Valvole di ritegno e di intercettazione - correttamente dimensionate e installate sulla tubazione di aspirazione, riducono il rischio di formazione di sacche d'aria e di improvvisi cali di pressione all'avvio della pompa.
• Filtri - installati sul lato aspirante, impediscono ai contaminanti solidi di raggiungere la girante, proteggendo indirettamente le superfici di lavoro, già indebolite dalla cavitazione, da un'ulteriore erosione meccanica.
• Manometri - consentono di controllare costantemente la pressione sul lato aspirante e di mandata, permettendo di rilevare i primi sintomi della cavitazione molto prima che si verifichino danni udibili e visibili.

Per la scelta di un modello specifico, vale inoltre la pena consultare la nostra guida generale Pompe per acqua Dambat: guida ai tipi e alle applicazioni (IBO / IPRO), che aiuta ad abbinare il tipo di pompa alle caratteristiche dell'impianto prima ancora di calcolare i parametri NPSH.

Scelta della pompa per un'applicazione specifica: a cosa prestare attenzione

Quando si progetta o si modernizza un impianto, è importante ricordare che la sola scelta del marchio o della potenza del motore non è sufficiente se si trascura il bilancio idraulico del lato aspirante. La sequenza di operazioni consigliata per la scelta di una pompa resistente alla cavitazione è la seguente:

1. Determinare l'effettiva altezza di aspirazione della pompa, nonché la lunghezza e il diametro della tubazione di aspirazione nell'impianto specifico.
2. Calcolare le perdite di pressione dovute alle resistenze al flusso, ai gomiti, alle valvole e alla lunghezza della tubazione di aspirazione.
3. Stabilire la temperatura del liquido pompato e leggere nelle tabelle la pressione di vapore saturo corrispondente.
4. Determinare l'NPSHav disponibile per l'impianto in questione e confrontarlo con il valore di NPSHr indicato dal produttore per il punto di lavoro previsto.
5. Se il margine è troppo ridotto, valutare lo spostamento della pompa (ad esempio, installando una versione sommersa anziché una di superficie), l'accorciamento della tubazione di aspirazione o l'impiego di un modello con un NPSHr inferiore.

Nella nostra offerta troverete sia modelli destinati agli usi domestici sia soluzioni per impianti agricoli e industriali, tra cui le pompe di superficie IBO per captazioni poco profonde e le pompe sommerse dedicate ai pozzi profondi, dove il corretto calcolo dell’altezza di aspirazione è particolarmente importante. In caso di dubbi, il nostro reparto tecnico sarà lieto di aiutarvi a scegliere il modello adatto ai parametri specifici dell’impianto.

Domande frequenti (FAQ)

Qual è la differenza tra la cavitazione e il normale rumore di funzionamento della pompa?

Il rumore di funzionamento della pompa è generalmente costante e uniforme, mentre il suono associato alla cavitazione ricorda il pompaggio di ghiaia o piccoli sassi: è irregolare e compare all’improvviso, soprattutto quando cambia il punto di lavoro della pompa, ad esempio in caso di maggiore prelievo d’acqua.

La cavitazione può verificarsi in una pompa sommersa?

Il rischio è notevolmente inferiore rispetto alle pompe aspiranti dalla superficie, poiché la girante lavora immersa nel liquido, eliminando il problema dell’altezza di aspirazione. Tuttavia, la cavitazione nelle pompe sommerse può verificarsi quando la pompa lavora vicino al livello dell’acqua o quando la portata è eccessiva rispetto alla capacità della fonte.

Quanto velocemente la cavitazione danneggia la pompa?

Dipende dall’intensità del fenomeno. In caso di un lieve superamento periodico dell’NPSHr, i primi segni di erosione sulla girante possono comparire dopo alcuni mesi di funzionamento. In caso di cavitazione intensa e continua, gravi danni ai componenti della pompa possono verificarsi già dopo alcune decine di ore di esercizio.

Il convertitore di frequenza elimina completamente il rischio di cavitazione?

Il convertitore di frequenza limita il funzionamento della pompa nei punti sfavorevoli della curva caratteristica e contribuisce a mantenere stabile la pressione, ma non sostituisce una corretta progettazione del lato di aspirazione. Se l’NPSHav dell’impianto è significativamente inferiore all’NPSHr della pompa, la sola regolazione della velocità del motore non eliminerà il problema.

Quanto è importante la temperatura dell’acqua per il rischio di cavitazione?

Con l’aumento della temperatura del liquido aumenta la pressione del vapore saturo, riducendo il margine NPSHav disponibile. Per questo, lo stesso impianto che funziona in sicurezza con acqua fredda può generare zone di cavitazione quando la temperatura del fluido è elevata.

Il manometro è sufficiente per diagnosticare la cavitazione?

Il manometro sul lato di aspirazione e di mandata è uno strumento diagnostico molto utile, che mostra le oscillazioni di pressione tipiche della cavitazione, ma per una diagnosi completa è opportuno osservare anche il rumore e le vibrazioni e analizzare i parametri dell’impianto (altezza di aspirazione, lunghezza della tubazione, temperatura del liquido).