Cavitația în pompe – cauze, simptome și metode de prevenire

Cavitația este unul dintre cele mai frecvente fenomene care scurtează durata de viață a pompelor centrifuge – atât în instalațiile casnice, cât și în sistemele industriale și agricole de mari dimensiuni. În articolul nostru anterior, Ce este cavitația și cum poate fi prevenită, am explicat bazele acestui fenomen. În acest text mergem un pas mai departe – în calitate de producător de pompe de apă ale mărcilor IBO și IPRO, arătăm cum poate fi identificată cavitația în practică, în timpul exploatării, cum se calculează rezerva NPSH la proiectarea instalației de aspirație și ce elemente ale echipamentului – controlere, variatoare de frecvență, supape, filtre și manometre – ajută în mod real la limitarea riscului apariției acesteia. Textul se adresează în primul rând instalatorilor și tehnicienilor de service care selectează și pun în funcțiune zilnic pompe centrifuge.

Fenomenul cavitației în pompele centrifuge – ce se întâmplă în interiorul rotorului

Formarea cavitației într-o pompă centrifugă are o cauză fizică foarte concretă. Când lichidul intră la admisia rotorului, viteza sa de curgere crește brusc, iar conform principiului lui Bernoulli, presiunea lichidului scade în acest loc. Dacă presiunea fluidului scade sub presiunea vaporilor saturați ai lichidului respectiv la temperatura dată, are loc vaporizarea locală – în lichid apar bule mici de vapori. Tocmai acest moment – presiunea lichidului sub presiunea vaporilor – reprezintă punctul de pornire al întregului fenomen de cavitație.

Bulele de vapori provoacă o perturbare locală a continuității curentului de lichid, dar adevărata problemă apare puțin mai târziu. Rotorul pompei transportă lichidul pompat din zona de presiune scăzută (partea de aspirație) în zona de presiune mai ridicată (partea de refulare). Când bulele de vapori ajung în zona de presiune mai ridicată, are loc implozia lor bruscă – prăbușirea lor cu o viteză comparabilă cu lovituri hidraulice microscopice. Energia eliberată în timpul acestui proces este atât de mare, încât, repetat de mii de ori pe minut, duce la deteriorări erozive ale materialului prin cavitație pe suprafața rotorului și a carcasei pompei.

Este important de reținut următoarea relație: cu cât presiunea de saturație a lichidului respectiv este mai scăzută în condițiile de funcționare ale instalației, cu atât marja de siguranță a pompei este mai mică. De aceea, temperatura lichidului pompat influențează direct ușurința cu care se depășește limita de vaporizare.

Cavitația gazoasă și cavitația clasică a vaporilor – două mecanisme diferite

În practică, este util să distingem între două fenomene care sunt adesea confundate. Cavitația clasică a vaporilor apare atunci când scăderea presiunii este suficient de mare încât lichidul se vaporizează local în interiorul pompei – acesta este mecanismul descris mai sus. Cavitația gazoasă are o altă cauză: eliberarea gazelor dizolvate în lichid, cel mai frecvent a aerului, ca urmare a scăderii presiunii, fără a fi necesară atingerea presiunii vaporilor saturați. Ambele fenomene produc efecte similare – variații de presiune, scăderea debitului și zgomot – însă cauzele lor fundamentale sunt diferite și, prin urmare, diferă și metodele de prevenire.

Cavitația gazoasă apare cel mai frecvent la neetanșeități ale conductei de aspirație, prin care aerul pătrunde în instalație, precum și atunci când debitul nu este dimensionat corespunzător în raport cu diametrul conductei. Cavitația clasică a vaporilor este strâns legată de condițiile de funcționare de pe partea de aspirație a pompei – înălțimea de aspirație, temperatura fluidului și rezistențele la curgere.

Ce crește riscul de cavitație în instalație – partea de aspirație a pompei analizată în detaliu

Marea majoritate a cazurilor de cavitație întâlnite în practică își au originea pe partea de aspirație a pompei, nu pe partea de refulare. Printre cele mai frecvente cauze care cresc riscul de cavitație se numără:

• Înălțimea de aspirație a pompei prea mare – cu cât pompa trebuie să aspire lichidul de la o adâncime mai mare, cu atât presiunea statică pe partea de aspirație este mai mică și, prin urmare, rezerva față de presiunea de vaporizare este mai redusă.
• Conductă de aspirație prea lungă sau prea îngustă – provoacă pierderi de presiune proporționale cu pătratul vitezei de curgere, reducând suplimentar presiunea la intrarea în rotor.
• Temperatura ridicată a lichidului – pe măsură ce temperatura crește, crește și presiunea vaporilor saturați, astfel încât marja de siguranță scade chiar și la aceeași geometrie a instalației.
• Neetanșeități care permit aspirarea aerului – tipice pentru instalațiile de aspirație cu racorduri filetate sau garnituri uzate.
• Debitul prea mare în raport cu parametrii pompei – funcționarea în afara curbei caracteristice, la un debit care depășește considerabil punctul optim.

În practică, aceasta înseamnă că o pompă centrifugă autoamorsantă care funcționează pe o conductă lungă de aspirație, la o temperatură ridicată a fluidului și la o înălțime mare de aspirație, este mult mai expusă zonelor de cavitație decât aceeași pompă alimentată dintr-un rezervor situat aproape de nivelul instalației. Alegând pompe submersibile în locul pompelor de aspirație de suprafață, problema de pe partea de aspirație poate fi complet eliminată în multe cazuri – rotorul funcționează atunci scufundat în lichid, ceea ce reduce semnificativ riscul scăderii sub presiunea de vaporizare. Prezentarea noastră a pompelor submersibile IBO prezintă soluții utilizate tocmai în astfel de aplicații hidraulice mai dificile.

NPSH, NPSHav și NPSHr – cum trebuie proiectate pompele rezistente la cavitație

Cel mai important parametru care permite evaluarea riscului de cavitație încă din etapa de proiectare a instalației este NPSH (Net Positive Suction Head), adică înălțimea netă de aspirație peste presiunea de vaporizare a lichidului. În documentația tehnică a pompelor centrifuge întâlnim două valori care trebuie comparate:

• NPSHav (available) – înălțimea netă de aspirație disponibilă, determinată de instalația concretă: înălțimea de aspirație, lungimea conductei de aspirație, temperatura lichidului și presiunea atmosferică din locul de montaj.
• NPSHr (required) – înălțimea netă de aspirație necesară, indicată de producătorul pompei pentru punctul de funcționare respectiv de pe curba caracteristică. Această valoare rezultă din construcția rotorului și din configurația pompelor centrifuge utilizată la modelul respectiv.

Regula de bază pe care ar trebui să o cunoască orice instalator: pompele trebuie proiectate astfel încât NPSHav să fie întotdeauna cu mult mai mare decât NPSHr – în practică, se recomandă o marjă de siguranță de aproximativ 0,5–1 metru coloană de lichid. Dacă această condiție nu este îndeplinită, funcționarea pompei duce aproape inevitabil la cavitație, indiferent de calitatea pompei centrifuge. De aceea, la alegerea pompelor de suprafață sau a pompelor submersibile pentru o anumită instalație, calcularea NPSHav real pentru condițiile date de funcționare ar trebui să preceadă alegerea unui anumit model, nu invers.

Simptomele cavitației în timpul funcționării pompei

Cavitația poate fi recunoscută înainte ca elementele pompei să fie deteriorate permanent. Printre simptomele tipice se numără:

• un zgomot caracteristic, asemănător funcționării unei pompe care transportă pietriș sau pietricele – este sunetul imploziei bulelor de vapori,
• vibrații crescute ale corpului pompei și ale conductei, care depășesc nivelul normal de funcționare,
• funcționarea neuniformă, pulsatorie a pompei și fluctuații ale presiunii vizibile pe manometrul de pe partea de refulare,
• scăderea vizibilă a performanței pompei, în condițiile în care parametrii instalației rămân neschimbați,
• creșterea temperaturii lagărelor și a etanșării mecanice, mai rapidă decât de obicei.

Montarea unui manometru pe partea de aspirație și pe partea de refulare a pompei este unul dintre cele mai simple instrumente de diagnosticare – o scădere bruscă și repetată a presiunii pe partea de aspirație precedă adesea cu câteva ore sau zile de funcționare a instalației apariția semnelor audibile ale cavitației.

Efectele cavitației – deteriorarea componentelor pompei

Funcționarea îndelungată în condiții de cavitație duce la deteriorări permanente și costisitoare ale pompei. Cele mai caracteristice sunt așa-numitele eroziuni cavitaționale – pierderi neregulate, spongioase de material pe suprafața rotorului, în locurile în care implozia bulelor de vapori are loc cu cea mai mare intensitate. În cazuri avansate, deteriorarea materialului cauzată de cavitație afectează și carcasa pompei din zona canalelor de curgere.

Cavitația acționează rareori izolat – de obicei este însoțită de efecte suplimentare:

• uzura accelerată și pierderea etanșeității garniturii mecanice a arborelui, cauzate de vibrații și modificări locale ale presiunii,
• deteriorarea rulmenților motorului ca urmare a vibrațiilor transmise arborelui,
• scăderea debitului pompei și creșterea consumului de energie electrică în raport cu efectul obținut,
• în cazuri extreme – pierderea totală a permeabilității rotorului și necesitatea înlocuirii acestuia.

Este important de reținut că deteriorarea componentelor pompei cauzată de cavitație nu este, de regulă, acoperită de garanția producătorului, deoarece rezultă din alegerea sau exploatarea necorespunzătoare a instalației, nu dintr-un defect de fabricație al dispozitivului. Cu atât mai mult merită să previi acest fenomen încă din etapa de proiectare și punere în funcțiune a sistemului.

Cum să previi cavitația în practică – echipamente și alegerea instalației

Limitarea eficientă a riscului de cavitație se reduce rareori la o singură acțiune – de obicei, este vorba despre combinarea alegerii corecte a pompei cu echipamente de instalare adecvate. În oferta noastră, pe lângă pompele de circulație, recirculare, submersibile, de foraj și de suprafață ale mărcilor IBO și IPRO, se află elemente care sprijină direct funcționarea stabilă și lipsită de cavitație a sistemului:

• Frecvenți (convertizoare de frecvență) – prin reglarea turației motorului pompei în funcție de necesarul actual de apă, limitează funcționarea pompei în punctele caracteristicii în care riscul de cavitație este cel mai mare. Scriem mai multe despre principiul lor de funcționare în articolul Pompa submersibilă – tipuri, montaj și avantajele convertizorului de frecvență, iar modelele și accesoriile concrete se găsesc în secțiunea convertoare de frecvență și accesorii.
• Controlere pentru pompe – monitorizează presiunea și parametrii de funcționare în timp real, oprind pompa înainte de apariția funcționării îndelungate în condiții de cavitație sau de funcționare în gol. Fenomenul funcționării în gol, strâns legat de tema cavitației, este descris mai pe larg în articolul Ce este funcționarea în gol a pompei și cum vă puteți proteja împotriva acestui fenomen.
• Supape de reținere și de închidere – alese și montate corect pe conducta de aspirație, reduc riscul formării dopurilor de aer și al scăderilor bruște de presiune la pornirea pompei.
• Filtre – montate pe partea de aspirație, împiedică pătrunderea impurităților solide în rotor, protejând astfel indirect suprafețele de lucru deja slăbite de cavitație împotriva eroziunii mecanice suplimentare.
• Manometre – permit monitorizarea continuă a presiunii pe partea de aspirație și de refulare, ajutând la identificarea primelor simptome ale cavitației cu mult timp înainte de apariția deteriorărilor audibile și vizibile.

La alegerea unui anumit model, merită să consultați și ghidul nostru general Pompele de apă Dambat – ghid privind tipurile și aplicațiile (IBO / IPRO), care ajută la potrivirea tipului de pompă cu caracteristicile instalației înainte de calcularea parametrilor NPSH.

Alegerea pompei pentru o anumită aplicație – la ce trebuie să acordați atenție

La proiectarea sau modernizarea unei instalații, este important să rețineți că simpla alegere a mărcii sau a puterii motorului nu este suficientă dacă este omis bilanțul hidraulic al părții de aspirație. Ordinea recomandată a etapelor pentru alegerea unei pompe rezistente la cavitație este următoarea:

1. Determinarea înălțimii reale de aspirație a pompei, precum și a lungimii și diametrului conductei de aspirație din instalația concretă.
2. Calcularea pierderilor de presiune rezultate din rezistența la curgere, coturi, supape și lungimea conductei de aspirație.
3. Stabilirea temperaturii lichidului pompat și citirea din tabele a presiunii vaporilor saturați corespunzătoare.
4. Determinarea NPSHav disponibil pentru instalația respectivă și compararea acestuia cu valoarea NPSHr indicată de producător pentru punctul de funcționare planificat.
5. Dacă marja este prea mică – luați în considerare schimbarea amplasării pompei (de exemplu, montarea unei versiuni submersibile în locul uneia de suprafață), scurtarea conductei de aspirație sau utilizarea unui model cu un NPSHr mai mic.

În ofertă veți găsi atât modele destinate utilizării casnice, cât și soluții pentru instalații agricole și industriale — inclusiv pompe de suprafață IBO pentru captări de mică adâncime și pompe de puț dedicate puțurilor adânci, unde calcularea corectă a înălțimii de aspirație are o importanță deosebită. Dacă aveți nelămuriri, departamentul nostru tehnic vă poate ajuta cu plăcere să alegeți modelul potrivit pentru parametrii concreți ai instalației.

Întrebări adresate frecvent (FAQ)

Prin ce se deosebește cavitația de zgomotul obișnuit al funcționării pompei?

Zgomotul de funcționare al pompei este de obicei constant și uniform, în timp ce sunetul asociat cavitației seamănă cu rostogolirea pietrișului sau a pietricelelor — este neregulat și apare brusc, cel mai adesea la schimbarea punctului de funcționare al pompei, de exemplu la un consum mai mare de apă.

Poate apărea cavitația într-o pompă submersibilă?

Riscul este semnificativ mai mic decât la pompele de suprafață, deoarece rotorul funcționează scufundat în lichid, eliminând problema înălțimii de aspirație. Totuși, cavitația poate apărea la pompele submersibile atunci când pompa funcționează aproape de nivelul apei sau când debitul este prea mare în raport cu capacitatea sursei.

Cât de repede distruge cavitația pompa?

Depinde de intensitatea fenomenului. În cazul unei depășiri reduse și periodice a NPSHr, primele semne de eroziune pe rotor pot apărea după câteva luni de funcționare. În cazul unei cavitații puternice și continue, deteriorarea gravă a componentelor pompei poate apărea deja după câteva zeci de ore de exploatare.

Elimină complet convertizorul de frecvență riscul de cavitație?

Convertizorul de frecvență limitează funcționarea pompei în punctele nefavorabile ale caracteristicii și ajută la menținerea unei presiuni stabile, dar nu înlocuiește proiectarea corectă a părții de aspirație. Dacă NPSHav al instalației este semnificativ mai mic decât NPSHr al pompei, simpla reglare a turației motorului nu va elimina problema.

Ce importanță are temperatura apei pentru riscul de cavitație?

Pe măsură ce crește temperatura lichidului, crește și presiunea vaporilor saturați, ceea ce reduce marja disponibilă NPSHav. De aceea, aceeași instalație care funcționează în siguranță cu apă rece poate genera zone de cavitație la o temperatură mai ridicată a mediului.

Este suficient manometrul pentru diagnosticarea cavitației?

Manometrul de pe partea de aspirație și de refulare este un instrument de diagnostic foarte util, care evidențiază fluctuațiile de presiune tipice cavitației, însă pentru un diagnostic complet este recomandată și observarea zgomotului, a vibrațiilor și analiza parametrilor instalației (înălțimea de aspirație, lungimea conductei, temperatura lichidului).