Cavitația în pompe – cauze, simptome și metode de contramăsuri

Cavitația este unul dintre cele mai frecvente fenomene care scurtează durata de viață a pompelor centrifuge – atât în instalațiile casnice, cât și în marile sisteme industriale și agricole. În articolul nostru anterior Ce este cavitația și cum o prevenim am explicat elementele de bază ale acestui fenomen. În acest text, mergem cu un pas mai departe - în calitate de producător de pompe de apă de marcă IBO i IPRO arătăm cum să recunoaștem cavitația în practică în stadiul operațional, cum să calculăm rezerva NPSH la proiectarea unei instalații de aspirație și ce accesorii - controlere, invertoare, supape, filtre și manometre - ajută de fapt la reducerea riscului apariției acesteia. Textul se adresează în primul rând instalatorilor și tehnicienilor de service care selectează și execută pompe centrifuge zilnic.

Fenomenul de cavitație în pompele centrifuge - ce se întâmplă în interiorul rotorului

Formarea cavitației într-o pompă centrifugă are o cauză fizică foarte specifică. Când lichidul intră în admisia rotorului, debitul său crește rapid și în funcție de principiul lui Bernoulli presiunea lichidului scade în acest punct. Dacă presiunea fluidului scade sub presiunea de vapori saturati a unui lichid dat la o anumită temperatură, are loc o evaporare locală - în lichid apar mici bule de vapori. Acest moment - presiunea lichidului sub presiunea vaporilor - este punctul de pornire al întregului fenomen de cavitație.

Bulele de vapori provoacă o perturbare locală a continuității fluxului de lichid, dar adevărata problemă apare un moment mai târziu. Rotorul pompei deplasează lichidul pompat din zona de joasă presiune (partea de aspirație) în zona de presiune mai mare (partea de refulare). Când bulele de abur lovesc o zonă de presiune mai mare, bulele de abur explodează violent - prăbușindu-se la o viteză comparabilă cu ciocanele de ariete microscopice. Energia eliberată în timpul acestui proces este atât de mare încât, atunci când se repetă de mii de ori pe minut, duce la deteriorarea erozivă a materialului de cavitație de pe suprafața rotorului și a corpului pompei.

Merită să ne amintim relația: cu cât presiunea de saturație a unui lichid dat în condițiile de funcționare a instalației este mai mică, cu atât marja de siguranță a pompei este mai mică. Prin urmare, temperatura lichidului pompat are un impact direct asupra cât de ușor este depășită limita de evaporare.

Cavitația cu gaz și cavitația clasică cu abur – două mecanisme diferite

În practica de instalare, merită să facem distincția între două fenomene care sunt adesea confundate. Cavitația clasică cu abur apare atunci când scăderea presiunii aburului este atât de mare încât lichidul se evaporă local în interiorul pompei - acesta este mecanismul descris mai sus. Cavitația gazoasă are o altă origine: este eliberarea de gaze dizolvate într-un lichid (de obicei aer) ca urmare a unei căderi de presiune, fără a fi nevoie să se atingă presiunea de vapori saturati. Ambele fenomene duc la efecte similare - fluctuații de presiune, pierderi de eficiență și zgomot - dar cauzele lor fundamentale sunt diferite și, prin urmare, metode diferite de contracarare a acestora.

Cavitația gazelor apare cel mai adesea atunci când există scurgeri în conducta de aspirație, unde aerul intră în instalație și atunci când debitul este selectat incorect în raport cu diametrul conductei. Cavitația clasică cu abur, la rândul său, este strâns legată de condițiile de funcționare ale părții de aspirație a pompei - înălțimea de aspirație, temperatura medie și rezistența la curgere.

Ce crește riscul de cavitație în instalație - partea de aspirație a pompei sub lupă

Marea majoritate a cazurilor de cavitație din practica de instalare au originea pe partea de aspirație a pompei, nu pe partea de refulare. Cele mai frecvente cauze care cresc riscul de cavitație includ:

• Înălțimea de aspirație a pompei este prea mare – cu cât pompa trebuie să aspire lichidul mai adânc, cu atât presiunea statică pe partea de aspirație este mai mică și, prin urmare, cu atât rezerva pentru presiunea de evaporare este mai mică.
• Conducta de aspirație prea lungă sau prea îngustă – determină pierderi de presiune proporționale cu pătratul vitezei de curgere, ceea ce reduce suplimentar presiunea la intrarea rotorului.
• Creșterea temperaturii lichidului – pe măsură ce temperatura crește, presiunea vaporilor saturați crește, ceea ce înseamnă că marja de siguranță scade chiar și cu aceeași geometrie a instalației.
• Scurgeri aspirand aer – tipic instalatiilor de aspiratie cu racorduri filetate sau garnituri uzate.
• Debit prea mare în raport cu parametrii pompei – funcționare în afara curbei caracteristice, cu eficiență depășind semnificativ punctul optim.

În practică, aceasta înseamnă că o pompă centrifugă de aspirație care funcționează pe o conductă de aspirație lungă, la temperatură medie ridicată și înălțime mare de aspirație este mult mai expusă zonelor de cavitație decât aceeași pompă alimentată dintr-un rezervor situat aproape de nivelul instalației. Prin selectarea pompelor submersibile în locul pompelor de aspirație de la suprafață, în multe cazuri este posibilă eliminarea completă a problemei părții de aspirație - rotorul funcționează apoi inundat cu lichid, ceea ce reduce semnificativ riscul de a scădea sub presiunea vaporilor. Prezentarea noastră de ansamblu Pompe submersibile IBO prezintă soluții utilizate în astfel de aplicații, mai dificile din punct de vedere hidraulic.

NPSH, NPSHav și NPSHr – cum să proiectați pompe rezistente la cavitație

Cel mai important parametru care vă permite să evaluați riscul de cavitație în faza de proiectare a instalării este NPSH (Net Positive Suction Head), adică excesul de presiune de aspirație peste presiunea de evaporare a lichidului. În documentația tehnică a pompelor centrifuge, găsim două valori care trebuie comparate:

• NPSHav (disponibil) – suprapresiune disponibilă, rezultată din instalația specifică: înălțimea de aspirație, lungimea conductei de aspirație, temperatura lichidului și presiunea atmosferică la locul de instalare.
• NPSHr (obligatoriu) – excesul de presiune necesar, dat de producătorul pompei pentru un anumit punct de funcționare pe curba caracteristică. Această valoare rezultă din proiectarea rotorului și a sistemului de pompă centrifugă utilizată într-un model dat.

Regula de bază pe care fiecare instalator ar trebui să o cunoască: pompele trebuie proiectate astfel încât NPSHav să fie întotdeauna clar mai mare decât NPSHr - în practică, se recomandă o marjă de siguranță de 0,5-1 metru de coloană de lichid. Dacă această condiție nu este îndeplinită, funcționarea pompei duce aproape inevitabil la cavitație, indiferent de cât de bună este calitatea pompei centrifuge în sine. Prin urmare, atunci când selectați pompe de suprafață sau pompe submersibile pentru o anumită instalație, calcularea NPSHav real pentru condiții de funcționare date ar trebui să preceadă selecția unui anumit model, și nu invers.

Simptome de cavitație în timpul funcționării pompei

Cavitația poate fi recunoscută chiar înainte de apariția deteriorării permanente a componentelor pompei. Simptomele comune includ:

• un zgomot caracteristic care seamănă cu funcționarea unei pompe care pompează pietriș sau pietricele mici - acesta este sunetul imploziei bulelor de abur,
• vibrație crescută a corpului pompei și a conductei, peste nivelurile normale de funcționare,
• funcționarea neuniformă, pulsatorie a pompei și fluctuațiile de presiune vizibile pe manometrul de pe partea de refulare,
• scădere vizibilă a eficienței pompei cu parametrii de instalare neschimbați,
• creșterea mai rapidă decât de obicei a temperaturii lagărelor și a etanșării mecanice.

Instalarea unui manometru pe părțile de aspirație și refulare ale pompei este unul dintre cele mai simple instrumente de diagnosticare - o scădere bruscă și repetată a presiunii pe partea de aspirație precede adesea apariția simptomelor audibile de cavitație cu câteva ore sau zile de instalare.

Efectele cavitației - deteriorarea componentelor pompei

Funcționarea pe termen lung în condiții de cavitație duce la deteriorarea permanentă și costisitoare a pompei. Cele mai caracteristice sunt așa-numitele gropi de cavitație - pierderi neregulate, spongioase de material pe suprafața rotorului, în locurile în care implozia bulelor de abur are loc cel mai intens. În cazuri avansate, deteriorarea materialului prin cavitație afectează și corpul pompei în zona canalelor de curgere.

Cavitația funcționează rar în mod izolat - de obicei este însoțită de efecte suplimentare:

• uzura accelerată și scurgerea etanșării mecanice a arborelui rezultată din vibrații și modificări locale de presiune;
• deteriorarea rulmenților motorului din cauza vibrațiilor transmise arborelui,
• eficienta redusa a pompei si cresterea consumului de energie electrica in raport cu efectul obtinut,
• în cazuri extreme - pierderea completă a permeabilității rotorului și necesitatea înlocuirii acestuia.

Este important că deteriorarea componentelor pompei ca urmare a cavitației nu este de obicei acoperită de garanția producătorului, deoarece rezultă din selectarea sau funcționarea incorectă a instalației și nu dintr-un defect de fabricație al dispozitivului. Este cu atât mai profitabil să previi acest fenomen deja în stadiul de proiectare și punere în funcțiune a sistemului.

Cum să preveniți cavitația în practică – selecția echipamentului și a instalației

Reducerea eficientă a riscului de cavitație se reduce rareori la o singură acțiune - de obicei este o combinație între alegerea corectă a pompei și echipamentul de instalare adecvat. În oferta noastră, pe lângă pompele de circulație, pompele de circulație, pompele submersibile, pompele submersibile și pompele de suprafață ale mărcilor IBO și IPRO, există elemente care susțin direct funcționarea stabilă, fără cavitații a sistemului:

• Invertoare (convertoare de frecvență) – prin reglarea vitezei motorului pompei la cererea curentă de apă, limitează funcționarea pompei în punctele din caracteristicile unde riscul de cavitație este cel mai mare. Scriem mai multe despre principiul funcționării lor în articol Pompă submersibilă – tipuri, instalare și avantaje ale invertorului, iar modele și accesorii specifice pot fi găsite în secțiune invertoare si accesorii.
• Controlere pompe – monitorizați presiunea și parametrii de funcționare în timp real, oprind pompa înainte să apară funcționarea pe termen lung în condiții de cavitație sau de funcționare uscată. Fenomenul alergării la uscat, strâns legat de tema cavitației, este descris mai detaliat în text Ce este funcționarea uscată a pompei și cum să vă protejați împotriva acesteia?.
• Supape de control și de închidere – selectate și instalate corespunzător în conducta de aspirație, reduc riscul blocajelor de aer și căderilor bruște de presiune la pornirea pompei.
• Filtre – instalate pe partea de aspirare, previn pătrunderea contaminanților solizi în rotor, care protejează indirect suprafețele de lucru, deja slăbite de cavitație, împotriva eroziunii mecanice suplimentare.
• Manometre – permiteți controlul continuu al presiunii pe părțile de aspirație și refulare, permițându-vă să detectați primele simptome de cavitație cu mult înainte de apariția daunelor audibile și vizibile.

Atunci când alegeți un anumit model, merită să folosiți și ghidul nostru general Pompe de apă Dambat – ghid pentru tipuri și aplicații (IBO / IPRO), care ajută la potrivirea tipului de pompă cu natura instalației înainte de calcularea parametrilor NPSH.

Selectarea unei pompe pentru o anumită aplicație - la ce să acordați atenție

La proiectarea sau modernizarea instalației, merită să ne amintim că doar selectarea mărcii sau a puterii motorului nu va fi suficientă dacă echilibrul hidraulic al părții de aspirație este ignorat. Secvența recomandată de acțiuni atunci când alegeți o pompă rezistentă la cavitație este următoarea:

1. Determinarea înălțimii efective de aspirație a pompei și a lungimii și diametrului conductei de aspirație într-o instalație specifică.
2. Calculul pierderilor de presiune rezultate din rezistența la curgere, coturi, supape și lungimea conductei de aspirație.
3. Determinarea temperaturii lichidului pompat și citirea presiunii de vapori saturați corespunzătoare din tabele.
4. Determinarea NPSHav disponibilă pentru o anumită instalație și compararea acestuia cu valoarea NPSHr furnizată de producător pentru punctul de funcționare planificat.
5. Dacă marginea este prea mică, luați în considerare schimbarea locației pompei (de exemplu, instalarea submersibilă în loc de instalarea la suprafață), scurtarea conductei de aspirație sau utilizarea unui model cu un NPSHr mai mic.

Oferta include atât modele destinate uzului casnic, cât și soluții pentru instalații agricole și industriale - incl Pompe de suprafață IBO pentru lovituri superficiale şi pompe submersibile dedicate puțurilor adânci, unde calculul corect al înălțimii de aspirație este deosebit de important. Dacă aveți dubii, departamentul nostru tehnic vă va ajuta cu plăcere să alegeți un model pentru parametrii de instalare specifici.

Întrebări frecvente (FAQ)

Cum diferă cavitația de zgomotul normal al pompei?

Zgomotul de funcționare al pompei este de obicei constant și monoton, în timp ce sunetul care însoțește cavitația seamănă cu presarea pietrișului sau a pietrelor mici - este neregulat și apare brusc, cel mai adesea când se schimbă punctul de funcționare al pompei, de exemplu atunci când consumul de apă este mai mare.

Poate apărea cavitația într-o pompă submersibilă?

Riscul este mult mai mic decât la pompele de aspirație de suprafață deoarece rotorul funcționează inundat cu lichid, ceea ce elimină problema înălțimii de aspirație. Cu toate acestea, cavitația în pompele submersibile poate apărea atunci când pompa este operată aproape de pânza freatică sau la un debit prea mare în comparație cu capacitatea sursei.

Cât de repede cavitația distruge pompa?

Depinde de intensitatea fenomenului. Dacă NPSHr este depășit ușor, periodic, primele urme de eroziune pe rotor pot apărea după câteva luni de funcționare. În caz de cavitație puternică și continuă, pot apărea daune grave ale componentelor pompei după doar o duzină de ore de funcționare.

Invertorul elimină complet riscul de cavitație?

Invertorul limitează funcționarea pompei în punctele nefavorabile ale curbei caracteristice și ajută la menținerea presiunii stabile, dar nu înlocuiește proiectarea corectă a părții de aspirație. Dacă NPSHav al instalației este semnificativ sub NPSHr al pompei, simpla ajustare a turației motorului nu va elimina problema.

Cât de importantă este temperatura apei pentru riscul de cavitație?

Pe măsură ce temperatura lichidului crește, presiunea vaporilor saturați crește, reducând marja NPSHav disponibilă. Prin urmare, aceeași instalație care funcționează în siguranță cu apă rece poate genera deja zone de cavitație la temperaturi medii ridicate.

Este suficient un manometru pentru a diagnostica cavitația?

Un manometru pe părțile de aspirație și refulare este un instrument de diagnosticare foarte util, care arată fluctuațiile de presiune tipice cavitației, dar o diagnoză completă ar trebui completată cu observarea zgomotului, vibrațiilor și analiza parametrilor instalației (înălțimea de aspirație, lungimea conductei, temperatura lichidului).