Кавитация в насосе: что это такое и как ее избежать

Что это за звук издаёт ваш насос? Если он больше похож на звук гравия, проталкиваемого по трубам, чем на шум жидкости, причиной может быть кавитация насоса. Но что именно представляет собой кавитация насоса и почему она так вредна для насосов и их компонентов? Мы расскажем всё об этом распространённом, но опасном явлении и о том, что можно сделать, чтобы предотвратить его повреждение, прежде чем оно нанесёт вред вашей системе.

Что такое кавитация в насосе и каковы ее причины?

Кавитация в насосе возникает, когда давление в насосе падает ниже давления насыщенных паров жидкости, что приводит к её испарению с образованием пузырьков. Эти пузырьки пара обычно образуются на всасывающей стороне насоса, где давление наименьшее. Когда жидкость достигает областей с более высоким давлением, например, вблизи рабочего колеса, пузырьки схлопываются.

Представьте себе кастрюлю с кипящей водой на плите. Пузырьки пара поднимаются со дна и, достигнув поверхности воды, взрываются. В этом случае кипение происходит под действием тепла. Однако на температуру кипения также влияет давление над водой. На уровне моря вода кипит при температуре 212°C (100°F), но на высоте 10,000 193.6 футов (89.8 XNUMX м), где атмосферное давление ниже, она кипит примерно при XNUMX°C (XNUMX°F). С понижением атмосферного давления температура кипения воды понижается.

В насосной системе действует аналогичный принцип. Если давление внутри насоса падает ниже давления насыщенных паров жидкости, жидкость начинает кипеть, даже при температуре окружающей среды. Это локальное кипение создаёт внутри жидкости пузырьки пара. По мере того, как жидкость проходит через насос и сталкивается с более высоким давлением вблизи рабочего колеса, пузырьки быстро схлопываются. Этот внезапный взрыв создаёт мощные ударные волны, которые воздействуют на внутренние поверхности насоса, особенно на лопатки рабочего колеса, что приводит к кавитации.

Что плохого в пузырях? Последствия кавитации в насосе

Кавитационные пузырьки могут быть крошечными, но они представляют серьёзную проблему для вашего насоса. Эти пузырьки пара обычно образуются на крошечных неровностях металлических поверхностей насоса, таких как рабочее колесо центробежного насоса или поршень/шестерня объёмного насоса со стороны всасывания. Двигаясь к стороне нагнетания высокого давления, эти пузырьки резко схлопываются, создавая ударные волны и микроструи, которые с огромной силой воздействуют на поверхности. Этот взрыв создаёт интенсивные, сфокусированные ударные волны, которые ударяют прямо в поверхность, где образовались пузырьки.

Эти повторяющиеся удары вызывают точечную коррозию — тип поверхностной эрозии, которая сначала небольшая, но со временем усиливается. Новый насос с гладкими поверхностями более устойчив к кавитации. Но по мере появления дефектов разрушение ускоряется. В конечном итоге, части рабочего колеса или других компонентов могут выглядеть изъеденными или подвергнутыми пескоструйной обработке. На деталях могут даже отсутствовать крупные фрагменты материала.

Бурная реакция также повреждает подшипники и уплотнения, сокращая их срок службы и приводя к резкому росту расходов на техническое обслуживание из-за частой замены. Кавитация в насосе приводит к снижению эффективности, вибрации, шуму и, в конечном итоге, к выходу насоса из строя.

В чем разница между всасыванием, нагнетанием и кавитацией?

Термины «всасывание» и «нагнетание» относятся к разным сторонам насоса. Со стороны всасывания жидкость поступает в насос, как правило, под более низким давлением. Со стороны нагнетания жидкость выталкивается насосом, как правило, под более высоким давлением.

Кавитация, с другой стороны, — это проблема, которая может возникнуть внутри насоса. Она не является частью нормальной работы насоса, как всасывание или нагнетание. Это разрушительное состояние, вызванное низким давлением, которое приводит к образованию и схлопыванию пузырьков пара.

Вот простой способ подумать об этом:

Всасывание: жидкость поступает в насос под более низким давлением.

Выброс: жидкость, выходящая из насоса под более высоким давлением.

Кавитация: испарение жидкости и возникновение повреждений из-за слишком низкого давления (особенно на стороне всасывания).

Хотя кавитация на всасывании встречается чаще всего, кавитация на нагнетании также может возникать, когда насос работает с низкой производительностью или далеко от точки максимальной эффективности. Это приводит к рециркуляции жидкости на нагнетании, образуя пузырьки пара в зонах низкого давления, которые разрушаются и повреждают компоненты. Оба типа кавитации имеют схожие симптомы, такие как шум, вибрация и эрозия, но требуют разных методов профилактики.

Таким образом, в то время как всасывание и нагнетание описывают, как насос перемещает жидкость, кавитация описывает то, что происходит, когда условия внутри насоса нарушаются.

Ранние признаки кавитации насоса

Одним из первых признаков кавитации насоса является необычный шум. Этот шум часто описывают как звук гравия, дребезжащего в корпусе насоса или трубопроводе. Однако в шумных заводских условиях этот важный признак легко пропустить.

Другие ранние предупреждающие признаки включают в себя:

• Необычные вибрации: Мониторинг вибрации может обнаружить изменения в вибрационной сигнатуре насоса и выявить кавитацию.
• Неустойчивые колебания давления: Нестабильные показания манометра, особенно на всасывающей стороне насоса, могут быть признаком кавитации.
• Уменьшение скорости потока: Снижение производительности насоса может указывать на то, что кавитация влияет на поток жидкости или уже повредила насос.

Как предотвратить кавитацию насоса

Самый простой способ предотвратить кавитацию в насосе — спроектировать насосную систему таким образом, чтобы она не возникала при нормальных условиях эксплуатации. Для этого необходимо понимать, что такое чистый кавитационный запас (NPSH), и учитывать его при проектировании.

Необходимо рассмотреть две части NPSH.

1. NPSHR (требуемый чистый положительный напор всасывания): Это минимальное давление, необходимое насосу на всасывающей стороне для предотвращения кавитации. Это значение указывается в метрах или футах и рассчитывается производителем насоса.
2. NPSHA (чистый положительный напор на всасывании): Этот показатель необходимо рассчитать в процессе проектирования системы. Он учитывает атмосферное давление, уровень жидкости, её температуру и точку кипения.

Если NPSHA больше NPSHR, насос должен работать без кавитации. Однако, если NPSHA меньше NPSHR, насос не создаёт достаточного давления, чтобы предотвратить испарение жидкости, что в конечном итоге приводит к кавитации.

Чтобы избежать кавитации на всасывании, убедитесь, что располагаемый напор (NPSHA) превышает требуемый напор (NPSHR) как минимум на 0.5–1.0 м, как указано производителем насоса. Чтобы избежать кавитации на нагнетании, эксплуатируйте насос в режиме, близком к точке максимальной эффективности (BEP), чтобы избежать низкого расхода, приводящего к рециркуляции. Использование насоса правильного размера или установка частотно-регулируемых приводов (ЧРП) может помочь поддерживать оптимальный расход.

Как устранить кавитацию в насосе

Если кавитация уже возникла, устраните её как можно скорее, чтобы предотвратить повреждение. Методы устранения различаются в зависимости от того, является ли это кавитацией на всасывании (вызванной низким давлением всасывания) или нагнетании (вызванной низким расходом или рециркуляцией). Вот несколько решений, которые можно попробовать:

• Оптимизация всасывающего трубопровода: Небольшие, длинные или сложные всасывающие трубопроводы могут ограничивать поток, снижая кавитационный запас (NPSHA). Используйте трубопроводы большего диаметра, сократите их длину или уменьшите количество изгибов, чтобы улучшить поток и предотвратить кавитацию на всасывании.
• Переместите насос или источник жидкости: Расположение насоса ближе к источнику жидкости или ниже него уменьшает высоту всасывания, увеличивая NPSHA и тем самым уменьшая кавитацию всасывания.
• Проверьте фильтры и сетки: Засорённые фильтры или сетки на всасывающей стороне могут привести к истощению насоса, вызывая кавитацию. Очистите или замените их, а также убедитесь, что размер фильтра соответствует требуемому для поддержания потока.
• Обратные клапаны и компонентыЧастично закрытые клапаны или избыточная арматура на стороне всасывания могут ограничивать поток. Убедитесь, что клапаны полностью открыты, и минимизируйте количество ненужных компонентов. В случае кавитации нагнетания убедитесь, что нагнетательные клапаны не слишком дросселированы, так как это может привести к рециркуляции.
• Установите подкачивающий насос: Подкачивающий насос может увеличить давление всасывания, увеличивая кавитацию на всасывании и тем самым предотвращая кавитацию на всасывании, особенно в системах с длинными всасывающими линиями или перепадами высот.
• Отрегулируйте условия эксплуатации: При кавитации нагнетания увеличьте расход, чтобы приблизить насос к точке максимальной эффективности (BEP). Установите частотно-регулируемые приводы (ЧРП) или отрегулируйте нагнетательные клапаны, чтобы поддерживать необходимый расход и предотвратить рециркуляцию.
• Замените насос: Если кавитация сохраняется, замените насос на более подходящий для вашей системы. При кавитации на всасывании выберите насос с меньшим NPSHR (кавитационный запас на всасывании). При кавитации на нагнетании выберите насос, размер которого соответствует требованиям системы к расходу и напору.

Все эти варианты могут быть дорогостоящими и трудоёмкими, но предотвращение кавитации в насосе в конечном итоге продлит срок его службы и повысит общую эффективность системы. Используйте инструменты мониторинга, такие как вибрационный монитор, чтобы подтвердить, что кавитация устранена.

Итоги по кавитации в насосах

Кавитация в насосе — дорогостоящая проблема. Она увеличивает расходы на обслуживание, повреждает компоненты и может привести к сокращению срока службы насоса. Но её можно предотвратить. Мониторинг вибрации в сочетании с услуги по анализу вибрации может послужить ранним предупреждающим признаком возникновения кавитации, давая вам время вмешаться до того, как будет нанесен дорогостоящий и необратимый ущерб.