Кавитация — это специфический физический процесс, регулярно встречающийся в гидродинамических устройствах и механизмах перекачки жидкостей. Суть явления заключается в образовании полостей, заполненных паром, внутри рабочей среды, происходящем в результате резкого падения местного давления ниже уровня давления насыщенных паров жидкости. Последующее быстрое сжатие этих пустот сопровождается интенсивным выбросом энергии, что вызывает вибрационные нагрузки, акустические шумы и ускоренный износ компонентов насоса.
Специалисты отрасли водоснабжения и промышленной гидравлики обязаны хорошо разбираться в природе кавитации, уметь распознавать признаки её появления и владеть методами борьбы с ней. Настоящая публикация посвящена детальному разбору физических основ формирования кавитационного эффекта, видам данного процесса, негативному воздействию на рабочие характеристики насосов и, самое главное, эффективным мерам профилактики для повышения надежности и долговечности насосного оборудования различного назначения.
Физические принципы кавитации
Чтобы разобраться в механизме кавитации, полезно освежить знания основных законов гидро- и термодинамики. Важно помнить, что каждая жидкость обладает уникальным давлением насыщенного пара (Pv), величина которого изменяется в зависимости от температурных условий. Если внешнее давление в конкретной точке потока становится меньше указанного предела, жидкость тут же начинает переходить в газообразное состояние, формируя характерные пузырьковые образования.
Процесс кавитации состоит из трех ключевых фаз
- Формирование газовых включений: начинается там, где местное давление снижается настолько, что оказывается ниже показателя давления насыщенных паров жидкости, приводя к появлению мелких пузырьков газа;
- Движение пузырьков газа с потоком жидкости: сформировавшиеся пузырьки увлекаются основным потоком жидкости и переносятся в области с повышенным давлением;
- Схлопывание (разрушение) пузырьков пара: оказавшись в условиях высокого давления, пузырьки стремительно коллапсируют, порождая микроударные импульсы и локальные всплески температуры.
Насыщенный пар:
Насыщенным называют пар, который находится в динамическом равновесии с жидкостью, т.е. скорость испарения равна скорости конденсации. Так для ограниченного объема это означает, что при данной температуре в этом объеме не может находиться бОльшее количество пара.
По таблице зависимости давления насыщенных паров воды от температуры и внешнего давления можно увидеть, что при понижении внешнего давления жидкость будет вскипать при более низких температурах. Именно это и происходит в насосах, когда в областях образуемых завихрений или очень высоких скоростей потоков в зонах разряжения образуется эффект вскипания холодных жидкостей.
Области возникновения кавитации
- Наиболее часто встречается кавитации на входе в насос, когда образуются пузырьки пара на всасывающем патрубке или на входной области рабочего колеса. У насосов водоснабжения существует параметр «высота всасывания», который отражает максимальное расстояние по вертикали от уровня жидкости до центра всасывающего патрубка.
- При работе насоса вне оптимального режима подачи (обычно при чрезмерно низком расходе воды) зоны рециркуляции возникают около кромок лопаток рабочего колеса. Это вызывает формирование в жидкости вихревых областей с чередованием участков низкого и высокого давления, создавая благоприятные условия для появления кавитации.
- В областях значительного уменьшения проходного сечения трубопроводов или при некоторых режимах регулирующей арматуры увеличивается скорость потока, что приводит к снижению динамического давления и созданию условий для кавитации.
Причины возникновения кавитации
Кавитация всегда возникает по причине конструктивных или эксплуатационных факторов.
Так на этапе проектирования системы возможны следующие ошибки:
- Резкие переходы сечений и недостаточные диаметры всасывающих трубопроводов;
- Подбор насоса без учета требуемого запаса кавитации (NPSH);
- Выбор типа насоса не соответствует требуемым условиям эксплуатации
На этапе эксплуатации возможны отклонения параметров перекачиваемой жидкости, таких как завышенная температура или высокая насыщенность воздухом. Возможно загрязнение всасывающей линии или работа насоса за пределами рабочей зоны напорно-расходной характеристики.
Последствия и повреждения от кавитации
Негативное влияние кавитации на работу насосных систем многогранно.
В первую очередь можно столкнуться с эксплуатационными проблемами:
- шумы и вибрации при работе оборудования;
- снижение выдаваемых параметров подачи и напора;
- рост потребления электроэнергии из-за снижения КПД насоса;
- перегрев оборудования.
Если игнорировать признаки кавитации, то экономические последствия буду включать в себя не только повышенные затраты на электроэнергию, а также на ремонт или закупку нового оборудования, потери от простоя оборудования или снижения качества технологических процессов.
Длительная работа оборудования в режиме даже незначительного эффекта кавитации приводит к ускоренному износу и физическому разрушению поверхностей и элементов насосов.
Скорость кавитационной эрозии зависит от многих факторов и, при самых неблагоприятных, может доходить до нескольких миллиметров поверхности металла в год.
Обнаружение кавитации
Предупредить серьезные повреждения оборудования позволяет ранняя диагностика выявления кавитации.
Существуют как инструментальные методы обнаружения кавитации (мониторинг и анализ параметров работы насосных систем, акустическая диагностика специализированным оборудованием) так и непосредственно через выявление шумов и вибраций на слух, при зрительном осмотре рабочих частей насоса при профилактическом обслуживании или ремонте.
Методы предотвращения кавитации на этапе эксплуатации
- Регулярный контроль параметров работы оборудования;
- Мониторинг шумов и вибраций, характерных для начала развития кавитации;
- Контроль чистоты фильтров и отсутствие засоров и заужений на всасывающем трубопроводе;
- Выявление и предупреждение аспирации – всасывания воздуха в водяной контур при заборе или через соединения всасывающего трубопровода или уплотнения насоса;
- Минимизация работы насоса в режиме очень низкой подачи (менее 5% от номинала), при необходимости возможно использование байпаса;
- Контроль состояния нагнетательного трубопровода и чистоты фильтров.
Предотвращение кавитации обеспечит долгую и качественную работу оборудования и поможет минимизировать эксплуатационные издержки, связанные с ремонтом или закупкой оборудования взамен вышедшего из строя, а также снизить энергопотребление насосной системы на 5-10%.
Теперь вы вооружены знаниями и готовы защитить своё оборудование от коварной угрозы! Будьте внимательны и берегите технику!
Специалисты компании «ИСТРАТЕХ» обладают необходимой квалификацией для профессионального подбора насосного оборудования. Мы не просто подберём оптимальную модель, но и подробно объясним, почему именно она наилучшим образом соответствует вашим задачам.