کاویتاسیون و دلایل بروز کاویتاسیون پمپ و اتصالات

کاویتاسیون چیست؟

کاویتاسیون در لغت از کلمه ی cavity به معنای حفره آمده و منظور از کاویتاسیون ایجاد حفره یا حفره زایی است. در صورت وقوع کاویتاسیون یکی از خسارات کاویتاسیون ایجاد خوردگی و حفره بر روی بدنه پروانه و پوسته پمپ است. قبل از توضیح پدیده کاویتاسیون لازم است اشاره ای به نقطه جوش و فشار بخار مایعات صورت گیرد. نقطه جوش مایعات به فشاری که مایع در آن قرار دارد بستگی دارد. برای دریافت مشخصات فنی و قیمت پمپ با کارشناسان فروش در تماس باشید.

فشار بخار مایع در پمپ

مثلا آب در فشار یک آتمسفر در دمای C 100 می جوشد که دمای C 100 در فشار 5/0 آتمسفر حدود C 80 است. ممکن است در داخل پمپ شرایطی به وجود آید به طوری که در دمای موجود با توجه به کاهش فشاری که ایجاد شده،سیال بجوشد. جوشیدن سیال در صورت وقوع در ابتدای پره در داخل پروانه پمپ آب رخ می دهد. تبدیل مایع به حباب بخار همراه با افزایش حجم ناگهانی است (دانسیته مایع بیشتر از 1000 برابر دانسیته بخار در این شرایط است). حباب تشکیل شده با سرعت زیادی به جلو هدایت می شود. کاویتاسیون به شرایط فشار بخار مربوط است که در آن فشار ، مایع بخار می شود. برای مثال آب در 212 درجه فارنهایت بخار می شود. در صورتی که فشار تاpsi 7/14 سقوط می کند.

در نیمه دوم پره با افزایش فشار سیال شرایط از حالت اشباع به حالت مایع فشرده برمیگردد و طی پدیده پیچیده ای حباب بخار سقوط کرده و ضمن تقطیر شدن با سرعت بسیار زیاد (تا 50m/s) به اطراف برخورد میکند. قطرات سیال که با سرعت (50m/s) به اطراف بر خورد میکنند، دارای ممنتوم بسیار بالایی هستند به طوریکه نیروی وارد شده از طرف این ذرات بر دیواره پروانه قادر است قسمتی از بدنه پروانه کنده و بر روی پروانه ایجاد حفره کند. کاویتاسیون با ایجاد ارتعاشاتی با فرکانس حدود 20 khz همراه است. کمتر فلزی در مقایل نیروی 20 khz مقاومت میکند، آلیاژ فولاد_کرم مقاومت بهتری در مقابل کاویتاسیون دارند.

صدای سفید در پدیده کاویتاسیون

پدیده کاویتاسیون، صدای تلغ تلغ غیر عادی و ارتعاشات زیاد ایجاد می کند. بازرسی بیشتر عیب در پروانه ها و کاهش جزئی در ارتفاع کلی که باید پمپاژ شود را آشکار می کند. این پدیده معمولا با ایجاد سر و صدا نیز همراه است که از فرکانس سر و صدا به 1mhz می رسد. به این صدا اصطلاحا صدای سفید گفته می شود.

پدیده کاویتاسیون در پمپ چیست؟

کاویتاسیون یک فرآیند دو قسمتی بوجود آمده در اثر تغییر فشار مایعی است که از میان پروانه پمپ عبور می کند. چناچه مایع به نازل مکش پمپ وارد شود و به پروانه برسد چناچه مایع  ورودی به پمپ، از میان نازل مکش عبور کند ، فشار بصورت جزئی کاهش می یابد. مقدار کاهش بستگی به هندسه این قسمت از پمپ دارد و از یک پمپ به پمپ دیگر تغییر می کند. سپس مایع وارد چشمی پروانه می شود، جایی که افت قابل توجه ای در فشار آن به وجود می آید.

فرآیند دو قسمتی کاویتاسیون

1. قسمت اول فرآیند کاویتاسیون، در اثر افت فشار تا زیر فشار بخار مایع در چشمی پروانه می شود، جایی که افت فشار بخار مایع چشمی پروانه بوجود می آید، این سبب می شود که حباب های بخار بوجود می آیند (به عبارت دیگر مایع می جوشد).
2. قسمت دوم فرآیند، در اثر عمل گریز از مرکز پروانه بوجود می آید که حباب ها را به درون پره ها می راند. در اینجا حباب ها فورا فشار خود را از دست می دهند و می ترکند. در حالیکه ترکیدن ساده حباب ها بی اهمیت است، اما افزایش تکرار و شدت آنها سطوح انرژی بوجود آمده را بیش از مقاومت تسلیم مواد پروانه خواهد کرد. این مرحله، آغاز تجزیه شدن پروانه و بوجود آمدن حفره های کوچک در فلز است. همچنین سر و صدا و ارتعاشات زیاد نیز بوجود می آید.

اساس کار کاویتاسیون

کاویتاسیون، به علت افت فشار به پایین تر از فشار بخاردر چشمی پروانه بوجود می آید . این مسئله  باعث بوجود آمدن حباب های بخار در این منطقه می شود. در نتیجه می توان با افزایش فشار در مایع ، قبل از وارد شدن به نازل مکش پمپ از کاویتاسیون اجتناب کرد و یا آن را متوقف کرد. این کار باعث می شود که فشار در چشمی پروانه به زیر فشار بخار نرسد و حباب تشکیل نگردد. بیشتر افت فشار بحرانی، در مایع عبوری از چشمی پروانه را میتوان به افت انرژی مایع حرکتی از یک محیط استاتیکی (مکش پمپ) به محیط دینامیکی (پروانه دوار) نسبت داد.

پدیده کاویتاسیون چه موقع اتفاق می افتد

پدیده کاویتاسیون هنگامی رخ می دهد که حباب های بخار شکل گرفته و همراه با پروانه حرکت کنند، با حرکت حباب های بخار در طول پره پروانه، فشار اطراف حباب ها شروع به افزایش می کند. هنگامی که به نقطه ای برسیم که در آن فشار درونی آن باشد حباب متلاشی می شود این نوع فروپاشی به صورت خارجی رخ نمی دهد، بلکه در داخل آن اتفاق می افتد. لازم به ذکر است که فروپاشی حباب بهت صورت تکی اتفاق نمی افتد، بلکه توسط فروپاشی صدها حباب دیگر در نقطه ای بر روی هر پره ی پروانه احاطه شده است. پدیده شکل گیری و فروپاشی این حباب های بخار که به نام کاویتاسیون شناخته می شود؛ دارای اثرات متعددی بر روی یک پمپ سانتریفیوژ است.

کاویتاسیون در پمپ سانتریفیوژ

کاویتاسیون در پمپ های سانتریفیوژ باعث نوسانات دبی و فشار خروجی ارتعاش و خرابی اجزای داخلی پمپ می شوند. ترکیدن حباب ها موجب ایجاد شوک و ضربه به پروانه خواهد شد هر چند که هر کدام از این حباب ها باعث ایجاد حفره هایی در ابعاد میکروسکوپی می شوند اما تعداد زیادی از این حفره ها در طی زمان طولانی می تواند پروانه پمپ را سوراخ کند کاویتاسیون همچنین باعث ایجاد ارتعاش می شود که این ارتعاش باعث خرابی بیرینگ ها، سیستم آب بندی و رینگ های سایشی پمپ می شوند.

پدیده کاویتاسیون و اثرات آن

می توان از طریق اندازه گیری صدا بروز کاویتاسیون را تشخیص داد. اول این که فروپاشی حباب صدای متمایز و مشخص ایجاد میکندکه به شکل صدای ترق تروق، ترکیدن، تق تق کردن و یا صدایی شبیه به پمپاژ شدنشن و ماسه توسط پمپ توصیف میشود.

این داده برای پمپ آب خاص در دوره متفاوت استخراج شده است. همانطور که ملاحظه می شود در دور 5000RPM پس از بروز کاویتاسیون به طور ناگهانی هد پمپ آب سقوط کرده، از حالت معمولی خارج می شود. از این منحنی میتوان نتیجه گرفت که افزایش دور امکان وقوع کاویتاسیون را افزایش می دهد. از عوامل کاهش فشار در ابتدای پره می توان از ارتفاع مکش قبل از پمپ و افت در ورودی پمپ آب نام برد.

اثر هیدرولیکی کاویتاسیون بر روی پمپ به شکلی است که باعث افت عملکرد پمپ از منحنی عملکردی مورد انتظار آن شده و از آن به نقطه ی جدایش یاد می شود. چنانچه یک پروانه رو به عقب را در نظر بگیریم، دو طرف پره دارای فشار متفاوت است. سمت فشار (pressure side) دارای فشار بیشتری نسبت به سمت مکش (suction side) است.

تولید حباب و جوشش در چه ناحیه ای است؟

واضح است تولید حباب و شروع پدیده جوشش جایی در سمت مکش که دارای فشار کمتر است، رخ می دهد. اگر P min کمترین فشار در نقطه ای که در سمت مکش پره باشد، رابطه تجربی اختلاف فشار P min و فشار ورود به پروانه را بر حسب سرعت نسبی ورودی سیال به پروانه می دهد. به عبارتی بر اساس این رابطه P min به سرعت در ورود پروانه ارتباط داده شده است.

پدیده کاویتاسیون چه مواقعی اتفاق می افتد؟

برای سرعت بالا  مقدار P min کاهش یافته، احتمال بروز پدیده کاویتاسیون بیشتر می شود. به عبارتی در دبی زیاد احتمال وقوع کاویتاسیون بیشتر است. بدین علت در منحنی مشخصه پمپ سانتریفوژ انتهای سمت راست منحنی مشخصه (دبی ماکزیمم) حذف می گردد، یعنی عملکرد پمپ در ناحیه دبی ماکزیمم ممکن است همراه با کاویتاسیون باشد.

فلزات مقاوم در برابر کاویتاسیون

همانطور که قبلا اشاره شد فلزات نمی توانند در مقابل کاویتاسیون مقاومت کنند. بهترین آلیاژ برای این منظور عبارت اند از فولاد زنگ نزن، فولاد با 13% کرم، فولاد معمولی، برنز معمولی و بالاخره چدن که به ترتیب داده شده بر اساس بهترین مقاومت به پایین است. چنانچه کاویتاسیون در پمپ آب رخ دهد، برای قطع کاویتاسیون یا دبی عبوری از پمپ و یا دور پمپ کاهش داده می شود. البته در بسیاری از نقاط منحنی مشخصه پمپ، کاویتاسیون جزئی وجود دارد و طبق استاندارد بین المللی تا 3% اطراف نقطه بیشترین راندمان ،کاویتاسیون نداریم ولی خارج از این ناحیه کاویتاسیون با شدت کم وجود دارد.

چگونگی تاثیر کاویتاسیون بر عملکرد پمپ

می توان وقوع کاویتاسیون و نحوه تاثیر کاویتاسیون را بر منحنی مشخصه و عملکرد پمپ از طریق آزمایش ملاحظه کرد. اگر چنانچه شیر ورودی پمپ را به آرامی ببیندیم،در جائی مشاهده می شود که ضمن پیدایش صدا منحنی مشخصه پمپ ناگهان افت می کند. در وضعیت افت پمپ، پمپ در حالت کاویتاسیون بوده و نقطه عملگرد پایدار نمی باشد.

جلوگیری از کاویتاسیون

برای جلوگیری از وقوع کاویتاسیون فشار سیال در تمامی نقاط  باید از فشار بخار سیال بیشتر باشد NPSH مقداری که تعیین کننده وقوع یا عدم وقوع کاویتاسیون است عمق مکش مجاز یا NPSH ava است در حقیقت NPSH ava تفاوت فشار کلی در دهانه مکش پمپ و فشار بخار سیال است. NPSH req مینیم عمق مکش مجاز لازم برای اینکه در پمپ کاویتاسیون وجود نداشته باشد است و در کاتالوگ سازنده پمپ مقدار آن داده می شود برای جلو گیری از کاویتاسیون باید داشته باشیم.

4 شرط برای جلوگیری از کاویتاسیون

1. عمق مکش بالاتر یا ارتفاع مثبت پائین تر از آنچه کارخانه سازنده توصیه کرده باشد.
2. درجه حرارت مایع از آن چیزی که سیستم برای آن طرح شده، بیشتر باشد.
3. بهره برداری از پمپ در ظرفیتی بسیار بالاتر از ظرفیت پمپ و در بیشترین میزان بازدهی آن باشد.
4. ارتفاعات یا فشارهای معادل درخواست شده از پمپ ، از میزان ارتفاع آن در بیشترین راندمان بسیار کمتر باشد.

در پمپ های نوع جریان محوری برای جلوگیری از پیدایش کاویتاسیون به چه شروطی نباید عمل کرد؟

درباره پمپ های جریان محوری نیز شروطی وجود دارد که باید برای عدم پیدایش پدیده کاویتاسیون به آنها عمل نمود.

این شروط عبارتند از :

1. درجه حرارت مایع بالا تر از میزانی باشد که سیستم برای آن طراحی شده است،
2. ظرفیت پمپ از ظرفیت در بیشترین میزان راندمان بیشتر باشد.
3. سرعت جریان بالاتر از مقداری باشد که به وسیله کارخانه سازنده پمپ سفارش گردیده است.
4. ارتفاعات یا فشار های پمپ از فشار پمپ در بیشترین میزان بازدهی بسیار بالاتر باشد.
5. ارتفاع مثبت پمپ پائین تر و عمق مکش بالاتر از آن چیزی باشد که کارخانه سازنده آن مشخص نموده است.

در یک پمپ گریز از مرکز چه عاملی در عمق مکش تاثیر گذار است؟

در پمپ های گریز از مرکز ، معمولا عمق مکش به یک عامل مهم که سرعت ویژه آن پمپ است ، بستگی دارد.

حدود تغییرات سرعت ویژه پمپ ها از چه راهی مشخص می شوند و به چه عواملی بستگی دارند؟

حدود تغییرات سرعت ویژه پمپ ها از طریق آزمایشات مخصوص به آن مشخص می شود ؛ این آزمایشات رابطه میان ظرفیت ، عمق مکش ایمن و مطمئن و ارتفاع را در مورد همه انواع پمپ بیان می کنند.

کاویتاسیون ثانویه (secondary cavitation)

چنانچه دبی عبوری از پمپ آب بسیار کم شود ممکن است لایه مرزی نزدیک سطح سمت مکش پره از پره جدا شده و پدیده get &wake  ایجاد شود. در این حالت مقدار کمی از جریان از ناحیه گسترده  wake و بیشتر جریان به صورت جت با سرعت بالا از ناحیه باریک get عبور می کند. با کاهش دبی نقطه A به طرف ابتدای پره حرکت می کند و باعث می شود سرعت عبور آب از منطقه get افزایش یافته و برخورد آب با سرعت بالا به پره بعدی منجر به ایجاد خسارت بر منطقه get شود. به این پدیده کاویتاسیون ثانویه گفته می شود. معمولا کارخانه سازنده قسمت ابتدایی منحنی مشخصه را که محل وقوع احتمالی کاویتاسیون ثانویه است، حذف می کند. از عوامل دیگر جدائی لایه مرزی زاویه بازشدگی پره است که این زاویه بایستی کمتر از 7 درجه باشد.