Zjawisko kawitacji występuje w układach hydraulicznych, zwłaszcza w tych ich sekcjach i podczas tych operacji, w których prędkość przepływu wzrasta, a ciśnienie płynu roboczego maleje. Są to głównie: zwężenia przekroju przepływu, operacje zamykania i otwierania zaworów, wirnik i część wlotowa pomp. Kawitację dzieli się na parową i gazową. W pierwszej zawartość pęcherzyków stanowi głównie para, np. wodna. Kawitacja gazowa jest definiowana jako stan, w którym tworzą się bąbelki z gazu niekondensującego się, takiego jak powietrze.
Jeżeli w danym punkcie układu hydraulicznego ciśnienie spada do wartości ciśnienia kawitacyjnego (ciśnienia pary nasyconej) danego płynu, jego ciągłość zostaje przerwana, płyn zaczyna parować i powstają pęcherzyki. Stanowią one obszary kawitacji parowej. Jeżeli ciśnienie nadal maleje, albo nawet utrzymuje się na stałym poziomie, bąbelki pary będą się powiększać. W przepływającym płynie przemieszczają się one do obszaru o większym ciśnieniu niż ciśnienie pary nasyconej. Para w nich zawarta ulega wówczas gwałtownej kondensacji, a pęcherzyki szybko się kurczą i zapadają, czyli implodują.
Płyn może także zawierać cząstki nierozpuszczonego gazu, np. powietrza. Są to tzw. jądra kawitacji. W określonych warunkach ciśnienia oraz temperatury osiągają one krytyczny rozmiar, po którym stają się widoczne gołym okiem jako pęcherzyki. Wraz ze spadkiem ciśnienia rosną, aż implodują. W ten sposób zachodzi kawitacja gazowa.
Kawitacja w pompach odśrodkowych
Pompy odśrodkowe stanowią jeden z popularniejszych typów pomp w zastosowaniach przemysłowych – ze względu na ich wszechstronność, wydajność i niezawodność. Są również stosunkowo niedrogie w zakupie i eksploatacji, a dzięki prostej konstrukcji pozostają łatwe w konserwacji. To przekłada się na długi czas eksploatacji i niskie koszty w całym cyklu życia. Z drugiej strony, są szczególnie podatne na występowanie zjawiska kawitacji.
Wynika to z zasady działania pomp tego rodzaju, w których przepływ płynu jest spowodowany siłą odśrodkową, powstającą na skutek obrotów wirnika. Towarzyszy im tworzenie się obszarów niskiego ciśnienia po stronie ssącej pompy. Jeśli ciśnienie spadnie poniżej ciśnienia pary nasyconej płynu, tworzą się pęcherzyki pary, co prowadzi do kawitacji. Kluczowy parametr, który określa, jakie jest prawdopodobieństwo wystąpienia tego zjawiska, to różnica między ciśnieniem na ssaniu pompy a ciśnieniem pary nasyconej płynu (Net Positive Suction Head, NPSH).
Duże prędkości obrotowe nasilają problem. Im szybciej obraca się wirnik, tym większa jest różnica ciśnień pomiędzy stroną ssącą i tłoczną, a NPSH przeważnie maleje. Powstanie bąbelków pary staje się wówczas bardziej prawdopodobne.
Ponadto pompy odśrodkowe często pracują w instalacjach, w których natężenie przepływu zmienia się w zależności od warunków procesu. Jeżeli spada ono poniżej optymalnej wartości, pompa może doświadczyć gwałtownego spadku ciśnienia ssania. To prowadzi do kawitacji. Z drugiej strony, jeśli natężenie przepływu jest zbyt wysokie, może to spowodować turbulencje, także zwiększając ryzyko kawitacji. Poza tym pompy odśrodkowe są często używane do tłoczenia płynów o niskim ciśnieniu pary nasyconej. Przykłady to woda, chemikalia i rozpuszczalniki. Ciecze te są bardziej podatne na kawitację, gdyż ich ciśnienie pary nasyconej jest łatwo osiągalne w warunkach niskiego ciśnienia w pompie.
Jakie są skutki kawitacji?
Kawitacja w bezpośredni, niszczący sposób wpływa na najważniejsze elementy pomp. Znajomość tego oddziaływania jest kluczowa dla zrozumienia znaczenia tego zjawiska dla niezawodności tych maszyn.
W pompach podatnych na kawitację najbardziej narażony na uszkodzenie pozostaje wirnik. Powtarzające się zapadanie się pęcherzyków pary w pobliżu jego łopatek powoduje powstawanie wżerów, czyli małych otworów (kraterów) na ich powierzchni. Wraz z upływem czasu, w miarę pogłębiania się, wżery powodują utratę znacznej ilości materiału, co zmniejsza wydajność aerodynamiczną wirnika. Im jego powierzchnia staje się bardziej chropowata, tym jego zdolność do przekazywania energii do tłoczonego płynu maleje. To drastycznie zmniejsza wydajność pompy.
Uszczelnienia mechaniczne, niezbędne dla zapobiegania wyciekom płynu oraz utrzymania ciśnienia wewnątrz pompy, są również podatne na uszkodzenia na skutek kawitacji. Spowodowane nią ciągłe wahania ciśnienia i zwiększone wibracje wywierają nadmierne obciążenie na uszczelki. To prowadzi do ich przedwczesnego zużycia się. Skutkuje to wyciekami płynu i spadkami ciśnienia w układzie, co ostatecznie obniża wydajność pompowania. Może też dochodzić do zanieczyszczenia tłoczonego płynu.
Kawitacja może również powodować uszkodzenia obudowy pompy. Gdy pęcherzyki pary zapadają się w pobliżu jej ścianek, powstaje mikro fala uderzeniowa, co – jeżeli się powtarza – powoduje erozję materiału osłony. Na skutek tego z czasem może ona pękać lub osłabiać się do tego stopnia, że nie będzie w stanie utrzymać wewnętrznego ciśnienia układu. Jeżeli obudowa rozszczelni się w czasie pracy pompy, ma to przeważnie katastrofalne skutki. Oprócz bezpośrednich uszkodzeń materiału kawitacja powoduje także niestabilność mechaniczną pompy, implozja pęcherzyków pary wywołuje bowiem drgania, które mogą skutkować nadmiernym zużyciem łożysk i niewspółosiowością wału pompy.
Wykrywanie kawitacji
Reagując na wczesne oznaki wskazujące na występowanie kawitacji, działania naprawcze można podjąć, zanim jeszcze dojdzie do poważnych uszkodzeń. Jednym z częstszych i najwcześniejszych objawów gwałtownej implozji pęcherzyków pary powodującej nierównowagę w przepływie płynu są towarzyszące pracy pompy nietypowe hałasy. Dźwięki te zwykle opisuje się jako dudniące, przypominające odgłos kamyków grzechoczących w obudowie. Występują też silne wibracje, które przenoszą się z pompy na podłączone do niej instalacje.
Kawitacja powoduje również nieregularne wahania ciśnienia, szczególnie po stronie ssącej pompy, gdzie najczęściej tworzą się pęcherzyki pary. Nagłe spadki ciśnienia można obserwować, kiedy te bąbelki powstają i następnie zapadają się. Skutkiem kawitacji jest oprócz tego spadek zdolności pompy do utrzymywania stałego natężenia przepływu. Hałasy, drgania, spadki ciśnienia i natężenia przepływu pozwalają wykryć odpowiednie czujniki.
W detekcji kawitacji wykorzystywane są m.in. analizatory akustyczne. Umieszczając mikrofony w pobliżu pompy, można wykryć hałas towarzyszący zapadaniu się pęcherzyków pary. Analizując częstotliwości rejestrowanych dźwięków da się określić stopień nasilenia kawitacji – zwykle im są wyższe, na tym poważniejszy problem wskazują. Warto dodać, że generalnie, jeśli nawet bez użycia przyrządów pomiarowych słyszymy charakterystyczne grzechotanie, pompa prawdopodobnie jest już poważnie uszkodzona.
Wskaźnikiem kawitacji jest również zmiana nasilenia i częstotliwości wibracji. Dlatego stan pomp monitoruje się przy użyciu czujników drgań. Na wczesnym etapie kawitacji występują zwykle wibracje, w widmie których dominują składowe wysokoczęstotliwościowe. Inne typowe usterki pomp, takie jak np. niewspółosiowość wału, niewyważenie wirnika i luzy, są przeważnie powodem wibracji w zakresie średnich częstotliwości. Można więc przyjąć, że prawdopodobnym źródłem powtarzających się drgań o wysokiej częstotliwości są implozje pęcherzyków pary. Z drugiej strony, w takim przypadku pod uwagę trzeba wziąć m.in. wczesny etap uszkodzeń łożysk i wycieki, które również mogą skutkować występowaniem składowych tego typu w widmie rejestrowanych wibracji.
W monitorowaniu stanu pomp pod kątem kawitacji wykorzystuje się również przepływomierze i czujniki ciśnienia. Prostą, ale skuteczną techniką jest inspekcja wizualna elementów pompy pod kątem uszkodzeń (oznak erozji, wżerów, pęknięć).
Jak naprawić uszkodzenia?
W przypadku wykrycia wystąpienia kawitacji, trzeba jak najszybciej interweniować. W zależności od tego, w jakim stopniu rozwinęły się spowodowane tym zjawiskiem uszkodzenia, można podjąć różne działania, polegające na naprawie lub wymianie uszkodzonych elementów pomp.
Jeśli kawitacja zostanie wykryta wcześnie, uszkodzenia mogą być ograniczone do wżerów na powierzchni wirnika i/lub jej chropowatości. W takiej sytuacji drobna naprawa może przywrócić ich stan pierwotny. W tym celu łopatki wirnika zwykle poleruje się, żeby wygładzić ich powierzchnię i tym samym poprawić ich wydajność aerodynamiczną. Wymiana przedwcześnie zużytych uszczelek potrafi natomiast przywrócić pompie zdolność do utrzymywania stałej różnicy ciśnień i zapobiec wyciekom płynu. Ponadto wirnik i obudowę od środka można pokryć powłokami ochronnymi zwiększającymi odporność na erozję pod wpływem kawitacji.
Jeżeli uszkodzenia wykraczają poza wżery powierzchniowe, może być konieczna wymiana wirnika. W niektórych przypadkach może być wymagany zakup nowej pompy, jeśli kawitacja spowodowała rozległe uszkodzenia wielu podzespołów lub pęknięcie obudowy. Choć może się to okazać kosztownym rozwiązaniem, wymiana może być bardziej opłacalna w dłuższej perspektywie niż podejmowanie prób wielokrotnych napraw poważnie uszkodzonej maszyny. Jeżeli pompa nie nadaje się do naprawy, wymiana na nową jest najlepszym sposobem na przywrócenie pierwotnej wydajności systemu pompowania, o ile jednocześnie wdrożony zostanie plan regularnej konserwacji i monitorowania pod kątem oznak wystąpienia kawitacji.
Jak uniknąć kawitacji?
Zapobieganie kawitacji wymaga proaktywnego podejścia, łączącego właściwą konstrukcję układu hydraulicznego, jego regularną konserwację i zastosowanie najlepszych praktyk operacyjnych. Kluczowe jest utrzymywanie stałych warunków ssania. W tym celu trzeba regularnie monitorować ciśnienie ssania, aby upewnić się, że pozostaje ono powyżej ciśnienia pary nasyconej płynu oraz pod kątem wystąpienia blokad przepływu w wężach ssących. Konieczne jest utrzymanie odpowiedniego marginesu NPSH. Ponadto konstrukcja wirnika powinna być zoptymalizowana, aby zapewnić równomierny przepływ bez turbulencji. Znaczenie ma także temperatura płynu. Gdy jest za wysoka, może powodować spadek ciśnienia pary, a zbyt niska może skutkować wzrostem lepkości. To prowadzi do zmniejszenia natężenia przepływu. Ponadto wycieki w przewodzie ssącym lub obudowie mogą spowodować przedostanie się powietrza do pompy. Trzeba je zatem możliwie szybko usuwać. Ważne jest również, aby – jeżeli istnieje wysokie prawdopodobieństwo wystąpienia warunków, które sprzyjają kawitacji – wybrać odpowiednio wytrzymały materiał obudowy, jej wirnika i innych elementów. Regularna konserwacja pozostaje koniecznością. Powinna obejmować nie tylko sprawdzenie wirnika i innych elementów pod kątem uszkodzeń lub zużycia, ale też upewnienie się, że pompa jest prawidłowo smarowana i wyrównana z silnikiem.
Monika Jaworowska
