Analiza cavitației rotorului pompei centrifuge

1. Natura cavitației
Cavitația, un proces distructiv fizico-chimic combinat, are loc în trei etape:

Vaporizare locală: Când presiunea locală la intrarea rotorului sau în zona de joasă presiune scade sub presiunea de vapori saturați a lichidului la temperatura sa de funcționare, lichidul fierbe, generând numeroase bule de vapori (cavități).

Colapsul și deteriorarea bulelor: Aceste bule sunt transportate de flux în zona de înaltă presiune a rotorului, unde presiunea din jur crește brusc, provocând implozia lor aproape instantanee. Această colaps generează unde de șoc intense și microjeturi cu o presiune localizată care atinge sute de megapascali, acționând în microsecunde și pe zone de ordinul micronilor.

Oboseala și eroziunea materialului: Aceste unde de șoc lovesc în mod repetat suprafața metalică a rotorului (de mii de ori pe secundă), inducând oboseală mecanică și prin coroziune. Aceasta dislocă progresiv granulele metalice, ducând la eroziunea suprafeței cu găuri, în formă de fagure de miere sau spongioasă.

2. Riscuri specifice ale cavitației pentru pompe

Degradarea performanței: Bulele de vapori obstrucționează canalele de curgere, perturbă continuitatea fluidului și provoacă o scădere semnificativă a debitului, înălțimii de pompare și eficienței pompei, creând adesea o întrerupere a curbei de performanță.

Vibrații și zgomot: Formarea și prăbușirea violentă a bulelor provoacă vibrații severe ale pompei și zgomote caracteristice de trosnituri sau șuierat, compromițând stabilitatea și mediul de lucru.

Deteriorarea rotorului:

Coroziunea mecanică: Creează eroziunea caracteristică a fagurelui.

Coroziune electrochimică: Energia eliberată în timpul colapsului distruge stratul pasiv protector al rotorului (în special critic pentru oțelul inoxidabil), accelerând coroziunea chimică. Atacul combinat duce la pierderi extrem de rapide de material.

Cazurile severe pot duce la perforarea rotorului și la defectarea completă a pompei.

Durată de viață redusă: Deteriorarea rotorului, împreună cu uzura accelerată a rulmenților și a etanșărilor din cauza vibrațiilor, scurtează drastic intervalele de întreținere și durata de viață totală a pompei.

3. Identificare și diagnostic

Sunet: Un zgomot persistent de "prăjire, " "pocnire, " sau "șâit" de la pompă, asemănător cu pomparea pietrișului.

Performanță: În condiții de viteză și poziție constantă a valvei, o scădere bruscă sau treptată a debitului, a presiunii de refulare (înălțime de pompare) și a curentului motorului (consum de putere).

Vibrații: Valori anormal de mari ale vibrațiilor pompei, în special în direcția axială.

Inspecție vizuală: Demontarea post-operatorie relevă coroziunile de tip fagure de miere de pe partea din spate a marginilor de admisie a palei (zona de joasă presiune).

4. Cauze primare (în sistemele de apă circulantă)

NPSH disponibil insuficient (NPSHa): Cauza principală.

Înălțime excesivă a pompei: Pompa este instalată prea sus deasupra nivelului lichidului de alimentare.

Pierderi excesive în conducta de aspirație: Conductele de aspirație prea lungi, înguste, cu prea multe coturi sau cu filtre/sitere/valve de picior înfundate cresc pierderea de presiune.

Temperatură ridicată a lichidului: Schimbul de căldură slab sau sarcina termică mare în sistem ridică temperatura apei și presiunea de vapori a acesteia, reducând NPSHa.

Presiune scăzută în sistem: Fluctuațiile de presiune sau cantitatea insuficientă de apă de umplere în sistemele închise reduc presiunea din vasul de aspirație.

NPSH necesar pentru pompă de înaltă presiune (NPSHr):

Proiectare inerentă deficitară a pompei sau geometrie nefavorabilă a admisiei rotorului/viteză mare de admisie.

Uzura sau înfundarea rotorului, care compromite designul hidraulic original.

5. Prevenție și soluții

Optimizarea designului sistemului (creșterea NPSHa):

Reduceți înălțimea de instalare a pompei; utilizați o aspirație inundată (nivelul lichidului deasupra liniei centrale a pompei) ori de câte ori este posibil.

Optimizați conductele de aspirație: Scurtați lungimea, măriți diametrul, reduceți la minimum fitingurile/valvele și curățați filtrele/sitele în mod regulat.

Controlul temperaturii lichidului: Asigurarea funcționării eficiente a turnurilor de răcire, a schimbătoarelor de căldură etc.

Stabilizarea presiunii sistemului: Mențineți o presurizare și o umplere adecvate în sistemele închise.

Selecție și modificare adecvată (reducerea NPSHr):

Selectați pompe cu o marjă amplă: Asigurați o marjă de siguranță suficientă (de obicei ≥ 0,5-1,0 m).

Alegeți pompe rezistente la cavitație: Modele cu rotor cu dublă aspirație (viteză de admisie mai mică) sau cu palete inductoare.

Modificarea rotorului: Înlocuiți rotorul standard cu un model anticavitație (cu margini de admisie mai groase, profiluri aerodinamice speciale) sau remodelați/decupați profesional admisia standard a rotorului într-un profil mai ascuțit și mai subțire.

Operare și întreținere:

Întărire/Acoperire: Aplicarea de materiale rezistente la cavitație (de exemplu, aliaje pe bază de cobalt, carbură de tungsten) prin placare cu laser, pulverizare cu plasmă sau suprapunere de sudură.

Acoperiri polimerice: Utilizați acoperiri epoxidice de înaltă performanță pentru aplicații mai puțin critice.

Rotoarele deteriorate trebuie reparate sau înlocuite prompt.

Evitați funcționarea la debit redus: Recircularea internă la debite reduse promovează cavitația. Operați în intervalul de funcționare preferat al pompei (BEP).

Utilizați acționări cu frecvență variabilă (VFD): Reducerea vitezei pompei reduce semnificativ NPSHr (proporțional cu pătratul vitezei), o soluție eficientă.

Protecție și reparare suprafețe:

Rezumat
Cavitația rotorului pompelor centrifuge este o problemă sistemică care apare din dezechilibrul în care înălțimea de aspirație pozitivă netă disponibilă (NPSHa) din sistem este insuficientă pentru a satisface înălțimea de aspirație pozitivă netă necesară (NPSHr) de către pompă. Soluția constă într-o abordare dublă: creșterea ofertei și reducerea cererii - îmbunătățirea NPSHa sistemului, reducând în același timp NPSHr al pompei. Prin proiectare, selecție, operare și întreținere sistematice, cavitația poate fi prevenită și gestionată eficient.