Как защитить насосы от кавитации?

2022-04-20 Советы  Комментариев нет

Сегодня мы поговорим о таком явлении как кавитация, причинах появления и некоторых решениях, которые помогут избежать этой проблемы.

В первую очередь разберемся, что же собой представляет данное понятие.

Если дать обобщенное определение, то кавитация, от латинского слова Cavitas (впадина, углубление, полость) – это явление образования в жидкости пузырьков или полостей, заполненных газом, паром или их смесью, так называемых каверн. Они образовываются в движущихся потоках, когда падение давления оказывается меньше давления насыщенного пара жидкости и растворенных в ней газов.

Попадая в зону высокого давления, пузырьки разрушаются, высвобождается энергия, которая приводит в свою очередь к образованию гидравлического удара, что негативно влияет на насосное оборудование, приводя к его разрушению.

На развитие и интенсивность кавитации большое влияние оказывают газы, выделяющиеся внутри образовывающихся пузырьков.

Эти газы всегда содержатся в жидкости, и при местном снижении давления начинают интенсивно выделяться внутри пузырьков. Поскольку под воздействием переменного местного давления жидкости пузырьки могут резко сжиматься и расширяться, то температура газа внутри пузырьков колеблется в широких пределах, и может достигать нескольких сот градусов по Цельсию.

Следует также учитывать, что в растворённых в жидкости газах содержится больше кислорода в процентном отношении, чем в воздухе, и поэтому газы в пузырьках при кавитации химически более агрессивны, чем атмосферный воздух — вызывают быстрое окисление (вступление в реакцию) почти любой среды или материала.

Для лучшего понимания процесса образования кавитации обратимся к закону Бернулли.

Закон Бернулли

Согласно закону Бернулли, в жидкости без трения энергия постоянна вдоль линии тока. Это можно выразить равенством:

Закон Бернулли

где p – давление, ρ – плотность, а v – скорость. Индексы 0, 1 и 2 относятся к любым трем точкам на данной линии тока.

Из указанного равенства следует, что при увеличении скорости понижается местное давление (пропорционально квадрату скорости). Всякая частица жидкости, движущаяся по искривленной линии тока, например, огибающей профиль, ускоряется и претерпевает понижение местного давления. Если давление снижается до давления насыщенного пара, то возникает кавитация. Таков механизм явления кавитации на подводных крыльях, гребных винтах, лопатках турбин и лопастях насосов.

Закон Бернулли

В случае жидкости, текущей по трубе, согласно закону сохранения массы (уравнению неразрывности), скорость жидкости увеличивается в местах сужения трубы, где также возможна кавитация.

Кавитационный коэффициент

Явление кавитации совершенно одинаково и для потока, обтекающего неподвижное тело, и для среды, в которой движется тело. В обоих случаях имеют значение лишь относительная скорость и абсолютное давление. Соотношение между давлением и скоростью, при которых происходит кавитация, дается безразмерным критерием σ, который называется кавитационным коэффициентом (числом кавитации) и определяется выражением:

σ=(p0-pυ)/(½p1+½ρυ02),

где ρυ — давление насыщенного пара жидкости при данной температуре.

Воздействие кавитации на оборудование

По статистике, кавитация является одной из наиболее распространенных причин преждевременного эрозионного износа центробежных насосов, и игнорирование этой проблемы может привести к необходимости ремонта, а то и полной замене оборудования.

Кроме того, кавитация сопровождается дополнительными явлениями, такими как шум, вибрация, снижение КПД, которые отрицательно сказываются на работе оборудования.

Также при развитии кавитации меняются и характеристики работы насосного оборудования – снижается подача, напор, потребляемая мощность.

В общем, данное явление носит негативный характер, как для самого насосного оборудования, так и для эффективной работы системы в целом.

Конечно, есть области, где процесс кавитации наоборот приносит пользу, например, при ультразвуковой очистке, но мы рассматриваем это явление только в контексте работы насосного оборудования.

Кавитация в насосах

Возникновение кавитации в насосе может быть обусловлено различными причинами — снижением абсолютного давления в системе, неправильным выбором насоса, высокой температурой перекачиваемой жидкости, повышенным гидравлическим сопротивлением во всасывающем трубопроводе, увеличением геодезической высоты всасывания и т.д.

Но, так или иначе, длительная работа насоса в условиях кавитации рано или поздно приведет к разрушению рабочего колеса, вала,  внутренней поверхности корпуса насоса. И характер этих разрушений будет зависеть от свойств металла и степени развития кавитации.

Кавитация

Необходимо отметить, что у каждого насоса есть, так называемый, кавитационный запас, который определяет минимальное давление на входе в насос, требуемое для работы без кавитации. Обозначается этот параметр как NPSH (Net Positive Suction Head).

Если обратиться к нормативным документам, в частности международному стандарту ISO 13709 п. 3.28, кавитационный запас – это полное абсолютное давление всасывания, характеризующее превышение значения давления на всасывании над значением давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости. Выражается в метрах столба жидкости.

Можно сказать, что значение NPSH представляет собой допустимый предел, при котором насос будет работать без кавитации и это значение всегда должно указываться в  технических характеристиках.

На NPSH влияет целый ряд факторов, таких как тип рабочего колеса, количество оборотов двигателя, тип перекачиваемой жидкости, а также температура перекачиваемой жидкости и атмосферное давление.

Различают два типа NPSH:

  • NPSHr – требуемое значение подпора на всасывающем патрубке насоса. Это как раз то значение, которое указывается производителем. Берется из характеристики насоса при заданной подаче Q, м3/ч.
  • NPSHa – располагаемое значение подпора на всасывающем патрубке насоса, является расчетной величиной. NPSHa равно разнице между атмосферным давлением (или абсолютным давлением в закрытой системе), высоты всасывания насоса и давления насыщенных паров.

Для нормальной работы насоса без кавитации значение NPSHA всегда должно быть больше значения NPSHr.

Методы защиты насоса от кавитации

Наконец, мы плавно подошли к основному вопросу данной статьи. Рассмотрим основные меры, которые  применяются для защиты насосов от кавитационного разрушения.

Эти меры могут быть связаны как с изменением параметров самой системы, так и с изменением типа/характеристик насоса.

Изменение параметров системы, с целью увеличения NPSHa, достигается одним из следующих способов:

  1. Уменьшением сопротивления всасывающего трубопровода. Достигается путем уменьшения длины всасывающих труб, или увеличением их. В случае, если всасывающая труба имеет повороты, то для снижения сопротивления необходимо уменьшить их количество, заменить отводы на большие радиусы поворота.
  2. Ограничением подачи жидкости во всасывающих трубопроводах. Для этого необходимо частично перекрыть задвижку в магистральном трубопроводе, снизив, таким образом, производительность насоса.
  3. Увеличением давления на всасывающей стороне насоса путем повышения уровня в резервуаре, либо понижением уровня установки насоса. Также повысить давление можно с помощью установки бустерного (повысительного) насоса.
  4. Установкой насоса ближе к резервуару.
  5. Очисткой фильтров на всасывающем трубопроводе.

Другим вариантом решения данного вопроса будет уменьшение значения NPSHr насоса путем изменения его типа, рабочих характеристик, конструктивных особенностей.

  1. Выбрать насос большего типоразмера, с более низким NPSHr.
  2. Понизить частоту вращения вала двигателя насоса. При снижении частоты, в насос нагнетается меньший объем, снижается скорость потока до уровня, при котором образование кавитации фактически прекращается.
  3. Применить шнек (рабочее колесо специальной формы) перед входом в основное рабочее колесо.

Также одним из важных условий работы насоса без кавитации является выполнение правильных расчетов высоты его установки относительно поверхности перекачиваемой жидкости и  минимальной и максимальной подачи при максимальной температуре жидкости.

Из дополнительных рекомендаций, которые способствуют снижению негативного воздействия кавитации, стоит выделить:

  1. Одним из самых эффективных решений является контроль над температурой и давлением жидкости. Для этого необходимо задействовать  датчики давления и датчики температуры. Полученные значения с датчиков можно передавать в ПЛК для обработки и сравнения с предельными значениями температуры и давления.
  2. Также одной из действенных мер является управление насосами с помощью частотных преобразователей. Это позволяет обеспечить постепенную нагрузку насоса для выхода на рабочий режим во избежание температурных деформаций.
  3. С целью периодического охлаждения насосов, необходимо обеспечить их посменную работу.
  4. Установка манометров до и после насоса для визуального контроля давления в системе.

Соблюдение этих мер позволит создать условия долговечной работы, как насосного оборудования, так и всей системы.

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Яндекс

Комментарии

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>