پدیده مخرب کاویتاسیون در پمپها

این پدیده یکی از خطرناکترین حالتهایی است که ممکن است برای یک پمپ به وجود آید. آب یا هر مایع دیگری، در هر درجه حرارتی به ازای فشار معینی تبخیر می‌شود.

هرگاه در حین جریان مایع در داخل چرخ یک پمپ، فشار مایع در نقطه‌ای از فشار تبخیر مایع در درجه حرارت مربوطه کمتر شود، حباب‌های بخار یا گازی در فاز مایع به وجود می‌آیند که به همراه مایع به نقطه‌ای دیگر با فشار بالاتر حرکت می‌نمایند. اگر در محل جدید فشار مایع به اندازه کافی زیاد باشد، حباب‌های بخار در این محل تقطیر شده و در نتیجه ذراتی از مایع از مسیر اصلی خود منحرف شده و با سرعتهای فوق العاده زیاد به اطراف و از جمله پره‌ها برخورد می‌نمایند. در چنین مکانی بسته به شدت برخورد، سطح پره‌ها خورده شده و متخلخل می‌گردد. این پدیده مخرب در پمپ‌ها را کاویتاسیون می‌نامند. پدیده کاویتاسیون برای پمپ بسیار خطرناک بوده و ممکن است پس از مدت کوتاهی پره‌های پمپ را از بین ببرد. بنابراین باید از وجود چنین پدیده‌ای در پمپ جلوگیری گردد. کاویتاسیون همواره با صدا‌های منقطع شروع شده و سپس در صورت ادامه کاهش فشار در دهانه ورودی پمپ، بر شدت این صداها افزوده می‌گردد. صدای کاویتاسیون مخصوص ومشخص بوده وشبیه برخورد گلوله هایی به یک سطح فلزی است. همزمان با تولید این صدا پمپ نیز به ارتعاش در می‌آید. در انتها این صداهای منقطع به صداهایی شدید ودائم تبدیل می‌گردد و در همین حال نیز راندمان پمپ به شدت کاهش می‌یابد. این پدیده در سرعت‌های بالا باعث خرابی و ایجاد گودال می‌گردد . گاهی در یک سیستم هیدرولیکی به علت بالا رفتن سرعت‚فشار منطقه‌ای پائین می‌آید و ممکن است این فشار به حدی پائین بیاید که برابر فشار سیال در آن شرایط باشد و یا در طول سرریز یا حوضچه خلاءزایی در اثر وجود ناصافی‌ها و یا ناهمواریهای کف سرریز خطوط جریان از بستر خود جدا شده و بر اثر این جداشدگی فشار موضعی در منطقه جداشدگی کاهش یافته و ممکن است که به فشار بخار سیال برسد . در این صورت بر اثر این دوعامل بلافاصله مایعی که در آن قسمت از مایع در جریان است به حالت جوشش درامده و سیال به بخار تبدیل شده و حباب‌هایی از بخار بوجود می‌آید . این حباب‌ها پس از طی مسیر کوتاهی به منطقه‌ای با فشار بیشتر رسیده و منفجر می‌شود و تولید سر وصدا می‌کند و امواج ضربه‌ای ایجاد می‌کند و به مرز بین سیال و سازه ضربه‌زده و پس از مدت کوتاهی روی مرز جامد ایجاد فرسایش و خوردگی می‌کند . تبدیل مجدد حباب‌ها به مایع و فشار ناشی از انفجار آن گاهی به ١٠٠٠ مگا پاسکال می‌رسد.

انواع کاویتاسیون که ممکن است در پمپ‌ها اتفاق بیافتد:

- کاویتاسیون تبخیری (نارسایی NPSHa) :

شایع‌ترین نوع کاویتاسیون می‌باشد و حدود 70% از کاویتاسیون‌ها را در بر می‌گیرد. برای جلوگیری از این نوع کاویتاسیون، مقدار NPSHa در سیستم باید از مقدار NPSHr (حداقل انرژی مورد نیاز پمپ که توسط کارخانه سازنده توسط منحنی‌هایی به همراه کاتالوگ پمپ ارائه می‌گردد) بیشتر باشد. برای جلوگیری از صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون، راهکارهای زیر پیشنهاد می‌گردد:

1- کاهش دما که مقدار هد ناشی از فشار بخار سیال را کاهش دهد، هرچه دما کمتر باشد در نتیجه فشار اشباع متناظر به آن کمتر خواهد شد و در نتیجه احتمال کمتر شدن این فشار نسبت به فشار داخل پمپ افزایش می‌یابد. بنابراین وقتی خواستید که سیال با دمای بالا را پمپ کنید بسیار باید به این نوع کاویتاسیون دقت کنید.

2- افزایش تراز مایع در مخزن مکش که مقدار هد استاتیکی را افزایش می‌دهد.

3- بهبود و اصلاح پمپ شامل موارد زیر :

- کاهش سرعت که مقدار Hf (هد ناشی از افت) را کاهش می‌دهد.

- افزایش قطر چشمه پره

- بکار بردن دو پمپ کوچکتر بصورت موازی که موجب کاهش افد هد می‌شود.

در این شرایط مایع مجبور می‌شود از ناحیه پر فشار پمپ به طرف ناحیه کم فشار آن در عرض پره بازگردش کند. وقتی در قسمت مکش یا تخلیه جریان گردابی ایجاد می‌شود که ناشی از سرعت بالای سیال می‌باشد جریان سیال برعکس شده و در خلاف جریان حرکت جریان عادی سیال باز گردش می‌کند.

باز گردش سیال باعث می‌شود که قطر مفید عبور سیال در قسمت مکش و تخلیه کاهش یابد و باعث کاهش فشار سیال گردد(مطابق اصل برنولی). با کاهش فشار و رسیدن فشار به فشار بخار سیال پدیده کاویتاسیون ایجاد می‌شود.

این نوع کاویتاسیون به دو حالت اتفاق می افتد:

اول اینکه مایع داخل محفظه پمپ با سرعت موتور باز گردش کرده و یکباره حرارتش افزایش پیدا کرده و فوق گرم می‌شود.

دوم وقتی که سیال مجبور می‌شود که از میان آب‌بندها و درزهای بین قطعات به سرعت عبور کند در این حالت حرارت بالا باعث تبخیر مایع خواهد شد.

صدمات ناشی از کاویتاسیون در پمپ‌های باز بیشتر در لبه تیغه‌های ایمپلر سمت چشم پره و در نوک تیغه‌ها تا قطر خارجی ایمپلر اتفاق می‌افتد. در پمپ‌های با ایمپلر بسته این صدمات روی نوار‌های سایشی بین پره و بدنه محفظه ایجاد می‌شود.

برای بهبود و تصحیح شرایط در حالت ایمپلر باز باید ایمپلر را به گونه‌ای تنظیم کرد که تلرانس بین تیغه‌ها و محفظه دقیقا تصحیح شود. در پمپ‌های پره بسته امکان تصحیح شرایط نیست اما لازم است جریان محصور شده در قسمت تخلیه پمپ آزاد شود.

فضای آزاد بین نوک پره و زبانه باید معادل 4% قطر پره باشد. صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون بیشتر در نوک تیغه‌های خارجی پره و پشت زبانه، روی دیواره محفظه داخلی دیده می‌شود.

- کاویتاسیون از نوع مکش

مکش هوا می‌تواند به اشکال مختلف در لوله‌ها و نقاط دیگر پمپ اتفاق بی‌افتد. مثلا در صورت ایجاد خلا در پمپ هوا می‌تواند به درون لوله‌ها وارد شود. یکی از این نمونه‌ها پمپبالاکش (Lift pump) می‌باشد. هوا از راه‌های زیر می‌تواند وارد پمپ شود.

1. آببند شفت پمپ

2. بند ساق متصل به صفحه شیر در لوله مکش

3. رینگ های اتصالی لوله مکش

4. واشرهای آب بند صفحه فلنج در اتصالات لوله

5. ارینگ‌ها و اتصالات پیچی در قسمت مکش

6. ارینگ‌ها و آب‌بندهای ثانویه در آب بندهای تک

7. سطوح آب بندهای مکانیکی تک

8. از طریق حباب‌ها و حفره‌های هوا در لوله مکش

9. از طریق مایعات کف کننده

راه های جلوگیری از کاویتاسیون نوع مکش هوا:

1. آب‌بندی و بستن تمام سطوح، صفحات فلنج‌ها و واشرها

2. درزبندی و بستن رینگ‌های آب‌بند و آببندهای ساقه متصل به صفحه شیر در لوله مکش

3. نگه داشتن سرعت سیال به میزان 8 فوت بر ثانیه (با افزایش قطر لوله)

4. استفاده از آب‌بندهای مکانیکی دوبل

در ویدئو زیر می توانید بروز پدیده مخرب کاویتاسیون را در پمپ به وضوح مشاهده نمایید.

برای دیدن این ویدئو جالب اینجا کلیک کنید.