کاویتاسیون در پمپ چیست و چگونه آن را برطرف کنیم؟

مقدمه:

پدیده کاویتاسیون یکی از پدیده‌های مخربی است که در پمپ‌ها و سیستم‌های هیدرولیکی رخ می‌دهد و می‌تواند منجر به کاهش عمر مفید تجهیزات، افزایش هزینه‌های نگهداری و بهره‌وری پایین شود. با این حال، آشنایی با دلایل ایجاد، انواع مختلف و روش‌های جلوگیری از کاویتاسیون، می‌تواند به کاهش این آسیب‌ها و بهبود عملکرد سیستم‌های صنعتی کمک شایانی کند.

این پدیده، به‌طور ساده به معنای تشکیل و فروپاشی حباب‌های بخار در سیال به دلیل تغییرات فشار است. اما چرا این پدیده رخ می‌دهد و چه انواعی دارد؟ در این مقاله، به‌طور دقیق به بررسی این موضوع خواهیم پرداخت و به شما کمک می‌کنیم تا از آسیب‌های ناشی از کاویتاسیون جلوگیری کنید و طول عمر تجهیزات خود را افزایش دهید.

پدیده کاویتاسیون چیست؟

کاویتاسیون به معنای تشکیل و تجمع حباب ها در اطراف پروانه پمپ است. این پدیده در سیالات با هر ویسکوزیته ای که در داخل یک پمپ حرکت می کنند، رخ می دهد. هنگامی که هر یک از این حباب های کوچک تشکیل شده در سیال می ترکد، یک موج با انرژی بالا در داخل مایع ایجاد می کند. تصور کنید سنگی را به داخل حوض پرتاب می کنید. امواج دایره‌ای که در این فرآیند ایجاد می‌شوند شبیه به انفجار حباب‌های کاویتاسیون هستند.

هنگامی که تعداد زیادی حباب در پمپ می ترکد، امواج ضربه ای ایجاد می کند. برخورد این امواج، پروانه و سایر اجزای پمپ را به مرور زمان دچار فرسایش می کند. صدایی که از برخورد حباب‌ها به قطعات فلزی و ترکیدن آنها داخل پمپ ایجاد می‌شود، شبیه صدای سنگ تراشی است. 

دلایل ایجاد پدیده کاویتاسیون در پمپ ها چیست؟

پدیده کاویتاسیون در پمپ‌ها زمانی رخ می‌دهد که فشار سیال در نقطه‌ای از مسیر حرکت، به کمتر از فشار بخار آن سیال کاهش یابد. در این شرایط، حباب‌های بخار درون سیال تشکیل می‌شوند و سپس در نقاطی که فشار مجدداً افزایش می‌یابد، این حباب‌ها فرو می‌ریزند. این فرآیند می‌تواند به قطعات داخلی پمپ، مانند پروانه، آسیب جدی وارد کند. دلایل اصلی ایجاد کاویتاسیون در پمپ‌ها عبارتند از:

• کمبود هد مکش مثبت خالص (NPSH): یکی از مهم‌ترین عوامل ایجاد پدیده کاویتاسیون، کاهش NPSH موجود به زیر مقدار مورد نیاز است. این کاهش ممکن است به دلیل طولانی بودن خطوط مکش، انسداد فیلترها و توری‌ها، یا استفاده از لوله‌های مکش ضعیف رخ دهد​.
• فشار مکش ناکافی: اگر فشار در ورودی پمپ به اندازه کافی بالا نباشد، باعث ایجاد کاویتاسیون می‌شود. این مسئله به‌ویژه در پمپ‌های نصب‌شده در ارتفاعات بالا یا در شرایطی که مایع نزدیک به نقطه جوش باشد، مشهود است​.
• افزایش دمای سیال: مایعات داغی که به دمای جوش نزدیک می‌شوند، فشار بخار بالاتری دارند و سریع‌تر به بخار تبدیل می‌شوند، که این مسئله باعث تشکیل حباب‌های کاویتاسیون می‌شود​.
• نقص در طراحی سیستم یا نصب نامناسب: استفاده از پمپ‌هایی که خارج از منحنی عملکرد بهینه خود کار می‌کنند، می‌تواند باعث ایجاد پدیده کاویتاسیون شود. همچنین، سیستم‌های لوله‌کشی که دارای زوایای تند، اتصالات بیش از حد، یا افت فشار بالا هستند، می‌توانند به کاهش فشار در ورودی پمپ منجر شوند​.

این عوامل نشان می‌دهند که مدیریت صحیح فشار و طراحی مناسب سیستم پمپاژ، کلید پیشگیری از پدیده کاویتاسیون است.

با کاربرد کاویتاسیون در صنایع گوناگون آشنا شوید

به طورکلی می توان گفت پدیده کاویتاسیون، پدیده مخرب و یک ناهنجاری نیست؛ بلکه این پدیده کاربردهای بسیاری در زمینه های مختلف دارد. به عنوان مثال صنایعی مانند صنعت پزشکی به دنبال تجهیزاتی هستند که بتوانند از طریق آن پدیده کاویتاسیون را ایجاد کرده و از اثرات و فواید آن استفاده کنند. پدیده کاویتاسیون فراصوت در صنعت پزشکی برای از بین بردن سنگ کلیه و درمان انواعی از سرطان ها کاربرد دارد. هم اکنون تحقیقات بسیاری در این زمینه درحال انجام است که هدف آن ها تخریب بافت های بیمار بدن به کمک کاویتاسیون است.

در صنعت تولید شیر نیز از پدیده کاویتاسیون برای همگن سازی استفاده می شود. کاویتاسیون در تصفیه آب نیز کاربرد بسیار زیادی دارد. علاوه بر موارد بالا، «کاویتاسیون گسترده» (Supercavitation)، از کاربرد فراوانی در صنایع دریایی نیز برخوردار است. برای مثال از این پدیده برای افزایش ماکزیمم سرعت دستگاهی مانند زیردریایی استفاده می شود. هم چنین برخی از جانوران دریایی مانند میگو، از پدیده کاویتاسیون برای شکار طعمه خود استفاده می کنند.

مراحل شکل گیری پدیده کاویتاسیون

پدیده کاویتاسیون به صورت مرحله به مرحله به شرح زیر شکل می‌گیرد:

1. افت فشار در ورودی پمپ: کاویتاسیون از زمانی آغاز می‌شود که فشار سیال در ورودی پمپ یا در نزدیک پروانه پمپ (معمولاً در مرکز پروانه یا چشم پروانه) به حدی کاهش یابد که به کمتر از فشار بخار مایع برسد. این کاهش فشار ممکن است به دلایل مختلفی مانند ارتفاع زیاد مکش، انسداد لوله‌ها، یا دما و ویسکوزیته بالا رخ دهد​.

​2. تشکیل حباب‌های بخار: زمانی که فشار سیال به زیر فشار بخار آن کاهش می‌یابد، حباب‌های بخار در مایع شکل می‌گیرند. این حباب‌ها پر از بخار هستند و در نقاطی که فشار کاهش یافته است، به سرعت ایجاد می‌شوند. این مرحله اصلی پدیده کاویتاسیون است که در آن حباب‌ها درون سیال قرار می‌گیرند​

3. انتقال حباب‌ها به نواحی پرفشارتر: با حرکت مایع در پمپ و افزایش فشار به دلیل چرخش پروانه، این حباب‌های بخار به نقاطی با فشار بالاتر منتقل می‌شوند. در این مرحله، سیال از نواحی با فشار پایین به نواحی با فشار بالا حرکت می‌کند​
4. فروپاشی حباب‌ها: زمانی که حباب‌های بخار به نواحی با فشار بالاتر می‌رسند، فشار مایع از فشار بخار آن فراتر می‌رود. در نتیجه، حباب‌ها به سرعت فرو می‌ریزند و به‌طور ناگهانی از بین می‌روند. این فروپاشی حباب‌ها انرژی زیادی آزاد می‌کند و ضربات شدیدی را به سطح پروانه یا دیواره‌های پمپ وارد می‌کند​
5. ایجاد شوک و آسیب: فروپاشی حباب‌ها نه تنها به ایجاد شوک و ارتعاش در پمپ منجر می‌شود، بلکه باعث سایش و خوردگی قطعات داخلی پمپ مانند پروانه و سایر اجزای حیاتی آن می‌شود. این ضربات می‌توانند به مرور زمان آسیب‌های جدی به پمپ وارد کنند و کارایی آن را به شدت کاهش دهند​

این مراحل، از افت فشار تا فروپاشی حباب‌ها، فرایند کامل شکل‌گیری پدیده کاویتاسیون را توضیح می‌دهند.

انواع کاویتاسیون در پمپ

پنج نوع مختلف کاویتاسیون وجود دارد. با درک انواع کاویتاسیون در پمپ می توانیم از بروز آنها جلوگیری کنیم.

انواع کاویتاسیون در پمپ ها عبارتند از:

1. کاویتاسیون تبخیری (Vaporisation)

این پدیده کاویتاسیون رایج ترین نوع در پمپ ها است که به آن کاویتاسیون “NPSHa ناکافی” یا “کاویتاسیون کلاسیک” نیز می گویند. NPSHa مقدار مطلق مکش مثبت در سیستم پمپ است. این پدیده زمانی اتفاق می افتد که یک پمپ گریز از مرکز به مایعی که از چشم پروانه می گذرد، سرعت می دهد. اگر پروانه به درستی کار نکند، ممکن است مقداری از مایع به سرعت بجوشد (تبخیر شود) و امواج ضربه ای کوچکی را ایجاد کند. راه جلوگیری از این نوع کاویتاسیون، بالاتر نگه داشتن NPSHA نسبت به NPSHR (مقدار مطلق مکش مثبت لازم برای کارکرد مناسب پمپ که توسط شرکت سازنده ارائه می شود) است.

فرمول کاویتاسیون پمپ NPSH

NPSH مخفف (Net Positive Suction Head) مقدار مطلق مکش مثبت در سیستم پمپ است. NPSH را می­توان اختلاف بین سطح فشار ورودی و پایین­ترین سطح فشار داخل پمپ تعریف کرد.

فرمول محاسبه NPSH به شرح زیر است:

NPSH = PT-Pv/ρg

که در آن:

• PT = فشار کل ورودی
• Pv = فشار بخار سیال
• ρ = چگالی
• g = شتاب گرانش

2. کاویتاسیون گردابی (Turbulence)

اگر قسمت هایی از سیستم – لوله ها، دریچه ها، فیلتر ها، زانویی ها و غیره – برای حجم یا نوع سیالی که پمپ می شود مناسب نباشد، جریان های گردابی ایجاد می کند. بدین معنی که اختلاف فشار در سراسر پمپ ایجاد می شود. این تلاطم باعث فرسایش قطعات در طول زمان می شود.

3. سندرم پره (Vane Syndrome)

این نوع پدیده کاویتاسیون زمانی رخ می دهد که پروانه مورد استفاده دارای قطر بسیار زیادی باشد یا محفظه دارای پوششی بسیار ضخیم باشد. بدین ترتیب فضای مورد نیاز برای حرکت سیال کاهش می یابد و در نتیجه باعث افزایش سرعت در مایع می شود. این افزایش سرعت مایع را گرم می کند و حباب های کاویتاسیون را ایجاد می کند.

4. گردش مجدد داخلی (Internal Re-circulation) یا کاویتاسیون تخلیه (Discharge Cavitation)

کاویتاسیون تخلیه زمانی اتفاق می افتد که نیروی خروجی پمپ بسیار زیاد باشد. از آنجایی که فشار خروجی زیاد است، جریان سیال به سختی از پمپ خارج می شود. بنابراین سیال در داخل پمپ بین پروانه و محفظه با سرعت بسیار بالا جریان می یابد که باعث ایجاد خلاء در تقسیم کننده محفظه و تشکیل حباب می شود.

در این نوع پدیده کاویتاسیون، فروپاشی حباب ها باعث ایجاد امواج ضربه ای قوی و برخورد آن به محفظه پمپ ها و نوک پروانه ها می شود. این نوع کاویتاسیون موجب برگشتن و شکست شفت پروانه می شود. دلایل بروز این نوع کاویتاسیون عبارتند از:

• انسداد در داخل لوله ها در سمت خروج
• گرفتگی فیلتر ها و صافی ها
• پمپ دقیقاً روی منحنی پمپ کار می کند
• مشکلات لوله کشی

5. کاویتاسیون مکش هوا (Suction Cavitation)

پدیده کاویتاسیون مکش هوا نیز شکل رایج دیگری کاویتاسیون در پمپ است. گاهی اوقات هوا از طریق دریچه های خراب یا سایر نقاط به داخل پمپ مکیده می شود. در این شرایط پمپ در شرایط فشار کم یا خلاء زیاد قرار می گیرد. هنگامی که پمپ جریان مایع کافی دریافت نمی کند، حباب هایی در چشم پروانه پمپ ایجاد می شود. هنگامی که حباب ها به سطح خروجی پمپ می رسند، شرایط سیال تغییر می کند. میزان حباب در جهت سیال کاهش می یابد و باعث فروپاشی حباب­ها در مجاورت صفحه پروانه می شود.

پروانه ای که در اثر کاویتاسیون مکش آسیب می بیند به تکه‌های بزرگ و کوچکی تقسیم می شود و ظاهری اسفنجی پیدا می کند. دلایل بروز این نوع کاویتاسیون عبارتند از:

• گرفتگی فیلتر ها و صافی ها
• انسداد داخل لوله
• مشکلات لوله کشی
• مکش ضعیف

نشانه های پدیده کاویتاسیون چیست؟

هر زمانی که مشکلی مکانیکی یا ساختاری در پمپ رخ داد، بایستی عملکرد پمپ بازبینی شود. بررسی علائم اولیه کاویتاسیون بسیار ضروری است. علایم زیر می تواند نشان دهنده شروع کاویتاسیون در پمپ باشد:

• سر و صدا
• کاهش جریان خروجی
• خرابی یاتاقان یا آب بندی (یاتاقان‌ها را بیشتر بشناسید)
• افزایش ناگهانی انرژی مصرفی
• تخریب تدریجی یا فرسایش پروانه
• ارتعاشات ناگهانی

پیشگیری از کاویتاسیون در پمپ

برای جلوگیری از پدیده کاویتاسیون بایستی بازرسی های منظمی از پمپ داشته باشید و موارد زیر را اجرا کنید.

پیشگیری از کاویتاسیون تبخیری

• سرعت موتور (RPMs) را کاهش دهید
• یک القا کننده پروانه (impeller inducer) نصب کنید
• یک بوستر پمپ به سیستم پمپ خود اضافه کنید
• در صورت امکان، دمای پمپ، سیال و سایر اجزا را کاهش دهید.
• سطح مایع را در اطراف ناحیه مکش افزایش دهید.
• در صورت امکان، قطر چشم پروانه را افزایش دهید.

پیشگیری از پدیده کاویتاسیون آشفتگی

• همه اجزا را ارزیابی کنید تا مطمئن شوید فشار جریان، حجم و خواص سیال را تحمل می کنند. قطعات را در صورت نیاز تعویض کنید.
• اطمینان حاصل کنید که از دستورالعمل های سازنده پمپ پیروی می کنید. اگر فشار بیش از حد به سیستم پمپ وارد کنید، ناگزیر از کار می افتد.
• برای کاهش تلاطم، اندازه خط مکش پمپ را افزایش دهید

پیشگیری از کاویتاسیون سندرم پره

• جلوگیری از کاویتاسیون سندرم پره نسبتا آسان است. اطمینان حاصل کنید که فضای خالی بین پروانه و محفظه آن 4 درصد قطر پروانه یا بیشتر باشد. هرچه این مقدار کمتر باشد، احتمال کاویتاسیون بیشتر خواهد شد.

پیشگیری از کاویتاسیون گردش مجدد داخلی

• دریچه تخلیه پمپ را باز کنید و داخل آن را برای هرگونه انسداد بازرسی کنید.
• فیلتر پایین را باز کنید و هرگونه زباله یا تجمع را تمیز کنید.
• اطمینان حاصل کنید که چک ولو(chevk valves) به درستی نصب شده است. یک اشتباه رایج در هنگام نصب این است که این شیر به عقب نصب می شود.
• شیر تخلیه را بررسی کنید و مطمئن شوید که باز است.
• فشار در خط تخلیه را ارزیابی کنید. اگر مشکلی در فشار هد وجود دارد، ممکن است به این دلیل باشد که هدر مناسب کار نیست و نیاز به تعویض دارد.

پیشگیری از کاویتاسیون مکش هوا

• پیشگیری از این نوع پدیده کاویتاسیون کمی سخت تر است. حتی کوچکترین مقدار هوای مکیده شده به سیستم در طول زمان باعث ایجاد کاویتاسیون می شود. بهتر است در زمان نصب مطمئن شوید که تمامی اتصالات به خوبی آب بندی شده اند.
• به طور منظم واشرهای اتصال در هر لوله مکشی را بررسی کنید تا مطمئن شوید که سالم هستند.
• اطمینان حاصل کنید که تمام لوله ها سالم هستند و ترک یا نشانه ای از فرسایش ندارند.
• دریچه‌ها، اتصالات و هر جای دیگری که ممکن است در دچار شکستگی شده باشید را بررسی کنید. به محض مشاهده هر گونه علائم خرابی، قطعات را تعویض کنید.

اثرات کاویتاسیون چیست؟

پدیده کاویتاسیون تأثیرات مخربی بر عملکرد و کارایی پمپ‌ها دارد. این تأثیرات به شرح زیر است:

1. آسیب به قطعات پمپ: یکی از اصلی‌ترین مشکلات ناشی از کاویتاسیون، سایش و خوردگی شدید قطعات داخلی پمپ، به ویژه پروانه، است. این پدیده باعث می‌شود که حباب‌های بخار به‌سرعت فرو ریخته و به‌صورت ناگهانی انرژی زیادی آزاد کنند. این انرژی به سطح پروانه یا دیواره‌های پمپ برخورد کرده و باعث فرسایش آن‌ها می‌شود​​
2. ارتعاشات و نویز زیاد: کاویتاسیون باعث ایجاد ارتعاشات و نویز غیرعادی در پمپ می‌شود. این ارتعاشات نتیجه‌ی فروپاشی حباب‌های بخار هستند و می‌توانند به خرابی قطعات مکانیکی مانند یاتاقان‌ها و مهر و موم‌ها منجر شوند​.​
3. کاهش کارایی و بازده پمپ: کاویتاسیون باعث کاهش بازدهی پمپ می‌شود. افت فشار و جریان در پمپ، که ناشی از حباب‌های بخار است، باعث می‌شود که پمپ نتواند به‌درستی مایع را منتقل کند و در نتیجه کارایی آن کاهش یابد​.
4. افزایش مصرف انرژی: پمپ‌هایی که تحت تأثیر پدیده کاویتاسیون قرار دارند، برای حفظ عملکرد نیاز به افزایش انرژی مصرفی دارند، زیرا کاویتاسیون مانع از انتقال صحیح مایع شده و در نتیجه پمپ باید تلاش بیشتری برای جبران این مشکل بکند​.
5. خرابی زودهنگام پمپ: در صورت عدم مدیریت کاویتاسیون، این پدیده می‌تواند به خرابی کامل پمپ منجر شود. به مرور زمان، این آسیب‌ها تجمع می‌یابند و ممکن است باعث خرابی غیرمنتظره و هزینه‌های تعمیراتی بالا شوند​.

به‌طورکلی، کاویتاسیون یک پدیده مخرب است که نه تنها عملکرد پمپ را کاهش می‌دهد، بلکه هزینه‌های نگهداری و تعمیرات را نیز افزایش می‌دهد.

روش اندازه گیری افت ناشی از کاویتاسیون در پمپ چیست؟

برای اندازه‌گیری افت عملکرد و کارایی ناشی از کاویتاسیون در پمپ‌ها، چندین روش و تکنیک کاربردی وجود دارد که به کمک آن‌ها می‌توان این پدیده را شناسایی و مدیریت کرد:

1. آنالیز ارتعاشات: ارتعاشات ناشی از کاویتاسیون معمولاً اولین نشانه‌های این پدیده هستند. سنسورهای شتاب‌سنج و دستگاه‌های اندازه‌گیری ارتعاش می‌توانند این ارتعاشات غیرطبیعی را ثبت کنند. با تحلیل داده‌های ارتعاش، مهندسان می‌توانند شدت کاویتاسیون و نقاط ایجاد آن را مشخص کنند. این روش به دلیل حساسیت و سادگی، یکی از اولین و محبوب‌ترین روش‌ها برای تشخیص پدیده کاویتاسیون است​.
2. آنالیز آکوستیک: کاویتاسیون معمولاً صدای خاصی تولید می‌کند که شبیه به حرکت سنگ‌ریزه‌ها در پمپ است. با استفاده از میکروفون‌های حساس یا هیدروفون، می‌توان این صداها را ضبط و تحلیل کرد. تغییرات در شدت و فرکانس صداها می‌تواند نشانه‌هایی از وجود و شدت کاویتاسیون باشد​.
3. پایش فشار و دبی: کاهش فشار در ورودی پمپ یا نوسانات غیرعادی در دبی می‌تواند نشانه‌ای از کاویتاسیون باشد. با نصب سنسورهای فشار و جریان در نقاط کلیدی پمپ، می‌توان تغییرات را ثبت و با داده‌های نرمال مقایسه کرد تا افت ناشی از کاویتاسیون را مشخص کرد​.
4. بازرسی بصری: یکی از ساده‌ترین روش‌ها برای تشخیص کاویتاسیون، بازرسی بصری قطعات پمپ مانند پروانه و محفظه آن است. فرسایش یا حفره‌زایی بر روی سطوح این قطعات از نشانه‌های واضح کاویتاسیون است که معمولاً با استفاده از دستگاه‌های بورسکوپی یا آندوسکوپ قابل مشاهده است​.
5. شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD): شبیه‌سازی‌های CFD به مهندسان این امکان را می‌دهد که جریان سیال درون پمپ را تحت شرایط مختلف شبیه‌سازی کنند و مناطقی که مستعد کاویتاسیون هستند را پیش‌بینی کنند. این روش به ویژه برای طراحی بهینه پمپ‌ها و خطوط لوله بسیار مؤثر است​.
6. تست‌های عملکردی: با انجام آزمایشات عملکردی روی پمپ تحت شرایط مختلف، می‌توان داده‌های عملیاتی را مقایسه کرد و اثرات کاویتاسیون را به‌طور دقیق اندازه‌گیری کرد. تغییرات در بازده، هد و دبی پمپ نشانه‌هایی از کاویتاسیون است که از طریق این تست‌ها قابل شناسایی است.

جمع بندی

با به کار بستن موارد یاد شده، از ایجاد پدیده کاویتاسیون در پمپ جلوگیری کنید. بدین ترتیب می توانید طول عمر و راندمان پمپ را افزایش دهید. پیشگیری از کاویتاسیون بسیار آسان تر و ارزان تر از تعمیر یا جایگزین کردن آن است. موارد زیر را در بررسی پمپ ها همواره مد نظر قرار دهید.

• بررسی منظم فیلترها و صافی ها: در صورت گرفتگی فیلترها و صافی ها، جریان مکش مسدود می شود. بدین ترتیب باعث نابرابری نیرو در پمپ شود.
• با استفاده از یک فشارسنج و یک دبی سنج بر عملکرد پمپ نظارت داشته باشید تا همواره در بهترین حالت عملکرد باشد.
• با بررسی لوله کشی، از سالم بودن مسیر جریان سیال از پمپ به بیرون مطمئن شوید.

سوال تخصصی دارید؟ با هوش مصنوعی تکصان وارد گفتگو شوید. دستیار 24ساعته شما

سوالات متداول

آیا کاویتاسیون همیشه به پمپ آسیب می رساند؟

جنس پروانه ها و سایر اجزای در تماس با سیال را معمولاً از آلیاژ هایی که سطح آن ها سخت شده اند می سازند و می توانند مقدار کمی کاویتاسیون کم انرژی را بدون آسیب یا کاهش قابل توجه عمر تحمل کنند. هر چه کاویتاسیون شدیدتر باشد، پمپ سریع تر آسیب می بیند.

نحوه جلوگیری از پدیده کاویتاسیون چگونه است؟

جلوگیری از کاویتاسیون مستلزم طراحی خوب و کامل سیستم است که با درک عواملی که احتمال ایجاد کاویتاسیون بالا می برند، شروع می شود. در نظر گرفتن NPSH کافی، طراحی سیستم های پایپینگ اصولی که با شناخت درست اجزای پایپینگ ممکن است و انتخاب پمپ هایی که در ناحیه قابل قبولی از منحنی عملکرد خود کار می کنند، همگی به جلوگیری از بروز کاویتاسیون کمک می کنند.

منبع:

pardisfoolad.com