Τι είναι η σπηλαίωση αντλίας και πως να την αποφύγετε
Τι είναι η Σπηλαίωση;
Όπως είναι γνωστό, το νερό βράζει στους 100º C στο επίπεδο της θάλασσας, σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση (υψόμετρο μηδέν). Το νερό όμως μπορεί να βράζει και σε μικρότερη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, στην κορυφή ενός βουνού, το νερό θα βράσει στους 95º C. Αυτό που “αναγκάζει” το νερό να βράζει σε διαφορετική θερμοκρασία, είναι η ατμοσφαιρική πίεση. Όσο πιο μικρή είναι η ατμοσφαιρική πίεση, τόσο πιο εύκολα μπορεί να φτάσει ένα υγρό σε σημείο βρασμού. Το νερό, λοιπόν, θα μπορούσε να φτάσει σε βρασμό ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, αν του αφαιρέσουμε την ατμοσφαιρική πίεση. Θα μπορούσαμε να πούμε πως η ατμοσφαιρική πίεση είναι ένα “καπάκι” που δεν επιτρέπει τον “αυτόματο” βρασμό του υγρού. Η πίεση που αποτρέπει τον βρασμό ενός υγρού, σε καθορισμένη θερμοκρασία, ονομάζεται πίεση ατμών του υγρού.
Όταν ένα αντικείμενο κινείται μέσα στο νερό με αυξημένη ταχύτητα, η πίεση που κρατάει το νερό σ’ επαφή με τα πλάγια και το πίσω μέρος του σώματος προοδευτικά μειώνεται. Όταν η πίεση μειωθεί αρκετά, το νερό αρχίζει να βράζει και δημιουργούνται φυσαλίδες ατμού. Ο βρασμός και οι φυσαλίδες διατηρούνται στην περιοχή αυτή, όσο διατηρείται και η χαμηλή πίεση. Όταν, όμως, μειωθεί η ταχύτητα με την οποία κινείται το αντικείμενο, τότε η πίεση θα αυξηθεί πάλι. Η χαμηλή πίεση θα υποχωρήσει και ένα ρεύμα από φυσαλίδες ατμού (που περιέχουν και οξυγόνο) θα κινηθεί προς την περιοχή υψηλότερης πίεσης, δηλαδή προς τις επιφάνειες του αντικειμένου, όπου και θα συμπυκνωθούν πάλι σε νερό.
Κατά τη συμπύκνωση τους οι φυσαλίδες θα αποδεσμεύσουν την ενέργεια που χρειάστηκε για να δημιουργηθούν, με τη μορφή μεγάλης ποσότητας θερμότητας, καίγοντας και διαβρώνοντας την επιφάνεια του αντικειμένου (“καύση σπηλαίωσης”) στα σημεία όπου αυτές υγροποιούνται. Στα στροφεία αντλιών “καίγεται” ή διαβρώνεται το μέταλλο, όποιο και αν είναι αυτό. Η διαδικασία κατάρρευσης των φυσαλίδων ατμού, ονομάζεται ενδόρρηξη (το αντίθετο μίας έκρηξης). Τυπικά, για το νερό, η θερμοκρασία που αναπτύσσεται τοπικά (σε μία πολύ πολύ μικρή περιοχή) στο αντικείμενο, κατά την κατάρρευση των φυσαλίδων μπορεί να φτάσει και να ξεπεράσει τους 5000º Κελσίου. Μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία στην επιφάνεια του Ήλιου!
Πού εμφανίζεται η Σπηλαίωση;
Το πότε, πού, και σε ποια έκταση θα έχουμε σπηλαίωση, εξαρτάται από το σχήμα του αντικειμένου, τον προσανατολισμό του και την ταχύτητα με την οποία αυτό θα κινηθεί μέσα στο νερό. Όσο πιο λεπτό είναι ένα αντικείμενο προς την κατεύθυνση κίνησης του, τόσο περισσότερες πιθανότητες έχει να μην παρουσιάσει σπηλαίωση.
Η Σπηλαίωση είναι πιο γνωστή σε πολλούς από εμάς σαν πρόβλημα των στροφείων και του κελύφους, των διαφόρων φυγοκεντρικών αντλιών. Και σωστά, αφού η σπηλαίωση είναι πιο συνηθισμένη στην περίπτωση των φυγοκεντρικών αντλιών όπου και οι συνθήκες είναι ιδιαίτερα ευνοϊκές για την εμφάνισή της. Έχουμε υψηλές στροφές του στροφείου και μεγάλη ταχύτητα μετακίνησης του μέσα στο νερό. Αιτία για την εμφάνιση σπηλαίωσης στο στροφείο μπορεί να είναι είτε η ίδια η έλικα, είτε άλλοι παράγοντες (θερμοκρασία νερού) που επηρεάζουν τη λειτουργία της ή ένας συνδυασμός και των δύο.
Παράδειγμα καταστροφής στροφείων αντλιών από Σπηλαίωση
Τι μπορεί να προκαλέσει Σπηλαίωση;
Αιτία σπηλαίωσης ή αρχή σπηλαίωσης μπορεί να είναι αμυχές στην οδηγό ακμή των πτερυγίων του στροφείου μίας αντλίας, οξείες γωνίες της οδηγού ακμής, το υπερβολικό γύρισμα (cup) της ακολουθούσας ακμής, τραχείες ή όχι αρκετά λείες επιφάνειες των πτερυγίων ή άλλων τμημάτων του. Πτερύγια στραβά ή παραμορφωμένα από κτυπήματα (από παρουσία άμμου ή χαλικιών στο νερό) συνήθως προκαλούν εκτεταμένη σπηλαίωση. Σπηλαίωση μπορεί να έχουμε και με ένα στροφείο κακοσχεδιασμένο, με κακό φινίρισμα, με διαφορές στο σχήμα και το πάχος των πτερυγίων του. Η σπηλαίωση στα στροφεία αλουμινίου είναι πιο συνηθισμένη, ιδιαίτερα στις υψηλές ταχύτητες επειδή τα πτερύγια τους έχουν πάχος μεγαλύτερο από το επιθυμητό, που είναι όμως αναγκαίο για να υπάρχει η απαιτούμενη μηχανική αντοχή. Για τις ταχύτητες αυτές, αλλά και γενικά, η χρήση ανοξείδωτων ή μαντεμένιων στροφείων είναι προτιμότερη γιατί έχουν πολύ λεπτότερα πτερύγια.
Ποιες είναι οι συνέπειες της Σπηλαίωσης;
Η Σπηλαίωση ξεκινάει συνήθως από την οδηγό ακμή του στροφείου και επεκτείνεται στην πίσω επιφάνεια των πτερυγίων της, καθώς και στη βάση των πτερυγίων κοντά στον αφαλό της. Μπορεί όμως να επεκταθεί και στον αφαλό και στην εμπρός επιφάνεια (επιφάνεια αναρρόφησης ή χαμηλής πίεσης). Αυτό αποκαλείται «εκτεταμένη σπηλαίωση». Όταν υπάρχει σπηλαίωση, γίνεται εύκολα αντιληπτή. Αρχικά η αντλία μας δεν αποδίδει την ροή για την οποία έχει υπολογιστεί και τοποθετηθεί. Ακούγεται έντονος θόρυβος, σαν να αλέθει χαλίκια. Πέρα από σημαντική μείωση της απόδοσης της αντλίας, μπορεί να πάρει ακόμη και καταστροφικές διαστάσεις (σε περίπτωση αποκόλλησης του στροφείου).
Πώς μπορούμε να αποφύγουμε τη Σπηλαίωση;
Για την αποφυγή της Σπηλαίωσης πρέπει να γίνει σωστή επιλογή της αντλίας για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Υπάρχουν ειδικά διαγράμματα από τους κατασκευαστές αντλιών που εμπλέκουν το μέγεθος του στομίου αναρρόφησης της αντλίας, τον αριθμό στροφών του κινητήρα που θα τις κινεί, τη θερμοκρασία του νερού που θα μετακινούν και την πίεση ατμών του νερού. Στην πιο απλή μορφή τους, τα διαγράμματα μπορεί να έχουν την πίεση που θα επικρατεί στην είσοδο, την έξοδο και το “μάτι” της αντλίας.
Παράδειγμα διαγράμματος φυγοκεντρικής αντλίας για την αποφυγή Σπηλαίωσης
Τι είναι η σπηλαίωση αντλίας και πως να την αποφύγετε
Έχετε μια αντλία που βγάζει ήχους σκασίματος, ή ακούγεται σαν να αντλεί μάρμαρα; Εάν ναι, μπορεί να έχετε πρόβλημα σπηλαίωσης.
Η σπηλαίωση της αντλίας μπορεί να προκαλέσει έναν αριθμό προβλημάτων στο σύστημα άντλησης, συμπεριλαμβανομένου του υπερβολικού θορύβου και της κατανάλωσης ενέργειας και σοβαρές ζημιές στην ίδια την αντλία.
Περιγραφή του φαινομένου
Εάν δεν διορθωθεί, η σπηλαίωση της αντλίας μπορεί να προκαλέσει:
- Βλάβη του περιβλήματος της αντλίας, της φτερωτής η/και του άξονα
- Υπερβολικό επίπεδο δονήσεων – οδηγεί σε πρόωρη απώλεια στεγανοποίησης και αστοχία ρουλεμάν
- Υψηλότερη από την απαραίτητη κατανάλωση ενέργειας
- Μειωμένη ροή και/ή πίεση
Υπάρχουν επίσης δύο φαινόμενα που παρουσιάζουν ανάλογη συμπεριφορά με την σπηλαίωση και απαιτείται να αναφερθούν: επανακυκλοφορία και αερισμός η παγίδευση αέρα.
ΣΠΗΛΑΙΩΣΗ
Όταν μια αντλία βρίσκεται σε συνθήκες χαμηλής πίεσης ή υψηλού κενού, δημιουργείται σπηλαίωση. Εάν η αντλία είναι “στεγνή” ή δεν λαμβάνει αρκετή ροή, θα σχηματιστούν φυσαλίδες ή κοιλότητες στο μάτι της φτερωτής. Καθώς οι φυσαλίδες μεταφέρονται στην πλευρά της κατάθλιψης της αντλίας, οι συνθήκες αλλάζουν, συμπιέζοντας τη φυσαλίδα σε υγρό και προκαλώντας έκρηξη στην φτερωτή.
Μια φτερωτή που έχει πέσει θύμα της σπηλαίωσης θα έχει μεγάλα κομμάτια υλικού που λείπουν ή πολύ μικρά κομμάτια με αποτέλεσμα να μοιάζει με σφουγγάρι. Η ζημιά εμφανίζεται γύρω από το μάτι της φτερωτής.
Πιθανές αιτίες:
- Απόφραξη της περιοχής αναρρόφησης
- Η αντλία λειτουργεί περισσότερο προς τα δεξιά στην καμπύλη λειτουργίας
- Κακός σχεδιασμός σωληνώσεων
- Κακές συνθήκες αναρρόφησης (απαιτήσεις NPSH)
ΕΠΑΝΑΚΥΚΛΟΦΟΡΙΑ
Όταν η πίεση κατάθλιψης μιας αντλίας είναι εξαιρετικά υψηλή ή λειτουργεί σε λιγότερο από το 10% του σημείου βέλτιστης απόδοσης (BEP), εμφανίζεται επανακυκλοφορία του υγρού. Η υψηλή πίεση κατάθλιψης καθιστά δύσκολη τη ροή του υγρού από την αντλία, επομένως κυκλοφορεί μέσα σε αυτήν. Το υγρό ρέει μεταξύ της φτερωτής και του περιβλήματος σε πολύ υψηλή ταχύτητα, προκαλώντας κενό στο τοίχωμα του περιβλήματος και σχηματισμό φυσαλίδων.
Η έκρηξη αυτών των φυσαλίδων προκαλεί κρουστικά κύματα, προκαλώντας πρόωρη φθορά των άκρων της φτερωτής και του περιβλήματος της αντλίας. Σε ακραίες περιπτώσεις, μπορεί να προκληθεί σπάσιμο του άξονα της φτερωτής.
Πιθανές αιτίες:
- Απόφραξη της περιοχής κατάθλιψης
- Η αντλία λειτουργεί περισσότερο προς τα αριστερά στην καμπύλη
- Κακός σχεδιασμός σωληνώσεων
ΑΕΡΙΣΜΟΣ (Η ΠΑΓΙΔΕΥΣΗ ΑΕΡΑ)
- Το υγρό αερίζεται (για οποιονδήποτε λόγο) κοντά στην είσοδο της αντλίας.
- Το υγρό βρίσκεται κοντά στο σημείο βρασμού του, όπως σε αντλία υγροποίησης.
Ενώ αυτό το πρόβλημα δεν είναι πάντα τόσο επιζήμιο (ή τόσο θορυβώδες) όσο τα προηγούμενα, μπορεί σίγουρα να προκαλέσει ζημιά στην φτερωτή, εάν δεν ελεγχθεί.
Προληπτικές ενέργειες αντιμετώπισης
- Ελέγξτε τα φίλτρα και τις ανεπίστροφες βαλβίδες – φραγμοί στην αναρρόφηση ή στη πλευρά κατάθλιψης μπορεί να προκαλέσουν ανισορροπία πίεσης στο εσωτερικό της αντλίας.
- Αναφορά στην καμπύλη της αντλίας – Χρησιμοποιήστε ένα μανόμετρο και/ή ένα παροχόμετρο για να κατανοήσετε πού λειτουργεί η αντλία σας στην καμπύλη. Βεβαιωθείτε ότι λειτουργεί στο καλύτερο σημείο απόδοσης. Η λειτουργία της αντλίας εκτός του σημείου βέλτιστης απόδοσης δεν προκαλεί μόνο υπερβολική ανακυκλοφορία, αναμένονται επίσης, μεγάλα ακτινικά φορτία, κραδασμοί, υψηλές θερμοκρασίες και μειωμένη απόδοσης.
- Επανεκτίμηση του σχεδιασμού σωλήνων – Βεβαιωθείτε ότι η διαδρομή που διασχίζει το υγρό από και προς την αντλία σας είναι ιδανική για τις συνθήκες λειτουργίας αυτής. Σχέδια με ανεστραμμένα “U” στην πλευρά αναρρόφησης μπορούν να παγιδεύσουν αέρα, ενώ σχέδια με γωνίες 90° αμέσως πριν από την αντλία μπορούν να προκαλέσουν αναταράξεις μέσα στην αντλία. Και τα δύο έχουν ως αποτέλεσμα προβλήματα αναρρόφησης και εμφάνιση σπηλαίωσης.
Η σπηλαίωση είναι ένα κοινό πρόβλημα στα συστήματα άντλησης, αλλά με σωστό μέγεθος αντλίας, σχεδιασμό σωληνώσεων και τη φροντίδα όλου του συστήματος, μπορεί να αποφευχθεί σε μεγάλο βαθμό η ζημιά στις αντλίες.
Μια ικανοποιητική μέθοδος για να προσδιορίσετε ποια από αυτά τα προβλήματα λαμβάνουν χώρα με την χρήση υπέρηχων ή ανάλυσης ταλαντώσεων είναι το αργό κλείσιμο της βαλβίδας κατάθλιψης.
Καθώς η βαλβίδα κατάθλιψης κλείνει:
- Εάν ο θόρυβος / κραδασμοί βελτιωθούν – πρόκειται γιά σπηλαίωση.
- Εάν ο θόρυβος και οι δονήσεις επιδεινωθούν – πρόκειται γιά επανακυκλοφορία.
- Εάν ο θόρυβος και οι κραδασμοί παραμείνουν οι ίδιοι – πρόκειται γιά αερισμό (ή παγίδευση αέρα).