Диагностика насосов

Кавитация в насосе: признаки, причины и как её устранить

Кавитация насоса начинается, когда давление на входе в рабочее колесо падает до давления насыщенных паров жидкости: она закипает, а пузырьки схлопываются на лопатках и выбивают металл. Основные причины - большая высота всасывания, потери во всасывающей линии и горячая жидкость; лечится всё увеличением располагаемого кавитационного запаса.

Что происходит в насосе при кавитации

Самое низкое давление в центробежном насосе - на входных кромках лопаток рабочего колеса. Поток там разгоняется, и статическое давление падает ниже давления во всасывающем патрубке. Если оно опускается до давления насыщенных паров при данной температуре, жидкость вскипает без нагрева, образуя паровые каверны.

Каверны уносятся потоком в межлопаточные каналы, где давление растёт. Там пар мгновенно конденсируется, пузырёк схлопывается, и жидкость ударяет в поверхность металла микроструёй. Многократные удары выкрашивают металл: на тыльной стороне лопаток у входа появляются раковины с губчатой поверхностью. Параллельно падают напор и КПД, растут шум и вибрация.

Отдельно различают кавитацию, связанную с работой далеко за пределами рабочей зоны характеристики. При очень малой подаче на входе в колесо появляются обратные токи и вихри, при очень большой - растёт скорость и потери на входе. Поэтому кавитация возможна даже при хороших условиях всасывания, если насос подобран неправильно.

Признаки кавитации и как не спутать её с другими неисправностями

Кавитация звучит как пересыпание гравия или щебня внутри корпуса. Однако похожие шумы дают подсос воздуха и разрушенный подшипник, поэтому диагноз ставят по совокупности признаков.

Простая проверка: плавно прикрыть задвижку на напоре. Подача уменьшается, скорость на входе падает, потери во всасывающей линии снижаются - и кавитационный шум стихает. Если шум не меняется, ищите другую причину.

После разборки кавитацию узнают по характерному износу: раковины на тыльной стороне лопаток у входных кромок, иногда на языке спирального отвода. Абразивный износ выглядит иначе - гладкие проточины по направлению потока.

Причины кавитации центробежного насоса

• Большая высота всасывания. Насос стоит слишком высоко над уровнем жидкости в ёмкости или колодце.
• Сопротивление всасывающей линии. Длинная или узкая труба, много отводов, прикрытая задвижка на входе, забитый фильтр или приёмный клапан.
• Горячая жидкость. С ростом температуры давление паров растёт, и запас до вскипания исчезает. Для конденсата, близкого к насыщению, это главный фактор.
• Работа правее рабочей зоны. Подача больше номинальной из-за разрыва трубы, открытого байпаса или низкого сопротивления сети.
• Работа на очень малой подаче. Обратные токи на входе в колесо.
• Повышенные обороты при питании от частотного преобразователя выше 50 Гц.
• Низкий уровень в питающей ёмкости и воронкообразование, при котором в насос попадает и воздух.

Кавитационный запас: формула и паспортные значения

Устойчивость насоса к кавитации оценивают сравнением двух величин. Допускаемый кавитационный запас Δh_доп (в зарубежной литературе NPSHr) указан в паспорте и зависит от конструкции колеса и подачи. Располагаемый запас Δh_расп (NPSHa) определяется установкой. Условие работы без кавитации: Δh_расп больше Δh_доп, на практике с запасом не менее 0,5 м.

Для насоса, забирающего жидкость из открытой ёмкости:

Δh_расп = p_атм/(ρg) ± H_г - h_п - p_нп/(ρg),

где p_атм - давление над жидкостью, Па; H_г - геометрическая высота (плюс при подпоре, минус при всасывании снизу), м; h_п - потери во всасывающей линии, м; p_нп - давление насыщенных паров, Па; ρ - плотность, кг/м³.

Паспортные значения Δh_доп для консольных насосов КМ лежат в пределах 2,9-4,5 м, для конденсатных насосов Кс со шнеком - 1,2-1,4 м. Разница объясняется назначением: конденсатный насос рассчитан на жидкость, близкую к кипению.

Пример расчёта для насоса на всасывании из колодца

Насос КМ 100-65-250 (Δh_доп = 4,0 м) забирает воду из колодца. Ось насоса выше уровня воды на 4,0 м, потери во всасывающей линии с приёмным клапаном - 1,2 м, атмосферное давление нормальное.

1. Вода 20 °С: напор атмосферы 101325/(998·9,81) = 10,35 м. Δh_расп = 10,35 - 4,0 - 1,2 - 0,24 = 4,91 м. Запас над допускаемым 0,91 м - работа без кавитации.
2. Та же установка, вода 60 °С: напор атмосферы 10,51 м, давление паров 2,07 м. Δh_расп = 10,51 - 4,0 - 1,2 - 2,07 = 3,24 м. Это меньше 4,0 м - насос будет кавитировать.
3. Решение для горячей воды: опустить насос так, чтобы высота всасывания стала 2,0 м. Δh_расп = 10,51 - 2,0 - 1,2 - 2,07 = 5,24 м - запас 1,24 м.

Пример показывает, почему насос, исправно работавший зимой, начинает трещать летом или после перевода на горячую воду: высота всасывания та же, а давление паров выросло в восемь раз. На высоте над уровнем моря атмосферное давление ниже, и запас уменьшается ещё примерно на 1 м на каждые 900 м.

Как устранить кавитацию на действующей установке

Меры перечислены в порядке возрастания затрат. Сначала выполняют дешёвые проверки, затем переходят к переделке обвязки.

1. Полностью открыть задвижку на всасывании - регулировать подачу ей нельзя, только задвижкой на напоре.
2. Очистить фильтр, сетку и приёмный клапан, проверить уровень в ёмкости.
3. Проверить рабочую точку по манометрам: если подача выше номинальной, прикрыть задвижку на напоре до рабочей зоны.
4. Убрать лишние отводы и арматуру на всасывании, заменить трубу на больший диаметр, поставить эксцентрический переход вместо концентрического.
5. Уменьшить высоту всасывания: опустить насос, поднять ёмкость или перейти на работу под заливом.
6. Снизить температуру жидкости перед насосом либо поднять давление над ней.
7. Если запаса всё равно не хватает - заменить насос на тихоходный или с меньшим допускаемым кавитационным запасом, рассмотреть насос со шнеком.

Подбор насоса с учётом условий всасывания разобран в статье о подборе центробежного насоса, допускаемые запасы по типоразмерам - в материале о насосах К и КМ.

Кавитация в насосах разных типов

Конденсатные насосы. Конденсат поступает почти при температуре насыщения, поэтому давление паров практически равно давлению в баке, и единственный источник запаса - подпор столба жидкости. Отсюда шнек перед первым колесом и требования к высоте установки бака, подробно описанные в статье о конденсатных насосах Кс.

Многоступенчатые секционные насосы. Кавитирует только первая ступень: давление на входе остальных уже повышено. Поэтому при ремонте ЦНС колесо первой ступени осматривают особенно тщательно.

Водокольцевые вакуумные насосы. Здесь кавитация связана с вскипанием воды самого кольца при глубоком вакууме и тёплой воде. Для насосов ВВН завод запрещает работу при давлении всасывания ниже 0,01 МПа и в режиме, который сопровождается треском; подробнее в статье о характеристиках ВВН.

Ремонт после кавитационного износа

Колесо с глубокими кавитационными раковинами, истончёнными входными кромками или сквозными промоинами заменяют. Заварка чугунного колеса в насосах общего назначения себя не оправдывает: восстановить точную геометрию лопаток трудно, а неоднородный металл шва разрушается быстрее основного. При замене колеса проверяют уплотняющие кольца, вал и подшипники - вибрация при кавитации ускоряет их износ.

Ремонт начинают только после отключения двигателя от сети с вывешиванием плаката, закрытия задвижек и слива жидкости. На горячей воде и конденсате насос охлаждают до безопасной температуры. Колёса и сопутствующие детали для консольных насосов подбирают в разделе запчастей для насосов К и КМ. Устранять причину кавитации нужно до пуска отремонтированного насоса, иначе новое колесо повторит судьбу старого.

Частые вопросы

Источники

• Электронасосы центробежные консольные моноблочные типа КМ. Руководство по эксплуатации Н49.151.00.000 РЭ, АО "ГМС Ливгидромаш"
• ГОСТ 6134-2007. Насосы динамические. Методы испытаний, МГС, 2007
• Конденсатные насосы типа Кс, КсВ: описание, характеристики, ЗАО "Белнасоспром"

Материал носит справочный характер. Перед ремонтом и заменой деталей сверяйтесь с паспортом и руководством по эксплуатации насоса. Заметили ошибку - напишите на admin@vvnpump.cc.