کاویتاسیون

کاویتاسیون کاویتاسیون در لغت از کلمه Cavity به معنای حفره آمده و منظور از کاویتاسیون ایجاد حفره یا حفره زائی است .در صورت وقوع این پدیده یکی از خسارات آن ایجاد خوردگی وحفره برروی بدنه پروانه و پوسته پمپ است .قبل از توضیح پدیده کاویتاسیون لازم است اشاره به نقطه جوش و فشار بخار مایعات صورت گیرد .نقطه جوش مایعات به فشاری که مایع در آن قرار دارد بستگی دارد .مثلا آب در فشار یک آتمسفر در دمای١٠٠ درجه سانتیگراد می جوشد که این دما در فشار48/٠ آتمسفر درحدود٨٠ درجه است. مهندسی مکانیک ایران] ممکن است در داخل پمپ شرایطی بوجود آید به طوریکه در دمای موجود با توجه به کاهش فشاریکه ایجاد شده ، سیال بجوشد. این پدیده در صورت وقوع در ابتدای پره در داخل پروانه رخ می دهد . تبدیل مایع به حباب های بخار همراه با افزایش حجم ناگهانی می باشد ( دانسیته مایع بیش از ١٠٠٠ برابر دانسیته بخار در این شرایط است ) . حباب تشکیل شده با سرعت زیادی به جلو هدایت می شود. درنیمه دوم پره با افزایش فشار سیال شرایط از حالت اشباع به حالت مایع فشرده بر می گردد و طی پدیده پیچیده ای حباب بخار سقوط کرده و ضمن تقطیر شدن با سرعت زیاد ( تا ۵٠ متر برثانیه) به اطراف برخورد می کند. قطرات سیال که با این سرعت به اطراف برخورد می کنند ، دارای ممنتوم بسیار بالایی هستند به طوری که نیروی وارد شده از طرف این ذرات بر دیواره پروانه قادر است قسمتی از بدنه پروانه را کنده و بر روی آن ایجاد حفره کند. کمتر فلزی در برابر این نیرو مقاومت می کند، آلیاژهای فولاد -کرم مقاومت بهتری در مقابل این پدیده دارند . این پدیده معمولا با ایجاد سر و صدا نیز همراه است که فرکانس آن به MHZ١ می رسد به این صدا اصطلاحا صدای سفید گفته می شود . میتوان از طریق اندازه گیری صدا بروز کاویتاسیون را تشخیص داد. شکل ٣ -١ نحوه ایجاد حباب درناحیه مکش پره و تاثیر کاویتاسیون بر قسمت انتهایی پره را نشان می دهد . شکل ٣ - ٢ یک پروانه پمپ سانتریفوژ را که در اثر کاویتاسیون در آن ایجاد حفره شده نشان می دهد. همانطور که قبلا اشاره شد فلزات نمی توانند در مقابل کاویتاسیون مقاومت کنند . بهترین آلیاژ برای این منظور عبارتند از فولاد زنگ نزن ، فولاد با ١٣ % کرم ، فولاد معمولی ، برنز معمولی و بالاخره چدن که به ترتیب داده شده بر اساس بهترین مقاومت به پایین می باشد. چنانچه کاویتاسیون در پمپی رخ دهد برای قطع آن یا دبی عبوری از پمپ یا دور پمپ کاهش داده می شود . البته در بسیاری از نقاط منحنی مشخصه پمپ ، کاویتاسیون جزئی وجود دارد وطبق استاندارد بین المللی تا ٣% اطراف نقطه بیشترین راندمان ، کاویتاسیون نداریم ولی خارج از این ناحیه کاویتاسیون با شدت کم وجود دارد .میتوان وقوع کاویتاسیون و نحوه تاثیر آن را بر منحنی مشخصه وعملکرد پمپ را از طریق آزمایش ملاحظه کرد . اگر چنانچه شیر ورودی پمپ را به آرامی ببندیم ، در جائی مشاهده می شود که ضمن پیدایش صدا منحنی مشخصه پمپ ناگهان افت می کند . در این وضعیت پمپ در حالت کاویتاسیون بوده و نقطه عملکرد پایدار نمی باشد. باید توجه داشت که خوردگی مکانیکی بر اثر کاویتاسیون با خوردگی بر اثر واکنشهای شیمیایی یا الکترو شیمیایی متفاوت میباشد.مقاومت فلزات در مقابل کاویتاسیون بستگی به پارامترهای مختلفی از لحاظ نحوه ساخت و تولید فلز ، سطح فلز، آلیاژهای به کار رفته ، یک نواخت بودن فلز در موقع ریخته گری یا عملیات حرارتی و سرانجام درجه مقاومت فلز در مقابل خستگی دابرای تعیین میزان حساسیت یک سیستم به کاویتاسیون از یک کمیت بی بعد به نام پارمتر کاویتاسیون استفاده می شود که به صورت زیر تعریف شده است : (P-PV)/(ρ.V̂2/2) P فشار مطلق در نقطه مورد نظر ، PV فشار بخار مایع ، ρ دانسیته مایع و V سرعت غیر مغشوش مایع یا سرعت مرجع است . پارامتر کاویتاسیون صورتی از ضریب فشار است . در دو سیستم که تشابه هندسی دارند ، اگر مقدار σ یکسان باشد ، احتمال وقوع کاویتاسیون یکسان خواهد بود . اصطلاحاً گفته می شود که درجه کاویتاسیون دو سیستم یکسان است. وقتی0= σ باشد ، فشار مایع به فشار بخار رسیده است و کاویتاسیون رخ می دهد . هد خالص مثبت مکش (NPSH) جهت کنترل پدیده کاویتاسیون و برقراری شرایط عدم وجود کاویتاسیون از پارامتری به نام NPSH استفاده می شود . منظور از این پارامتر ، هد خالص مثبت مکش می باشد . به جای این که نقطه حداقل فشار در داخل پروانه بررسی شود ، مقدار هد خالص در قبل از پمپ بررسی می گردد و کارخانه سازنده پیش بینی لازم برای افت از ورود پمپ تا نقطه حداقل فشار در داخل پروانه را انجام می دهد . انواع کاویتاسیون که ممکن است در پمپ ها اتفاق بیافتد: - کاویتاسیون تبخیری (نارسایی NPSHa) : شایعترین نوع کاویتاسیون می باشد و حدود 70% از کاویتاسیون ها را در بر می گیرد. برای جلوگیری از این نوع کاویتاسیون، مقدار NPSHa در سیستم باید از مقدار NPSHr (حداقل انرژی مورد نیاز پمپ که توسط کارخانه سازنده توسط منحنی هایی به همراه کاتالوگ پمپ ارائه می گردد) بیشتر باشد.برای جلوگیری از صدمات ناشی از این نوع کاویتاسیون، راهکار های زیر پیشنهاد می گردد: 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 می یابد . 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 می دهد. 3- بهبود و اصلاح پمپ شامل موارد زیر : - کاهش سرعت که مقدار Hf(هد ناشی از افت) را کاهش می دهد. - افزایش قطر چشمه پره - بکار بردن دو پمپ کوچکتر بصورت موازی که موجب کاهش افد هد می شود. در این شرایط مایع مجبور می شود 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 می شود که ناشی از سرعت بالای سیال می باشد جریان سیال برعکس شده و در خلاف جریان حرکت جریان عادی سیال باز گردش می کند. باز گردش سیال باعث می شود 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 می شود. 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 می شود. دوم وقتی که سیال مجبور می شود که از میان آب بند ها و درزهای بین قطعات به سرعت عبور کند در این حالت حرارت بالا باعث تبخیر مایع خواهد شد. صدمات ناشی از کاویتاسیون در پمپ های باز بیشتر در لبه تیغه های ایمپلر سمت چشم پره و در نوک تیغه ها تا قطر خارجی ایمپلر اتفاق می افتد. در پمپ های با ایمپلر بسته این صدمات روی نوار های سایشی بین پرهو بدنه محفظه ایجاد می شود. برای بهبود و تصحیح شرایط در حالت ایمپلر باز باید ایمپلر را به گونه ای تنظیم کرد که تلرانس بین تیغه ها و محفظه دقیقا تصحیح شود.در پمپ های 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 تیغه های خارجی پره و پشت زبانه، روی دیواره محفظه داخلی دیده می شود. - کاویتاسیون از نوع مکش مکش هوا می تواند به اشکال مختلف در لوله ها و نقاط دیگر پمپ اتفاق بی افتد. مثلا در صورت ایجاد خلا در پمپف هوا می تواند به درون لوله ها وارد شود. یکی از این نمونه ها پمپ بالاکش (Lift pump) می باشد. هوا از راههای زیر می تواند وارد پمپ شود. 1- آببند شفت پمپ 2- آببند ساق متصل به صفحه شیر در لوله مکش 3- رینگ های اتصالی لوله مکش 4- واشر های آب بند صفحه فلنج در اتصالات لوله 5- ارینگ ها و اتصالات پیچی در قسمت مکش 6- ارینگ ها و آب بندهای ثانویه در آب بندهای تک 7- سطوح آب بندهای مکانیکی تک 8- از طریق حباب ها و حفره های هوا در لوله مکش 9- از طریق مایعات کف کننده راه های جلوگیری از کاویتاسیون نوع مکش هوا: 1- آب بندی و بستن تمام سطوح، صفحات فلنج ها و واشر ها 2- درزبندی و بستن رینگ های آب بند 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 آب بند های مکانیکی دوبل در پایان این قسمت باید نکته ای را که در وبلاگ یکی از دوستان خواندم توضیح دهم. ایشان نوشته اند که " چند روز پیش با یکی از مهندسین با سابقه یکی از شرکت های مشاور که در زمینه نفت فعالیت می کردند بر سر موضوعی بحث می کردیم. موضوع از این قرار بود که آن شرکت پمپی می خواست که اختلاف فشار ۲۰ بار ایجاد کند و سیال پمپ شونده پروپان - یکی از مشتقات هیدروکربنی - بود. محل مناقشه بنده بر سر منحنی عملکرد هد و دبی پمپ برای سیال پروپان - با وزن مخصوص ۰.۵۵ - بود. این آقا استدلال می کرد که چون منحنی های عملکرد هد و دبی پمپ که پمپ سازان در کاتالوگ های خود گزارش می دهند برای سیال آب می باشد لذا برای سیال پروپان با وزن مخصوص ۰.۵۵ می بایست اصلاح شود. در جواب این آقای مهندس می بایست عرض کرد که منحنی های عملکرد هد و دبی پمپ وابسته به نوع سیال نمی باشد. بدین معنی که برای یک پمپ سانتریفوژ فرقی نمی کند که چه سیالی را پمپاژ می کند. به عنوان مثال اگر در منحنی عملکرد هد و دبی، هد پمپ در دبی خاصی مثلاً ۱۰۰ متر گزارش شده باشد، چه سیال آب باشد، گازوئیل باشد، پروپان باشد و یا هر سیال دیگری باشد - البته نه سیالات خیلی لزج و یا سیالات غیر نیوتنی- پمپ سانتریفوژ آن سیال را ۱۰۰ متر به بالا پرتاب می کند. اما فشار خروجی پمپ متفاوت می باشد. بدین معنی فشار پمپ برابر است با حاصلضرب هد پمپ در وزن مخصوص سیال. یعنی اگر سیال سنگین باشد فشار پمپ بالا می رود و اگر سیال سبکتر باشد فشار خروجی پمپ - در همان هد ۱۰۰ متر - کمتر می باشد. در واقع هد یک خاصیت هندسی و فشار یک خاصیت فیزیکی می باشد که به مشخصه های فیزیکی سیال از جمله وزن مخصوص ارتباط دارد. بنابراین منحنی های عملکرد هد و دبی پمپ ارتباطی با نوع سیال ندارند - باز هم تکرار می کنم نه در حالتی که سیال خیلی لزج و یا غیر نیوتنی باشد- اما منحنی توان جذبی پمپ بر حسب دبی بسته به نوع سیال متفاوت می باشد. همانطور که قبلاً گفتیم توان جذبی پمپ وابسته به حاصلضرب فشار در دبی پمپ می باشد و از آنجا که فشار یک خاصیت فیزیکی - و نه هندسی - می باشد و به وزن مخصوص سیال ارتباط دارد لذا منحنی های عملکرد توان جذبی و دبی برای سیالات مختلف متفاوت می باشد." اين منحني ها توسط كارخانه سازنده پمپ و در شرايط آزمايشگاهي براي پمپ ترسيم مي شوند. سيال مورد استفاده جهت تست پمپ، آب در دماي محيط مي باشد. دليل استفاده از آب راحتي و در دسترس بودن آن است. در صورتي كه سيال پمپ شونده سيالي ديگر غير از آب باشد ، بايستي با استفاده از ضرايب تصحيح، اصلاحات لازم بر روي منحني عملكرد انجام شود. جهت محاسبه هد پمپها از فرمول زیر استفاده می شود که بطور وضوح نوع سیال استفاده شده در آن موثر است. پدیده کاویتاسیون در پمپها کاوبتاسیون، پدیده ای است که در آن کاهش فشار باعث تبخیر موضعی مایع و ایجاد حباب هایی شود.