Cavitatie grootste bedreiging voor functioneren pomp

Vroegtijdige detectie door monitoring helpt schade voorkomen

Met stip bovenaan in de top 10 van pompellende staat het fenomeen cavitatie dat, indien onbehandeld, onder meer kan leiden tot (ernstige) pompstoringen, beschadigingen aan de pompbehuizing en/of de waaier, geluidsoverlast en overmatig energieverbruik. Gelukkig heeft de techniek ook daarvoor een oplossing weten te vinden: cavitatie monitoring.

(Dis)functioneren

Slecht functioneren kan leiden tot (blijvende) schade aan de pomp zelf en/of de daaraan gekoppelde apparatuur. Tot de probleemveroorzakers behoren onder meer:

• lekkages in afdichtingen, pakkingen en/of leidingen;
• insluiting van lucht of gas;
• puin of sediment in de te verpompen vloeistof.

Vaak zijn deze problemen het gevolg van ontwerpfouten, specificatiefouten (bijvoorbeeld een te lage NPSH) en/of een onjuiste uitlijning (bijvoorbeeld het niet correct uitlijnen van de pomp en de motor). Ook veranderende procesparameters kunnen problemen geven. Een voorbeeld daarvan is het bouwen van een tweede tank waarbij de afstand tot de pomp groter wordt, maar de diameter van de aanvoerleiding niet. De remedie is dan het verlagen van het toerental of het aanpassen van de zuigcondities, dit laatste door de diameter van de zuigleiding te vergroten dan wel een tweede pomp dichter bij de tank te plaatsen.

Begrippenkader
Debiet: een maat voor de hoeveelheid vloeistof/gas die er per tijdseenheid stroomt door een bepaalde doorsnede van een pijp, buis of leiding, doorgaans uitgedrukt in liters per seconde (l/s) of kubieke meter per uur (m³/h).
Microjets: kleine, bijzonder krachtige stralen die in een vloeistof ontstaan als gevolg van de implosie van damp- of gasbellen. De bel wordt vanaf de kant met de hoogste druk gepenetreerd met snelheden van honderden meters per seconde.
NPSH, een samentrekking van Net Positive Suction Head: een parameter die de drukomstandigheden beschrijft aan de zuigzijde van de pomp:
 - NPSHa is de werkelijke drukhoogte beschikbaar aan de zuigzijde van de pomp;
 - NPSHr is de minimale drukhoogte nodig om cavitatie te voorkomen.
Pitting of putcorrosie: een vorm van corrosie waarbij kleine, diepe gaatjes/putjes ontstaan op het materiaaloppervlak. Hoewel ze relatief klein zijn kunnen ze het betreffende materiaal in ernstige mate beschadigen en verzwakken.
Stromingsdynamica: vakgebied dat de parameters snelheid, druk, dichtheid en temperatuur van bewegende vloeistoffen (vloeistofdynamica) of gassen (gasdynamica) bestudeert teneinde inzicht te verkrijgen in stromingspatronen en in fenomenen als turbulentie en weerstand.

Verloop cavitatie

Zonder twijfel bovenaan in de Top-10 van probleemveroorzakers staat het fenomeen cavitatie, dit vanwege de verstrekkende gevolgen ervan voor de efficiëntie, de betrouwbaarheid en de levensduur van een pomp. Wanneer de lokale druk in een vloeistof daalt tot onder de dampdruk vormen zich cavitatiebellen, veelal op plaatsen waar de stromingssnelheid hoog en de druk laag is, bijvoorbeeld aan de zuigzijde van de pomp. Deze bellen groeien zolang de heersende druk zich onder de dampdruk bevindt. Daar waar een hogere druk heerst, bijvoorbeeld aan de drukzijde van de pomp, stijgt de druk weer tot boven de dampdruk en storten de bellen snel in of imploderen. Dit imploderen creëert krachtige schokgolven en microjets.

Cavitatiebellen groeien zolang de druk onder de dampdruk blijft

Drukdaling

De daling van de lokale druk tot onder de dampdruk is gerelateerd aan de stromingsdynamica en de ontwerpkenmerken van de pomp of het systeem. Oorzaken kunnen zijn:

• lokale toename van de vloeistofsnelheid bij passage van een smalle doorgang of obstakel, leidend tot een drukstijging aan de zuigzijde of in smalle leidinggedeelten;
• daling van de druk aan de zuigzijde door een te lage NPSH-waarde, bijvoorbeeld door een te hoge weerstand in de zuigleiding;
• verlaging van de dampdruk door hoge temperaturen: de kans op cavitatie neemt toe doordat de vloeistof dan gaat koken;
• turbulentie met fluctuaties in druk en snelheid. Cavitatiebellen verspreiden zich onder invloed van de turbulentie sneller en imploderen bovendien krachtiger en onregelmatiger;
• een hoge weerstand in kleppen en/of leidingen die lokale drukverlagingen veroorzaken. Dit is met name het geval in de zuigleiding van een pomp.

Vloeistoffen met een verhoogd cavitatie-risico
- aceton (propanon), heeft een zeer hoge dampdruk met als gevolg dat het snel verdampt;
- alcoholen beschikken over relatief hoge dampdrukken en lage viscositeiten;
- benzine en lichte olie hebben hogere dampdrukken dan een groot aantal andere vloeistoffen, een eigenschap die van belang is in brandstofpompen en injectiesystemen;
- water, de dampdruk hiervan stijgt aanzienlijk met de temperatuur, vandaar dat het cavitatie-risico toeneemt bij hogere temperaturen.
Bij vloeistoffen waarin een gas is opgelost, bijvoorbeeld CO₂ in koolzuurhoudende dranken, kan cavitatie optreden wanneer de druk (te) snel wordt verlaagd.

Soorten cavitatie

• inertiecavitatie ontstaat door plotselinge veranderingen in de stroomsnelheid van de vloeistof, bijvoorbeeld door een snelle drukverandering of schokgolf. De aldus ontstane cavitatiebellen imploderen;
• structurele cavitatie is het gevolg is van turbulentie rondom bijvoorbeeld randen of spleten, iets waarmee al in de ontwerpfase rekening moet worden gehouden;
• turbulente cavitatie ontstaat wanneer in de vloeistofstroom door hoge snelheden of in bochten turbulentie ontstaat. Het imploderen gaat daarbij met substantiële krachten gepaard;
• wervelcavitatie treedt op bij drukverlaging in snel roterende vloeistoffen. Door snelheidsgradiënten vormen zich zogeheten wervels met in het hart daarvan een lagedrukzone.

Twee vormen van cavitatie verdienen bijzondere aandacht, dit vanwege hun impact op de werking en de integriteit van pompen en eventueel die van de overige apparatuur:

Afvoercavitatie

Dit verschijnsel – ook wel aangeduid als uitlaat- of dischargecavitatie – kan optreden wanneer de druk bij de afvoer (te) hoog is, bijvoorbeeld daar waar de vloeistofstroom een smalle opening of een regelklep passeert.

Verloop

Wanneer de vloeistof door een nauwe opening of een klep stroomt, neemt de snelheid toe conform de wetten van de stromingsdynamica. Hierdoor daalt de druk lokaal, en zodra deze onder de dampdruk van de vloeistof komt, kunnen er dampbellen ontstaan. Stromen deze door naar een gebied met hogere druk, dan imploderen ze, wat leidt tot de vorming van microjets en schokgolven.

Gevolgen

Bij afvoercavitatie kan erosie optreden van en pitting (zie Begrippenkader) aan de oppervlakken van hydraulische componenten als kleppen en leidingen. Dit kan weer leiden tot een verminderde efficiëntie en betrouwbaarheid van het systeem, verhoogde geluidsproductie en trillingen, en dit gaat onherroepelijk ten koste van de levensduur.

Preventie

Preventiemaatregelen zijn:

• in het ontwerp abrupte stromingsveranderingen en hoge snelheden tot een minimum te beperken;
• verhoging van de druk aan de uitgang, bijvoorbeeld door verhoging van het toerental dan wel door te kiezen voor een seriële dan wel parallelle pompopstelling;
• verlaging van de vloeistofsnelheid, bijvoorbeeld via leidingen met een grotere diameter;
• verlaging van de stroomsnelheid, bijvoorbeeld door het gebruik van regelkleppen of bypass-systemen.

Zuigcavitatie

Dit verschijnsel – ook wel aangeduid als zuigzijdige of suctiecavitatie – kan optreden daar waar de vloeistof de pomp binnenkomt (de zuigzijde, vandaar ook de naam) wanneer deze werkt onder lage druk- of hoogvacuümomstandigheden.

Verloop

De lage druk laat de vloeistof koken, waardoor damp- of cavitatiebellen in de vloeistofstroom ontstaan. Aangekomen in een gebied waar een hogere druk heerst, bijvoorbeeld in de pompwaaier, zullen deze door de drukverhoging imploderen. Dit gaat gepaard met kleine, maar krachtige schokgolven en microjets, die schade kunnen veroorzaken aan de waaier en andere interne onderdelen.

Gevolgen

Zie afvoercavitatie.

Preventie

Preventiemaatregelen zijn:

• kiezen voor een pomp met een geschikte NPSH-vereiste (NPSHr, zie Begrippenkader) die past bij de operationele omstandigheden en de vloeistofkenmerken;
• vergroting van de diameter van de zuigleiding, beperking van de lengte ervan en het vermijden van bochten/scherpe knikken;
• periodiek onderhoud aan de pomp teneinde beïnvloeding van de zuigdruk door bijvoorbeeld verstoppingen en/of slijtage te voorkomen.

Flashing
Flashing en cavitatie zijn beide fenomenen die optreden in vloeistoffen onder een bepaalde druk en bij zekere temperatuuromstandigheden, maar hun oorzaken en gevolgen verschillen.
Bij flashing is sprake van plotse verdamping van een vloeistof als gevolg van een drukverlaging, bijvoorbeeld na het passeren van een klep of van een plotse opening in het leidingsysteem. In tegenstelling tot cavitatie implodeert de dampbel daarbij niet, maar blijft deze in de dampfase zolang de druk laag blijft. Door de hoge snelheid van de damp kan vervolgens schade aan leidingen en/of apparatuur ontstaan.

Cavitatie monitoring

Cavitatie monitoring is essentieel voor het tijdig detecteren van schade aan pompen en andere hydraulische systemen.

Te hanteren technieken

Drukmeting

• persdrukbewaking – drukmonitoring aan de perszijde – helpt bij het detecteren van drukverhogingen die een indicatie kunnen zijn voor cavitatie;
• zuigdrukbewaking – drukmonitoring aan de zuigzijde – registreert of de druk niet onder de dampdruk van de vloeistof daalt.

Flowmeting

Het met behulp van flowmeters monitoren van de stroomsnelheid en het debiet (zie Begrippenkader). Afwijkende waarden kunnen een aanwijzing zijn voor onder meer verstoppingen of turbulentie.

Cavitatie monitoring is essentieel voor het tijdig detecteren van schade aan pompen en andere hydraulische systemen

Temperatuurmetingen

De implosie van cavitatiebellen kan lokale temperatuurverhogingen veroorzaken die met behulp van temperatuursensoren registreerbaar zijn.

Trillingsmetingen

Cavitatie kan resulteren in verhoogde trillingen in de pomp en de aangrenzende leidingen. Dergelijke trillingen kunnen met behulp van trillingsensoren worden vastgelegd, bijvoorbeeld met behulp van een condition monitoring transmitter, zie de afbeelding.

Ultrasone metingen

Ultrasone sensoren worden gebruikt voor de detectie van door cavitatie gegenereerde geluidsgolven (frequentie > 20 kHz); de waarden zijn tevens een indicatie voor de intensiteit van cavitatie.

Visuele inspectie

In het systeem aangebrachte inspectieluiken maken het mogelijk de gevolgen van cavitatie voor de pompcomponenten – erosie, pitting – al in een vroeg stadium vast te stellen.

Een combinatie van deze methoden en technieken en de analyse van de daaruit verkregen resultaten stellen specialisten op het gebied van cavitatie in staat de aanwezigheid en de ernst van het probleem nauwkeurig beoordelen en de nodige maatregelen te nemen teneinde de schade te minimaliseren en de efficiëntie van de systemen te behouden.

Frequentie

In principe zijn er twee methoden van monitoring: incidentele monitoring, waarbij de gegevens periodiek worden verzameld en permanente monitoring, waarbij dit continu (24/7) gebeurt. Permanente cavitatie monitoring biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van de incidentele variant met name in termen van vroege detectie, betrouwbare gegevensverzameling, verbeterde systeemveiligheid, en geoptimaliseerd onderhoud.

Met medewerking van Istec en Watson-Marlow Fluid Technology Solutions