Analyse van cavitatie in de waaier van een centrifugaalpomp

1. De aard van cavitatie
Cavitatie, een gecombineerd fysisch-chemisch destructief proces, vindt plaats in drie fasen:

Lokale verdamping: Wanneer de lokale druk bij de inlaat van de waaier of in de lagedrukzone onder de verzadigde dampdruk van de vloeistof bij de bedrijfstemperatuur daalt, gaat de vloeistof koken, waardoor er talrijke dampbellen (holtes) ontstaan.

Implosie en schade door bellen: Deze bellen worden door de stroming meegevoerd naar de hogedrukzone van de waaier, waar de omgevingsdruk sterk stijgt, waardoor ze vrijwel onmiddellijk imploderen. Deze implosie genereert intense schokgolven en microjets met een lokale druk van honderden megapascal, die binnen microseconden en over micron-schaalgebieden actief zijn.

Materiaalmoeheid en -erosie: Deze schokgolven raken het metalen oppervlak van de waaier herhaaldelijk (duizenden keren per seconde), waardoor mechanische vermoeidheid en corrosie optreden. Dit zorgt ervoor dat metaalkorrels geleidelijk losraken, wat leidt tot putjes, honingraatachtige structuren of sponsachtige erosie op het oppervlak.

2. Specifieke gevaren van cavitatie voor pompen

Prestatievermindering: Dampbellen blokkeren de stromingskanalen, verstoren de vloeistofcontinuïteit en veroorzaken een aanzienlijke daling van de pompdebiet, opvoerhoogte en efficiëntie, wat vaak een abrupte verandering in de prestatiecurve teweegbrengt.

Trillingen en lawaai: De heftige vorming en het ineenstorten van bellen veroorzaken ernstige trillingen van de pomp en karakteristieke knetterende of sissende geluiden, wat de stabiliteit en de werkomgeving in gevaar brengt.

Schade aan de waaier:

Mechanische putcorrosie: veroorzaakt de karakteristieke honingraaterosie.

Elektrochemische corrosie: De energie die vrijkomt tijdens het instorten van de waaier vernietigt de beschermende passieve laag (vooral cruciaal bij roestvrij staal), waardoor chemische corrosie wordt versneld. Deze gecombineerde aantasting leidt tot extreem snel materiaalverlies.

In ernstige gevallen kan dit leiden tot perforatie van de waaier en volledige uitval van de pomp.

Verkorte levensduur: Beschadiging van de waaier, in combinatie met versnelde slijtage van lagers en afdichtingen als gevolg van trillingen, verkort de onderhoudsintervallen en de algehele levensduur van de pomp aanzienlijk.

3. Identificatie en diagnose

Geluid: Een aanhoudend krakend, ploppend of sissend geluid uit de pomp, vergelijkbaar met het pompen van grind.

Prestatie: Bij constante snelheid en klepstand, een plotselinge of geleidelijke daling van de doorstroming, de persdruk (opvoerhoogte) en de motorstroom (vermogensafname).

Trillingen: Abnormaal hoge trillingsmetingen van de pomp, met name in de axiale richting.

Visuele inspectie: Bij demontage na gebruik is de kenmerkende honingraatstructuur zichtbaar aan de achterzijde van de inlaatranden van de schoepen (de lagedrukzone).

4. Primaire oorzaken (in circulerende watersystemen)

Onvoldoende beschikbare NPSH (NPSHa): De hoofdoorzaak.

Te hoge pomphoogte: De pomp is te hoog boven het vloeistofniveau geïnstalleerd.

Overmatige drukverliezen in de zuigleiding: Een te lange of te smalle zuigleiding, met te veel bochten of verstopte filters/zeven/voetkleppen, verhoogt het drukverlies.

Hoge vloeistoftemperatuur: Slechte warmteoverdracht of een hoge thermische belasting in het systeem verhoogt de watertemperatuur en de dampdruk, waardoor de NPSHa afneemt.

Lage systeemdruk: Drukschommelingen of onvoldoende suppletiewater in gesloten systemen verlagen de druk in het zuigvat.

Hoge pompvereiste NPSH (NPSHr):

Een gebrekkig intrinsiek pompontwerp of een ongunstige inlaatgeometrie van de waaier/een te hoge inlaatsnelheid.

Slijtage of verstopping van de waaier, waardoor het oorspronkelijke hydraulische ontwerp wordt aangetast.

5. Preventie en oplossingen

Optimaliseer het systeemontwerp (verhoog de NPSHa):

Verlaag de installatiehoogte van de pomp; gebruik waar mogelijk een aanzuiging met vloeistof onder water (vloeistofniveau boven de hartlijn van de pomp).

Optimaliseer de zuigleidingen: verkort ze, vergroot de diameter, minimaliseer het aantal fittingen/afsluiters en reinig filters/zeven regelmatig.

Regel de vloeistoftemperatuur: Zorg voor een efficiënte werking van koeltorens, warmtewisselaars, enz.

Stabiliseer de systeemdruk: Zorg voor de juiste druk en aanvulling in gesloten systemen.

Juiste selectie en aanpassing (NPSHr verlagen):

Selecteer pompen met ruime marge: Zorg voor een voldoende veiligheidsmarge (doorgaans ≥ 0,5-1,0 m) voor de NPSHa > NPSHr.

Kies voor cavitatiebestendige pompen: modellen met dubbele aanzuigwaaiers (lagere inlaatsnelheid) of inductiewaaiers.

Aanpassing van de waaier: Vervang de standaardwaaier door een anticavitatiemodel (met dikkere inlaatranden en speciale schoepen) of laat de inlaat van de standaardwaaier professioneel hervormen/onderfrezen tot een scherper, dunner profiel.

Bediening en onderhoud:

Verharding/Coating: Breng cavitatiebestendige materialen aan (bijv. kobaltlegeringen, wolframcarbide) door middel van lasercladding, plasmaspuiten of lasoverlay.

Polymeercoatings: Gebruik hoogwaardige epoxycoatings voor minder kritische toepassingen.

Beschadigde waaiers moeten zo snel mogelijk gerepareerd of vervangen worden.

Vermijd gebruik bij lage debieten: interne recirculatie bij lage debieten bevordert cavitatie. Werk binnen het optimale werkingsbereik (BEP) van de pomp.

Gebruik frequentieomvormers (VFD's): Door de pompsnelheid aanzienlijk te verlagen, daalt de NPSHr (evenredig met het kwadraat van de snelheid), een effectieve oplossing.

Oppervlaktebescherming en -reparatie:

Samenvatting
Waaiercavitatie in centrifugaalpompen is een systemisch probleem dat voortkomt uit een onevenwicht waarbij de beschikbare netto positieve zuighoogte (NPSHa) van het systeem onvoldoende is om te voldoen aan de vereiste netto positieve zuighoogte (NPSHr) van de pomp. De oplossing ligt in een tweeledige aanpak: het verhogen van het aanbod en het verlagen van de vraag – het verhogen van de NPSHa van het systeem en het verlagen van de NPSHr van de pomp. Door systematisch ontwerp, selectie, bediening en onderhoud kan cavitatie effectief worden voorkomen en beheerd.