Analisi della cavitazione della girante della pompa centrifuga

1. La natura della cavitazione
La cavitazione, un processo distruttivo fisico-chimico combinato, si verifica in tre fasi:

Vaporizzazione locale: quando la pressione locale all'ingresso della girante o nella zona di bassa pressione scende al di sotto della pressione di vapore saturo del liquido alla sua temperatura di esercizio, il liquido bolle, generando numerose bolle di vapore (cavità).

Collasso e danneggiamento delle bolle: queste bolle vengono trasportate dal flusso nella zona ad alta pressione della girante, dove la pressione circostante aumenta bruscamente, causandone l'implosione quasi istantanea. Questo collasso genera intense onde d'urto e microgetti con pressioni localizzate che raggiungono centinaia di megapascal, agendo nell'arco di microsecondi e su aree di dimensioni micrometriche.

Fatica ed erosione del materiale: queste onde d'urto colpiscono ripetutamente la superficie metallica della girante (migliaia di volte al secondo), inducendo fatica meccanica e corrosione. Ciò provoca il progressivo distacco dei grani metallici, causando erosione superficiale a scaglie, a nido d'ape o spugnosa.

2. Rischi specifici della cavitazione per le pompe

Degrado delle prestazioni: le bolle di vapore ostruiscono i canali di flusso, interrompono la continuità del fluido e causano un calo significativo della portata, della prevalenza e dell'efficienza della pompa, creando spesso una rottura nella curva delle prestazioni.

Vibrazioni e rumore: la formazione violenta e il collasso delle bolle provocano forti vibrazioni della pompa e caratteristici rumori scoppiettanti o sibilanti, compromettendo la stabilità e l'ambiente di lavoro.

Danni alla girante:

Vaiolatura meccanica: crea la caratteristica erosione a nido d'ape.

Corrosione elettrochimica: l'energia rilasciata durante il collasso distrugge lo strato protettivo passivo della girante (particolarmente critico per l'acciaio inossidabile), accelerando la corrosione chimica. L'attacco combinato porta a una perdita di materiale estremamente rapida.

Nei casi più gravi si può verificare la perforazione della girante e il guasto completo della pompa.

Durata di vita ridotta: i danni alla girante, uniti all'usura accelerata dei cuscinetti e delle guarnizioni dovuta alle vibrazioni, riducono drasticamente gli intervalli di manutenzione e la durata complessiva della pompa.

3. Identificazione e diagnosi

Suono: un rumore persistente di tipo "crepitio, " "scoppietto, " o "sibilo proveniente dalla pompa, simile al pompaggio di ghiaia.

Prestazioni: a velocità e posizione della valvola costanti, si verifica un calo improvviso o graduale della portata, della pressione di mandata (prevalenza) e della corrente del motore (assorbimento di potenza).

Vibrazioni: Valori di vibrazione della pompa anormalmente elevati, soprattutto in direzione assiale.

Ispezione visiva: lo smontaggio post-operazione rivela la caratteristica vaiolatura a nido d'ape sul retro dei bordi di ingresso della pala (la zona di bassa pressione).

4. Cause primarie (nei sistemi di circolazione dell'acqua)

NPSH disponibile insufficiente (NPSHa): la causa principale.

Elevazione eccessiva della pompa: la pompa è installata troppo in alto rispetto al livello del liquido di alimentazione.

Perdite eccessive nella linea di aspirazione: le tubazioni di aspirazione troppo lunghe, strette, con troppi gomiti o con filtri/filtri/valvole di fondo intasati aumentano la caduta di pressione.

Elevata temperatura del liquido: uno scarso scambio termico o un elevato carico termico nel sistema aumentano la temperatura dell'acqua e la sua pressione di vapore, riducendo l'NPSHa.

Bassa pressione del sistema: le fluttuazioni di pressione o l'insufficiente quantità di acqua di reintegro nei sistemi chiusi abbassano la pressione del recipiente di aspirazione.

NPSH richiesto dalla pompa (NPSHr):

Progettazione intrinseca della pompa scadente o geometria di ingresso della girante sfavorevole/elevata velocità di ingresso.

Usura o intasamento della girante, che compromette il progetto idraulico originale.

5. Prevenzione e soluzioni

Ottimizzare la progettazione del sistema (aumentare NPSHa):

Ridurre l'altezza di installazione della pompa; utilizzare, ove possibile, un'aspirazione allagata (livello del liquido sopra la linea centrale della pompa).

Ottimizzare le tubazioni di aspirazione: accorciare la lunghezza, aumentare il diametro, ridurre al minimo raccordi/valvole e pulire regolarmente filtri/filtri.

Controllo della temperatura del liquido: garantire il funzionamento efficiente di torri di raffreddamento, scambiatori di calore, ecc.

Stabilizzare la pressione del sistema: mantenere una corretta pressurizzazione e reintegro nei sistemi chiusi.

Selezione e modifica appropriate (riduzione di NPSHr):

Selezionare pompe con ampio margine: garantire NPSHa > NPSHr con un margine di sicurezza sufficiente (in genere ≥ 0,5-1,0 m).

Scegli pompe resistenti alla cavitazione: modelli con giranti a doppia aspirazione (velocità di ingresso inferiore) o palette induttrici.

Modifica della girante: sostituire la girante standard con un modello anticavitazione (caratterizzato da bordi di ingresso più spessi e profili aerodinamici speciali) oppure rimodellare/tagliare professionalmente l'ingresso della girante standard con un profilo più affilato e sottile.

Funzionamento e manutenzione:

Rivestimento duro/Rivestimento: applicare materiali resistenti alla cavitazione (ad esempio leghe a base di cobalto, carburo di tungsteno) tramite placcatura laser, spruzzatura al plasma o sovrapposizione di saldatura.

Rivestimenti polimerici: utilizzare rivestimenti epossidici ad alte prestazioni per applicazioni meno critiche.

Le giranti danneggiate devono essere riparate o sostituite tempestivamente.

Evitare il funzionamento a bassa portata: il ricircolo interno a basse portate favorisce la cavitazione. Operare entro l'intervallo operativo preferito (BEP) della pompa.

Utilizzare azionamenti a frequenza variabile (VFD): riducendo la velocità della pompa si riduce significativamente il suo NPSHr (proporzionale al quadrato della velocità), una soluzione efficace.

Protezione e riparazione delle superfici:

Riepilogo
La cavitazione della girante nelle pompe centrifughe è un problema sistemico derivante dallo squilibrio per cui la prevalenza netta di aspirazione disponibile (NPSHa) del sistema non è sufficiente a soddisfare la prevalenza netta di aspirazione richiesta (NPSHr) della pompa. La soluzione risiede in un duplice approccio: aumentare l'offerta e ridurre la domanda, migliorando l'NPSHa del sistema e riducendo al contempo l'NPSHr della pompa. Attraverso una progettazione, una selezione, un funzionamento e una manutenzione sistematici, la cavitazione può essere efficacemente prevenuta e gestita.