配管システムのキャビテーションを防ぐ方法と理由

キャビテーションは、エンジニア、メンテナンス専門家、ポンプ システムを扱うすべての人にとってホットなトピックですが、それには十分な理由があります。 この状態には原因が複雑で特定が難しく、その影響は機器、システムの完全性、および運用全体に壊滅的な影響を及ぼす可能性があります。

遠心ポンプで動作するシステムでは、キャビテーションの防止はチーム全員の努力が必要です。 システムを構築する前に、システム設計と正味吸引ヘッド (NPSH) に関する計算から始まります。 ポンプの選択、流体温度、および安全保護コンポーネントの組み込みはすべて、システム内のキャビテーションを防ぐことができる要因です。

外部観察者の観点からは、システムの音を聞くだけでキャビテーションを検出できることがよくあります。 システム内の液体が沸騰しているような音がすることがあります。 気泡がはじける素早い繰り返しの音は、配管システムに何か問題があることを示す確実な兆候です。 リスナーの中には、キャビテーションがコーヒー豆やシステム内の砂利のような音だと表現する人もいます。

しかし、そのノイズを引き起こすためにシステム内部で実際に何が起こっているのでしょうか? キャビテーションは、ポンプで送られる流体内で蒸気ポケットが急速に形成され、爆縮することです。 爆縮によって衝撃波が発生し、液体中を伝わり、機器に損傷を与えます。

キャビテーション プロセスは、配管システムの繊細で高度に設計されたコンポーネントに大損害を与える可能性があります。 ポンプのインペラ、ケーシング、配管、その他の機器には、孔食、浸食、その他の損傷が発生し、これらのコンポーネントが正しく機能しなくなる可能性があります。 この損傷により、個々のシステム コンポーネントやシステム全体の寿命が短くなる可能性もあります。

一部のシステムでは、他のシステムよりもキャビテーションが発生する可能性がはるかに高くなります。 スラリーではなく液体をポンピングするシステムでは、キャビテーションのリスクが高くなります。 水などのシステム流体が薄いと、システムがキャビテーションに直面しやすくなります。 高温で圧送される流体を使用するアプリケーションでは、キャビテーションを回避するためにさらに多くの措置を講じる必要があります。

キャビテーションを理解するには、最も基本的な調理概念の 1 つである水を沸騰させることから始めるのが最も簡単です。 キッチンで水を沸騰させるとき、熱が必要になります。 水を沸騰させるには、212 F (100 C) まで加熱する必要があります。

しかし、その正確な温度に加熱することだけが、沸騰と呼ばれる急速な蒸発を引き起こす唯一の方法ではありません。 212 F は調理で一般的に使用される沸点ですが、科学的には、沸点は液体の蒸気圧が液体の周囲の圧力と等しくなる温度です。

家庭料理人でもプロのシェフでも、キッチン環境で液体の蒸気圧を操作することは考えられません。 そのため、212 F という基準が比較的広く使用されています (ただし、非常に高い標高にあるキッチンでは水圧の変化の影響を受け、異なる沸点が使用される可能性があります)。

産業システムでは、流体圧力はポンピングプロセスの各段階を通じて変化します。 最も一般的に、流体はポンプ内で大きな圧力変化を経験します。 流体が引き込まれると、すぐに加圧され、インペラを出てポンプ出口に移動するときに圧力が大幅に低下します。 この急速に変化する圧力は流体の沸点に影響を与え、キャビテーションが発生する理想的な環境を作り出す可能性があります。

キャビテーションの重要なニュアンスの 1 つは、プロセス中に蒸気ポケットが実際に内破するという事実です。 これらの爆縮は、ポンプで送られる流体を通して強い衝撃波を送り出し、システムのコンポーネントに損傷を与える可能性があります。 これらの衝撃波は、ポンプのインペラやポンプ ケーシングだけでなく、配管やシステムの他の部分も侵食したり、クレーターを引き起こす可能性があります。

ポンプの出口セクションはキャビテーションが発生する最も一般的な場所ですが、技術的には、圧力降下の大きなシステムのどの部分でも発生する可能性があります。 システムには非常に急速に流体が移動する領域が多く存在することが多いため、システムの複数の部分でキャビテーションが懸念される可能性があります。

当然のことながら、システム オペレーターは、機器に対して行った投資を保護したいと考えています。 ポンプやその他の高度に設計されたコンポーネントや特注のコンポーネントには、最高の状態でパフォーマンスを維持するために厳格なメンテナンスと修理のスケジュールが設定されています。 オペレータが最も望まないことは、機器に積極的な損傷を与える状態でシステムが動作することです。

キャビテーションは、ポンプのインペラやケーシング内で孔食や材料の除去を引き起こす可能性があります。 コンポーネントの表面の変化により、システム全体のパフォーマンスが最適化されません。 インペラまたはケーシングは、予定よりもはるかに早く交換する必要があります。

このタイプの損傷のもう 1 つの危険は、ポンプ コンポーネントから材料が除去されることにより、ポンプで送られる流体に材料が混入する可能性があることです。 システムによっては、ポンプの構成材料が流体中に微量でも含まれると、製品に悪影響を与える可能性があります。

キャビテーションの防止は、システムの計画段階から始まります。 NPSH 計算は、システムにキャビテーションが発生する機会を確実になくすのに役立ちます。 すべてのポンプには必要な NPSH 量 (NPSHr) が設定されているため、システムには常に NPSHr を超える利用可能な NPSH レベル (NPSHa) が必要です。 ポンプ メーカーはすべてのポンプに NPSHr を提供するため、システム設計者は機器の選択プロセス中にそれを考慮に入れることができます。

温度制御を考慮してシステムを設計することもできます。 流体の温度が低いほど、たとえ圧力の変化によって沸点が低くなったとしても、沸点に到達する可能性は低くなります。 冷却液をポンピングすると、システム内のキャビテーションの問題を防ぐことができます。

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特定の種類の機器は、システムがキャビテーションやその他の望ましくない状態を回避するのにも役立ちます。 最も慎重に設計されたシステムであっても、実際の運用では予期せぬ問題に遭遇する可能性があります。 物事が計画どおりに進まない場合、メンテナンスの専門家やエンジニアは、キャビテーションが引き起こす可能性のある重大な損傷の一部を回避できるオプションを必要とします。

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