Решение проблемы исключения кавитации на мобильных насосных станциях

Явление кавитации наносит оборудованию непоправимый вред, и необходимо исключать работу насосов в данном режиме. Для этого уровень установки стационарных насосных станций стараются максимально опускать по отношению к уровню забираемой жидкости. Идеальный вариант, когда насос находится «под заливом». Мобильные насосные станции практически всегда находятся выше уровня воды. А это требует четкого определения допустимой высоты всасывания без угрозы возникновения кавитации.

Кавитация возникает, если давление в насосе падает до уровня давления насыщенных паров жидкости при соответствующей температуре. Давление насыщенных паров воды при температуре жидкости 20℃ - примерно 0,02 бар, при температуре 70℃ - 0,31 бар, при 100℃ - 1,0 бар. (все мы знаем при какой температуре кипит чайник).

Причиной кавитации являются пузырьки пара и газа, которые образуются в зоне входа на лопатки рабочего колеса при падении давления до уровня насыщенных паров, далее попадая в сечение с повышенным давлением эти пузырьки мгновенно схлопываются. Это приводит к эрозии металла, возникновению вибрации и шума. Разные материалы имеют различную стойкость к действию кавитации. Но исключить разрушительное действие кавитации полностью даже при использовании таких дорогостоящих материалов, как нержавеющая сталь, бронза и титан, не представляется возможным.

Поэтому при подборе насосов важнейшим параметром является значение кавитационного запаса (∆h, NPSHr) – это то минимальное давление, которое должно оставаться при входе во всасывающий патрубок насоса, с учетом превышения давления насыщенных паров. Давление насыщенных паров жидкости, как было сказано выше может меняться.

Значение кавитационного запаса зависит от параметров насоса в каждой конкретной рабочей точке – прежде всего расхода, влияние напора не столь значительно. При повышении расхода у всех насосов растет значение кавитационного запаса. По отношению к повышению давления значение NPSHr у вариантов насосов может меняться по разному – увеличиваться, уменьшаться или быть постоянным.

Максимальная высота всасывания насоса (от оси насоса до уровня жидкости) без угрозы возникновения кавитации определяется вычитанием из атмосферного давления значения кавитационного запаса, давления насыщенных паров перекачиваемой жидкости соответствующей температуры, потерь давления во всасывающей линии и дополнительного запаса. Этот дополнительный запас мы принимаем равным 1 м, он необходим на случаи падения атмосферного давления, погрешности определения потерь давления во всасывающей линии и других неучтенных факторов.

Уровень установки стационарных насосных станций стараются максимально опускать по отношению к уровню воды. Идеальный вариант, когда насос находится «под заливом». Мобильные насосные станции практически всегда находятся выше уровня забираемой жидкости. А это требует профессионального проектирования всасывающей линии, вакуумной системы заполнения насоса, четкого определения допустимой высоты всасывания без угрозы возникновения кавитации.

Следует так же отметить, что в передвижных насосных станциях ось насоса находиться выше уровня земли (поверхности установки насоса). Это расстояние зависит от конструктивных особенностей насосной станции – наличия шасси, размеров самого насоса, двигателя, размеров и расположения топливного бака. На большинстве стандартных ДНС производства МЗ «Поток» это превышение составляет примерно 1,2 м.

При обработке Запросов на насосы по каждому случаю делается гидравлический расчет напорной линии для уточнения рабочих точек (расхода, напора) предлагаемого насоса и определения значения кавитационного запаса для расчета максимально возможной высоты всасывания.

Так, например, был Запрос на подбор насоса для перекачивания сточной воды через шланг длиной 200 м, 130 м и 65 м. В этом случае один насос не может обеспечить данные параметры только изменением рабочих оборотов двигателя без попадания в зону кавитации. И в этом случае пришлось оборудовать насосную станцию задвижкой на напорной линии для возможности уменьшения расхода для работы при самой короткой длине шлангов с целью предотвращения возникновения кавитации.

В горных условиях при значительном превышении над уровнем моря учитывается уменьшение атмосферного давления. При подборе насосов для угледобывающего предприятия в Якутии расчетная высота всасывания получилась на 1,2 м меньше из-за значения атмосферного давления на высоте 1100 м над уровнем моря. 

Встречаются Запросы, в которых требуется перекачивание горячей воды, но в этом случае, например, при 70℃ высота всасывания уменьшится на 3 м. В таких условиях не может быть обеспечена работа насоса без кавитации при заборе из глубоких колодцев, котлованов. Для этого должны быть разработаны другие решения оборудования всасывающей линии с применением погружных насосов, эжекторов. Важным фактором, влияющим на максимально возможную высоту всасывания, является конструкция всасывающей линии. Длина всасывающих линий на мобильных насосных станциях, как правило, ограничена 18 метрами. Допустимые скорости движения во всасывающей линии в этом случае принимаются до 3 м/с для сокращения роста потерь давления по длине, что регулируется ее диаметром. Тут следует отметить, что на дизельных мобильных насосных станциях при смене позиций для забора жидкости приходится опускать всасывающий шланг, имеющий значительный вес. Всасывающие линии, поставляемые «МЗ «Поток», состоят из отрезков шлангов длиной 6 м с быстросборными соединениями. Для облегчения опускания всасывающей линии ДНС может быть снабжена грузоподъемной стрелой.

При больших расходах может потребоваться всасывающая линия из нескольких веток шлангов, так как для соблюдения допустимой скорости движения одна всасывающая линия потребовалась бы огромного диаметра. Но при нескольких ветках линии возникает проблема местных потерь давления при изменениях диаметров, поворотах и соединении потоков. Эти потери достаточно велики и при проектировании всасывающей линии требуется предусмотреть решения по их уменьшению – плавные повороты, уменьшение углов встречи потоков, конфузоры. При увеличении диаметров с дифузорами не все так просто. Их применение эффективно только при маленьких углах 6-8%, а это возможно при очень большой их длине. При больших углах дифузора потери напора могут становиться даже больше, чем при резкой смене диаметров.

Кавитация теоретически может возникнуть и в бустерных (подкачивающих) насосных станциях) при их установке на шланговой линии, в местах где остаточное давление падает до значений, равных сумме значений кавитационного запаса и давления насыщенных паров. Но для исключения этого бустерные насосные станции «МЗ «Поток» обязательно снабжаются автоматикой, не позволяющей включить двигатель насоса при давлении на входе менее 1,5 бар.

При выборе насоса для передвижной насосной станции важнейшим вопросом является обеспечение его бескавитационного режима работы при максимально возможном падении уровня забираемой жидкости. При этом требуются профессиональные технологические, конструктивные решения всасывающей линии, которые могут решить специалисты «МЗ «Поток».