لماذا يحدث التكهف حتى عندما يبدو ضغط السحب السلبي كافياً؟

من أكثر السيناريوهات إحباطًا لمهندس أو مشغل المضخة هو سماع الضجة المميزة الشبيهة بالحصى للتكهف من مضخة يجب، حسب جميع الحسابات، أن تعمل بسلاسة. تفحص أوراق البيانات، وتعيد النظر في منحنيات النظام، والأرقام تحكي قصة واضحة: صافي الارتفاع الإيجابي للسحب المتاح (NPSHa) لديك أكبر من صافي الارتفاع الإيجابي للسحب المطلوب (NPSHr). نظريًا، يجب أن يكون التكهف مستحيلًا.

ومع ذلك، تهتز المضخة، ويتذبذب التدفق، ويتزايد الضرر.

ينبع هذا الارتباك من سوء فهم أساسي: معاملة NPSH على أنه حساب ثابت ونقطة أحادية بدلاً من كونه متغير نظام ديناميكي. يشرح هذا المقال سبب فشل NPSH [الكافي] على الورق غالبًا في العالم الحقيقي، مستكشفًا الخسائر الخفية، والظروف الديناميكية، وسلوكيات السوائل التي تغفل عنها الحسابات القياسية.

تذكير سريع: ما هو التكهف؟

قبل الخوض في [السبب،] دعنا نسترجع بإيجاز [المقصود.] يحدث التكهف في المضخات الطاردة المركزية عندما ينخفض ضغط السائل عند عين المروحة عن ضغط بخاره.

عندما يحدث هذا، يتحول السائل فجأة إلى بخار، مكونًا فقاعات صغيرة. عندما تنتقل هذه الفقاعات إلى مناطق ذات ضغط أعلى داخل المروحة، تنهار بعنف. هذا ليس مجرد فرقعة لطيفة؛ يولد الانهيار موجات صدمية شديدة تسبب تآكل المعدن، واهتزازات كبيرة، وتقلل من الأداء الهيدروليكي. تشمل الأعراض النموذجية ضوضاء تشبه ضخ كرات الرخام، وضغط تفريغ غير منتظم، وفي النهاية، فشل ميكانيكي في الأختام والمحامل.

فهم NPSH: النظرية مقابل الواقع

لحل لغز التكهف غير المتوقع، يجب أن ننظر إلى كيفية تعريف NPSH مقابل كيفية سلوكه.

NPSHa (المتاح):الضغط المطلق عند منفذ الشفط للمضخة، مطروحًا منه ضغط بخار السائل. هذا هو ما يوفره نظامك.

NPSHr (المطلوب):أقل ضغط مطلوب عند منفذ الشفط لمنع المضخة من التكهف. هذا هو ما يحدده الصانع.

يكمن الانفصال الحرج في كيفية تحديد NPSHr. إنها قيمة قياسية معملية، تُعرّف عادةً كنقطة تكون فيها المضخة قد فقدت بالفعل 3٪ من إجمالي ارتفاعها بسبب التكهف. هذا يعني أنه عند قيمة NPSHr الدقيقة، تكون المضخةبالفعلتتكهف قليلاً. إن الحساب الثابت الذي يطابق فقط NPSHa مع NPSHr لا يوفر أي هامش أمان ضد التقلبات في العالم الحقيقي.

لماذا قد لا يكون NPSH [الكافي] على الورق كافيًا

مجرد وجود NPSHa > NPSHr هو الحد الأدنى المطلق، وليس المعيار الذهبي.

افتراضات هامش الأمان

يفترض العديد من مصممي النظام أن هامشًا بمقدار 1-2 قدم يكفي. في تطبيقات المياه النظيفة المستقرة، قد يكون كذلك. لكن في الأنظمة الصناعية المعقدة، يختفي هذا الهامش الضيق بسرعة. تتطلب الأنظمة الحقيقية هامش أمان قويًا — غالبًا ما يكون بنسبة 1.1 إلى 1.3 ضعف NPSHr — لمراعاة المتغيرات غير المتوقعة.

تأثير نقطة التشغيل

NPSHr ليس خطًا مستقيمًا؛ بل ينحني بشكل حاد نحو الأعلى مع زيادة التدفق. إذا كان مضختك تعمل على يمين نقطة أفضل كفاءة (BEP)، فإن ضغط الشفط المطلوب يزداد بشكل كبير، مما قد يلتهم هامش الأمان المحسوب.

تأثيرات NPSH المعتمدة على التدفق

معدل التدفق هو المتغير الذي يتغير في أغلب الأحيان، ومع ذلك تفترض الحسابات غالبًا نقطة تصميم ثابتة.

التدفق الأعلى يزيد NPSHr:مع زيادة سرعة التدفق، تزداد خسائر الاحتكاك في خط الشفط (مما يقلل NPSHa)، بينما تزداد السرعة داخل المضخة (مما يرفع NPSHr). يمكن لهذين المنحنيين أن يتقاطعا بشكل غير متوقع إذا عملت المضخة بمعدل تدفق أعلى من المخطط له.

التشغيل بعيدًا عن نقطة أفضل كفاءة (BEP):تُصمم المضخات لاستقبال السائل بسلاسة عند نقطة أفضل كفاءة (BEP). عند التدفقات المنخفضة (التجويف الناتج عن إعادة التدوير) أو التدفقات العالية، تصبح زاوية الورود بين السائل وريش المروحة غير فعالة، مما يخلق مناطق ضغط منخفض موضعية تُحفز التجويف، بغض النظر عن قراءة مقياس الشفط.

خسائر جانب الشفط غالبًا ما تُستهان بقيمتها

تستخدم الحسابات القياسية معاملات احتكاك نظرية لأنابيب جديدة ونظيفة. الواقع نادرًا ما يكون مثاليًا إلى هذا الحد.

• احتكاك الأنابيب:الأنابيب الأقدم تتكون فيها القشور والخشونة، مما يزيد الاحتكاك إلى ما هو أبعد بكثير من القيم النظرية.

• خسائر المكونات:كل صمام، ومرفق (كوع)، ومُخفض، ومصفاة يضيف انخفاضًا في الضغط. إذا كانت المصفاة مسدودة حتى جزئيًا، يمكن أن يرتفع انخفاض الضغط عبرها بشكل هائل، مما يحرم المضخة من الارتفاع المطلوب.

• المرشحات (الفلاتر):المرشح النظيف قد يجتاز فحص NPSH، لكن مرشحًا بنسبة 50% من سعته قد يتسبب في فشل النظام.

تغيرات درجة الحرارة وخصائص السوائل

خصائص السوائل ليست ثابتة. في العديد من العمليات، ترتفع درجة حرارة السائل أثناء التشغيل.

مع زيادة درجة الحرارة، يرتفع ضغط البخار بشكل أسي. إذا كان حسابك يستخدم الماء عند 68 درجة فهرنهايت (20 درجة مئوية) لكن ماء العملية يصل إلى 100 درجة فهرنهايت (38 درجة مئوية)، فإن ضغط البخار يزداد، مما يقلل NPSHa بشكل كبير. غالبًا ما يظهر التجويف بعد أن يعمل النظام لبضع ساعات لأن السائل أصبح دافئًا، مما يغير التوازن الديناميكي الحراري.

اضطرابات تدفق الشفط وعدم انتظام السرعة

تفترض حسابات NPSH وجود ملف سرعة مثالي وموحد يدخل المضخة.

إذا وُضع مرفق مباشرة على شفة السحب، أو إذا كان طول الأنبوب المستقيم غير كافٍ (أقل من 5-10 أقطار أنبوب)، يدخل السائل إلى المروحة بحركة دوامية واضطراب. هذا التحميل غير المتجانس يعني أن أحد جانبي عين المروحة قد يواجه ضغطًا كافيًا بينما يواجه الجانب الآخر فراغًا، مما يتسبب في تكهف موضعي لا يمكن لكشف ضغط السحب المنفرد اكتشافه.

ظروف التشغيل العابرة والديناميكية

لا يمكن للحسابات الساكنة التنبؤ بالأحداث العابرة.

• التشغيل/الإيقاف:يمكن للتغيرات السريعة في التدفق أن تخفض ضغط السحب لحظيًا.

• محركات التردد المتغير (VFDs):يمكن للمنحدرات السريعة للسرعة مع محركات التردد المتغير أن تُسرع المضخة أسرع من استجابة عمود السائل، مما يخلق فراغًا لحظيًا عند عين السحب.

• تقلبات النظام:فتح صمام في مكان آخر من الدورة يمكن أن يسبب موجة ضغط أو انخفاضًا يدفع المضخة إلى منطقة التكهف لثوانٍ أو دقائق في كل مرة.

تسرب الهواء والتدفق ثنائي الطور

في بعض الأحيان، ما يبدو كهفًا هو في الواقع احتباس هوائي، أو مزيج من الاثنين.

يمكن للتسريبات الصغيرة في جانب السحب (الذي غالبًا ما يكون تحت فراغ) سحب الهواء إلى الخط. بدلاً من ذلك، قد تتحرر الغازات الذائبة من السائل مع انخفاض الضغط. تعمل فقاعات الهواء كمواقع لتكوين النوى، مما يسرع تكوين تجاويف البخار ويزيد من آثار التكهف، حتى لو بدا ضغط السائل نفسه كافيًا بشكل هامشي.

آثار التكهف على أداء المضخة

تجاهل التكهف [البسيط] لأن المضخة لا تزال تنقل السائل هو خطأ. تتصاعد العواقب بسرعة:

• فقدان الرأس والكفاءة:على المضخة العمل بجهد أكبر لنقل كمية أقل من السائل.

• الاهتزاز والضوضاء:هذا يؤدي إلى فشل مبكر في المحامل والأختام.

• الضرر المادي:تصبح المروحة منقرة ومتآكلة، وكأنها تعرضت لهجوم النمل الأبيض. في النهاية، يمكن أن يُخترق الغلاف نفسه.

المفاهيم الخاطئة الشائعة حول التكهف و NPSH

دعنا نكشف بعض الخرافات التي تضلل المهندسين:

• خرافة:أن NPSHa أكبر من NPSHr يعني استحالة حدوث التكهف.

  الحقيقة:هذا يعني فقط أن التكهف في حالة التدفق المستقر والمنتظم غير مرجح. فهو لا يأخذ في الاعتبار الاضطراب أو إعادة التدوير أو الصدمة الحرارية.

• خرافة:التكهف يحدث فقط عند السرعات العالية.

  الحقيقة:يمكن أن يحدث التكهف عند السرعات المنخفضة إذا كان خط السحب مقيدًا أو إذا كان المضخ يعمل بعيدًا إلى يسار منحنى أدائه (إعادة التدوير).

• خرافة:الضجيج دائمًا مطلوب لتحديد التكهف.

  الحقيقة:بينما هو شائع، فإن بعض أشكال التكهف (مثل التكهف الابتدائي) تكون هادئة نسبيًا ولكنها لا تزال تتلف المروحة بمرور الوقت.

كيفية تشخيص التكهف عمليًا

إذا كنت تشك في وجود تكهف رغم الحسابات الجيدة:

1. تحقق من نقطة التشغيل:هل تعمل بالقرب من نقطة الكفاءة القصوى (BEP)، أم بعيدًا إلى اليمين/اليسار؟

2. راقب الاهتزاز:ابحث عن اهتزاز عشوائي عالي التردد، وهو علامة مميزة لانهيار الفقاعات.

3. فحص الشفط:افحص المصافي من الشوائب وقم بقياس درجة الحرارة في الوقت الفعلي.

4. استمع:عادةً ما يشير الصوت القرقعة إلى حدوث تجويف في الشفط؛ بينما يشير الدوي العميق غالبًا إلى إعادة تدوير في التفريغ.

كيفية منع التجويف بما يتجاوز حسابات NPSH

حل المشكلة غالبًا ما يتطلب إجراء تغييرات مادية على النظام:

• زيادة قطر ماسورة الشفط:زيادة حجم الماسورة تقلل من خسائر الاحتكاك بشكل كبير.

• تحسين التخطيط:أزل المنعطفات من منطقة الشفط المباشرة للطرد المركزي؛ وقم بتركيب معدات تسيير الانسياب إذا لزم الأمر.

• تقليل السرعة:إبطاء سرعة الطرد المركزي (إذا سمحت العملية) يقلل بشكل كبير من NPSHr.

• اختيار طاردات مركزية أفضل:اختر طرد مركزي ذو NPSHr أقل أو بتصميم عين شفط أكبر.

• رفع مستوى خزان المصدر:زيادة الضغط الساكت (ارتفاع السائل) هو الطريقة الأكثر مباشرة لزيادة NPSHa.

الخلاصة

التجويف ظاهرة على مستوى النظام وديناميكية، وليست مجرد بند في جدول بيانات. بينما تشكل حسابات NPSH الأساس الضروري لاختيار الطرد المركزي، إلا أنها نادرًا ما تكون كافية وحدها لضمان الموثوقية.

الوقاية الحقيقية تتطلب نهج تصميم متحفظ يأخذ في الاعتبار خسائر الشفط، والتغيرات الحرارية، وديناميكيات الانسياب. من خلال النظر إلى ما هو أبعد من الرياضيات الأساسية وفهم سلوك السائل، يمكنك تصميم أنظمة تعمل بسلاسة وهدوء وموثوقية لسنوات.

الأسئلة الشائعة

ما هو هامش NPSH الموصى به؟
القاعدة العامة هي أن يكون NPSHa على الأقل 1.1 إلى 1.3 ضعف NPSHr. بالنسبة للتطبيقات الحرجة أو المضخات عالية الطاقة، غالبًا ما يُوصى بهامش قدره 3 إلى 5 أقدام (حوالي 1 إلى 1.5 متر) من الرأس المطلق.

هل يمكن أن يحدث التجويف بشكل متقطع؟
نعم. يمكن أن تؤدي التغيرات في مستويات الخزان، أو درجة حرارة السائل، أو طلب النظام إلى انحراف المضخة داخل وخارج منطقة التجويف على مدار اليوم.

هل التجويف أكثر شيوعًا في المضخات عالية السرعة؟
عمومًا، نعم. تتطلب السرعات الدورانية الأعلى دخول السائل إلى المكره بشكل أسرع، مما يزيد من طاقة الشفط المطلوبة (NPSHr). لذلك تكون المضخات عالية السرعة أكثر حساسية للقيود على جانب الشفط.