ポンプのキャビテーションとは何か、そしてそれを避ける方法

ポンプが奇妙な音を立てたり、性能が低下したりしたことはありませんか? これらはポンプのキャビテーションの兆候である可能性があります。

ポンプのキャビテーションは、ポンプ内で蒸気泡が形成されて崩壊するときに発生し、損傷や効率の低下を引き起こします。

蒸気圧とは何か

蒸気圧とは、特定の温度で凝縮相と熱力学的平衡にある蒸気が及ぼす圧力です。液体の場合、蒸発する傾向を示します。蒸気圧が高いほど、物質の揮発性が高いことを意味します。

ポンプキャビテーションとは

ポンプキャビテーションは、流体内の圧力が蒸気圧以下に低下し、蒸気泡が形成されるときに発生する現象です。これは通常、遠心ポンプ容積式ポンプもそのひとつです。これらの気泡が高圧の領域に移動するにつれて激しく崩壊し、衝撃波が発生します。

ポンプのキャビテーションの種類

気化キャビテーション

気化キャビテーションは、古典的キャビテーションとも呼ばれ、ポンプの入口の圧力が流体の蒸気圧を下回ったときに発生します。これにより、インペラの目の近くに蒸気の泡が形成されます。これらの泡が高圧領域に移動すると、激しく崩壊し、インペラを損傷してポンプの効率を低下させる可能性があります。

乱流キャビテーション

乱流キャビテーションは、ポンプの入口での流れの乱れによって発生します。急な曲がり、障害物、不適切な配管構成により、渦や低圧領域が発生し、蒸気泡が形成されることがあります。このタイプのキャビテーションは、ポンプの入口付近で発生することが多く、インペラの前縁の侵食を引き起こす可能性があります。

ベーン症候群キャビテーション

ベーンシンドロームキャビテーションは、インペラの外径とポンプケーシングのカットウォーター間のクリアランスが小さすぎる場合に発生します。この狭い隙間により流体の流れが加速され、キャビテーションバブルが形成される低圧領域が形成されます。これは通常、インペラのブレードの先端と、排出領域付近のポンプケーシングに影響します。

内部循環キャビテーション

内部再循環キャビテーションは、ポンプが最高効率点から離れた低流量で動作しているときに発生します。流体がポンプ内で再循環し、低圧領域が作られ、キャビテーションバブルが形成されます。このタイプのキャビテーションは、特にインペラのバックシュラウドとケーシングの間の領域で、インペラとポンプケーシングの両方に損傷を与える可能性があります。

空気吸引キャビテーション

空気吸引キャビテーションは、ポンプシステムに空気が入り込むことで発生します。これは、吸引パイプの漏れ、不適切な密閉、または吸引容器内の渦巻きによって発生することがあります。混入した空気は泡を形成し、ポンプ内で高圧を受けると崩壊し、他の種類のキャビテーションと同様の損傷を引き起こします。

ポンプキャビテーションの一般的な原因

利用可能な正味吸引ヘッドが不十分 (NPSHa)

NPSHa の不足は、ポンプのキャビテーションの主な原因です。利用可能な吸引ヘッドが必要なレベルを下回ると、液体内に蒸気泡が発生します。これらの泡は高圧ゾーンに入ると崩壊し、ポンプのインペラやその他のコンポーネントに損傷を与えます。

吸引ラインの問題

吸引ラインの閉塞、制限、または過度の摩擦損失により、キャビテーションが発生する可能性があります。これらの問題により、ポンプの入口の圧力が低下し、液体の蒸気圧を下回る可能性もあります。

揮発性液体と蒸気圧

揮発性液体をその蒸気圧近くまでポンプで送ると、キャビテーションのリスクが高まります。液体が蒸気圧に近づくにつれて、気泡が発生しやすくなります。

最高効率点（BEP）での運用

遠心ポンプを BEP フローから離れた場所で運転すると、キャビテーションが発生する可能性があります。これは、ポンプが設計よりも大幅に高いまたは低い流量で動作している場合によく発生します。

混入した空気またはガス

ポンプで汲み上げた液体に混入した空気やガスが存在すると、キャビテーションのような効果が生じる可能性があります。これらのガス泡は崩壊し、蒸気泡の内破と同様の損傷を引き起こす可能性があります。

ポンプのキャビテーションの兆候

ポンプ部品の物理的損傷

キャビテーションはポンプ部品の深刻な侵食を引き起こします。インペラはしばしばピットや材料損失を示し、実際の耐用年数を超えて摩耗しているように見えます。ポンプハウジングとシールにも、損傷の兆候蒸気泡が崩壊することによって生じる強力な衝撃波のためです。

異常な騒音と振動

過度の騒音と振動は、キャビテーションの明らかな兆候です。音は、ポンプ内を砂利やビー玉が循環しているような音に似ています。振動レベルが大幅に増加し、位置ずれやさらなる機械的な問題を引き起こす可能性があります。

排出圧力と流量の低減

吐出圧力と流量が大幅に低下すると、キャビテーションが発生していることを示します。流体内に蒸気泡が存在すると、ポンプの効率が低下し、性能が低下します。この影響は、遠心ポンプで特に顕著です。

シールとベアリングの頻繁な故障

キャビテーションはシールやベアリングの摩耗を加速させます。強い衝撃波と振動により、これらの部品が早期に故障する原因となります。

不安定な電力消費

不安定な電力消費もキャビテーションのもう 1 つの兆候です。ポンプがパフォーマンスを維持しようと奮闘するにつれて、モーターの電流と電力消費が変動します。この不安定さにより、エネルギー使用量が増加し、モーターが損傷する可能性があります。

ポンプのキャビテーションを防ぐ方法

十分なNPSHAマージンを備えた適切なポンプの選択

ポンプに必要な NPSH を上回る十分な正味吸引ヘッド (NPSHA) マージンがあることを確認します。
ポンプ製造元の性能曲線とガイドラインを参照して、意図した用途範囲内で効率的に動作するポンプを選択してください。
選択する際には、流量、ヘッド圧力、流体の特性などの要素を考慮してください。

システム設計の最適化

吸引パイプの直径を大きくして、流体の速度と圧力降下を減らします。
摩擦損失を減らすために、吸引ラインの継手とバルブを最小限に抑えます。
蒸気が閉じ込められる可能性のある配管内の高所を排除します。
渦巻きや空気の巻き込みを防ぐために、吸引源が十分に水没していることを確認してください。
段階的な移行と滑らかな流路を備えた適切な配管設計は、層流と均一な圧力分布を維持するのに役立ちます。

BEPに近いポンプの運転

遠心ポンプは、最高効率点 (BEP) 付近で、製造元が指定した許容動作範囲内で稼働させてください。
ポンプ曲線上で右に行き過ぎると、必要な NPSH が増加する可能性があるため、操作は避けてください。
最適な効率を維持しながら、ポンプの出力をシステムの需要に合わせるために、適切な場合は可変速ドライブを使用します。

十分な吸引圧力と低い液体温度の維持

十分な安全マージンを確保して、吸引圧力を流体の蒸気圧より高く保ちます。
必要に応じて、ブースターポンプの使用や吸引源の高さの上昇を検討してください。
温度が高くなると蒸気圧が上昇し、キャビテーションのリスクが高まるため、液体の温度を制御します。
適切な水没を確保し、吸引容器内の液面レベルを一定に保ちます。

混入空気の制御と適切な換気

閉じ込められた空気を除去するために、システム内の高い位置にエアリリースバルブを取り付けます。
空気の蓄積を防ぐために、換気システムを適切に設計し、維持してください。
ストレーナーまたはフィルターを使用して、局所的な圧力低下を引き起こす可能性のあるゴミを取り除きます。
特にポンプの吸入側では、空気の侵入を防ぐために密閉と接続をしっかり行ってください。

定期的な監視とメンテナンス

定期的な検査を実施し、ポンプのメンテナンスプログラムおよび吸引側コンポーネント。
騒音、振動、不安定な電力消費など、キャビテーションの兆候を監視します。
フィルター、ストレーナー、バルブを定期的に点検し、清掃してください。
定期的に流量および圧力テストを実行して、ポンプの性能を確認します。

よくある質問

ポンプがキャビテーションを起こしているとき、どんな音がしますか?

キャビテーションポンプは、大きくて独特な音を発生します。多くの場合、砂利やビー玉がシステム内を循環しているような音がします。この音は、うなり声、ゴロゴロ音、砂利のような音と表現されます。この音は、蒸気泡が急速に形成され崩壊することによって発生します。

低流量によるポンプのキャビテーションとは何ですか?

低流量キャビテーションは、ポンプに入る液体が不十分な場合に発生します。これは、ポンプ入口の低圧または高真空状態によって引き起こされます。これによりポンプが「飢餓状態」になり、インペラの目の近くに気泡が形成されます。これらの気泡は破裂し、時間の経過とともにインペラを損傷します。

結論は

ポンプのキャビテーションは、機器に損傷を与え、効率を低下させる可能性がある深刻な問題です。その原因を理解し、症状を認識し、予防策を講じることは、ポンプの性能を維持するために非常に重要です。

定期的なメンテナンス、適切なポンプの選択、システム設計の最適化が、キャビテーションを回避する鍵となります。専門家によるサポートが必要な場合は、ポンプの専門家に相談して、最適なシステムパフォーマンスを確保してください。