Дефекты и неисправности насосов: диагностика, причины, методы устранения

2.1. Кавитационный износ и его диагностика

Кавитация представляет собой процесс образования и последующего схлопывания паровых пузырьков в областях пониженного давления внутри проточной части насоса. При схлопывании пузырьков возникают локальные гидравлические удары с давлением до нескольких сотен МПа, что приводит к эрозионному разрушению материала рабочего колеса и направляющего аппарата.

Диагностические признаки кавитации включают характерный звук, описываемый как "треск" или "звук перекатывающегося гравия", а также широкополосное повышение уровня вибрации в диапазоне 1-20 кГц. На начальных стадиях кавитация проявляется снижением КПД насоса на 5-10%, при развитии процесса происходит существенное падение напора и подачи вплоть до срыва работы агрегата.

Расчет кавитационного запаса

Для предотвращения кавитации необходимо обеспечить превышение располагаемого кавитационного запаса (NPSHa) над требуемым (NPSHr) не менее чем на 0,5 м:

2.2. Дефекты уплотнительных систем

Торцевые механические уплотнения являются наиболее критичным узлом химических насосов с точки зрения герметичности. Основными видами дефектов пар трения являются: термическое растрескивание контактных колец, выкрашивание твердосплавных вставок, коксование при работе с полимеризующимися средами.

Признаками неисправности торцевого уплотнения служат: появление видимой утечки перекачиваемой среды, повышение температуры в зоне уплотнения, изменение расхода затворной жидкости (для двойных уплотнений). При работе с токсичными или пожароопасными средами допустимая утечка регламентируется нормативной документацией и, как правило, не должна превышать нескольких капель в минуту.

Уплотнительные кольца щелевых уплотнений подвержены абразивному износу при перекачивании жидкостей с механическими примесями. Увеличение зазора в щелевом уплотнении приводит к росту объемных потерь (перетоков) и снижению КПД насоса. Предельно допустимое увеличение зазора определяется конструкторской документацией и обычно составляет 150-200% от номинального значения.

2.3. Неисправности подшипниковых узлов

Подшипниковые узлы центробежных насосов испытывают радиальные и осевые нагрузки, обусловленные гидравлическими силами в проточной части. Дефекты подшипников качения развиваются по характерному сценарию: начальный износ дорожек качения проявляется появлением высокочастотных составляющих в спектре вибрации, затем следует усталостное выкрашивание, завершающееся катастрофическим разрушением.

Температура подшипникового узла является информативным диагностическим параметром. Согласно требованиям нормативной документации, температура подшипников не должна превышать 80 градусов Цельсия при температуре окружающей среды до 40 градусов. Резкое повышение температуры свидетельствует о недостаточной смазке, перегрузке или развитии дефекта подшипника.

3.1. Дефекты клапанной группы

Всасывающие и нагнетательные клапаны поршневых насосов работают в условиях циклических ударных нагрузок и подвержены интенсивному износу. Характерными дефектами являются: износ и наклеп седел клапанов, потеря упругости пружин, коррозионное поражение элементов клапана при работе с агрессивными средами.

Неплотность клапанов проявляется снижением объемного КПД насоса и пульсацией давления нагнетания. При значительном износе наблюдается обратный ток перекачиваемой среды, сопровождающийся характерными "хлопками" в момент закрытия клапана. Диагностика состояния клапанов выполняется путем анализа индикаторной диаграммы, снимаемой с помощью манометрического оборудования.

3.2. Износ цилиндро-поршневой группы

Поршневые кольца и цилиндровые втулки изнашиваются под воздействием трения и абразивных частиц, содержащихся в перекачиваемой среде. Увеличение зазора в паре поршень-цилиндр приводит к перетокам жидкости и снижению производительности насоса.

Сальниковые уплотнения штока требуют периодической подтяжки и замены набивки. Признаком износа сальника является повышенная утечка по штоку и нагрев сальниковой камеры выше допустимой температуры. При работе с токсичными средами применяются насосы с двойным сальниковым уплотнением и подводом затворной жидкости.

Кривошипно-шатунный механизм поршневого насоса подвержен износу в шарнирных соединениях. Увеличение зазоров в соединениях проявляется появлением стука при работе насоса, особенно заметного в моменты изменения направления движения поршня.

4.1. Типичные дефекты диафрагмы

Мембрана является расходным элементом, подверженным усталостному разрушению при циклических деформациях. Срок службы мембраны зависит от материала изготовления, амплитуды хода, частоты циклов и свойств перекачиваемой среды. Для мембран из PTFE (фторопласт) типичный ресурс составляет 2000-3000 часов, для армированных эластомеров - до 5000 часов.

Признаками повреждения мембраны служат: появление перекачиваемой среды в гидравлической полости, изменение цвета масла (молочный или мутный оттенок указывает на эмульгирование при разрыве мембраны), снижение производительности насоса.

4.2. Обслуживание гидравлической части

Гидравлическая полость между приводным поршнем и мембраной заполнена специальным маслом, обеспечивающим равномерную передачу усилия и смазку трущихся поверхностей. Критическим является поддержание надлежащего уровня масла и его периодическая замена согласно регламенту.

Воздушные пробки в гидравлической системе приводят к неравномерной работе насоса и ускоренному износу мембраны. При техническом обслуживании обязательно выполняется удаление воздуха через специальные клапаны с последующей доливкой масла до нормативного уровня.

Обратные клапаны мембранных насосов подвержены засорению и залипанию при работе с вязкими или полимеризующимися средами. Регулярная промывка и ревизия клапанов позволяет поддерживать номинальную производительность оборудования.

5.1. Вибродиагностика

Вибрационный контроль является основным методом диагностики насосных агрегатов. Измерения выполняются на подшипниковых опорах в трех взаимно перпендикулярных направлениях: вертикальном, горизонтально-поперечном и горизонтально-осевом. Нормируемым параметром служит среднеквадратичное значение виброскорости в полосе частот 10-1000 Гц.

Спектральный анализ вибрации позволяет идентифицировать источник повышенных колебаний. Характерные частотные составляющие:

Частота вращения (F1) - дисбаланс ротора, изгиб вала, несоосность; лопаточная частота (Fл = F1 x количество лопаток) - дефекты рабочего колеса, турбулентность потока; высокочастотные составляющие (более 1 кГц) - дефекты подшипников качения; субгармонические частоты (менее 0,5 x F1) - автоколебания ротора, неустойчивость в подшипниках.

5.2. Параметрическая диагностика

Параметрическая диагностика основана на контроле рабочих характеристик насоса: напора, подачи, потребляемой мощности, КПД. Отклонение фактических параметров от паспортных значений указывает на развитие дефектов проточной части или уплотнительных систем.

Для центробежных насосов информативным является смещение рабочей точки на характеристике Q-H. Снижение напора при неизменной подаче свидетельствует об износе рабочего колеса или увеличении зазоров в уплотнительных кольцах. Рост потребляемой мощности при снижении КПД указывает на внутренние перетоки или механическое сопротивление во вращающихся узлах.

Температурный мониторинг включает контроль температуры подшипниковых узлов, торцевых уплотнений и электродвигателя. Применение тепловизионной техники позволяет выявлять локальные зоны перегрева, указывающие на развитие дефектов.