空気の巻き込みを軽減または排除する方法

空気連行について再び書くつもりはありませんでしたが、最近の現場の問題により、この主題を再検討する必要がありました。 ここ数カ月間、私は空気混入が主な原因であると判断された、ポンプの性能に関する誤解が生じた 4 件の事件に関与しました。

空気の巻き込みは、作動中のポンプのキャビテーションのように聞こえ、混同される場合があります。 違いは、キャビテーションが蒸気泡の形成とその後の崩壊であるのに対し、空気同伴はポンプの前にプロセス流に存在し、ポンプ後にそこに残る単なる気泡であることです。 気泡のサイズは変化する場合がありますが、通常はポンプを通過するときに崩壊しません。

非常に少量の空気の混入は、実際には良いことである可能性があります。 多くのユーザーは、キャビテーションの影響を緩和するために最大 0.9% の空気を注入します。 ただし、空気の混入が 1 ～ 2% であっても、ポンプの性能が大幅に低下します。 ポンプのパフォーマンスが悪いと、空気混入以外のさまざまな症状が原因であると混同され、誤って非難されることがよくあります。 この問題に関する教育に加えて根本原因を徹底的に分析すれば、空気混入が当初考えられていたよりもはるかに一般的なポンプの病気であることがわかります。 この問題は増加傾向にあり、いくつかの理由から一般的になってきています。 特にリサイクルの増加に伴い、紙パルプ会社は紙料とスラリーの混合物に空気を注入します。 石油およびガス産業は、坑口と下流でより多くの二相流体を汲み上げることに取り組んでおり、廃水処理施設ではより多くの溶解空気浮遊選鉱 (DAF) システムの使用が行われています。

さらに、業界ではクローズドループシステムの使用が増加しており、より安価でありながらより浅い冷却塔の容器が求められています。 さらに、化学プロセス産業 (CPI) および一般産業プラントは更新されており、「設置面積」のより小さいシステムを設計するという財政的圧力が高まっています。 「意図せぬ結果」という見出しの下に提出されたのは、貯蔵タンクとプロセス容器の短縮化と小型化の結果である。 タンクが短いほど水没値は低くなり、渦が発生する可能性が高くなります。また、容器が小さいほど体積が減り、その結果、気泡を軽減するための過渡時間が短縮されます。

空気混入が 1.5 ～ 2% を超えて増加すると、即時的な性能面と長期にわたる機械的面の両方から、ポンプに即時かつ有害な影響が生じます。

ポンプ吸込部に気泡が溜まると液の流れを妨げ、ポンプの性能が低下します。 流量が低下し、開発ヘッドが脱落し、効率が低下します。 空気混入は 2 ～ 4% という低い値であっても、ポンプの振動の増加を引き起こし、ベアリングの早期故障に直接つながります。 振動は、部分的な空気の遮断によりインペラにかかる不均衡な油圧負荷によって頻繁に発生します。

通気されなかった空気もシール チャンバー (標準的なスタッフィング ボックス構成) に集まり、メカニカル シールの空運転を引き起こすエア ポケットを形成します。 シール面の乾燥/無潤滑操作は、寿命の短縮と最終的な故障の原因となります。 ポンプの始動時にきしみ音が聞こえる場合は、通常、シール面が乾燥していることが原因です。

空気の巻き込みは、ポンプ シャフトの破損の主な原因の 1 つです。これは、ポンプが 1 秒間停止し (無負荷)、次のポンプ (全負荷) をポンプで送り続けることによって発生する油圧サージと軸方向の往復動が原因で、意図しない無限の「移動」が発生します。 「ストレス疲労サイクリングのループ。

また、空気の連行により、システムに不要な遊離酸素が導入されます。これは、2 つのタイプを挙げると、一般腐食と塩化物応力腐食の両方の主要成分です。

2% の空気混入により、ポンプの性能が最大 12% 低下します。 4% ではポンプのパフォーマンスが 40% 低下し、10% ではポンプが完全に停止する可能性があります。

水没は見落とされがちなパラメータです。 適切なレベルの浸水が重要であり、ポンプ システムに不要な空気が流入する最も一般的な原因は渦巻きです。 不適切な水没は渦巻き現象の条件を作り出し、大量の空気が流入し、短期間でポンプの損傷につながります。 浸水が不十分な場合は、渦バリアを追加したり、液面の高さを上げたり、吸引ラインの開口部のサイズを大きくしたりして、流体速度を効果的に低減できます。 渦巻きが見えないからといって、渦巻きが発生していないというわけではありません。

最初にシステムを適切に充填し、通気します。 私は、オペレーターがシステムの通気を適切に行わなかったり、ハイポイント、ケーシング、スタッフィングボックスの通気を行わなかったりする場面を数多く目撃してきました。 場合によっては、ポンプを短時間 (10 ～ 15 秒 +/-) 数回「ジョギング」して、気泡をポンプから下流に「掃き出す」ことが賢明な場合があります。

ハイポイントベントが設置されていない、または手動ベントが存在する場合でも、それらは機能しません。 自動エア抜き弁がメンテナンスされていない。

作動中のポンプを排気することはできません。 回転するインペラは遠心分離機として機能し、重い流体は外側に排出されますが、軽い空気は中心に残り、そこでインペラの吸引口もブロックされます。 作動中のポンプのケーシングの通気を行うと、空気が抜けてから液体が出る場合があります。 しかし、目に空気がある場合、空気はそこに残る可能性があります。 米国規格協会 (ANSI) ポンプのような上部中心線吐出設計は、自己通気するように設計されています。 供給源に送られる液体がタンク内に自由落下しないようにしてください。 この場合、そのエリアはポンプの吸引口からできるだけ遠く離れた場所に配置する必要があります。 堰および/または仕切り壁を設置する必要があります。

空気混入があるかどうかわかりませんか? Hydraulic Institute (HI) がカバーするいくつかの簡単なテストを実行できます。 一般に、サンプルをキャプチャして分析します。 適切に水没しているかどうかも計算できます。 浸水チャートも便利なツールですが、吸込側の流体速度 1 フィートごとに 1 フィートの浸水が必要です。 「Cameron Hydraulic Data Book」または「Cranes Technical Publication 410」で流​​量とパイプ サイズを調べて流体速度を決定できます。

近年、経済的な理由から吸引供給タンクのサイズを縮小する傾向にあります。 閉鎖システムおよびリターンまたは空気混入供給を伴うシステムでは、流体に「曲がりくねった経路」を提供するようにタンクを設計および構築できます。 堰、バリア、バッフルのシステムは、気泡の除去/軽減のための最大量の保持時間/過渡時間を提供するように設計できます。

Newtonion 流体 (スラリーなし) を使用するほとんどの単純なシステムの場合、設計とコストの適切な妥協点として 4 ～ 5 分の過渡時間を提案します。

一般に、遠心ポンプとインペラの設計の種類ごとに、空気を混入した流体をポンピングすると異なる結果が生じます。 不便ではあるが正確な結果を決定する際に何が機能し、何が機能しないのかについて単純に答えるのは難しい作業です。 現時点では簡単な魔法の公式アプリはありません。 比速度 (NS) と吸引比速度 (NSS) は両方とも関連する要素です。 通常、NS が 3,000 を超えるインペラは、3,000 未満のインペラよりも優れたパフォーマンスを発揮します。 また、実際のインペラのサイズ、吸込口の直径、ポンプの速度、羽根の数も要因となります。

ケーシング内の渦巻きの数も重要な役割を果たします。 通常、ダブルボリュートポンプはシングルボリュートポンプよりも効果的に機能します。 一部のメーカーは 2 容積を超えるポンプを製造していることに注意してください。 ディフューザー ポンプ (高倍数の渦巻きポンプ) は、単純な渦巻き型ポンプよりも効果的に機能します。

巻き込みに対処する 1 つの方法は、ポンプのクリアランスを通常の推奨値を超えて開くことです。 多くのオペレーターがクリアランスを 2 倍にすることに成功しています。 ポンプの効率は低下しますが、動作します。

吸引が浸水した状況で、ポンプに空気が詰まった場合は、ポンプを停止し、気泡がポンプを通過して排出されるようにしてから、ポンプを再起動します。

一部のオペレーターは、油圧条件で要求されるよりも大きなインペラを使用して (空気連行ゼロに基づいて) 段階的に成功しています。

あまり頻繁ではないが、おそらくより絶望的なアプローチは、(インペラに取り付けられた) インデューサーを追加することです。 このルートでは、多くの場合、外部の技術的またはエンジニアリングの支援が必要になります。

ディスク摩擦ポンプは、（報告によると）最大 70% の空気混入を処理することに大きな成功を収めていますが、コストが高いという欠点があります。 ボルテックス スタイルおよび埋め込みインペラ ポンプも良好な成功を収めており、通常は最大 20 ～ 22 パーセントの空気混入が可能です。 私は、いくつかの埋め込み型インペラポンプが最大 24% の空気を処理するのを目撃しました。 空気連行が 18% を超える用途では、セルフプライマーポンプを使用することも一般的です。

空気混入の問題を管理する場合、最小流量も重要な役割を果たします。 空気同伴率が高くなるほど、インペラアイを通過する気泡を押し出すか一掃するために必要な流量が増加します (図 1 を参照)。 そのため、ポンプを曲線の左側で操作すると、空気が詰まって詰まりが発生する可能性があります。

多くの場合、オペレータは、本当の原因は空気の巻き込みであるにもかかわらず、ポンプの問題はキャビテーションであると信じています。 医療分野で病気を診断するのと同じように、症状の原因となっている可能性のある他の理由を排除するプロセスによって結論が導き出されます。 利用可能な NPSH の式を構成するコンポーネントを確認すると、影響を軽減する可能性があるアクション ステップを決定できます。 静的吸引ヘッドを上げるか液体を冷やすと影響が軽減されます。 または、ポンプの速度を下げるか、排出速度を元に戻すと、症状が軽減されるはずです。

空気の巻き込みの問題は無視されるか、キャビテーションと誤解されることが多く、遠心ポンプの性能や機械的な問題を引き起こします。 空気を減らすか排除して、シャフトの故障やベアリングやメカニカル シールの早期故障による問題を防ぎます。

参考文献遠心ポンプ 第 2 版、Igor J. Karassik および Terry McGuire、吸引側の問題 - ガス巻き込み (遠心ポンプ ハンドブック) James H. Ingram原子力規制委員会報告書 # NRC-DR-09-0270、2009 年 11 月、Allan R. Budris 著ポンプ & システムズ、1 月2016 年、キャビテーション vs. 空気連行、Lev Nelik 博士 (ここで読む)

また、ここで Jim Elsey の「ポンプ システムにおける空気混入の最も一般的な理由」を読むことを忘れないでください。

Jim Elsey は、世界中のほとんどの産業市場で 43 年間にわたり、軍用およびいくつかの大手 OEM メーカー向けの回転機器の設計とアプリケーションに注力してきた機械エンジニアです。 エルシーは、米国機械学会、全米腐食技術者協会、および米国金属協会の積極的な会員です。 彼は、Summit Pump Inc. のゼネラルマネージャーであり、MaDDog Pump Consultants LLC の社長でもあります。 Elsey への連絡先は [email protected] です。