遠心ポンプインペラキャビテーションの解析

1. キャビテーションの性質
キャビテーションは、物理化学的破壊プロセスの組み合わせであり、次の 3 つの段階で発生します。

局所的蒸発: インペラ入口または低圧ゾーンの局所圧力が動作温度における液体の飽和蒸気圧を下回ると、液体が沸騰し、多数の蒸気泡（空洞）が発生します。

気泡の崩壊と損傷：これらの気泡は流れによってインペラの高圧領域に運ばれ、周囲の圧力が急激に上昇することで、ほぼ瞬時に破裂します。この破裂により、数百メガパスカルに達する局所的な圧力を伴う強力な衝撃波とマイクロジェットが発生し、マイクロ秒単位、マイクロメートルスケールの領域に作用します。

材料疲労とエロージョン：これらの衝撃波はインペラの金属表面に繰り返し（1秒間に数千回）、機械的疲労と腐食疲労を引き起こします。これにより金属粒子が徐々に剥離し、表面にピット状、ハニカム状、またはスポンジ状のエロージョンが発生します。

2. ポンプに対するキャビテーションの特有の危険性

パフォーマンスの低下: 蒸気泡は流路を塞ぎ、流体の連続性を妨げ、ポンプの流量、揚程、効率を大幅に低下させ、多くの場合、パフォーマンス曲線にブレークを引き起こします。

振動と騒音: 激しい気泡の形成と崩壊により、ポンプに激しい振動が発生し、特徴的なパチパチ音やシューという音が発生し、安定性と作業環境が損なわれます。

インペラの損傷:

機械的ピッチング: 特徴的なハニカム侵食を生成します。

電気化学的腐食：圧潰時に放出されるエネルギーは、インペラの保護層（特にステンレス鋼にとって重要）を破壊し、化学腐食を加速させます。これらの複合的な攻撃により、極めて急速な材料損失が発生します。

重篤な場合には、インペラの穿孔やポンプの完全な故障につながる可能性があります。

耐用年数の短縮: インペラの損傷と、振動によるベアリングやシールの摩耗の加速により、メンテナンス間隔とポンプの全体的な寿命が大幅に短縮されます。

3. 識別と診断

音: ポンプからは、砂利をポンプで汲み上げるような、パチパチという音、ポンポンという音、またはシューという音が継続的に聞こえます。

性能: 一定の速度とバルブ位置で、流量、排出圧力 (ヘッド)、およびモーター電流 (電力消費) が急激または徐々に低下します。

振動: 特に軸方向のポンプの振動の測定値が異常に高い。

目視検査: 操作後の分解により、ブレードの入口エッジ (低圧領域) の裏側に特徴的なハニカム ピットがあることがわかります。

4. 主な原因（循環水システムの場合）

利用可能な NPSH の不足 (NPSHa): 根本原因。

ポンプの標高が高すぎる: ポンプが供給液面より高すぎる場所に設置されています。

過度の吸引ライン損失: 吸引パイプが長すぎる、狭すぎる、エルボが多すぎる、またはフィルター/ストレーナー/フットバルブが詰まっていると、圧力降下が増加します。

液体温度が高い: システム内の熱交換が不十分であったり、熱負荷が高いと、水温と蒸気圧が上昇し、NPSHA が低下します。

システム圧力が低い: 閉鎖システム内の圧力変動または補給水の不足により、吸引容器の圧力が低下します。

高ポンプ必要NPSH（NPSHr）：

ポンプ固有の設計が不良、またはインペラの入口形状が不適切/入口速度​​が速い。

インペラの摩耗や詰まりにより、元の油圧設計が損なわれます。

5. 予防と解決策

システム設計の最適化（NPSHaの増加）:

ポンプの設置高さを下げ、可能な限り、満水吸引（液面がポンプの中心線より上）を使用してください。

吸引配管を最適化します。長さを短くし、直径を大きくし、継手/バルブを最小限に抑え、フィルター/ストレーナーを定期的に清掃します。

液体温度の制御: 冷却塔、熱交換器などの効率的な動作を確保します。

システム圧力を安定させる: 閉鎖システム内で適切な加圧と補充を維持します。

適切な選択と修正（NPSHrの削減）

十分な余裕を持ったポンプを選択してください: 十分な安全余裕(通常 ≥ 0.5-1.0 m) を確保して NPSHa シーッ NPSHr を確保してください。

キャビテーション耐性ポンプを選択してください: 両吸い込みインペラ (低い入口速度) または誘導羽根を備えたモデル。

インペラの変更: 標準インペラをアンチキャビテーション モデル (厚い入口エッジ、特殊な翼を特徴とする) に交換するか、標準インペラ入口をより鋭く薄いプロファイルに専門的に再形成/アンダーカットします。

運用と保守:

ハードフェーシング/コーティング: レーザークラッディング、プラズマ スプレー、または溶接オーバーレイにより、キャビテーション耐性材料 (コバルト ベース合金、タングステン カーバイドなど) を適用します。

ポリマーコーティング: それほど重要でない用途には高性能エポキシコーティングを使用します。

損傷したインペラは速やかに修理または交換する必要があります。

低流量運転は避けてください。低流量時の内部循環はキャビテーションを促進します。ポンプの推奨運転範囲（BEP）内で運転してください。

可変周波数ドライブ (VFD) の使用: ポンプの速度を下げると、NPSHr (速度の 2 乗に比例) が大幅に低下するため、効果的なソリューションとなります。

表面保護と修復:

まとめ
遠心ポンプにおけるインペラキャビテーションは、システム全体の有効正圧吸引ヘッド（NPSHa）がポンプの必要正圧吸引ヘッド（NPSHr）を満たすのに不十分である不均衡から生じるシステム全体の問題です。解決策は、供給を増やし、需要を減らすという二重のアプローチにあります。つまり、システムのNPSHaを高めながら、ポンプのNPSHrを下げることです。体系的な設計、選定、運用、保守を通じて、キャビテーションを効果的に防止・管理することができます。