Cavitazione nelle Pompe Idrauliche: Cause e Rimedi

La cavitazione rappresenta un fenomeno di fondamentale rilevanza nell’ambito dell’ingegneria delle macchine idrauliche, essendo una delle principali cause di inefficienza e danneggiamento nei sistemi di pompaggio. La cavitazione costituisce una delle problematiche più critiche nella gestione delle pompe idrauliche, influenzando l’affidabilità e l’efficienza del sistema.

Cos'è la Cavitazione? Merriam-Webster definisce cavitazione come "la formazione di vuoto parziale in un liquido con la movimentazione rapida di corpi solidi (come una girante) o le onde sonore ad alta densità. Anche l'erosione e l'usura di superfici solide (come metallo o cemento) in seguito all'esaurimento di questi vuoti nel liquido circostante". In termini più semplici, la cavitazione è un fenomeno consistente nella formazione di zone di vapore all’interno di un fluido che poi implodono.

Nello specifico, la cavitazione consiste in un processo fisico che si verifica all'interno di un liquido in movimento quando la pressione locale scende al di sotto della pressione di vapore del liquido stesso alla temperatura di esercizio. In termini più semplici, si formano delle bolle di vapore all'interno del liquido che, spostandosi verso zone a pressione più elevata, implodono violentemente. Questo fenomeno ha origine nella nucleazione, ovvero l’origine di piccolissimi spazi che possono costituire nuclei per la crescita di bolle macroscopiche che collasseranno poco dopo. La fase di collasso e implosione libera una quantità di energia che può provocare danni importanti al sistema.

La cavitazione è un problema che non riguarda solamente i riduttori di pressione ma anche pompe, eliche e turbine. Uno dei guasti meccanici più comuni in una pompa centrifuga è proprio la cavitazione. La cavitazione nelle pompe centrifughe è solitamente causata da insufficiente energia della testa di aspirazione netta positiva (NPSH, Net Positive Suction Head) sul lato di aspirazione della pompa.

Cause della Cavitazione

Le cause della cavitazione in una pompa possono essere molteplici e di diversa natura. La causa principale del fenomeno della cavitazione è da ricercarsi in un valore troppo elevato del rapporto di riduzione.

Diversi fattori possono contribuire all'insorgere della cavitazione in una pompa e identificare la causa principale è il primo passo per mettere in atto le strategie di prevenzione più efficaci.

Aspirazione insufficiente (NPSHa troppo basso): il Net Positive Suction Head disponibile (NPSHa) è la pressione assoluta del liquido all'ingresso della pompa, al netto della pressione di vapore. Se l'NPSHa è troppo basso rispetto al Net Positive Suction Head richiesto (NPSHr) dalla pompa, la pressione del liquido all'interno può scendere al di sotto della pressione di vapore, innescando la formazione di bolle.
Temperatura del liquido troppo elevata: all'aumentare della temperatura, la pressione di vapore del liquido aumenta.

Tipi di Cavitazione

Cavitazione di aspirazione: Si verifica quando i componenti aspirano liquido a bassa pressione, causando la formazione di vapore nella parte di ingresso della pompa. Essa superano la girante e all’uscita trovano una pressione elevata che provoca la loro esplosione.
Cavitazione di scarico: Si verifica quando la pressione di uscita è estremamente elevata. Questo determina il ricircolo del liquido che, passando ad alta velocità tra girante e statore, induce la formazione di vuoto e di sacche di vapore.

Esistono delle grandezze che permettono di calcolare la tendenza di una pompa a cavitare, in particolare il NPSH (Net Positive Suction Head). Senza entrare nello specifico, per non avere cavitazione è necessario che il NPSH(a), che è strettamente legato al circuito, sia maggiore del NPSH(r), che è invece specifico della pompa.

Cavitazione dell'Elica

La cavitazione dell’elica è un fenomeno che si verifica quando l’elica ruota ad alta velocità e la pressione dell’acqua intorno alle pale scende al di sotto della sua tensione di vapore. Questo improvviso calo di pressione provoca la formazione di bolle di vapore, simili a quelle che vedi quando l’acqua bolle. Tuttavia, a differenza di una pentola sul fuoco, queste bolle collassano violentemente non appena entrano in una zona di pressione più elevata.

Le cause principali della cavitazione dell'elica includono:

Elica troppo poco immersa
Elica danneggiata o usurata
Virate strette e brusche accelerazioni

Effetti della Cavitazione

Le violente implosioni delle bolle di vapore causate dalla cavitazione possono avere conseguenze devastanti per la pompa. Quando si riscontra un problema di cavitazione, il più delle volte, la prima avvisaglia risulta un rumore durante il pompaggio che assomiglia a quello di ingranaggi inceppati dove non ce ne sono, vibrazioni, prestazioni ridotte o la combinazione di tutte e tre.

Gli effetti principali della cavitazione includono:

Danneggiamento dei componenti: Lo scoppio delle bolle innesca delle oscillazioni di pressione cariche di energia d’urto che, in unione con le velocità in gioco, può portare alla compromissione dei componenti interni dei riduttori di pressione.
Peggioramento della performance della pompa, dovuta alle turbolenze provocate dalla cavitazione.
Rovina delle componenti interne alla pompa, dovuta al collasso della bolla vicino alla parete di una componente. In questo caso si genera un microgetto liquido (impinging jet) che erode la superficie solida e forma quelli che vengono chiamati “pits erosivi”.
Erosione delle superfici metalliche: le onde di pressione generate dalle implosioni erodono gradualmente il materiale dei componenti interni, creando cavità e rugosità.
Eccessive vibrazioni possono provocare anche il guasto delle guarnizioni o dei cuscinetti meccanici, l'energia che viene rilasciata quando le bolle di vapore scoppiano può provocare la rottura di pezzi di metallo e la collisione con altre parti in movimento.

Il danno tipico si verifica con la girante, che può erodere, incrinarsi o scheggiarsi. Nel caso della cavitazione dell'elica, le onde d’urto generate dal collasso delle bolle di vapore possono erodere le pale dell’elica, creando piccole cavità (pitting) e riducendo l’efficienza.

Rimedi e Prevenzione

Prevenire la cavitazione è sempre preferibile rispetto alla riparazione dei danni che potrebbe provocare. Per evitare la cavitazione, la pressione del liquido in tutti i punti deve essere al di sotto della pressione di saturazione. È immediato notare che il primo metodo per contrastare il fenomeno della cavitazione consiste nella corretta scelta dei riduttori di pressione da utilizzare nell’applicazione richiesta.

Ecco alcuni rimedi e misure preventive:

Riduttori di pressione a due stadi: Per ovviare al problema delle pressioni elevate in ingresso è possibile agire con riduttori di pressione a due stadi.
Ridurre la velocità del motore in modo da produrre un flusso inferiore.
Installare un indicatore di pressione all'aspirazione, in modo che possa fornire un'indicazione precoce di potenziali problemi di aspirazione. La pressione rilevata dall’indicatore deve essere sempre positiva.
Utilizzare la doppia bocca di aspirazione: questo tipo di configurazione permette di suddividere il flusso del liquido tra due ingressi simmetrici, riducendo la velocità di aspirazione in ciascun punto e abbassando il rischio di cadute di pressione al di sotto del valore di vapore. Inoltre, migliora la distribuzione del carico idraulico sulla girante, contribuendo a un funzionamento più stabile e silenzioso della pompa.
Controllare nuovamente tutte le specifiche della pompa e confrontarle con i requisiti dell'applicazione.
Acquistare l’elica corretta per la tua barca in base al motore e allo scafo e la sua perfetta installazione.
Manutenzione regolare e attenta.
Cercare un professionista che assista durante la scelta di una pompa.

I dispositivi di analisi delle vibrazioni, come gli analizzatori delle vibrazioni con puntatori a penna o gli strumenti di rilevamento delle condizioni dei cuscinetti, offrono informazioni rapide sullo stato dell’attrezzatura.

Una pompa moderna parla: emette segnali, dati, vibrazioni. Basta saperli ascoltare e interpretare.

Il monitoraggio predittivo, grazie a sensori di pressione, temperatura e vibrazioni collegati a un sistema di controllo (SCADA o PLC), consente di tenere sempre sotto osservazione lo stato di salute della macchina.

Hawk Pumps pone grande attenzione alla progettazione e alla realizzazione di pompe ad alta pressione che minimizzino il rischio di cavitazione. Per garantire un funzionamento affidabile e duraturo, Hawk raccomanda di seguire scrupolosamente le indicazioni di installazione e manutenzione fornite, prestando particolare attenzione alle caratteristiche della linea di aspirazione. Affidarsi alle pompe Hawk significa scegliere prodotti progettati per offrire prestazioni elevate e una lunga durata nel tempo, riducendo al minimo i problemi legati alla cavitazione se l'impianto è correttamente progettato e gestito.

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