Cavitation and Its Prevention

การเกิดโพรงอากาศและการป้องกัน

ฟองอากาศมักจะเกิดเริ่มเกิดขึ้นขึ้นบริเวณทางเข้าของท่อดูดของปั๊ม ไปสิ้นสุดที่ฟองอากาศแตก เกิดแรงกระแทกในตัวปั๊ม โพรงอากาศจะเกิดมากหรือน้อยขึ้นกับการออกแบบ ติดตั้ง และการเดินเครื่อง

ปั๊มหอยโข่งหรือ Centrifugal pump จะมีรูปแบบของการให้ผล หรือสมรรถนะ (Performance characteristic) หรือความสัมพันธ์ของความดัน ปริมาณการใหล การใช้พลังงาน ประสิทธิภาพ การเกิดโพรงอากาศ การสั่นสะเทือน และข้อจำกัดในการเดินเครื่อง ดังรูปสมรรถนะ (Pressure, Head – Flow) และข้อจำกัดของปั๊มในการเดินเครื่องข้างล่างนี้

กระบวนการเกิดโพรงไอน้ำ (Cavitation)

โพรงไอน้ำเกิดขึ้นเมื่อ ฟองไอน้ำที่เกิดขึ้นภายในของไหลยุบตัวลง ส่งผลให้เกิดให้เกิดแรงกระแทก (Shockwaves) กระจายไปทั่วของเหลว ฟองไอเหล่านี้ก่อตัวขึ้นเมื่อความดันในบริเวณไดบริเวญหนึ่ง ลดลงต่ำกว่าค่าความดันไอ (Vapor pressure) ของของเหลว ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้ภายในปั๊ม หรือในท่อและวาล์วที่บรรจุของเหลว

การยุบตัวของฟองอากาศ จะเกิดให้เกิดการกระแทกอย่างรุนแรง ทำให้เกิดการสูญเสียเนื้อโลหะ

 

สิ่งกีดขวางใดๆ ที่ทำให้เกิดความดันต่ำเฉพาะจุด อาจนำไปสู่การก่อตัวของฟองไอได้ โพรงไอน้ำสามารถเกิดขึ้นใน ปั๊มหอยโข่ง (Centrifugal Pumps) ด้วยหลายสาเหตุ โดยสาเหตุหนึ่งที่พบบ่อยคือ ความดันทางเข้าของปั๊มต่ำเกินไป ซึ่งอาจเกิดจาก

• ระดับของเหลวในถังลดลง ทำให้ของเหลวที่จ่ายเข้าสู่ปั๊มมีปริมาณไม่เพียงพอ
• การรั่วไหลของท่อส่งของเหลว ทำให้แรงดันทางเข้าของปั๊มลดลง

สาเหตุของการเกิดโพรงไอน้ำ

โพรงไอน้ำจะเกิดขึ้นเมื่อ

NPSHr (Net positive suction head required) น้อยกว่า NPSHa (Net positive suction head available)

รูปแสดงเฮดของปั๊มที่ระบบท่อโดยยึดศูนย์กลางของท่อดูดเข้าปั๊มเป็นจุดศูนย์กลาง

รูปแสดงการเกิดโพรงอากาศในกราฟแสดงสมรรถนะของปั๊ม โดยมีค่าเผื่อเซฟตี้ (Safety margin) 3 เปอร์เซนต์

รูปแสดงความดันที่ลดลง (Pressure drop) ในตัวปั๊ม จากปากทางเข้าปั๊ม (Inlet) จนถึงการถูกเหวี่ยงออกไปทางปากทางออก (Outlet)

สาเหตุของโพรงไอน้ำ

• น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100°C ภายใต้ความดันบรรยากาศ 1 บาร์
• น้ำสามารถเดือดได้แม้อยู่ที่อุณหภูมิห้อง หากมีการลดความดันเฉพาะจุดภายในปั๊ม
• ความดันของน้ำจะเริ่มลดลงที่ ทางเข้าใบพัด (Impeller Inlet) และจะเพิ่มขึ้นเมื่อเคลื่อนที่ไปยัง ทางออกของใบพัด (Impeller Outlet)
• หากความดันของน้ำต่ำมากพอ ฟองไอของน้ำจะก่อตัวขึ้น
• เมื่อฟองไอเหล่านี้เคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่มีความดันสูงขึ้น พวกมันจะยุบตัวลงอย่างรุนแรง (Implosion)
• การเปลี่ยนสถานะของน้ำจากไอเป็นของเหลวอย่างฉับพลันนี้ จะปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล ซึ่งจะสร้างความเสียหายให้กับใบพัดของปั๊ม

หากไม่จัดการปัญหานี้ อาจส่งผลให้ปั๊มเสียหายก่อนเวลาอันควร และต้องเสียค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมหรือเปลี่ยนอุปกรณ์ใหม่

ผลกระทบของฟองไอที่ยุบตัวลง (Collapse)

• การยุบตัวของฟองไอเปรียบเสมือน การระเบิดขนาดเล็กที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว
• พลังงานจำนวนมากจะถูกปล่อยออกมาในบริเวณนั้น ก่อให้เกิดความเสียหายต่อพื้นผิวของปั๊ม
• คลื่นกระแทกจากการยุบตัวของฟองไอ ทำให้เกิดการกัดเซาะ (Erosion) บนใบพัดของปั๊ม (Impeller Blades) หรือผนังของตัวปั๊ม (Pump Housing)
• ส่งผลให้เกิด เสียงดังและแรงสั่นสะเทือนรุนแรง ซึ่งเป็นอาการที่พบได้บ่อยเมื่อเกิดโพรงไอน้ำ
• ปริมาณการใหลไม่สม่ำเสมอ
• ปั๊มร้อนขึ้น จนเป็นอันตรายต่อระบบซีล และแบริ่ง
• ประสิทธิภาพปั๊มลดลง

ผลกระทบต่อปั๊มและอายุการใช้งาน

• การเกิดฟองไออาจดูเหมือนไม่ใช่ปัญหา แต่เมื่อฟองไอเคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่มีความดันสูงขึ้น มันจะยุบตัวลงอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดคลื่นกระแทกที่ทำลายชิ้นส่วนภายในปั๊ม
• ความเสียหายอาจรุนแรงถึงขั้นทำให้ ใบพัดเสียหายหรือผนังของปั๊มแตก
• ก่อนที่ความเสียหายทางกายภาพจะเกิดขึ้น ประสิทธิภาพของปั๊มจะเริ่มลดลง
• โดยปกติแล้ว เมื่อโพรงไอน้ำเกิดขึ้นต่อเนื่อง จะนำไปสู่การซ่อมบำรุงที่ไม่ได้วางแผนไว้ หรือในกรณีร้ายแรงอาจต้องเปลี่ยนปั๊มใหม่ ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง

ปัญหาเพิ่มเติมที่เกิดจากโพรงไอน้ำ

โพรงไอน้ำก่อให้เกิดต้นทุนที่ไม่คาดคิด รวมถึง

1. ค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมหรือเปลี่ยนปั๊ม เนื่องจากใบพัดและตัวปั๊มได้รับความเสียหาย
2. ค่าใช้จ่ายจากการหยุดการผลิตโดยไม่คาดคิด (Unplanned Downtime)
3. การสูญเสียของเหลวที่มีคุณภาพต่ำ (Inferior Quality Liquid) ซึ่งเกิดจากการปนเปื้อนภายในปั๊ม

ปัญหาเพิ่มเติมที่อาจเกิดจากโพรงไอน้ำ

• ค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้น
  • ค่าใช้จ่ายในการซ่อมบำรุงและเปลี่ยนปั๊ม
  • ความสูญเสียจาก การหยุดการผลิตโดยไม่คาดคิด
  • ค่าใช้จ่ายจาก ของเหลวที่เสียคุณภาพและต้องทิ้ง
• การปนเปื้อนในระบบ
  • วัสดุจากการกัดกร่อน (เศษโลหะหรือพลาสติก) อาจหลุดเข้าไปในวาล์วหรือเซ็นเซอร์ ทำให้อุปกรณ์เสียหาย
• ความเสียหายในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม
  • หากเกิดโพรงไอน้ำ อาหารและเครื่องดื่มบางชนิดอาจไม่สามารถใช้ได้อีก
  • เช่น นมที่เกิดฟองจากโพรงไอน้ำ จะไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก

โดยทั่วไป โพรงไอน้ำจะเกิดขึ้นที่บริเวณขอบใบพัด (Impeller) ตรงทางเข้าของของไหล ซึ่งเป็นจุดที่ความดันต่ำที่สุด โพรงไอน้ำเป็นปัญหาสำคัญที่ต้องได้รับการแก้ไข เนื่องจากอาจทำให้เกิดเสียงดัง การสั่นสะเทือน และในกรณีที่รุนแรง อาจทำให้ปั๊มเสียหายได้

การปนเปื้อนในระบบ

• เศษโลหะหรือพลาสติกที่เกิดจากการกัดเซาะภายในปั๊มอาจหลุดเข้าไปในของเหลว
• วัสดุที่หลุดออกมาอาจติดค้างในวาล์วหรือเซ็นเซอร์ ทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์อื่นๆ ในระบบ

ผลกระทบของโพรงไอน้ำต่อคุณภาพของของเหลว

ในกระบวนการบำบัดน้ำ คุณภาพของน้ำจะไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก นอกจากการปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้นจากวัสดุภายในปั๊ม เนื่องจากน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอเมื่อลูกโป่งไอเกิดขึ้น และกลับมาเป็นของเหลวเมื่อลูกโป่งไอยุบตัวลง อย่างไรก็ตาม ในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม คุณภาพของของเหลวที่ถูกปั๊มเป็นปัจจัยสำคัญ ตัวอย่าง เช่น

• หาก นมที่ถูกปั๊มเกิดฟองอากาศจากโพรงไอน้ำ ฟองอากาศเหล่านี้ไม่สามารถแก้ไขได้ และคุณภาพของนมจะสูญเสียไปโดยถาวร

 

ผลของการเกิดโพรงไอน้ำทางเศรษฐกิจ

• การสูญเสียคุณภาพของผลิตภัณฑ์
• การสูญเสียรายได้
• ต้นทุนที่เพิ่มขึ้นจากการต้องกรองหรือบำบัดของเหลวเพิ่มเติม

ในบางกรณี ของเหลวทั้งหมดอาจสูญเสียไป 100%
ในบางกรณีของเหลวอาจสามารถนำไปใช้ในวัตถุประสงค์อื่นได้ แต่ต้องเสียค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น เช่น การกรองหรือการบำบัดของเหลวเพิ่มเติม
ดังนั้น ควรพิจารณาว่า วัสดุที่ถูกกัดกร่อนออกไปจากการยุบตัวของฟองไอจะไปอยู่ที่ไหน และสามารถกำจัดออกได้หรือไม่ เพื่อป้องกันการสูญเสียของเหลวทั้งหมด

วิธีป้องกันโพรงไอน้ำ

1. คำนึงถึงค่าความดันดูดสุทธิที่ต้องการ (NPSH - Net Positive Suction Head)

• ค่า NPSH แสดงระดับความดันทางเข้าของปั๊มที่จำเป็นต้องมี เพื่อป้องกันโพรงไอน้ำ
• ค่านี้ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของของเหลว (Flow Rate)
• หากอัตราการไหลสูง ค่าความดันทางเข้าของปั๊มต้องสูงตามไปด้วย
• หากค่าความดันต่ำกว่าที่กำหนด ปั๊มจะเกิดโพรงไอน้ำ

การออกแบบระบบที่ดีต้องคำนึงถึงค่า NPSH ตั้งแต่แรก เพื่อให้มีแรงดันเพียงพอในทุกสภาวะการทำงาน

วิธีป้องกันโพรงไอน้ำ
1. การทำความเข้าใจค่าความดันดูดสุทธิที่ต้องการ (NPSH: Net Positive Suction Head)

NPSHr – NPSHa < 3%

 

NPSHr ที่ปริมาณการใหลเท่ากันจะขึ้นกับขนาดของปั๊ม

 

• ค่าความดันดูดสุทธิ (NPSH) แสดงให้เห็นว่าของไหลใกล้ถึงจุดกลายเป็นไอมากเพียงใด
• ผู้ผลิตปั๊มจะกำหนดค่าความดันดูดสุทธิขั้นต่ำที่ต้องใช้ (NPSH Required - NPSHr)
• ตัวอย่างการคำนวณ
  • ที่ 30°C ค่าความดันไอของน้ำอยู่ที่ 0.43 ม.
  • หากสูญเสียแรงเสียดทาน 1 ม. และปั๊มต้องการ NPSH 3 ม.
  • ดังนั้น ความดันทางเข้าปั๊มที่ต่ำที่สุดที่ควรมีคือ: 3+1+0.43 = 4.43 ม.
  • เพื่อความปลอดภัย ควรเพิ่ม ค่าความปลอดภัย 0.5 ม. ดังนั้น ค่าความดันดูดที่แนะนำควรอยู่ เหนือ 5 ม.

หมายเหตุ

1. NPSH ขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของของเหลว (Flow Rate) ในสภาวะที่กำหนด
2. หากปั๊มทำงานที่อัตราการไหลสูง ความดันที่ทางเข้าปั๊มต้องสูงตามไปด้วย
3. หากค่าความดันต่ำกว่าค่า NPSH ที่กำหนด ความเสี่ยงต่อการเกิดโพรงไอน้ำจะเพิ่มขึ้น

ข้อมูล NPSH ของปั๊มแต่ละรุ่นถูกใช้ตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบระบบ เพื่อให้แน่ใจว่า มีความดันล่วงหน้าที่เพียงพอสำหรับทุกสถานการณ์การทำงาน

การป้องกันโพรงไอน้ำในกรณีถังจ่ายของเหลวกำลังหมด

• เมื่อลูกสูบของปั๊มดึงของเหลวจากถัง ระดับของเหลวในถังจะลดลง ทำให้แรงดันที่ทางเข้าปั๊มลดลงตามไปด้วย
• แรงดันต่ำที่ทางเข้าปั๊มเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดโพรงไอน้ำ ดังนั้น ต้องมีมาตรการป้องกันเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อปั๊ม

✅ ติดตั้งเซ็นเซอร์วัดแรงดันที่ทางเข้าปั๊ม

• ระบบสามารถ หยุดปั๊มอัตโนมัติ ได้เมื่อแรงดันลดลงต่ำกว่าค่าที่กำหนด
• ใช้ระดับของเหลวในถังเป็นตัวชี้วัดเพื่อหยุดปั๊มหากจำเป็น

✅ ควบคุมความเร็วของปั๊ม

• ลดความเร็วของปั๊ม (Pump Speed) เมื่อแรงดันทางเข้าลดลง
• ลดอัตราการไหลของของเหลวเพื่อให้แรงดันที่ทางเข้าปั๊มอยู่ในระดับที่ปลอดภัย
• หากจำเป็น อาจต้องหยุดปั๊มเพื่อป้องกันโพรงไอน้ำ

✅ เพิ่มความดันทางเข้าปั๊ม

• ใช้ถังเก็บของเหลวที่มีระดับของเหลวสูงขึ้น
• ลดการสูญเสียแรงดันในท่อทางดูด

✅ เลือกปั๊มที่เหมาะสม

• หากโพรงไอน้ำยังเกิดขึ้น ให้เลือกปั๊มที่ต้องการ ค่า NPSH ต่ำกว่า

2. วิธีป้องกันโพรงไอน้ำโดยปฏิบัติจริง

✅ ลดระดับของปั๊มและเพิ่มความดันทางเข้า
✅ ลดการสูญเสียแรงเสียดทานในท่อทางดูด
✅ ลดอัตราการไหลของปั๊ม
✅ เพิ่มระดับความสูงของแหล่งน้ำทางดูด

โพรงไอน้ำเป็นปัญหาที่สำคัญและอาจทำให้ปั๊มเสียหายร้ายแรง การทำความเข้าใจสาเหตุและวิธีป้องกันเป็นสิ่งสำคัญในการเลือกใช้งานและออกแบบระบบปั๊มให้มีประสิทธิภาพและอายุการใช้งานที่ยาวนาน