ปัญหาการสั่นสะเทือนของปั๊มและแนวทางแก้ไข
การวิเคราะห์สาเหตุและแนวทางแก้ไขปัญหาการสั่นสะเทือนของปั๊มหอยโข่ง
ปั๊มหอยโข่ง (Centrifugal pump) มีบทบาทสำคัญในการผลิตทางอุตสาหกรรม แต่ปัญหาการสั่นสะเทือน (Vibration) ของตัวปั๊มมักส่งผลต่อประสิทธิภาพ การใช้งานต่อเนื่อง และความปลอดภัยของอุปกรณ์ เป็นปัญหาใหญ่ที่ต้องเรียนรู้ หาสาเหตุ และหาทางป้องกัน
ภาพแสดงปัญหาที่ทำให้ปั๊มเสียหาย (Root cause of pump damage)
พบว่าสาเหตุเกิดจากแรงสั่นสะเทือนถึง 14%
ภาพการเกิดแรงสั่นสะเทือนของปั๊ม ค่าสูงสุดที่ยอมรับได้ เทียบกับกราฟสมรรถนะของปั๊ม
ปั๊มหอยโข่งถูกนำมาใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรม เช่น กระบวนการทางเคมี ยา การผลิต การขนส่งของเหลว และการบำบัดน้ำ อย่างไรก็ตาม การออกแบบ การประกอบ การติดตั้ง การเดินเครื่อง การบำรุงรักษาที่ไม่ดี การใช้งานเป็นระยะเวลานานอาจทำให้เกิดปัญหาการสั่นสะเทือนขึ้นได้ ซึ่งอาจทำให้ปั๊มทำงานผิดปรกติ และมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัย
การสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจะส่งแรงกระแทกที่ความถี่สูง มีผลให้แบริ่งและซีลคอเพลาเสียหาย ความเสียหายอาจจะรุนแรงส่งผลถึงชิ้นส่วนหลักอื่นๆ ถึงขั้นทำให้ปั๊ม และระบบการผลิตเสียหาย
หลายคนอาจคิดว่าการสั่นสะเทือนเกิดจาก ความไม่สมดุลของโรเตอร์ (Rotor Imbalance) เพียงอย่างเดียว แต่ในความเป็นจริง ยังมีปัจจัยอื่นๆ อีกมากมายที่อาจเป็นต้นเหตุของการสั่นสะเทือน
การสั่นสะเทือนในเครื่องจักรเกิดจากแรงกระตุ้น (Exciting Force) ที่มีต้นกำเนิดจากปัจจัยทาง ไฮดรอลิก (Hydraulic ของๆใหล) หรือ ทางกลไก (Mechanical ที่ตัวปั๊ม) ซึ่งแรงนี้กระทำต่อโครงสร้างของปั๊ม การทำปฏิกิริยา (Reaction) ผสมผสานกับความถี่ในตัวของโครงสร้าง (Structural Frequencies) ของวัสดุทำปั๊ม ยิ่งแรงสั่นสะเทือนมีขนาดใหญ่ขึ้น แสดงว่าแรงกระตุ้นมีความรุนแรงมากขึ้น และอาจเข้าใกล้ความถี่เรโซแนนซ์ (Resonant Frequency) ของ
ระบบ (ความถี่ที่เกิดตามธรรมชาติ – Natural frequency) ของโครงสร้างหรือชิ้นส่วนนั้นๆ ถ้าการสั่นสะเทือนมีความถี่เท่ากับความถี่รีโซแนนซ์ ก็จะเกิดความเสียหายต่อปั๊มตามมา
ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนเรโซแนนซ์ (Resonance Reactions) มักพบในระบบปั๊มที่ติดตั้งใหม่ อย่างไรก็ตาม ปัญหานี้ก็สามารถเกิดขึ้นได้ใน ระบบปั๊มเก่า หากมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างโดยรวมของระบบ
การสั่นสะเทือนเกิดจากหลายสาเหตุพร้อมกัน การสั่นสะเทือนแต่ละสาเหตุก็มีความถี่และขนาด (Amplitude) ต่างกัน การวัดก็ทำได้ยาก ต้องใช้เครื่องมือวิเคระห์ จึงจะรู้ว่าเกิดจากสาเหตุอะไร เกิดตรงใหน การสั่นสะเทือนเกิดทั้งแนวแกน และแนวเส้นผ่าศูนย์กลางของเพลา การแก้ปัญหาจึงจะทำได้ถูกจุด
ดังแสดงในรูปข้างล่างนี้ การสั่นสะเทือนจะแสดงออกมาเป็นสเปคตรัมให้เห็น ว่าสาเหตุเกิดจากอะไร มีความถี่และขนาดเท่าไร เครื่องมือวัดการสั่นสะเทือน (Vibrometer) จะแสดงแยกแยะออกมาให้เห็น ถ้าค่าสเปคตรัมใหนเกินค่าที่ยอมรับ ก็ต้องรีบดำเนินการแก้ไข หากปล่อยใว้นาน ตัวปั๊มหรือชิ้นส่วนจะถูกแรงสั่นสะเทือนจนเสียหายได้
การอ่านค่าจากสเปคตรัมเป็นเรื่องยาก ซับซ้อน ต้องอาศัยความเชี่ยวชาญ และทักษะ เพราะอุปกรณ์ค่อนข้างจะซับซ้อน มีแหล่งเกิดการสั่นสะเทือนจากหลายหลายสาเหตุ แต่ละสาเหตุจะส่งสเปคตรัมออกมา ที่ความถี่และแอมพลิจูดต่างๆกัน แต่ดูแล้วจะซ้อนๆกัน
รูปแสดงภาพการเกิดสเปคตรัมของการสั่นสะเทือนจาก Imbalance ของโรเตอร์ และการใบพัด (Vane pass)
การตรวจสอบแรงสั่นสะเทือนของปั๊มเป็นสิ่งสำคัญ
การตรวจสอบแรงสั่นสะเทือนของปั๊มเป็นสิ่งจำเป็นในการตรวจจับปัญหาภายในตัวปั๊มหรือระบบโดยรอบ แรงสั่นสะเทือนที่มากเกินไปมักเป็นสัญญาณของปัญหาที่ต้องได้รับการแก้ไขโดยเร็ว
ปั๊มที่ถูกนำมาซ่อมแซมส่วนใหญ่มีปัญหาการสั่นสะเทือน ซึ่งมีสาเหตุหลักที่อาจทำให้ปั๊มต้องหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดและส่งผลให้ต้องซ่อมแซมที่มีค่าใช้จ่ายสูง ชาร์ทข้างนี้จะช่วยเป็นไกด์ไลน์ให้สามารถระบุสาเหตุของปัญหาการสั่นสะเทือนของปั๊มได้
สาเหตุหลักของการสั่นสะเทือนในปั๊มหอยโข่ง
1 เพลา (Shaft)
ปั๊มที่มีเพลาที่ยาวมักประสบปัญหาความแข็งแรงของเพลาไม่เพียงพอ การโก่งตัวที่มากเกินไป และความตรงของระบบเพลาที่ไม่ดี ทำให้เกิดการเสียดสีระหว่างชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ (เพลาขับ) และชิ้นส่วนที่อยู่กับที่ (แบริ่งรองรับหรือแหวนปาก) ส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือน นอกจากนี้ หากเพลาปั๊มยาวเกินไป น้ำไหลภายในบ่อจะกระทบกับเพลาใต้น้ำของปั๊ม ทำให้การสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น หากช่องว่างของเพลาที่แผ่นสมดุลปลายเพลามีขนาดใหญ่เกินไป หรือมีการปรับระยะการทำงานตามแนวแกนไม่เหมาะสม จะทำให้เพลาเคลื่อนที่ด้วยความถี่ต่ำและทำให้ปลอกแบริ่งสั่นสะเทือน การเยื้องศูนย์ของเพลาที่หมุนจะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนแบบโค้งงอของเพลา
2. เพลางอ (Bent Shaft)
เมื่อโรเตอร์มีลักษณะเหมือนกัน หากเพลางอจะทำให้เกิดแรงสั่นสะเทือนในแนวแกน (Axial Vibration) และการเปลี่ยนเฟสของแกนเกือบ 180° หากการงออยู่ที่กึ่งกลางของเพลา จะทำให้เกิดความไม่เสถียรที่ 1X RPM แต่หากการงออยู่ใกล้จุดเชื่อมต่อ ความไม่เสถียรจะเพิ่มขึ้นเป็น 2X RPM
โดยทั่วไป เพลางอของปั๊มมักพบได้ที่บริเวณจุดเชื่อมต่อหรือบริเวณกึ่งกลางของเพลา นอกจากนี้ ยังสามารถใช้ Dial Indicator เพื่อตรวจสอบว่ามีการงอของเพลาหรือไม่
เพลาปั๊มที่คดงอสามารถทำให้เกิดการสั่นสะเทือนแบบ แนวแกน (Axial Vibration) ที่มีความแตกต่างของเฟสใกล้เคียง 180° บนโรเตอร์เดียวกัน ซึ่งมักเกิดขึ้นบริเวณข้อต่อ
3. ใบพัด (Impeller Imbalance)
ความไม่สมดุลของมวลใบพัด, คุณภาพของกระบวนการผลิตไม่ดี, การสึกกร่อนจากของไหล, และการสึกหรอเชิงกลของขอบใบพัด ล้วนแต่เพิ่มการสั่นสะเทือนของปั๊มหอยโข่ง
ปั๊มที่ดูเหมือนมีการเยื้องศูนย์ มีตลับลูกปืนเสีย หรือมีความร้อนสูง อาจเกิดจากใบพัดที่ไม่สมดุล ซึ่งจะส่งผลให้เกิดแรงสั่นสะเทือนและการสะสมความร้อนที่ผิดปกติ
ในบางกรณี ปั๊มอาจมีอาการ แนวเพลาไม่ตรง, ตลับลูกปืนเสียหาย หรือเกิดความร้อนสูงเกินไป แต่สาเหตุที่แท้จริงของปัญหาเหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับความไม่สมดุลของชุดประกอบปั๊มหรือชิ้นส่วนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง
ความไม่สมดุลของชุดประกอบปั๊มอาจทำให้เกิด แรงกระแทกและการสะสมความร้อน นอกจากนี้ ระดับความสมดุลของใบพัดยังส่งผลโดยตรงต่ออายุการใช้งานของตลับลูกปืนปั๊ม
ในปั๊มที่มีใบพัดแบบแขวนกลาง (Center-Hung Impeller) มักพบปัญหาความไม่สมดุลของแรงมากกว่าความไม่สมดุลของแรงบิด ดังนั้น แรงสั่นสะเทือนที่สูงที่สุดของปั๊มมักจะพบในทิศทางแนวนอนหรือแนวตั้ง โดยมีแอมพลิจูดสูงสุดที่ 1X RPM
อันตรายจากใบพัดที่ไม่สมดุล
- เพลางอหรือเกิดเรโซแนนซ์ที่ควบคุมไม่ได้
- ความล้มเหลวของตลับลูกปืน
- การสั่นสะเทือนที่มากเกินไป ทำให้ปั๊มและระบบเสียหาย
- ความเสียหายของซีลเครื่องกลหรือแพ็กกิ้ง
- ปั๊มติดขัดจนไม่สามารถทำงานได้
วิธีป้องกัน
ควรมีการถ่วงสมดุลของใบพัดอย่างแม่นยำเพื่อยืดอายุการใช้งานของตลับลูกปืน
4. แบริ่งและการหล่อลื่น (Bearings and Lubrication)
ความแข็งของแบริ่งต่ำเกินไป ทำให้ความเร็ววิกฤติลดลงและเกิดการสั่นสะเทือน นอกจากนี้ แบริ่งนำทางที่มีประสิทธิภาพต่ำ จะทำให้เกิดการสึกหรอมากขึ้น, ยึดไม่แน่น และช่องว่างมากเกินไป ทำให้เกิดการสั่นสะเทือน
ความล้มเหลวของตลับลูกปืน เป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของปัญหาการสั่นสะเทือนของปั๊ม ประมาณ 10% ถึง 30% ของตลับลูกปืนอาจทำงานจนเกิดการสึกหรอแบบปกติ ตัวอย่างเช่น ปั๊มมาตรฐาน ANSI คาดว่าจะใช้งานได้ประมาณ 20,000 ชั่วโมง แต่ตลับลูกปืนอาจเสื่อมสภาพก่อน
สาเหตุที่ทำให้ตลับลูกปืนเสียหาย
- รับแรงโหลดมากเกินไป
- การสึกหรอจากการใช้งาน
- การกัดกร่อนจากสภาพอากาศหรือสารเคมี
- ความล้มเหลวของสารหล่อลื่น
- การเกิดความร้อนสูงเกินไป
- การปนเปื้อนของสิ่งแปลกปลอม
วิธีป้องกัน
หล่อลื่นตลับลูกปืนเป็นประจำโดยใช้น้ำมันหมอก (Oil Mist) น้ำมันพิเศษ หรือจาระบี
5. ฐานรองและโครงยึดปั๊ม (Foundation and Pump Bracket)
หากโครงยึดอุปกรณ์ขับเคลื่อนไม่แน่นพอ หรือฐานรองและระบบมอเตอร์มีประสิทธิภาพการดูดซับ การส่งผ่าน และการแยกการสั่นสะเทือนไม่ดี จะทำให้เกิดการสั่นสะเทือนที่มากเกินไปของทั้งฐานรองและมอเตอร์ หากฐานปั๊มหอยโข่งแบบแยกปลอกไม่มั่นคง หรือเกิดฐานรองที่มีความยืดหยุ่นระหว่างการติดตั้ง หรือความแข็งของฐานรองลดลงเนื่องจากน้ำมันซึมเข้าไป จะทำให้ปั๊มเกิดความเร็ววิกฤติที่แตกต่างไป 180 องศาจากการสั่นสะเทือนปัจจุบัน ซึ่งจะเพิ่มความถี่ของการสั่นสะเทือนของปั๊ม หากความถี่นี้ใกล้เคียงหรือเท่ากับความถี่ของปัจจัยภายนอก แอมพลิจูดของการสั่นสะเทือนของปั๊มจะเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ หากสลักยึดฐานรองหลวม จะลดความแข็งแรงของโครงสร้างและทำให้การสั่นสะเทือนของมอเตอร์รุนแรงขึ้น
6. ข้อต่อระหว่างเพลาตัวขับและตัวถูกขับ (Shaft Coupling)
การเยื้องศูนย์ของเพลา (Shaft Misalignment)
ระยะห่างของสลักเกลียวข้อต่อไม่สม่ำเสมอ ทำให้สมมาตรถูกทำลาย; ส่วนที่ขยายของข้อต่อเยื้องศูนย์ ส่งผลให้เกิดแรงเยื้องศูนย์; ความเอียงของข้อต่อเกินค่ามาตรฐาน; สมดุลแบบสถิตหรือสมดุลแบบไดนามิกของข้อต่อไม่ดี; พินยืดหยุ่นในข้อต่อแน่นเกินไป ทำให้พินสูญเสียความสามารถในการปรับตัว ทำให้ข้อต่อไม่อยู่ในแนวเดียวกัน; ระยะห่างระหว่างข้อต่อและเพลามากเกินไป; การสึกหรอของแหวนยางข้อต่อทำให้ประสิทธิภาพการจับคู่ลดลง; คุณภาพของสลักเกลียวขับเคลื่อนที่ใช้ในข้อต่อไม่เท่ากัน เหตุผลเหล่านี้ทั้งหมดนำไปสู่การสั่นสะเทือน
การสั่นสะเทือนเป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไปในปั๊ม แต่หากการสั่นสะเทือนมากเกินไป อาจเกิดจากเพลาที่เยื้องศูนย์ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและความเสถียรของปั๊ม
อาการของเพลาเยื้องศูนย์
- การสั่นสะเทือนแนวแกนหรือแนวรัศมีที่มากเกินไป
- อุณหภูมิสูงขึ้นที่ตัวเรือนปั๊มหรือใกล้ตลับลูกปืน
- อุณหภูมิของน้ำมันหล่อลื่นสูงผิดปกติ
- น้ำมันรั่วที่ซีลตลับลูกปืน
- สลักเกลียวข้อต่อหรือฐานรองหลวม
- ข้อต่อเสียหายบ่อย
- เพลาหักหรือแตกร้าวใกล้ข้อต่อหรือบริเวณตลับลูกปืน
วิธีแก้ไข
ให้ช่างเทคนิคมืออาชีพทำการตรวจสอบเพื่อตรวจวัดและแก้ไขปัญหาการเยื้องศูนย์ของเพลา
ปัญหาแรงสั่นสะเทือนที่เกี่ยวข้องกับเรโซแนนซ์มักเกิดขึ้นในอุปกรณ์ใหม่ แต่การเปลี่ยนแปลงของระบบก็อาจทำให้เกิดปัญหานี้ในอุปกรณ์เก่าได้เช่นกัน
การตรวจจับและวัดการไม่สมดุลของเพลาจากภายนอกนั้นยาก และไม่สามารถติดตั้งเซ็นเซอร์ในปั๊มเพื่อวัดแรงที่กระทำได้ ดังนั้น, การใช้เทคนิคและเครื่องมือการวินิจฉัยที่ถูกต้องจึงเป็นสิ่งสำคัญในการระบุการไม่สมดุลของเพลา ผู้เชี่ยวชาญอาจใช้วิธีต่าง ๆ เช่น การวิเคราะห์การสั่นสะเทือน (Vibration analysis), การปรับแนวเพลาด้วยเลเซอร์ (Laser shaft alignment), หรือ การใช้ขนาดน้ำหนักทดลอง (Trial weights) เพื่อตรวจจับและแก้ไขปัญหา
ปั๊มที่เยื้องศูนย์ ไม่ตรงแนวสามารถแสดงอาการต่าง ๆ เช่น
- การสั่นสะเทือนแกนหรือรัศมีที่มากเกินไป ซึ่งอยู่นอกขอบเขตที่ยอมรับได้
- อุณหภูมิสูงผิดปกติในเคสหรือบริเวณใกล้กับตลับลูกปืน
- อุณหภูมิของน้ำมันที่ออกจากปั๊มสูงผิดปกติ
- น้ำมันรั่วจากซีลของตลับลูกปืนในปริมาณมาก
- สกรูฐานหรือข้อต่อที่หลวม
- ปัญหาการจับคู่ในระบบน้ำล้น
- เพลาที่แตกหรือหักใกล้กับตลับลูกปืนที่ดูดหรือตัวเชื่อมต่อ
การตรวจจับปัญหาการสั่นสะเทือนในระยะเริ่มต้นช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการหยุดทำงานที่ไม่ได้วางแผนไว้ และช่วยให้สามารถวางแผนการบำรุงรักษาปั๊มตามกำหนดเวลาได้ หากคุณประสบปัญหากับปั๊ม, เครื่องจักรรอบหมุน, หรือระบบของคุณ, การติดต่อกับผู้ให้บริการของคุณอาจเป็นประโยชน์ นอกจากนี้, ควรเลือกผู้จำหน่ายปั๊มที่มีชื่อเสียงและบริการจากผู้ผลิตที่สามารถจัดการกับการซ่อมแซมปั๊มได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อทำการซื้อปั๊มใต้น้ำ
7. การประสานงานระหว่างชิ้นส่วน (Coordination Between Components)
ความเยื้องศูนย์ของเพลามอเตอร์และเพลาปั๊มเกินค่ามาตรฐาน; ช่องว่างการสึกหรอระหว่างใบพัดและแหวนซีลมากขึ้น; ช่องว่างระหว่างแหวนซีลไม่สมดุล เหล่านี้สามารถทำให้เกิดการสั่นสะเทือน
8. มอเตอร์ (Motor)
ชิ้นส่วนโครงสร้างของมอเตอร์หลวม, อุปกรณ์ยึดแบริ่งไม่มั่นคง, แกนเหล็กซิลิคอนหลวมเกินไป, และความแข็งแรงของแบริ่งลดลงจากการสึกหรอ ส่งผลให้เกิดการสั่นสะเทือน ความไม่สมดุลของมวล, การกระจายน้ำหนักของโรเตอร์ที่ไม่เท่ากันจากการโก่งตัวของโรเตอร์, และปัญหาการกระจายน้ำหนัก ส่งผลให้เกิดแรงสมดุลแบบสถิตและไดนามิกที่มากเกินไป นอกจากนี้ หากแท่งกรงกระรอกของโรเตอร์มอเตอร์ชนิดกรงกระรอกแตก จะทำให้แรงแม่เหล็กของโรเตอร์ไม่สมดุลกับแรงเฉื่อยของโรเตอร์ ทำให้เกิดการสั่นสะเทือน
9. ระบบติดตั้ง และการยึดท่อ (Pipelines, Installation, and Fixation)
การติดตั้งไม่ถูกหลักวิศวกรรม และการต่อท่อไม่แข็งแรงพอ หลวม เกิดการสั่นส่งเข้าตัวปั๊ม
10. ปัจจัยภายในตัวปั๊ม (Factors of the Pump Itself) เกิดสนามความดันที่ไม่สมมาตรเมื่อใบพัดหมุน; วังน้ำวนในบ่อดูดและท่อทางเข้า; การเกิดและการสลายของวังน้ำวนภายในใบพัด หอยโข่ง และใบพัดนำทาง; การสั่นสะเทือนจากวังน้ำวนที่เกิดขึ้นจากการเปิดวาล์วเพียงครึ่งเดียว; การกระจายแรงดันที่ไม่สม่ำเสมอที่ทางออกของใบพัด; การสูญเสียการไหลภายในใบพัด; ภาวะสั่นของปั๊ม; ความผันผวนของแรงดันในช่องไหล; คาวิเทชัน; การไหลของน้ำภายในตัวปั๊มทำให้เกิดแรงเสียดทานและแรงกระแทก เช่น การกระแทกของน้ำที่ขอบตัวแบ่งและขอบด้านหน้าของใบพัดนำทาง ปั๊มป้อนน้ำร้อนในหม้อไอน้ำมักเกิดการสั่นสะเทือนจากคาวิเทชัน ความผันผวนของแรงดันภายในปั๊มเกิดจากช่องว่างของวงแหวนซีลของใบพัดที่มากเกินไป ทำให้เกิดการสูญเสียการรั่วไหลที่มากและการไหลย้อนกลับอย่างรุนแรง ส่งผลให้แรงตามแนวแกนของโรเตอร์ไม่สมดุลและเกิดแรงกระเพื่อมของแรงดัน
11. การเกิดแรงดันพัลซิ่งในปั๊ม (Pump Flow Pulsation)
เกิดขึ้นเมื่อปั๊มทำงานใกล้จุด Shut-off Head ซึ่งสามารถสังเกตได้จาก
- มาตรวัดความดันที่ท่อทางออกของปั๊มมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา
- วาล์วกันกลับแบบแขนเหวี่ยง (Swing Check Valve) เคลื่อนไหวอย่างผิดปกติ
สาเหตุหลัก
- การป้อนของเหลวเข้าไม่สม่ำเสมอ
- ค่าความแข็งของสปริงไม่เหมาะสม
- วาล์วรั่ว
- มีปั๊มหลายตัวในระบบท่อเดียวกัน
- ออกแบบระบบท่อที่จำกัดการไหล
- การสึกหรอของซีลและแพ็กกิ้ง
วิธีแก้ไข
ใช้ Suction Stabilizer เพื่อลดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันและรักษาการไหลของของเหลวให้คงที่
12. การเลือกปั๊มและสภาวะการทำงานที่เปลี่ยนแปลง (Pump Selection and Variable Operating Conditions)
ปั๊มแต่ละตัวมีจุดทำงานที่เหมาะสม หากสภาวะการทำงานจริงไม่ตรงกับสภาวะที่ออกแบบ จะส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพของปั๊ม ปั๊มหอยโข่งแบบแยกปลอกทำงานได้ค่อนข้างคงที่ในสภาวะที่ออกแบบ แต่เมื่อทำงานภายใต้สภาวะที่เปลี่ยนแปลง แรงตามแนวรัศมีที่เกิดขึ้นในใบพัดจะทำให้การสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น การเลือกปั๊มที่ไม่เหมาะสมหรือการใช้งานปั๊มที่ไม่เข้ากันในระบบขนาน อาจทำให้เกิดการสั่นสะเทือนในระบบ
หากฐานรองท่อทางออกของปั๊มไม่มีความแข็งแรงเพียงพอและเกิดการเสียรูปมากเกินไป ท่ออาจกดลงบนตัวปั๊ม ทำให้สมดุลของปั๊มและมอเตอร์ถูกทำลาย
13. การเกิดโพรงไอในปั๊ม (Pump Cavitation)
การเกิดโพรงไอในปั๊มเป็นอาการของ ค่าแรงดูดสุทธิเชิงบวก (NPSH) ที่ไม่เพียงพอ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อความดันสัมบูรณ์ของของเหลวที่ทางเข้าของใบพัดลดลงจนใกล้เคียงกับความดันไอของของเหลว ทำให้เกิดฟองอากาศขึ้น และเมื่อฟองเหล่านี้ยุบตัวขณะผ่านใบพัด จะเกิดแรงกระแทกอย่างรุนแรง
การเกิดโพรงไอในปั๊มเป็นอาการของ ค่าแรงดูดสุทธิเชิงบวก (NPSH) ที่ไม่เพียงพอ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อความดันสัมบูรณ์ของของเหลวที่ทางเข้าของใบพัดลดลงจนใกล้เคียงกับความดันไอของของเหลว ทำให้เกิดฟองอากาศขึ้น และเมื่อฟองเหล่านี้ยุบตัวขณะผ่านใบพัด จะเกิดแรงกระแทกอย่างรุนแรง
อาการที่สังเกตได้
- เสียงปั๊มดังคล้ายหินกระทบกันหรือลักษณะเสียงแตกพร่าผิดปกติ
- ปริมาณการใช้พลังงานสูงขึ้น
- เกิดความเสียหายต่อปั๊ม
วิธีป้องกัน
- ตรวจสอบความสะอาดของไส้กรองและตะแกรงกรอง
- ใช้มาตรวัดความดันหรืออัตราการไหลเพื่อตรวจสอบเส้นโค้งของปั๊ม
- ทบทวนการออกแบบเส้นทางการไหลของของเหลว หากพบว่ามีข้อจำกัด
14. การการใหลหมุนเวียนซ้ำ (Recirculation)
การไหลที่กลับทิศทาง (Flow inversion) และการไหลต่ำที่ปลายใบพัดหรือปลายท่อออกสามารถทำให้เกิดการหมุนเวียนซ้ำที่ไม่ต้องการ
ในระบบปั๊ม, เราสามารถจัดประเภทการหมุนเวียนซ้ำที่ไม่ต้องการได้เป็น การหมุนเวียนดูด (Suction recirculation) และ การหมุนเวียนออก (Discharge recirculation)
- การหมุนเวียนดูด (Suction Recirculation): เมื่อการไหลเปลี่ยนทิศทาง จะทำให้เกิดการหมุนเวียนในตาของใบพัด ซึ่งจะสร้างการระเบิดของแรงดันต่ำ ปัญหานี้เกี่ยวข้องกับ การเกิดฟองอากาศ (Cavitation) ซึ่งสามารถทำให้ใบพัดเสื่อมสภาพได้อย่างมากในระยะยาว
- การหมุนเวียนออก (Discharge Recirculation): การหมุนเวียนออกเกิดขึ้นเมื่อการไหลที่ท่อออกของปั๊มถูกเปลี่ยนทิศทาง ซึ่งอาจทำให้เกิดการปั่นป่วนและปัญหาอื่น ๆ
เพื่อป้องกันการหมุนเวียนดูด ควรให้แน่ใจว่าอัตราการไหลและสภาพดูดอยู่ภายในขอบเขตที่ผู้ผลิตปั๊มแนะนำและออกแบบระบบท่อดูดให้เหมาะสม
ในกรณีของการหมุนเวียนออก การใช้ วาล์วควบคุมการระบาย (Discharge throttling valve) หรืออุปกรณ์ควบคุมการไหลอื่น ๆ สามารถช่วยป้องกันปัญหานี้ได้
วิธีการวินิจฉัยปัญหาการสั่นสะเทือนของปั๊มหอยโข่ง
- การวัดการสั่นสะเทือน: ใช้เซ็นเซอร์วัดการสั่นสะเทือนเพื่อตรวจสอบค่าความกว้าง ความถี่ และเฟสของการสั่นสะเทือน
- การตรวจจับเสียง: ใช้เทคโนโลยีการปล่อยเสียงเพื่อระบุความเสียหายภายในปั๊ม
- การตรวจสอบอุณหภูมิ: ตรวจสอบอุณหภูมิของชิ้นส่วน เช่น ตลับลูกปืนและมอเตอร์ เพื่อตรวจจับการเกิดความร้อนสูงผิดปกติ
- การวิเคราะห์น้ำมันหล่อลื่น: ตรวจสอบอนุภาคโลหะและผลิตภัณฑ์การสึกหรอในน้ำมัน เพื่อประเมินสภาพของตลับลูกปืน
- การตรวจสอบด้วยตาเปล่า: ตรวจสอบชิ้นส่วนภายในปั๊มเพื่อหาความเสียหายหรือการสึกหรอ
จากผลการวินิจฉัย สามารถดำเนินมาตรการแก้ไขที่เหมาะสมได้ เช่น
- ปรับแต่งใบพัด: ปรับสมดุลหรือเปลี่ยนใบพัดเพื่อลดการสั่นสะเทือนที่เกิดจากความไม่สมดุล
- บำรุงรักษาตลับลูกปืน: ตรวจสอบและเปลี่ยนตลับลูกปืนเป็นประจำ เพื่อให้แน่ใจว่ามีการหล่อลื่นที่เหมาะสม และป้องกันการสั่นสะเทือนจากการสึกหรอ
- ทำความสะอาดปั๊มและระบบท่อ: กำจัดเศษสิ่งสกปรกออกจากใบพัดและท่อ เพื่อให้การไหลของของไหลเป็นไปอย่างราบรื่น ลดการสั่นสะเทือนที่เกิดจากรูปแบบการไหลที่ไม่สม่ำเสมอ
- เสริมฐานรองรับ: เพิ่มความแข็งแรงหรือออกแบบฐานรองรับใหม่เพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานของปั๊มมีเสถียรภาพ
- ปรับปรุงระบบ: ปรับพารามิเตอร์การทำงานหรือออกแบบระบบใหม่เพื่อป้องกันการเกิดเรโซแนนซ์
วิธีระบุปัญหาการสั่นสะเทือนของปั๊ม
ระบบเฝ้าติดตามขั้นสูงสามารถช่วยติดตามระดับการสั่นสะเทือนและตรวจจับความผิดปกติได้แบบเรียลไทม์ วิธีที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่:
- เซ็นเซอร์การสั่นสะเทือนและเครื่องวัดความเร่ง: ติดตั้งบนปั๊มเพื่อวัดความถี่และขนาดของการสั่นสะเทือน ซึ่งช่วยตรวจจับการเยื้องศูนย์ ความไม่สมดุล หรือปัญหาตลับลูกปืน
- เครื่องวิเคราะห์การสั่นสะเทือนแบบพกพา: ใช้เพื่อตรวจสอบเป็นระยะ โดยให้ข้อมูลทันทีเพื่อประเมินสุขภาพของปั๊ม
- การถ่ายภาพความร้อนและการวิเคราะห์เสียง: เทคนิคเสริมที่ช่วยตรวจจับความร้อนสูงผิดปกติหรือเสียงที่เกิดจากโพรงไอ ซึ่งบ่งบอกถึงปัญหาการสั่นสะเทือน
มาตรฐานที่กำหนดขีดจำกัดการสั่นสะเทือนของปั๊ม
- Hydraulic Institute (HI) – มาตรฐาน ANSI/HI 9.6.4
- American Petroleum Institute (API) – มาตรฐาน API 610
- International Standards Organization (ISO) – มาตรฐาน ISO 10816
มาตรฐานเหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อช่วยให้ผู้ใช้งานปั๊มสามารถควบคุมระดับการสั่นสะเทือนให้อยู่ในระดับที่ปลอดภัย และป้องกันความเสียหายต่ออุปกรณ์และบุคลากร
ความเสียหายจากการสั่นสะเทือนของปั๊มที่มากเกินไป
มีมาตรฐานสากล 3 ฉบับที่กำหนดขีดจำกัดของการสั่นสะเทือนของปั๊ม โดยมีเป้าหมายเพื่อช่วยให้ผู้ใช้ปั๊มสามารถหลีกเลี่ยงระดับการสั่นสะเทือนที่มากเกินไปและป้องกันความเสียหายที่ร้ายแรง เช่น ความเสียหายของแบริ่ง หรือการบิดเบี้ยวของเพลา
อายุการใช้งานของแบริ่ง (L10) จะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อค่าการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น ตามมาตรฐาน ANSI/HI 9.6.4 หากค่าการสั่นสะเทือนอยู่ที่ 0.1 นิ้ว/วินาที จะถือเป็นอายุการใช้งาน 100% ของแบริ่ง แต่หากค่าการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นเป็น 0.2 นิ้ว/วินาที อายุการใช้งานอาจลดลงเหลือเพียง 60-70% เท่านั้น
ระดับการสั่นสะเทือนทั่วไปของปั๊มตามมาตรฐาน ANSI/HI และ API
การสั่นสะเทือนทั่วไปของปั๊มตามมาตรฐาน ISO 10816 (Category A มักถูกกำหนดสำหรับปั๊มที่ผลิตใหม่)
ขีดจำกัดการสั่นสะเทือนของปั๊มตามมาตรฐานสากล
เครื่องจักรที่มีชิ้นส่วนหมุนทุกประเภท รวมถึงปั๊ม มักจะเกิดการสั่นสะเทือนในระดับหนึ่งเนื่องจากหลายปัจจัย โดยสาเหตุทั่วไป ได้แก่
- การติดตั้งที่ไม่ถูกต้องในสถานที่ใช้งาน
- การถ่วงสมดุลของโรเตอร์ปั๊มที่ไม่เหมาะสม
- การไหลของของไหลที่มีความปั่นป่วนมากเกินไป
- ความผันผวนของความดัน
- การเกิดคาวิเทชันหรือการไหลเวียนภายในของปั๊ม
- การสึกหรอของปั๊มตามระยะเวลาการใช้งาน
ดังนั้น วิศวกรออกแบบและวิศวกรกระบวนการไม่ควรกังวลว่าปั๊มจะสั่นสะเทือนหรือไม่ แต่ควรตั้งคำถามดังต่อไปนี้แทน
- แอมพลิจูดและความถี่ของการสั่นสะเทือนของปั๊มสูงพอที่จะสร้างความเสียหายต่อชิ้นส่วนของปั๊มหรือไม่
- การสั่นสะเทือนของปั๊มเป็นสัญญาณของปัญหาอื่น ๆ ที่ร้ายแรงกว่าภายในปั๊มหรือไม่ เช่น การเกิดคาวิเทชัน
เครื่องมือวัดการสั่นสะเทือนของปั๊ม
โดยทั่วไป ปั๊มหอยโข่งขนาดใหญ่ควรติดตั้งเครื่องมือวัดการสั่นสะเทือนอย่างน้อยสองจุดต่อแบริ่ง โดยติดตั้งที่แกน X และแกน Y เครื่องมือเหล่านี้มักถูกตั้งค่าด้วยค่าขีดจำกัดสองระดับ ได้แก่ ค่าการแจ้งเตือน (Alarm Point) และ ค่าการตัดการทำงาน (Trip Point)
- เมื่อค่าการแจ้งเตือนถึงระดับที่กำหนด ระบบจะแจ้งเตือนผู้ควบคุมที่ห้องควบคุมให้ดำเนินการตรวจสอบและลดระดับการสั่นสะเทือน
- หากถึงค่าการตัดการทำงาน ปั๊มจะถูกปิดการทำงานโดยอัตโนมัติเพื่อป้องกันความเสียหายร้ายแรงที่อาจเกิดขึ้นกับตัวปั๊มและเจ้าหน้าที่ปฏิบัติงาน
เครื่องมือวัดการสั่นสะเทือนของปั๊มส่วนใหญ่มักเป็น ประเภท Velocimetric ซึ่งมีหน่วยวัดเป็น นิ้วต่อวินาที (in/sec) หรือ มิลลิเมตรต่อวินาที (mm/sec) ส่วนเครื่องมือวัดแบบ Accelerometric (นิ้วต่อวินาที² หรือ มิลลิเมตรต่อวินาที²) หรือแบบ Distance-type (ไมโครเมตร) มักใช้กับอุปกรณ์เทคโนโลยีขั้นสูง เช่น กังหันไอน้ำ
แนวทางเพิ่มเติมในการลดปัญหาการสั่นสะเทือนของปั๊ม
1. ระบบตรวจสอบออนไลน์
ระบบตรวจสอบออนไลน์ช่วยให้สามารถตรวจจับและป้องกันปัญหาของปั๊มได้แบบเรียลไทม์ บางรุ่นสามารถเชื่อมต่อกับ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) เพื่อการควบคุมอัตโนมัติและการตัดสินใจที่แม่นยำ
2. การอัปเกรดเป็นปั๊มที่แข็งแรงขึ้น
บางครั้ง การอัปเกรดเป็นปั๊มที่แข็งแรงขึ้นซึ่งเหมาะกับการใช้งานเฉพาะอาจเป็นทางออกที่ดีที่สุดในระยะยาว ปั๊มแต่ละประเภทถูกออกแบบมาสำหรับสภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน หากใช้ปั๊มที่ไม่สามารถรองรับของเหลวที่มีแรงดันสูงหรือสารกัดกร่อนได้ อาจทำให้เกิดปัญหาการสั่นสะเทือนได้เรื่อยๆ การเลือกปั๊มที่มีโครงสร้างเสริมความแข็งแรง ระบบตลับลูกปืนขั้นสูง หรือใบพัดที่ออกแบบพิเศษสามารถช่วยลดการสั่นสะเทือนและเพิ่มความเสถียรในการทำงาน