مثلث مرگ در پمپ‌های فرآیندی کاویتاسیون، گالینگ و ارتعاشات تشدیدی

مثلث مرگ در پمپ‌های فرآیندی

 کاویتاسیون، گالینگ و ارتعاشات تشدیدی

روایت یک اشتباه مهندسی

وقتی تغییر جنس، دردسر را دوچندان می‌کند

تحلیلی بر عملکرد، عیوب و راهکارهای پمپ‌های OH2 (مدل CSA 40-250)

مقدمه: درسی که از "پیرِ" کارگاه آموختم

هنوز برق نگاه منتور و استادکار قدیمی‌مان را وقتی با انگشتان زبر و روغن‌گرفته‌اش به آن پمپِ لرزان اشاره می‌کرد، به خاطر دارم. سال‌ها پیش، وقتی به عنوان یک کارشناس تازه‌کار در واحد تعمیرات مرکزی پتروشیمی مشغول بودم، پمپی با مدل CSA 40-250 را برایمان آوردند که تمام واحد عملیات را کلافه کرده بود. منتور من، که عمری را در میان غرش توربین‌ها، صدای چرخ‌دنده‌ها و بوی تند روغن گذرانده بود، در حالی که با طمانینه فیلر را در جیب اورتولش می‌گذاشت، رو به من کرد و گفت: «پسرم، خوب به این زوزه وحشیانه پمپ گوش بده؛ این فقط یک صدای مکانیکی ساده نیست، این صدای استغاثه و درد کشیدنِ فلزه زیر فشار نادیده گرفتن قوانین هیدرولیک.»

آن زمان، پمپ دچار لرزش‌های عرضی شدید، صدای ناهنجار شبیه به برخورد گلوله‌های فلزی در داخل محفظه و افت فشار ناگانی در منحنی عملکرد بود. وقتی با راهنمایی‌های دقیق و مرحله‌به‌مرحله او پمپ را باز کردیم، منظره‌ای پیش روی چشمانم گشوده شد که تا آن روز در هیچ‌کدام از کتاب‌های مرجع دانشگاهی ندیده بودم؛ پروانه (Impeller) در اثر ضربات میکروسکوپی اما مداوم، شبیه پنیر سوئیسی سوراخ‌سوراخ شده بود و دیواره‌های داخلی محفظه پمپ (Casing) به ویژه در نواحی حساس "کات‌واتر" (Cutwater) دچار چنان خوردگی حفره‌ای عمیقی شده بود که گویی سال‌ها زیر سیلاب اسید بوده است.

به یاد دارم مدیر وقت تعمیرات، با رویکردی که صرفاً بر روی کاغذ منطقی به نظر می‌رسد و بدون اینکه به هشدارهای فنی و تحلیل‌های تجربی منتور من توجهی کند یا لحظه‌ای به منحنی‌های عملکردی و فشار بخار سیال در دمای عملیاتی بیندیشد، با اطمینان تمام حکم صادر کرد: «جنس چدنی یا فولادی فعلی در برابر این سیال ضعیف است، وقت تلف نکنید و کل پمپ را به استنلس استیل (Stainless Steel 316) تغییر متریال بدهید تا برای همیشه از شر تعمیرات خلاص شویم.»

استادم در حالی که با دستمال یزدی‌اش دست‌هایش را پاک می‌کرد، لبخندی تلخ و پرمعنا زد و زیر لب به من گفت: «فقط تماشا کن و یاد بگیر که چطور یک تصمیم عجولانه و بدون تفکر سیستمی، نه تنها مشکل را حل نمی‌کند، بلکه هزینه‌های توقف تولید را ده برابر خواهد کرد.» طبق دستور، محفظه و پروانه با هزینه‌ای گزاف و پس از هفته‌ها انتظار برای ریخته‌گری، به استیل ارتقا یافت. اما فاجعه درست دقایقی بعد از استارت‌آپ مجدد رخ داد. ارتعاشات نه تنها فروکش نکرد، بلکه به دلیل تغییر در سختی و رفتار ارتعاشی سازه، فرکانس‌های جدید و مخرب‌تری به سیستم اضافه شد. پمپ در کمتر از چند روز به شدت داغ شد و ناگهان با صدایی مهیب قفل (Seize) کرد. وقتی دوباره آن را کالبدشکافی کردیم، با پدیده ویرانگر Galling (سایش شدید و جوش سرد در سطح میکروسکوپی بین قطعات ثابت و دوار) در ناحیه رینگ‌های سایشی مواجه شده بودیم. آن روز بود که از آن پیرِ صنعت آموختم مهندسی در واحدهای نفتی یعنی "تفکر سیستمی" و تحلیل رفتار متقابل اجزا، نه فقط تعویض ساده یک قطعه آسیب‌دیده با متریالی گران‌تر.

۱. کالبدشافی پمپ‌های تیپ OH2

پمپ‌های OH2 (Overhung Single Stage, Centerline Mounted) به حق ستون فقرات صنایع فرآیندی، نفت و گاز محسوب می‌شوند. درک دقیق ویژگی‌های این تیپ برای هر کارشناس تعمیرات حیاتی است:

ویژگی‌های ساختاری:

• نصب روی خط مرکزی (Centerline Mounted): برخلاف پمپ‌های فرآیندی سبک که روی پایه (Foot Mounted) نصب می‌شوند، محفظه پمپ‌های OH2 از پهلو و دقیقاً در راستای محور شفت به شاسی متصل می‌گردد. این طراحی نبوغ‌آمیز باعث می‌شود در دماهای عملیاتی بالا (فراتر از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد)، انبساط حرارتی پوسته به صورت متقارن نسبت به مرکز رخ دهد. نتیجه این تقارن، حفظ پایداری تراز (Alignment) پمپ و الکتروموتور در بدترین شرایط حرارتی است، امری که در پمپ‌های معمولی منجر به انحراف شفت و تخریب زودهنگام بیرینگ‌ها و مکانیکال سیل می‌شود.
• تک مرحله‌ای با چیدمان کنسولی (Overhung): در این ساختار، تنها یک پروانه بر روی انتهای شفت سوار شده است. شفت توسط یک مجموعه بیرینگ قدرتمند در یک سمت حمایت می‌شود و سمت دیگر آن در داخل سیال آزاد است. این چیدمان، بازرسی و تعمیرات بخش هیدرولیک را بدون نیاز به باز کردن اتصالات لوله‌کشی (در صورت استفاده از کوپلینگ‌های اسپیسر‌دار) تسهیل می‌کند، اما همزمان حساسیت بالایی نسبت به نابالانسی جرم پروانه دارد.
• تطبیق سخت‌گیرانه با API 610: این پمپ‌ها فراتر از استانداردهای عمومی نظیر ASME B73.1، بر اساس الزامات ویرایش‌های نهایی API 610 طراحی می‌شوند. این یعنی ضخامت پوسته، تحمل فشارهای ناگهانی، نرخ خوردگی مجاز و صلبیت شفت به گونه‌ای در نظر گرفته شده که تجهیز بتواند حداقل ۲۰ سال عمر مفید داشته باشد و در شرایط بحرانی (High Temp/High Pressure) که کوچکترین نشتی می‌تواند منجر به آتش‌سوزی‌های فاجعه‌بار در واحد شود، با بالاترین ضریب اطمینان به کار خود ادامه دهد.

کاربردها:

• انتقال هیدروکربن‌های حساس: جابجایی طیف گسترده‌ای از فرآورده‌های نفتی از برش‌های سبک و فرار (نظیر بنزین و نفتا) تا مواد سنگین و ویسکوز (نظیر مازوت و مواد ته‌مانده برج).
• سرویس‌های داغ فرآیندی: تغیه واحدهای تقطیر اتمسفریک و خلاء و همچنین برج‌های نوسان که در آن‌ها دمای سیال می‌تواند تا مرز ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد.
• تزریق مواد شیمیایی خورنده: جابجایی مواد افزودنی و حلال‌ها در فشارهای بالا که نیازمند آب‌بندی بسیار دقیق و متریال‌های مقاوم به خوردگی یکنواخت هستند.

۲. بررسی موردی: تحلیل عددی و استاندارد مدل CSA 40-250

مدل CSA 40-250 یکی از پرکاربردترین سایزها در خانواده پمپ‌های فرآیندی OH2 است. درک کدگذاری این تجهیز نه تنها یک مهارت ساده، بلکه کلیدی برای شناسایی رفتار هیدرولیکی آن است. پیشوند CSA معمولاً به استانداردهای طراحی داخلی سازنده (مانند پمپیران در ایران یا سازندگان تحت لایسنس KSB) اشاره دارد که بر انطباق ابعادی و هیدرولیکی با API 610 تاکید می‌کند.

• عدد اول (۴۰): بیانگر قطر دهانه خروجی (Discharge Nozzle) بر حسب میلی‌متر است. کوچک بودن این عدد نسبت به قطر پروانه، نشان‌دهنده آن است که سیال با سرعت بالا و تحت فشار قابل توجهی از پمپ خارج می‌شود.
• عدد دوم (۲۵۰): بیانگر قطر اسمی پروانه (Nominal Impeller Diameter) بر حسب میلی‌متر است. این عدد مستقیماً با "هد" یا ارتفاع پمپاژ در ارتباط است؛ یعنی طبق قوانین تشابه، هرچه قطر پروانه بزرگتر باشد، توانایی تولید فشار پمپ (Head) به شدت افزایش می‌آیند.

در مدل ۴۰-۲۵۰، ما با یک پمپ "هد بالا" (High Head) مواجه هستیم. به دلیل قطر ۲۵۰ میلی‌متری پروانه، سرعت خطی در نوک پروانه (Tip Speed) بسیار بالاست. این سرعت بالا باعث می‌شود که اگر در متریال انتخابی یا فشار ورودی (NPSH) اندکی خطا وجود داشته باشد، پدیده سایش و خوردگی در لبه‌های پروانه با قدرتی تخریبی و سرعتی باورنکردنی رخ دهد؛ درست همانند اتفاقی که برای پمپ واحد ما افتاد.

۳. معمای NPSH: قلب تپنده هیدرولیک

بسیاری از چالش‌های عملیاتی در پمپ‌های OH2 که در نگاه اول به مشکلاتی نظیر ارتعاشات مکانیکی یا خوردگی‌های متالورژیکی نسبت داده می‌شوند، در واقع ریشه در عدم توازن پارامترهای هیدرولیکی در ورودی پمپ یا همان NPSH دارند. نادیده گرفتن این مفهوم یعنی پذیرش تخریب تدریجی و بی‌صدای تجهیز.

تعریف دقیق فنی:

NPSH یا "هد خالص مثبت در دهانه مکش" (Net Positive Suction Head)، معیاری حیاتی برای سنجش اختلاف فشار سیال در دهانه ورودی با فشار بخار (Vapor Pressure) آن سیال در دمای کاری است. به زبان ساده، این عدد تضمین می‌کند که سیال در طول مسیرِ پرمشقتِ ورود به چشم پروانه، همواره در حالت ماید باقی بماند و دچار پدیده مخرب تبخیر ناگهانی نشود.

1. NPSH Available (موجود): این مقدار نشان‌دهنده پتانسیل واقعی سیستم است. یعنی فشاری که ناشی از ارتفاع مخزن مکش، فشار روی سطح سیال و اتمسفر است که پس از کسر افت فشار در لوله‌ها و اتصالات، به دهانه مکش پمپ می‌رسد. این عددی است که تیم فرآیند و لوله‌کشی باید به پمپ "تقدیم" کنند.
2. NPSH Required (مطلوب/نیاز): این پارامتر شناسنامه هیدرولیکی پمپ است که توسط سازنده و در اتاق تست مشخص می‌شود. این عدد بیانگر حداقل فشاری است که پمپ نیاز دارد تا جریان سیال را بدون افت راندمان (افت ۳ درصدی هد) پمپاژ کند. هرچه سرعت دوران (RPM) یا قطر پروانه بیشتر باشد، این نیاز حیاتی‌تر و مقدار آن بالاتر می‌رود.

قانون طلایی پایداری: برای تضمین عملکرد ایمن و بدون ارتعاش، همواره باید رابطه NPSHA > NPSHR + Margin برقرار باشد. این "حاشیه اطمینان" (Margin) معمولاً بین ۰.۵ تا ۱ متر در نظر گرفته می‌شود تا نوسانات احتمالی فرآیند، پمپ را به مرز کاویتاسیون نزدیک نکند. پیامد نقض این رابطه، تشکیل حباب‌های گازی است که در مناطق پرفشارِ پروانه با سرعت مافوق صوت فرو می‌پاشند و فلز را مانند چکش تخریب می‌کنند.

انواع کاویتاسیون در OH2:

• کاویتاسیون تبخیری (Classic Cavitation): این شایع‌ترین و در عین حال شناخته‌شده‌ترین نوع کاویتاسیون است که مستقیماً از کمبود فشار ورودی (NPSHA) ناشی می‌شود. هنگامی که فشار موضعی سیال در چشم پروانه به زیر فشار بخار می‌رسد، هسته‌های حباب‌های بخار به سرعت شکل می‌گیرند. این حباب‌ها با جریان سیال به سمت محیط پروانه (ناحیه پرفشار) حرکت کرده و ناگهان با شدتی انفجاری فرو می‌پاشند. موج شوک ناشی از این فروپاشی، میکرو-جت‌هایی با سرعت خیره‌کننده ایجاد می‌کند که سطح فلز را خسته کرده و تکه‌های میکروسکوپی آن را جدا می‌کند. خروجی این فرآیند، صدای زوزه ممتد و ارتعاشات یکنواخت در بدنه پمپ است.
• کاویتاسیون بازگردان (Internal Recirculation): این پدیده بسیار فریبنده و خطرناک است زیرا برخلاف نوع قبلی، حتی در شرایطی که NPSHA کافی است نیز می‌تواند رخ دهد. زمانی که پمپ در دبی‌های بسیار پایین (Part-load) و بسیار دورتر از نقطه بهینه راندمان (BEP) کار می‌کند، سیال ورودی قدرت کافی برای غلبه بر مقاومت پروانه را ندارد و بخشی از آن به عقب رانده می‌شود. این جریان‌های بازگشتی، گرداب‌های پرانرژی ایجاد می‌کنند که حباب‌های گازی موضعی را به وجود می‌آورند. فروپاشی این حباب‌ها صدایی شبیه به جابجایی سنگریزه‌های درشت در داخل لوله ایجاد می‌کند و ارتعاشات نامنظمی در فرکانس‌های بسیار بالا به تجهیز تحمیل می‌نماید که می‌تواند منجر به شکست زودهنگام تیغه‌های پروانه شود.

در پمپ‌های تیپ CSA 40-250، حساسیت به این پدیده‌ها دوچندان است. به دلیل قطر ۲۵۰ میلی‌متری و سرعت خطی بسیار بالای لبه‌های خارجی پروانه، انرژی آزاد شده از فروپاشی هر حباب چندین برابر پمپ‌های کوچک‌تر است. کوچکترین نقص در هیدرولیک سیستم مکش، منجر به تمرکز تنش‌های ضربه‌ای متناوب بر روی کریستال‌های فلز می‌شود. این تنش‌ها حتی مقاوم‌ترین آلیاژها و پوشش‌های سخت را نیز در درازمدت دچار "تسلیم موضعی" کرده و حفره‌های عمیقی (Pitting) ایجاد می‌کنند که راندمان هیدرولیکی پمپ را برای همیشه نابود می‌سازد.

۴. تحلیل کیس واقعی: شکست پروژه تغییر متریال به استیل

برگردیم به داستانی که در ابتدا گفتم. چرا تغییر جنس به استیل (SS316) در آن پمپ CSA 40-250 با شکست مواجه شد؟

الف) پدیده گالینگ (Galling) و بحران متالورژیکی:

استنلس استیل‌های سری ۳۰۰ (مانند ۳۱۶) به دلیل لایه اکسیدی محافظ (Passive Layer) و ساختار میکروسکوپی آستنیتی، به شدت مستعد پدیده‌ای به نام "جوش سرد" یا Galling هستند. در پمپ مورد نظر ما، وقتی هم محفظه (Casing) و هم رینگ‌های سایشی (Wear Rings) از جنس استیل انتخاب شدند، یک "تله متالورژیکی" ساخته شد. در لحظات بحرانی استارت‌آپ یا در اثر لرزش‌های ناشی از نوسان دبی، کوچک‌ترین تماس فیزیکی بین رینگ دوار و رینگ ثابت منجر به خراشیده شدن لایه اکسیدی شد. در این حالت، اتم‌های فلزِ لخت در هر دو سطح با هم پیوند برقرار کرده و به معنای واقعی کلمه در کسری از ثانیه به هم "جوش" خوردند. این پدیده نه تنها باعث قفل شدن شفت (Seizure) شد، بلکه به دلیل گشتاور بالای موتور، قطعات فولادی را دچار تغییر شکل پلاستیک و تخریب کامل ساختاری کرد.

راه حل حرفه‌ای و الزامات استاندارد: برای پیشگیری از این فاجعه، مهندسی تعمیرات باید به "نقشه متریال" توجه می‌کرد. طبق استاندارد API 610، یکی از دو روش زیر الزامی است:

1. اختلاف سختی (Hardness Differential): باید بین سختی رینگ ثابت و دوار حداقل ۵۰ واحد برینل (HB) تفاوت وجود داشته باشد تا در صورت تماس، سطح نرم‌تر فدا شود و از جوش خوردن جلوگیری گردد.
2. استفاده از متریال‌های غیرهمسان (Dissimilar Materials): استفاده از ترکیب‌های ضد-گالینگ مانند استیل در برابر برنزهای آلیاژی یا متریال‌های نوین کامپوزیتی نظیر PEEK یا Vespel.

ب) تغییر در فرکانس‌های طبیعی و بحران ارتعاشات:

چگالی و ضریب الاستیسیته (Young's Modulus) استنلس استیل تفاوت معناداری با فولاد کربنی یا چدن داکتیل دارد. جرم (Mass) و سختی (Stiffness) دو رکن اصلی تعیین‌کننده فرکانس طبیعی یک سازه هستند. تغییر جنس پوسته پمپ بدون انجام "تحلیل مودال" (Modal Analysis) و مدل‌سازی مجدد دینامیکی، در حقیقت امضای حکم نابودی آن بود. این تغییر متریال باعث شد فرکانس طبیعی محفظه پمپ جابجا شده و دقیقاً با یکی از فرکانس‌های تحریکی سیستم منطبق شود.

نتیجه این انطباق، ورود پمپ به "منطقه تشدید" (Resonance) بود. در این ناحیه، دامنه ارتعاشات به صورت نمایی افزایش می‌یابد؛ به طوری که حتی اگر پمپ از نظر مکانیکی به خوبی بالانس شده باشد، باز هم لرزش‌های شدیدی در بدنه احساس می‌شود. این ارتعاشات ناهنجار نه تنها باعث خستگی زودرس فلز شدند، بلکه به سرعت به اجزای حساس نظیر مکانیکال سیل‌ها و یاتاقان‌ها آسیب رسانده و منجر به نشتی‌های مکرر گشتند.

ج) خوردگی گالوانیکی و ضرورت بازنگری مسیر تماس سیال:

اگر شفت پمپ از جنس قبلی (مانند فولاد کربنی یا آلیاژهای فریتی) باقی می‌ماند و پوسته به استنلس استیل ارتقا می‌یافت، یک "باتری الکتروشیمیایی" ناخواسته در قلب پمپ شکل می‌گرفت. در حضور سیال فرآیندی که نقش الکترولیت را ایفا می‌کند، اختلاف پتانسیل شدیدی بین این دو فلز غیرهم‌نام ایجاد می‌شد. در این سناریو، فلزی که پتانسیل الکترودی منفی‌تری دارد (معمولاً شفت فولادی)، به عنوان "آند" عمل کرده و با سرعتی باورنکردنی الکترون از دست می‌دهد و حل می‌شود، در حالی که پوسته استیل در نقش "کاتد" باقی می‌ماند. نتیجه این فرآیند، تخریب عمیق و متمرکز سطح شفت در نقاط تماس یا نزدیک به سیل است که می‌تواند منجر به شکست ناگهانی قطعه تحت تنش‌های مکانیکی شود.

تفکر سیستمی در مهندسی نگهداری حکم می‌کند که: "اگر یک قطعه را ارتقا می‌دهید، باید تمام مسیر تماس سیال و همخوانی متالورژیکی اجزا را بازنگری کنید." ارتقای بخشی از پمپ بدون در نظر گرفتن تاثیر آن بر قطعات مجاور، مشابه تقویت موتور یک خودرو بدون تقویت ترمزهای آن است؛ اقدامی که شاید در ظاهر بهبود ایجاد کند، اما در عمل ریسک فاجعه را به شدت افزایش می‌دهد. برای جلوگیری از این نوع خوردگی، یا باید تمام اجزای در تماس با سیال از یک خانواده متریال انتخاب شوند، یا از تمهیداتی چون پوشش‌های عایق و حفاظت کاتدیک استفاده کرد تا اطمینان حاصل شود که پمپ نه تنها در برابر خوردگی شیمیایی، بلکه در برابر تخریب‌های ناشی از پیوندهای گالوانیکی نیز مصون است.

۵. عیوب رایج و علل آن‌ها در پمپ‌های OH2

6. راهکارهای پیشنهادی برای مدیران و کارشناسان

1. قبل از تغییر جنس، ریشه اصلی مشکل را بیابید: هرگز ارتعاش یا خوردگی را صرفاً با تغییر متریال پاسخ ندهید. ابتدا با تحلیل فرکانسی و بررسی منحنی عملکرد، ریشه لرزش را تفکیک کنید؛ آیا لرزش ناشی از نابالانسی جرمی (Mechanical Unbalance) است یا ناشی از عملکرد طولانی‌مدت در دبی‌های پایین (Low-flow cavitation) و خارج از محدوده BEP؟ پاسخ به این سوال، تفاوت بین یک تعمیر موفق و یک هزینه بیهوده است.
2. استفاده هوشمندانه از متریال‌های نوین (Duplex Steel): به جای تکیه بر استیل‌های معمولی (آستنیتی)، از آلیاژهای داپلکس (Duplex) استفاده کنید. این متریال‌ها با دارا بودن ساختار دوگانه فریتی-آستنیتی، نه تنها مقاومت به خوردگی شیمیایی را حفظ می‌کنند، بلکه به دلیل سختی بالاتر، در برابر پدیده سایش (Erosion) و خوردگی حفره‌ای (Pitting) بسیار مقاوم‌تر هستند و خطر پدیده گالینگ را نیز به شدت کاهش می‌دهند.
3. پیاده‌سازی سیستم پایش وضعیت (Condition Monitoring): پمپ‌های استراتژیک OH2 نباید بر اساس زمان (Time-based) تعمیر شوند. پایش آنلاین پارامترهای ارتعاشی (Vibration Velocity/Enveloping) و دمای یاتاقان‌ها الزامی است. افزایش دما در محفظه آب‌بندی (Seal Chamber) اولین سیگنال هشدار برای بروز اختلال در جریان سیال یا خرابی مکانیکال سیل است که باید بلافاصله توسط اپراتور رصد شود.
4. استانداردسازی و اصلاح لوله‌کشی (Piping Layout): در پمپ‌های OH2، هندسه لوله‌کشی ورودی به اندازه خود پمپ اهمیت دارد. برای جلوگیری از آشفتگی جریان (Turbulence)، لوله‌کشی مکش باید حداقل ۵ تا ۱۰ برابر قطر لوله، طول مستقیم (Straight Length) داشته باشد. استفاده از زانوهای نزدیک به دهانه مکش، پروفیل سرعت سیال را نامتقارن کرده و باعث بارگذاری غیریکنواخت روی پروانه و در نتیجه لرزش‌های عرضی مخرب می‌شود که هیچ متریال گران‌قیمتی نمی‌تواند آن را جبران کند.

5. سخن پایانی

مهندسی نگهداری و تعمیرات، هنرِ گوش دادن به صدای تجهیزات است. پمپ CSA 40-250 با ارتعاشاتش، با داغ شدن بیرینگ‌هایش و حتی با خوردگی پروانه‌اش دارد با ما حرف می‌زند. وظیفه ما این است که به جای پیچیدن نسخه‌های گران‌قیمت، زبانِ هیدرولیک و متالورژی را بفهمیم.

نگارش شده توسط: علی منتظرالظهور زمستان 1404

مثلث پمپ.pdf

مراجع و مستندات فنی

• API Standard 610: Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries.
• HI (Hydraulic Institute) Standards: برای تعاریف دقیق NPSH و تست‌های عملکردی.
• Forsthoffer's Rotating Equipment Handbooks: مرجع بی‌نظیر برای تحلیل عیوب پمپ‌ها.