- 読み仮名
- きゃびてーしょん
- 英語表記
- Cavitation
概要
キャビテーション（Cavitation）とは、水の流れの中で局所的な圧力が低下し、水が蒸発して生じた気泡が、圧力の回復によって縮小・崩壊する現象である。
ポンプの羽根車入口、減圧弁や制水弁の絞り部、管路の急激な流路変化部などで発生することがある。気泡の崩壊に伴う衝撃によって、騒音や振動、金属表面の損傷、機器性能の低下などを引き起こすため、水道施設の設計・運転・維持管理において重要な現象である。
1．キャビテーションとは
発生の基本原理
水は通常、温度が高くなると沸騰するが、温度が一定でも圧力が低下すると蒸発することがある。
水の圧力が、その温度における飽和蒸気圧程度まで低下すると、液体の一部が蒸発し、水蒸気を含む気泡が形成される。この気泡が水の流れに乗って圧力の高い領域へ移動すると、内部の水蒸気が凝縮し、気泡が急激に縮小・崩壊する。
例えば、管路の断面積が小さくなる縮流部では、流速の増加に伴って静圧が低下する。局所的な絶対圧が飽和蒸気圧程度まで低下すると蒸気気泡が発生し、下流側で圧力が回復すると気泡が崩壊する。
ここで重要なのは、キャビテーションの発生条件はゲージ圧ではなく、絶対圧と飽和蒸気圧の関係で判断することである。
気泡の崩壊による影響
蒸気気泡が急激に崩壊すると、周囲の水に局所的な圧力変動が生じる。固体表面の近くでは、非対称な気泡崩壊によって微小な高速噴流が形成され、材料表面に強い衝撃を与えることがある。
この現象が繰り返されると、金属表面に微小な損傷が蓄積し、孔食状の損傷や材料の欠損が進行する。これをキャビテーション・エロージョンという。
なお、水中に混入した空気による気泡と、圧力低下によって生じる蒸気気泡は異なる。両者は外観が似ていても、発生原因や挙動が同じとは限らない。
2．主な発生場所と影響
キャビテーションは、局所的な圧力低下が生じるさまざまな水道施設で発生する可能性がある。
| 発生場所 | 主な発生原因・影響 |
|---|---|
| ポンプ | 羽根車入口付近の圧力低下により発生し、騒音・振動、揚程低下、羽根車の損傷を生じる。 |
| 減圧弁・制水弁 | 弁の絞り部で流速が増加し、局所的な圧力低下によって発生する。弁体や弁座などを損傷することがある。 |
| 管路の縮流部 | 流路断面積の減少によって流速が増加し、局所的な静圧低下が生じる。 |
| 曲がり部・分岐部 | 流れの偏りや局所的な加速によって低圧領域が形成される場合がある。 |
ポンプにおけるキャビテーション
遠心ポンプでは、水が吸込口から羽根車入口へ流入し、羽根間流路を通って外周方向へ送り出される。
羽根車入口付近では、流れの加速や羽根周囲の圧力分布によって局所的な圧力低下が生じる。吸込条件が不十分な場合には、羽根前縁付近などでキャビテーションが発生することがある。
キャビテーションが進行すると、羽根車やケーシングに騒音・振動が生じ、揚程や効率が低下することがある。また、長期間にわたって発生すると、羽根車表面の損傷が進行するおそれがある。
特に、吸込水位の低下、吸込配管の損失増加、過大流量での運転、水温の上昇などは、キャビテーションの発生リスクを高める要因となる。
弁類におけるキャビテーション
減圧弁や制水弁では、弁の開度が小さくなると流路が絞られ、局所的に流速が増加して静圧が低下する。
その後、下流側で圧力が回復する過程で蒸気気泡が崩壊すると、弁体、弁座、弁箱や下流側配管などに損傷を生じることがある。
キャビテーションの発生は、弁の前後差圧、下流側圧力、開度、流量、弁の構造などに左右される。したがって、差圧が大きい弁では、単に耐圧性能を確認するだけでなく、メーカーが示すキャビテーション特性や使用可能範囲を確認する必要がある。
3．NPSHとポンプの吸込条件
ポンプのキャビテーションを検討する際には、NPSH（Net Positive Suction Head：正味吸込ヘッド）を用いる。
NPSHは、ポンプの吸込側における全水頭が、その水温の飽和蒸気圧水頭をどれだけ上回っているかを表す値である。
NPSHaとNPSHr
NPSHには、設備側の吸込条件から決まる有効NPSH（NPSHa）と、ポンプ側の性能に基づく必要NPSH（NPSHr）がある。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| NPSHa（有効NPSH） | 吸込水位、大気圧、水温、吸込管路の損失など、設備側の条件から決まる値。 |
| NPSHr（必要NPSH） | ポンプの性能試験などに基づいて定められる値。流量やポンプ形式などによって異なる。 |
一般的な遠心ポンプでは、キャビテーションによる揚程低下が3％に達する条件を基準としたNPSH3が、必要NPSHとして示される場合がある。
NPSHaがNPSHrを上回っていても、キャビテーションが全く発生しないことを保証するものではない。 実際の設計では、ポンプの形式や運転条件、メーカーの推奨値などに基づき、適切な余裕を確保することが重要である。
NPSHaの計算
大気開放水槽からポンプで水を吸い上げる場合、水槽水面の流速水頭を無視できる条件では、NPSHaは次の式で求められる。
NPSHa ＝ Ha ＋ Hs − Hv − hf
| 記号 | 内容 |
|---|---|
| Ha | 大気圧水頭（絶対圧） |
| Hs | 吸込水面の位置水頭 |
| Hv | 水温に対応する飽和蒸気圧水頭 |
| hf | 吸込管路の損失水頭 |
Hsはポンプ基準位置に対する吸込水面の高低差であり、水面が基準位置より低い吸上げ方式では負の値となる。一方、水面が基準位置より高い押込方式では正の値となる。
NPSHaは、吸込水位の低下や吸込管路の損失増加によって小さくなる。また、水温が上昇すると飽和蒸気圧が高くなるため、NPSHaは小さくなる。
ポンプの運転流量は、通常、ポンプのQ-H曲線と管路抵抗曲線の関係から決まる。その運転流量においてNPSHaとNPSHrを比較し、必要な余裕が確保されているか確認する。
4．キャビテーションの防止対策
キャビテーションの防止には、局所的な圧力低下を抑えることと、ポンプや弁類を適切な運転範囲で使用することが基本となる。
| 対策 | 主な内容 |
|---|---|
| 吸込条件の改善 | 吸込水位の確保、ポンプ設置高さの見直し、吸込管路の損失低減などによってNPSHaを確保する。 |
| 適切なポンプ選定 | 運転流量におけるNPSHrを確認し、必要な余裕を確保できるポンプを選定する。 |
| 運転範囲の管理 | 過大流量やメーカーの推奨範囲を外れた運転を避ける。 |
| 弁類の適切な選定 | 差圧や流量に応じて、キャビテーション対策構造を持つ弁や多段減圧方式などを検討する。 |
| 管路形状の改善 | 急激な縮流や不必要な局部損失を抑え、局所的な圧力低下を低減する。 |
ポンプでは、吸込配管の管径、延長、曲がり、弁類などによる損失を適切に評価することが重要である。また、最低吸込水位や最大運転流量など、NPSHaが小さくなる条件での確認が必要となる。
減圧弁などでは、前後差圧が大きい場合に、減圧を複数段に分ける方法や、キャビテーションの発生・損傷を抑制する構造を採用する方法がある。ただし、適用できる差圧や流量の範囲は機種によって異なるため、メーカーの技術資料に基づいて選定する。
5．設計・施工・運転・維持管理上の注意点
設計・施工時の注意点
ポンプ設備の設計では、最低吸込水位、最大運転流量、水温、吸込管路の損失などを考慮し、運転範囲全体で必要なNPSHの余裕を確保する。
吸込配管は、過大な流速や局部損失を避けるとともに、空気だまりが生じにくい配管形状とすることが重要である。施工時には、配管の勾配や接続状態、弁類の設置位置などを確認する。
減圧弁や流量調整弁では、最大差圧や最小下流側圧力など、キャビテーションが発生しやすい条件を確認する。必要に応じて、弁の形式や減圧方式を見直す。
運転時の注意点
運転中に異常な騒音や振動が発生した場合には、キャビテーションの可能性を考慮する。ただし、騒音や振動は空気混入、軸受の異常、配管の共振などによっても生じるため、発生原因を総合的に判断する必要がある。
ポンプでは、吸込水位、吸込圧力、流量、吐出圧力などの変化を確認する。特に、吸込水位の低下や流量の増加に伴って異常が強くなる場合には、吸込条件の悪化が疑われる。
また、弁類では、開度や前後差圧、下流側圧力の変化と騒音・振動の関係を確認することが重要である。
維持管理時の注意点
キャビテーションによる損傷は、金属表面に微小な孔食状の痕跡として現れ、進行すると材料の欠損につながる。
ポンプの分解点検では、羽根車入口付近や羽根表面などの損傷状況を確認する。弁類では、弁体、弁座、弁箱内部などに局所的な損傷が生じていないか確認する。
損傷が認められた場合には、部品の補修・交換だけでなく、運転流量、吸込条件、弁の差圧などを調査し、発生原因を改善することが重要である。
6．水撃作用との違い
キャビテーションと水撃作用は、いずれも水道施設で圧力変動や設備損傷を引き起こす現象であるが、発生の仕組みは異なる。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| キャビテーション | 局所的な圧力低下によって蒸気気泡が発生し、圧力回復に伴う気泡の崩壊によって衝撃が生じる現象。 |
| 水撃作用 | 流速の急激な変化によって圧力波が発生し、管路内を伝わる現象。 |
水撃作用は、ポンプの急停止や弁の急閉鎖などによって発生する。一方、キャビテーションは、定常的な流れの中でも局所的な圧力低下によって発生することがある。
ただし、両者は無関係ではない。水撃作用による圧力低下が著しい場合には、水柱分離や蒸気空洞の形成が生じ、その後の圧力回復によって大きな圧力上昇を引き起こすことがある。
このため、ポンプ停止時の過渡現象を検討する際には、水撃作用と蒸気空洞の発生・消滅を関連づけて評価することが重要である。
7．まとめ
キャビテーションは、局所的な圧力低下によって水蒸気の気泡が発生し、圧力回復に伴って崩壊する現象である。
ポンプや弁類では、騒音・振動、性能低下、材料損傷などの原因となるため、設計段階から発生条件を把握し、適切な対策を講じる必要がある。
特にポンプでは、設備側のNPSHaとポンプ側のNPSHrを比較し、運転範囲に応じた余裕を確保することが重要である。また、運転・維持管理においても、圧力や流量の変化、異常な騒音・振動、部材の損傷状況を継続的に確認することが求められる。
