Cavitación en Bombas

¿Qué es la cavitación en bombas?

La cavitación en bombas es un proceso de dos etapas: formación de burbujas y luego colapso de burbujas. La presión dentro de una bomba centrífuga en operación es más baja en el ojo del impulsor, donde el líquido entra y es lanzado hacia afuera a alta velocidad. Cuando la presión local ahí cae por debajo de la presión de vapor del fluido a su temperatura de operación, el líquido pasa a vapor y forma pequeñas cavidades. Esas burbujas luego viajan hacia zonas de mayor presión e implosionan, impulsando microchorros de líquido contra la superficie metálica. Los impactos se repiten mientras la bomba opere, y con el tiempo arrancan material del impulsor y dejan un acabado picado, similar a una esponja.

Los ingenieros distinguen dos problemas distintos que comparten el nombre. La cavitación de succión proviene de muy poca carga de succión, así que las burbujas se forman en la entrada del impulsor. La cavitación de descarga, generalmente llamada recirculación de descarga, proviene del punto de operación, así que el daño aparece en el borde exterior del impulsor. Ambas destruyen impulsores, pero tienen causas diferentes y soluciones diferentes.

Cómo se forma la cavitación dentro de una bomba

Los líquidos hierven a una temperatura que depende de la presión. El agua hierve a 100 °C a la presión del nivel del mar (101.3 kPa absolutos), pero la misma agua a 20 °C aún hervirá si la presión absoluta cae a aproximadamente 2.3 kPa. Los internos de la bomba responden a la presión absoluta, no a la lectura del manómetro, por lo que la pregunta dentro del impulsor es si la presión estática local cae por debajo de la presión de vapor del fluido a su temperatura.

La presión más baja se encuentra en el ojo del impulsor. El líquido acelera desde la boquilla de succión relativamente tranquila hacia el ojo y sobre los álabes, y esa aceleración cuesta presión estática. Si la caída lleva la presión local por debajo de la presión de vapor, las burbujas se nucleizan a lo largo de las superficies de entrada. A una corta distancia hacia afuera, la fuerza centrífuga ha elevado la presión bruscamente, y las burbujas colapsan.

El colapso es violento y asimétrico. A medida que el líquido circundante aplasta la cavidad, forma un microchorro que golpea la superficie metálica a alta velocidad, con presiones locales transitorias que superan la resistencia a la fatiga de materiales comunes de impulsores como el hierro fundido y el bronce. Un solo colapso no elimina casi nada. Los impactos repetidos eliminan material, y el ruido de chisporroteo y la vibración asociados con la cavitación son el rastro audible de ese campo de colapso.

Un matiz importa para el diseño. La prueba estándar de bombas define el NPSHr en el punto donde la altura cae 3%, lo que significa que una bomba operando exactamente a su NPSHr ya está formando algo de vapor. Una operación sana mantiene suficiente margen para que cualquier actividad de burbujas permanezca menor y silenciosa.

Cavitación de succión vs cavitación de descarga

La cavitación de succión es el caso clásico. La altura de succión disponible queda corta respecto a lo que la bomba exige, las burbujas se forman en el ojo, y el colapso pica el lado de entrada de baja presión de los álabes. Aparece en instalaciones de succión por elevación, servicios de fluidos calientes, cedazos obstruidos y sistemas donde el nivel de suministro ha caído por debajo del diseño.

La cavitación de descarga, o recirculación de descarga, se comporta diferente. Cuando una bomba opera muy por debajo del caudal de su punto de máxima eficiencia (BEP), típicamente porque la descarga está estrangulada con fuerza o la bomba está sobredimensionada para el sistema, el flujo se separa y recircula cerca de la descarga. La presión local en esa zona de recirculación cae por debajo de la presión de vapor, y el colapso ataca el borde exterior de los álabes y la lengüeta del volute.

Los síntomas se superponen, así que confirme el tipo con datos de vibración, fotografías de inspección o una verificación de proceso antes de hacer cambios.

NPSH: el margen que predice la cavitación

La altura de succión neta positiva (NPSH, por sus siglas en inglés) es la presión del lado de succión expresada como una altura de líquido, medida por encima de la presión de vapor del fluido. Se comparan dos versiones en cada aplicación de bomba.

El NPSHd (disponible) es una propiedad del sistema. Es la presión absoluta en la succión de la bomba por encima de la presión de vapor, después de considerar la presión o vacío del suministro, la altura estática del líquido, las pérdidas por fricción en la línea de succión y la altura de velocidad. El NPSHd cae cuando la línea de succión se obstruye, el nivel de suministro baja o el fluido se calienta.

El NPSHr (requerido) es una propiedad de la bomba. El fabricante lo publica en la curva de la bomba, y sube a medida que sube el caudal. Empujar una bomba a la derecha de su caudal de diseño consume el margen rápidamente, porque el NPSHd tiende a caer mientras el NPSHr sube.

Un ejemplo rápido muestra la aritmética. Tome un tanque abierto con su superficie de líquido a 3 m sobre la línea central de la bomba, agua a 30 °C y 0.8 m de pérdida por fricción en la línea de succión. A nivel del mar, el NPSHd resulta en aproximadamente 10.4 m de altura atmosférica, más 3 m de altura estática, menos 0.8 m de fricción, menos aproximadamente 0.4 m de altura de presión de vapor para agua a 30 °C, para un total cercano a 12.1 m. Si la curva de la bomba lista un NPSHr de 4 m al caudal de servicio, el margen es de unos 8 m: cómodo. Si la misma bomba necesita 11 m, la instalación es un problema de cavitación esperando el clima caluroso.

La práctica común de ingeniería mantiene el NPSHd al menos 0.5 a 1 m (aproximadamente 1.6 a 3.3 pies) por encima del NPSHr a lo largo del rango de operación, y muchas especificaciones exigen de 10% a 20% más. Los servicios calientes o críticos a menudo justifican un margen mayor. La cifra exacta es una decisión de ingeniería, pero un margen delgado es el predictor más confiable de quejas por cavitación en campo.

Síntomas de la cavitación en bombas

La cavitación se anuncia a través de varios canales a la vez, y eso es lo que la hace reconocible.

• Sonido: la descripción clásica es grava o canicas rodando por la carcasa. Los casos leves se asemejan al chisporroteo de una bebida carbonatada. La recirculación de descarga tiende a un estallido o retumbo más agudo, a menudo solo a bajo caudal.
• Vibración: un aumento de energía aleatoria de banda ancha en frecuencias altas en lugar de un solo pico discreto. Los analistas también vigilan el crecimiento en la frecuencia de paso de álabes (el número de álabes multiplicado por la velocidad del eje) y sus armónicos. Debido a que la firma es de banda ancha, una falla de rodamiento y la cavitación pueden coexistir en el mismo espectro y aún distinguirse.
• Desempeño: presión y flujo de descarga cayendo o inestables a velocidad constante, y corriente del motor fluctuante. En casos severos, la bomba se desempeña como si estuviera moviendo parcialmente vapor en lugar de líquido.
• Evidencia física: en el desmontaje, la picadura concentrada en el lado de entrada de los álabes apunta a cavitación de succión, mientras que el daño cerca de la periferia exterior y la lengüeta del volute apunta a recirculación.

Qué hace la cavitación a una bomba

El daño comienza como una textura ligera de cáscara de naranja y progresa hacia una erosión profunda, similar a una esponja. A medida que la pérdida de material se vuelve desigual, el impulsor queda desbalanceado, la vibración sube, y las cargas sobre rodamientos y sellos mecánicos aumentan con ella. Las caras del sello fugan antes, la vida del rodamiento se acorta, y el debris erosionado puede rayar las holguras aguas abajo. La eficiencia cae al mismo tiempo, lo que se manifiesta como mayor energía por unidad de fluido movido.

Si se deja operando, una bomba cavitando convierte un cambio de impulsor planeado en una falla de equipo prematura, incluyendo carcasas agrietadas y daño al eje en casos severos. Ese es el camino de escalación que sigue la cavitación cuando las señales tempranas se ignoran.

Causas comunes de la cavitación en bombas

La mayoría de los casos de campo se rastrean hasta una lista corta:

• Cedazo o filtro de succión obstruido. La restricción añadida en el lado de succión consume NPSHd directamente, y empeora gradualmente a medida que se acumula debris.
• Tubería de succión subdimensionada, larga o enrevesada. Cada codo, válvula y metro de línea de diámetro pequeño añade pérdida por fricción.
• Demasiada elevación estática. Las bombas montadas bien por encima de la fuente, o que succionan de un pozo húmedo que baja, pierden altura disponible a medida que las condiciones cambian.
• Fluido de proceso caliente. La presión de vapor sube con la temperatura, por lo que un fluido que estaba cómodo al arrancar puede acercarse a su punto de ebullición después del calentamiento por asimilación térmica.
• Válvula de succión parcialmente cerrada o forro de succión colapsado. La estrangulación del lado de succión es una causa común pero pasada por alto.
• Vorticidad en la fuente de succión. Un flujo de entrada perturbado puede arrastrar vapor o gas hacia la bomba y minar el cálculo de NPSH.
• Operar lejos del BEP. La estrangulación fuerte de descarga o una bomba sobredimensionada provocan la recirculación de descarga.
• Impulsor incorrecto para el sistema. Un impulsor recortado o sustituido que ya no coincide con la curva del sistema puede empujar la operación a territorio de recirculación.

Cómo detectar la cavitación en bombas

La primera herramienta sigue siendo el estetoscopio de mecánico o un destornillador largo presionado contra la carcasa. Un sonido de chisporroteo o arenoso que difiere de las bombas hermanas en el mismo servicio es suficiente para justificar una mirada más cercana. Confírmelo con instrumentos:

• Análisis de vibraciones: el método de confirmación estándar. Los analistas buscan un piso de ruido de banda ancha elevado en frecuencias altas y crecimiento en las frecuencias de paso de álabes. El monitoreo continuo en bombas críticas captura la firma mucho antes de que sea audible a distancia; vea nuestra guía de análisis de vibraciones para la técnica.
• Verificaciones de presión y flujo: compare los manómetros de succión y descarga contra la línea base, y observe la caída de presión a través del cedazo de succión como indicador de obstrucción.
• Análisis de aceite: en bombas más grandes con lubricación circulante, el análisis de partículas de desgaste puede revelar pérdida temprana de metal por internos en erosión.
• Detección ultrasónica: el colapso de burbujas emite energía acústica de alta frecuencia, y los instrumentos ultrasónicos portátiles pueden localizar la fuente a lo largo de la carcasa.
• Inspección en desmontaje: fotografíe el impulsor en cada reparación general para que el crecimiento de la picadura pueda rastrearse con el tiempo en lugar de redescubrirse.

Cómo prevenir y corregir la cavitación en bombas

La prevención es mayormente una disciplina del lado de succión. Para elevar el NPSHd: amplíe o acorte la línea de succión, elimine accesorios innecesarios, mantenga los cedazos limpios y monitoreados, baje la elevación de la bomba, eleve el nivel o la presión del suministro, y reduzca la temperatura del fluido donde el proceso lo permita. Los cambios pequeños aquí rinden más que los cambios en cualquier otro punto de la bomba.

Las opciones del lado de la bomba reducen lo que la succión debe suministrar. Una velocidad de operación más lenta, un ojo de impulsor más grande, un inducer o dividir el flujo entre dos bombas en paralelo reducen la carga de NPSHr. Verifique que el recorte del impulsor instalado realmente coincida con la curva actual del sistema, porque las bombas se desvían de su servicio original a medida que las plantas cambian.

La disciplina del punto de operación cubre el resto. Evite el deadheading (operar con con válvula cerrada) y la estrangulación fuerte de descarga, mantenga la bomba cerca de su punto de máxima eficiencia, y cuando use un variador de frecuencia, confirme que el rango de velocidad mantenga el NPSHd por encima del NPSHr a lo largo de los caudales que el variador producirá.

Finalmente, monitoree. El monitoreo continuo de vibración y temperatura en bombas críticas convierte la cavitación de un desmontaje sorpresivo en una orden de trabajo levantada mientras la corrección aún es barata.

Preguntas frecuentes

La conclusión

La cavitación en bombas es un problema de presión, y los problemas de presión tienen entradas medibles: carga de succión, presión de vapor del fluido y punto de operación. Aprenda la firma (ruido de grava, vibración de banda ancha, caída de salida), mantenga el NPSHd cómodamente por encima del NPSHr a lo largo del rango de operación, y corrija el lado de succión en lugar de reemplazar impulsores por calendario. Las plantas que monitorean vibración y temperatura continuamente en bombas críticas detectan la cavitación mientras todavía es un ruido y una tendencia, antes de la picadura, el daño al sello y el tiempo de inactividad no planificado.