6.4.- Fenómeno de Cavitación

La cavitación es un fenómeno que ocurre al formarse burbujas de vapor en la entrada del impulsor, las cuales luego colapsan en las áreas de alta presión de los impulsores. Cuando las burbujas colapsan la energía liberada produce ruido y daños generalizados en las bombas. La magnitud de los daños depende de los niveles de energía y de la metalurgia usada en el equipo.

La figura 6-8 muestra el diagrama de la dinámica de la formación de las burbujas de gas en el ojo de succión del impulsor en presencia de la cavitación.

En la figura se muestra como se forma la burbuja para luego observar, por el incremento de presión a medida que el impulsor transmite energía al fluido, el posterior colapso de las burbujas con la generación de la onda de choque que es la que produce los daños en el equipo.

La cavitación ocurre cuando el NPSHA es insuficiente para cubrir las pérdidas a la succión y está por debajo del NPSHR de la bomba. La figura 6-9 muestra el comportamiento de la presión a la succión de una bomba centrífuga. La presión con que viene el líquido hacia la succión es la observada en el punto N° 1 en ambos diagramas, cuando el fluido toca el punto N° 2 la presión de succión disminuye debido a que la bomba absorbe parte de la energía que trae el líquido para propulsarlo al interior del impulsor. Si la presión en este punto es superior a la presión de vapor del líquido (H_VP), no se produce cavitación (diagrama superior de la figura N° 6-9), si por el contrario la presión de succión cae por debajo de la presión de vapor del líquido bombeado (H_VP), el fluido se vaporiza y se inicia la cavitación (diagrama inferior de la figura N° 6-9). 

La palabra cavitación se deriva de la palabra cavidad, es decir espacio vacío o hueco, estos espacios vacíos se forman con burbujas de vapor, gases y aire.

Luego que los alabes del impulsor transmiten energía al fluido en el punto N° 3 se incrementa la presión aguas abajo del ojo del impulsor causando el colapso de las burbujas que se formaron el área de succión del impulsor.

La ebullición del líquido puede ser inducida sin calentarlo, al llegar a una presión en el sistema de succión por debajo de la presión de vapor del líquido (H_VP). A nivel del mar donde la presión atmosférica es de un bar (14,7 psi) el agua hierve a 100 °C (212 °F), lo cual produce vapor que tiene aproximadamente 1.600 veces el volumen que tenía en estado líquido, cuando las burbujas suben a la superficie del líquido liberan el calor y la energía de presión. Sin embargo, como el diferencial de presión entre la superficie del líquido y la atmosfera es reducido, la onda de choque generada por la liberación de la energía es extremadamente pequeña y se disipa en todas las direcciones en la superficie del líquido.

En los líquidos en condición estacionaria la presión es constante en cualquier dirección, sin embargo, cuando el líquido fluye a través de una bomba centrífuga existen diferencias en las velocidades relativas locales en los distintos puntos del impulsor. Estas diferencias en las velocidades se deben a la distribución de las presiones del líquido que fluye en los canales hidráulicos de las bombas, debido a la separación entre el área próxima al alabe que transmite la energía al fluido y el área próxima al lado inactivo de este alabe.

No es muy complicado entender que existe una marcada diferencia en la presión existente en la cara del alabe que transmite la energía y la cara no activa del alabe, en algunas situaciones en las zonas inactivas de los alabes, donde la baja presión encontrada puede alcanzar la presión de vapor del líquido bombeado (H_VP), ocurre la cavitación.

La Figura N. 6-10 presenta el diagrama de un impulsor mostrando los sectores típicos los cuales son los más afectados por el fenómeno de cavitación y por la recirculación.

Con excepción de lo observado en regímenes de flujo muy altos, donde la alta velocidad del fluido en los canales hidráulicos de la bomba propicia la reducción de la presión local del fluido por debajo de la presión del vapor, la cavitación se manifestará en la cara inactiva del alabe en las áreas próximas a la succión. En flujos muy altos la cavitación se manifiesta en la lengüeta de descarga de la voluta o en la cara activa de los alabes del impulsor es decir en el lado del impulsor que suministra la energía al fluido. La figura 6-10 muestra también las áreas de los alabes afectadas por la recirculación en la succión y la recirculación en la descarga.

El fenómeno de la cavitación ocurre en la bomba de la siguiente manera: en las regiones de baja presión del impulsor se forman burbujas de vapor cuando la presión local está por debajo de la presión de vapor del fluido (H_VP). El flujo de líquido en el interior de la bomba arrastra las burbujas a las regiones de alta presión. Estas burbujas colapsan Instantáneamente debido a que la presión circundante es superior a la presión en el interior de la burbuja. La figura N° 6-11 muestra el ciclo de formación y colapso de una burbuja de aire relacionada con cavitación.

Es de resaltar que en el proceso de colapso las fuerzas externas de la burbuja inducidas por el incremento de la presión aguas abajo del ojo del impulsor genera una cavidad en el centro de la burbuja que concentra la energía de colapso. Esta energía producida por el colapso es guiada a un área puntual en una especie de jet, aumentando de esta forma los efectos de la onda de choque al concentrar la energía en un área más reducida.

Como este colapso es muy rápido (investigaciones indican que la vida media, desde que se genera hasta que colapsa, de una burbuja producida por cavitación es de tres milisegundos) y si las burbujas están en contacto con el metal del alabe producen debilitamiento y daños por impacto de la onda de choque en estas superficies.

La figura N° 6-12 muestra la ampliación de una foto tomada una burbuja antes del colapso mostrando la formación de la cavidad central.

6.4.1.- ¿Cuándo Ocurre la Cavitación?

Para evitar la presencia del fenómeno de cavitación en una bomba centrífuga aplicada en una condición de operación determinada, el valor del NPSHA a la succión de la bomba debe ser siempre mayor al NPSHR por la bomba a un determinado flujo.

Algunas normas y especificaciones corporativas recomiendan que la diferencia entre los NPSH debe ser no menos de 0,9 metros (3 pies). Específicamente la norma ASME B73.1 establece que el margen entre NPSH debe ser de 0,9 metros (3 pies) este margen puede ser incrementado si existen condiciones en las cuales se pudiese aumentar el NPSHR de la bomba. Ahora el API 610/ISO 13709 es más amplio y establece que margen entre el NPSHA y el NPSHR debe ser establecido por el comprador.

El API 610 indica que el NPSHR suministrado por el fabricante de la bomba debe ser para agua a temperaturas menores a 65° C (150° F) a la velocidad y caudal especificados como punto de garantía, y además aclara que correcciones para líquidos diferentes al agua no son aceptadas.

Otro aspecto destacado por el API es queel NPSHA debe ser mayor al NPSHR y da orientaciones para considerar el margen adecuado entre el NPSHA y el NPSHR de acuerdo con la realización de una evaluación completa del rango de operación de la bomba, tomando como referencia las necesidades de flujo mínimo continuo, Velocidad Específica de Succión (N_SS), etc.

Como recomendación general y en base a experiencia de campo para bombas con NPSHR mayor a 30 pies se debe mantener un margen mínimo entre el NPSHA y el NPSHR de al menos un 10%. Esto es para evitar en sistemas de alto flujo o alta energía, que una variación relativamente pequeña en el sistema como puede ser, por ejemplo, un aumento de temperatura que induzca a un incremento de la presión de vapor (H_VP) lleve a que el equipo entre en cavitación. 

Algunos autores como J. T. MacGuire recomiendan para el manejo de agua un margen de entre 10 y 30% entre el NPSHA y el NPSHR con una diferencia mínima de 3 pies entre el NPSHA y el NPSHR. Para bombas de pequeño y mediano porte que manejan hidrocarburos el autor del artículo recomienda 10% de margen. Para bombas de alimentación de calderas 50% (limitando la potencia hasta 2.500 HP y 3.600 RPM). Para bombas de alta energía el margen debe ser de entre 100 y 200% de la relación entre el NPSHA y el NPSHR.

Algunas normas de empresas petroleras establecen límites diferentes que son siempre conservadores en cuanto al margen a mantener entre el NPSHA y el NPSHR. Por ejemplo, uno muy interesante establece que para evitar cavitación en bombas que están manejando fluidos con gases disueltos el NPSHA debe ser 1,5x NPSHR, con un rango mínimo de 5 metros entre el NPSHA y el NPSHR. Lo que aplica en todo el rango de operaciones que no debe estar fuera de entre 70% y 110% del flujo en el BEP. 

En bombas de alta energía es recomendable solicitar en las especificaciones del equipo, durante las gestiones de compra, que el NPSHR por la bomba debe ser tal que garantice una vida mínima del impulsor de primera etapa de 40.000 horas.

En casos específicos donde no es viable mantener la diferencia entre el NPSHA y el NPSHR mayor a 3 pies, ó donde las modificaciones del equipo y/o el sistema no son factibles se recomienda realizar una prueba de NPSH en un banco de pruebas, según los lineamientos de AHÍ. Estopara verificar si se produce cavitación en las condiciones de operación establecidas.

Es muy común confundir la cavitación en una bomba centrífuga con los síntomas de inestabilidad hidráulica como consecuencia del bajo flujo, sobretodo en bombas de cierta energía, que poseen alto caudal o desarrollan alto Cabezal, las cuales generan mucho ruido al entrar en inestabilidad. El ruido y las vibraciones generadas son similares para ambos casos y existe la tendencia a describirlas como el mismo fenómeno.

Una prueba de descarte utilizada en el campo es variar el flujo mediante el estrangulamiento de la válvula de descarga, si al reducir el flujo se reduce el ruido y las vibraciones estamos en presencia de cavitación, si por el contrario aumenta la inestabilidad el fenómeno observado es inestabilidad hidráulica como consecuencia bajo flujo.

6.4.2.- Daños Producidos por la Cavitación

La energía cinética producida por el colapso de las burbujas de vapor es relativamente alta debido a una masa mayor y a la alta velocidad con que se produce la ruptura de la burbuja. El vacío creado empuja al fluido a llenar estos espacios creando un fenómeno parecido al golpe de ariete, en una zona localizada muy pequeña que puede causar daños importantes en el impulsor dependiendo, esto último, entre otras cosas de la intensidad de la cavitación, de la energía de la bomba y de la resistencia de los metales utilizados en su fabricación.

El tamaño de una burbuja producto de la cavitación a una temperatura normal de líquido bombeado de 30 °C (86 °F) es mucho mayor a las burbujas generadas por ebullición a 100 °C (212 °F) (burbujas de al menos 15 veces mayores) a presión atmosférica, lo que representa una masa mayor de agua que va a chocar con la superficie del alabe.

La figura N° 6-13 muestra la foto de un alabe o paleta de un impulsor dañado por la cavitación. Allí se observa la superficie del metal dañada con apariencia de estar roída. El daño se localiza en la zona de succión, en la parte no activa del alabe.

Las consecuencias de la cavitación son múltiples y afectan al sistema de bombeo en su totalidad, los principales efectos incluyen:

• Erosión de las superficies metálicas dando la apariencia de estar roídas, manifestándose principalmente en la zona de no activa (zona que no transmite energía) del alabe del lado de succión.
• Ruidos con la apariencia de piedras molidas se escuchan en el interior de la bomba generando vibración.
• El rendimiento de la bomba se deteriora por debajo de los niveles aceptables, dependiendo de la intensidad de la cavitación.