La cavitación explicada e ilustrada

El fenómeno de la cavitación consiste en la interrupción de la continuidad en el líquido donde hay una considerable reducción local de presión. La formación de burbujas dentro de los líquidos (cavitación) comienza incluso en presencia de presiones positivas que son iguales o cercanas a la presión del vapor saturado del fluido a la temperatura dada.

Varios líquidos tienen diferentes grados de resistencia a la cavitación porque dependen, en un grado considerable, de la concentración de gas y partículas extrañas en el líquido.

Mecanismo de desgaste

El mecanismo de cavitación se puede describir de la siguiente manera: cualquier líquido contendrá burbujas gaseosas o vaporosas, que sirven como núcleos de cavitación. Cuando la presión se reduce a un cierto nivel, las burbujas se convierten en depósitos de vapor o de gases disueltos.

El resultado inmediato de esta condición es que las burbujas aumentan rápidamente de tamaño. Posteriormente, cuando las burbujas entran en una zona de presión reducida, se reducen de tamaño como consecuencia de la condensación de los vapores que contienen.

Este proceso de condensación se produce con bastante rapidez, acompañado de choques hidráulicos locales, emisión de sonido, destrucción de los enlaces de los materiales y otros fenómenos indeseables. Se cree que la reducción de la estabilidad volumétrica en la mayoría de los líquidos está asociada con el contenido de diversas mezclas, tales como partículas sólidas no humedecidas y burbujas de gas-vapor, particularmente aquellas a nivel submicroscópico, que sirven como núcleos de cavitación.

Un aspecto crítico del proceso de desgaste por cavitación es la destrucción de la superficie y el desplazamiento del material causado por los movimientos relativos elevados entre una superficie y el fluido expuesto. Como resultado de tales movimientos, la presión local del fluido se reduce, lo que permite que la temperatura del fluido alcance el punto de ebullición y se formen pequeñas cavidades de vapor.

Figura 1. Cavitación en sistema aireado

Figura 2. Cavitación por restricción en línea de succión

Cuando la presión vuelve a la normalidad (que es más alta que la presión de vapor del fluido), se producen implosiones que hacen que la cavidad o las burbujas de vapor colapsen. Este colapso de burbujas genera ondas de choque que producen fuerzas de alto impacto en las superficies metálicas adyacentes y provocan endurecimiento, fatiga y picaduras de cavitación.

Por lo tanto, cavitación es el nombre que se le da a un mecanismo en el que las burbujas de vapor (o cavidades) en un fluido crecen y colapsan debido a fluctuaciones de presión local. Estas fluctuaciones pueden producir una baja presión, en forma de presión de vapor del fluido. Este proceso de cavitación vaporosa se produce en condiciones de temperatura aproximadamente constantes.

Tipos de cavitación

Existen dos tipos principales de cavitación: vaporosa y gaseosa.

La cavitación vaporosa es un proceso de ebullición que tiene lugar si la burbuja crece explosivamente de manera ilimitada a medida que el líquido se convierte rápidamente en vapor. Esta situación ocurre cuando el nivel de presión desciende por debajo de la presión de vapor del líquido.

La cavitación gaseosa es un proceso de difusión que ocurre cuando la presión cae por debajo de la presión de saturación del gas no condensable disuelto en el líquido. Mientras que la cavitación vaporosa es extremadamente rápida y ocurre en microsegundos, la cavitación gaseosa es mucho más lenta; el tiempo que tarda depende del grado de convección (circulación de fluidos) presente.

El desgaste por cavitación ocurre solo en condiciones de cavitación vaporosa, donde las ondas de choque y los microchorros (microjets) pueden erosionar las superficies. La cavitación gaseosa no erosiona el material de la superficie, solo crea ruido, genera temperaturas elevadas (incluso de craqueo a nivel molecular) y degrada la composición química del fluido a través de la oxidación.

El desgaste por cavitación también se conoce como erosión por cavitación, cavitación vaporosa, picaduras por cavitación, fatiga por cavitación, erosión por impacto de líquidos y trefilado.

El desgaste por cavitación es un tipo de desgaste de fluido a superficie que se produce cuando una parte del fluido se expone primero a tensiones de tracción que hacen que el fluido hierva y luego se expone a tensiones de compresión que hacen que las burbujas de vapor colapsen (implosionen).

Este colapso produce un choque mecánico y hace que los microjets choquen con las superficies, unificando el fluido. Cualquier sistema que pueda repetir este patrón de tensión de tracción y compresión está sujeto a desgaste por cavitación y todos los horrores que acompañan a tal actividad destructiva.

El desgaste por cavitación es similar al desgaste por fatiga de la superficie; los materiales que resisten la fatiga de la superficie (sustancias duras, pero no frágiles) también resisten el daño por cavitación.

Proceso de desgaste por cavitación

El líquido es el medio que causa el desgaste por cavitación. El desgaste por cavitación no requiere una segunda superficie; solo requiere que exista un alto movimiento relativo entre la superficie y el fluido. Tal movimiento reduce la presión local en el fluido. Cuando el líquido alcanza su punto de ebullición y se produce la ebullición, se forman burbujas de vapor que producen cavitación.

Cada cavidad de vapor dura poco tiempo porque casi cualquier aumento de presión hace que el vapor de la burbuja se condense instantáneamente y la burbuja colapse y produzca una onda de choque. Esta onda de choque luego incide en superficies metálicas adyacentes y destruye los enlaces del material.

La onda de choque primero produce una tensión de compresión en la superficie sólida y luego, cuando se refleja, produce una tensión de tracción que es normal a la superficie.

Figura 3. Colapso de la burbuja de vapor y nacimiento de un Microjet

La Figura 3 muestra el colapso de una burbuja de vapor y el nacimiento de un microjet. La cavitación se encuentra generalmente donde existe una condición hidrodinámica, caracterizada por un cambio brusco y repentino en la presión hidrostática. Debido a que la ebullición puede ocurrir, la presión instantánea cae, se forman burbujas de vapor y colapsan con frecuencia y rapidez.

El aire atrapado y las partículas de polvo en el fluido sirven como sitios de nucleación para la formación de cavidades de vapor. Estos núcleos pueden ser pequeñas bolsas llenas de gas en las hendiduras del reservorio o simplemente bolsas de gas en partículas contaminantes que se mueven libremente en la corriente de flujo. Por lo tanto, todos los fluidos confinados pueden contener suficientes impurezas para producir cavitación.

Pequeños huecos cerca de la superficie o del campo de flujo, donde existe una presión mínima, indican que ha comenzado la cavitación. Una vez iniciadas, las burbujas continúan creciendo mientras permanezcan en regiones de baja presión. A medida que las burbujas viajan hacia regiones de alta presión, colapsan, produciendo presiones intensas y erosionando cualquier superficie sólida en las cercanías.

Durante el colapso, las partículas de líquido que rodean la burbuja se mueven rápidamente hacia su centro. La energía cinética de estas partículas crea golpes de ariete locales de alta intensidad (choque), que crecen a medida que el frente avanza hacia el centro de la burbuja.

Detección visual y audible

Los usuarios de la maquinaria pueden detectar la cavitación de forma audible, visual, mediante instrumentación acústica, mediante sensores de vibración de la máquina, mediante la medición de la sonoluminiscencia o mediante una disminución o cambio en el desempeño del producido en condiciones de flujo monofásico (por ejemplo, pérdida de flujo, rigidez y respuesta).

En condiciones de flujo de cavitación, la tasa de desgaste puede ser muchas veces mayor que la causada por la erosión y la corrosión por sí solas. El desgaste por cavitación puede destruir los materiales más fuertes: aceros para herramientas, estelitas, etc. Este daño puede ocurrir rápida y extensamente.

La cantidad de daño que causa la cavitación depende de cuánta presión y velocidad crean las burbujas colapsadas. Como resultado de esta presión y velocidad, la superficie expuesta sufre una variedad de intensidades muy variables.

Cada implosión dura poco tiempo; las magnitudes de impulso y los tiempos de colapso son mayores para burbujas más grandes con diferenciales de presión de colapso dados. Por tanto, cuanto mayor es la tensión de tracción del fluido (menor es la presión estática), más grandes son las burbujas, más intensa es la cavitación y más grave es el daño.

Los impulsos que resultan cuando las burbujas de vapor se forman y colapsan causan cráteres simétricos individuales y deformaciones permanentes del material cuando el colapso ocurre cerca de la superficie. En consecuencia, el daño por cavitación, como la falla por fatiga, tiene varios períodos de actividad:

• Período de incubación: las micro fisuras se nuclean alrededor de los límites de los granos y las inclusiones debido a la deformación tanto elástica como plástica de la superficie.
• Período de acumulación: el crecimiento de grietas se produce en relación con el grado de acción de división, cizallamiento y desgarro del material.
• Período de estado estacionario: la tasa de nucleación y propagación de grietas se vuelve constante durante el resto del tiempo de exposición.

En un sistema de flujo de fluido (a diferencia de un tanque ultrasónico), se forman burbujas de vapor donde se producen tensiones de tracción del fluido (presiones bajas) y las burbujas de vapor colapsan en regiones de mayor presión donde se pueden imponer tensiones de compresión sobre el fluido.

Por lo tanto, la región donde se produce el daño suele estar bastante separada de la región en la que se crean las picaduras, lo que a menudo conduce a un diagnóstico incorrecto del problema. El desgaste por cavitación es de naturaleza mecánica y no puede ocurrir sin la aplicación de tensiones de tracción y compresión.

Puntos calientes de cavitación

Muchas áreas de los sistemas hidráulicos son propensas al desgaste por cavitación, como:

• Aguas abajo de las válvulas de control que tienen diferenciales de alta presión,
• En las cámaras de succión de las bombas donde existen condiciones de entrada deficientes,
• En actuadores de movimiento rápido (tanto de tipo lineal como rotativo) donde ocurren condiciones de carga negativas,
• En trayectos de fuga (a través de sellos, asientos de válvulas y pistas de carretes) donde las altas velocidades hacen que los niveles de presión caigan por debajo de la presión de vapor del fluido (una condición de cavitación a menudo denominada trefilado) y
• En todos los dispositivos donde el flujo de fluido está sujeto a giros bruscos, reducción de secciones transversales con expansiones posteriores (en grifos, válvulas, diafragmas) y otras deformaciones.

La cavitación perturba las condiciones normales de funcionamiento de los sistemas mecánicos de tipo fluido y destruye las superficies de los componentes. El proceso consiste en la formación de cavidades cuando las presiones son bajas, el crecimiento de burbujas posteriores a medida que la presión se estabiliza y finalmente el colapso de las burbujas cuando las cavidades (burbujas gaseosas o vaporosas) se exponen a alta presión.

Tenga en cuenta que la caída de presión a través del componente es la fuerza impulsora del desgaste por cavitación. La Figura 4 muestra el proceso de cavitación que ocurre en una bomba de engranajes y en una válvula de carrete y muestra cómo las cavidades se generan, crecen y colapsan en componentes de tipo fluido.

Figura 4. Cavitación en una bomba de engranajes

Figura 5. Proceso de cavitación en una válvula de carrete

Reducción del desgaste por cavitación

En el desgaste por cavitación, las micro fisuras se propagan hasta el punto en que el material ya no puede soportar la carga de impulso que imponen las burbujas de vapor implosionadas. Por lo tanto, las partículas finalmente se desprenden y entran al sistema.

Al igual que con cualquier falla por fatiga, las micro fisuras se forman primero en los elevadores de tensión (muescas, rasgaduras, cortes, defectos de soldadura, etc.) o en áreas heterogéneas del material (como en la direccionalidad del flujo de metal, inclusiones y secciones descarburadas).

Por lo tanto, una superficie rugosa es propensa al desgaste por cavitación y debido a que las picaduras y un perfil rugoso caracterizan el daño por cavitación, el daño aumenta a medida que la superficie se vuelve más rugosa.

El medio más básico para combatir el desgaste por cavitación es minimizar la tensión de tracción en el fluido. Es decir, los usuarios de la máquina deben bajar el nivel de refracción o condiciones de vacío en zonas de posible cavitación. En particular, los siguientes pasos pueden ser apropiados:

• Aumente el nivel de presión en la salida de las válvulas de estrangulamiento.
• Aumente la presión de entrada en el puerto de succión de la bomba sobrecargando la entrada de la bomba.
• Utilice controles anti cavitación en aplicaciones de actuador de carga negativa.
• Reduzca el contenido de agua del fluido para eliminar la posibilidad de trefilado (el agua tiene una presión de vapor más alta que el aceite) a través de los asientos de las válvulas y los sellos dinámicos.
• Utilice un fluido con baja presión de vapor.
• Seleccione una bomba con buenas características de succión en lugar de una configuración de entrada deficiente.
• Utilice un fluido de baja viscosidad o aumente la temperatura del fluido.

En muchos casos, los ingenieros de diseño pueden minimizar el daño por cavitación seleccionando adecuadamente los materiales de fabricación. Por ejemplo, se puede seleccionar acero inoxidable en lugar de aluminio (Figura 6) y usar un revestimiento duro con una aleación resistente a la cavitación en la superficie expuesta. El caucho y otros revestimientos elastoméricos también han ayudado a minimizar el desgaste por cavitación. A pesar de su baja resistencia a la cavitación, estas superficies reflejan la onda de choque sin causar daños intensos.

Figura 5. Orden de resistencia relativa a la cavitación de los materiales

Partículas de cavitación

El tamaño de las partículas generadas por el desgaste por cavitación está en función de la dureza Brinell del material expuesto. Las partículas más grandes ocurren durante el período de acumulación. Las pendientes de las curvas de distribución de tamaño de partículas acumuladas aumentan a medida que aumenta la energía de deformación del material. El tamaño medio de las partículas producidas por cavitación disminuye a medida que aumenta la intensidad de la cavitación.

Precursores de la cavitación

Al investigar un problema de cavitación en un sistema de fluidos, debe identificar todas las posibles fuentes de baja presión (vacío), alta temperatura (calor) y lugares donde el aire podría estar ingresando. La siguiente lista debe servir como guía para identificar áreas de baja presión en un sistema de fluidos:

• Succión de la bomba: sistema hidráulico inadecuado de la línea de succión (condiciones de limitación de flujo).
• Efecto del orificio de la válvula: vórtices del chorro de alta velocidad en los conductos de flujo de la válvula de control.
• Chorro sumergido: chorro que se extiende hacia áreas de flujo ilimitadas donde se crean regiones de baja presión.
• Cargas negativas en motores y cilindros: las cargas del actuador accionadas externamente crean baja presión en el actuador.
• Aumentos repentinos de presión y golpes de ariete: la parte de enrarecimiento de las ondas de presión es capaz de crear regiones de presión negativa en la línea.
• Efecto de gran altitud: la presión atmosférica baja somete la línea de succión a una presión que puede resultar inadecuada para llenar las cámaras de bombeo.

Fuentes de calor que conducen a la cavitación

Las fuentes de calor que contribuyen a temperaturas excesivamente altas y cavitación en el fluido del sistema incluyen las siguientes:

• Temperatura ambiente alta
• Poca eficiencia mecánica de bombas y motores.
• Condiciones de flujo turbulento en conductos
• Calor de vaporización en flujo cavitante
• Calor de compresión en flujo aireado
• Caídas de alta presión a través de los orificios de control
• Ciclo de trabajo operativo severo
• Importantes restricciones de flujo en todas las partes del sistema de circulación de fluidos
• Refrigeración deficiente o falta de transferencia de calor
• Alta fricción por superficies rugosas y acción abrasiva.

Posibles ubicaciones de ingreso de aire para verificar

En lo que respecta a los puntos de ingreso de aire de un sistema, debe examinar cuidadosamente estos lugares cuando se produzca una cavitación grave:

Depósitos: Sitios donde se produce el arrastre de aire de tipo mecánico (agitación), existe fluido en remolino, impacto de fluido en superficies líquidas o sólidas, condiciones de depósito presurizado, flujo ciclónico en el puerto de succión de la bomba, altitud crítica (depósito en ángulo) que ocurre durante la operación que expone el puerto de succión de la bomba a la atmósfera, empujones del fluido debido al movimiento sobre terreno accidentado y/o bajo nivel de fluido del depósito que exponen el puerto de succión de la bomba a la atmósfera.

Bomba: Conductos y/o puertos de diámetro pequeño, pasajes de flujo restrictivos, desviaciones de flujo y/o condiciones de línea de succión larga, características de llenado deficientes de la bomba (pasajes de flujo interno restrictivos, alta velocidad de bombeo, desplazamiento de flujo demasiado grande); altitud demasiado alta para proporcionar suficiente presión de depósito para alimentar la bomba en las condiciones de flujo nominal; altura de succión inadecuada para elevar el fluido al nivel de entrada de la bomba (es decir, elevación entre el nivel de fluido y la entrada de la bomba demasiado grande), altura de succión insuficiente para acelerar el fluido del depósito a las condiciones de flujo nominal de la bomba (no responde a las demandas de desplazamiento de la bomba).

Válvulas: chorros que se descargan desde orificios hacia un espacio de flujo limitado, agilizan el flujo a través de canales que terminan en cámaras donde hay baja presión en las paredes aguas abajo de la válvula y/o válvulas de mariposa que descargan en un conducto de baja presión (línea de retorno).

Actuadores (sellos extendidos): Paso de aire en acuadores, desorción de aire existente y/o cavidades de vapor que se forman cuando se produce una carga negativa debido a cargas inerciales externas.

Motores (sellos de eje): sellos de paso de aire y cavitación gaseosa / vaporosa que se produce cuando existe una carga negativa debido a un efecto de volante.

Acumuladores: Fuga de aire/gas a través del sello de un pistón desgastado, diafragma o vejiga rotos.

Filtro: Aire que pasa por los sellos externos en los filtros de la línea de succión o restricciones de flujo interno que provocan la desorción del aire.

Conectores de conducto (acoplamientos de manguera, accesorios de tubería y sellos de colector): Superficies de sellado del conector de paso de aire que se han aflojado por vibración y los efectos de expansión y contracción térmica.

Conducto: Paredes rugosas, secciones de flujo comprimidas o protuberancias en la corriente de flujo.