Cómo y por qué prevenir la cavitación en los sistemas de tuberías

La cavitación es un tema candente para ingenieros, profesionales de mantenimiento y cualquier persona que trabaje con sistemas de bombeo, y por una buena razón. Esta condición tiene causas complicadas y difíciles de identificar, y sus efectos pueden ser devastadores para el equipo, la integridad del sistema y las operaciones en general.

Prevenir la cavitación es un esfuerzo de todo el equipo cuando se trata de sistemas operados con bombas centrífugas. Comienza con el diseño del sistema y los cálculos en torno a la cabeza de succión neta positiva (NPSH) antes de que se construya el sistema. La selección de la bomba, la temperatura del fluido y la inclusión de componentes de protección son factores que pueden proteger contra la cavitación en un sistema.

Desde la perspectiva de un observador externo, la cavitación a menudo se puede detectar simplemente escuchando un sistema. Puede sonar casi como si el líquido en un sistema estuviera hirviendo. Los sonidos rápidos y repetitivos de las burbujas al estallar son una señal segura de que algo no está bien con su sistema de tuberías. Algunos oyentes han descrito que la cavitación suena como granos de café o grava en el sistema.

Pero, ¿qué sucede realmente dentro del sistema para causar ese ruido? La cavitación es la rápida formación e implosión de bolsas de vapor dentro de un fluido bombeado. Las implosiones crean ondas de choque que viajan a través del fluido y dañan el equipo.

El proceso de cavitación puede causar estragos en los componentes sensibles y de alta ingeniería de los sistemas de tuberías. Los impulsores, la carcasa, las tuberías y otros equipos de la bomba pueden experimentar picaduras, erosión u otros daños que impiden que estos componentes funcionen correctamente. Este daño también puede acortar la vida útil de los componentes individuales del sistema y del sistema en su conjunto.

La cavitación es mucho más probable en algunos sistemas que en otros. Los sistemas que bombean líquidos, en lugar de lodos, tienen un mayor riesgo de cavitación. Los fluidos de sistema más delgados, como el agua, también hacen que los sistemas sean más propensos a sufrir cavitación. Las aplicaciones con fluidos que se bombean a temperaturas más altas también deben tomar más medidas para evitar la cavitación.

Para comprender la cavitación, el lugar más fácil para comenzar es uno de los conceptos de cocina más básicos: agua hirviendo. Cuando hervimos agua en la cocina, todo se trata de calor. El agua debe calentarse a 212 F (100 C) para hervir.

Pero calentar a esa temperatura precisa no es la única forma de provocar la rápida vaporización que llamamos ebullición. Si bien 212 F es el punto de ebullición comúnmente utilizado en la cocina, científicamente, un punto de ebullición es la temperatura a la que la presión de vapor de un líquido es igual a la presión que rodea al líquido.

Ya sea que un cocinero casero o un chef profesional esté en la estufa, es poco probable que la presión de vapor de un líquido se manipule en un ambiente de cocina. Es por eso que la métrica 212 F se usa de manera relativamente universal (aunque las cocinas en elevaciones muy altas se ven afectadas por los cambios en la presión del agua y pueden usar diferentes puntos de ebullición).

En los sistemas industriales, la presión del fluido cambia a lo largo de las etapas del proceso de bombeo. Más comúnmente, el fluido experimenta grandes cambios de presión mientras está dentro de la bomba. Cuando se aspira fluido, se presuriza rápidamente y luego experimenta una gran caída de presión a medida que sale del impulsor y viaja a la salida de la bomba. Esta presión que cambia rápidamente puede afectar el punto de ebullición del fluido y crear un ambiente ideal para que ocurra la cavitación.

Un matiz importante de la cavitación es el hecho de que las bolsas de vapor realmente implosionan durante el proceso. Estas implosiones envían fuertes ondas de choque a través del fluido bombeado que pueden dañar los componentes del sistema. Estas ondas de choque pueden erosionar o provocar la formación de cráteres en los impulsores o las carcasas de las bombas, pero también en las tuberías o en cualquier otra parte del sistema.

Si bien la sección de salida de una bomba es el lugar más común para que ocurra la cavitación, es técnicamente posible en cualquier parte de un sistema con una caída de presión importante. Dado que los sistemas a menudo tienen muchas áreas de movimiento de fluidos muy rápido, la cavitación puede ser un problema en múltiples partes del sistema.

Por supuesto, los operadores del sistema quieren proteger la inversión que han hecho en sus equipos. Las bombas y otros componentes de alta ingeniería o hechos a la medida tienen estrictos programas de mantenimiento y reparación para que sigan funcionando en la mejor forma. Lo último que quieren los operadores es que el sistema funcione en una condición que dañe activamente el equipo.

La cavitación puede causar picaduras o remoción de material en los impulsores o carcasas de la bomba. El cambio en la superficie del componente provoca un rendimiento subóptimo de todo el sistema. El impulsor o la carcasa deberán reemplazarse mucho más rápido de lo esperado por su cronograma.

Otro peligro de este tipo de daño es la eliminación de material del componente de la bomba, lo que significa que el material puede entrar en el fluido bombeado. Dependiendo del sistema, podría ser perjudicial para el producto tener incluso pequeñas cantidades del material de construcción de una bomba en el fluido.

La prevención de la cavitación comienza en las fases de planificación de un sistema. Los cálculos de NPSH pueden ayudar a garantizar que un sistema nunca tenga la oportunidad de experimentar cavitación. Todas las bombas tienen una cantidad establecida de NPSH requerida (NPSHr), por lo que el sistema siempre debe tener un nivel de NPSH disponible (NPSHa) que exceda el NPSHr. Los fabricantes de bombas proporcionan el NPSHr para cada bomba, de modo que los diseñadores de sistemas puedan tenerlo en cuenta durante el proceso de selección del equipo.

Los sistemas también se pueden diseñar teniendo en cuenta el control de la temperatura. Cuanto más frío es un fluido, menos probable es que alcance su punto de ebullición, incluso si ese punto de ebullición se reduce debido a cambios en la presión. El bombeo de fluidos más fríos puede ayudar a prevenir problemas de cavitación en un sistema.

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Ciertos tipos de equipos también pueden ayudar a un sistema a evitar la cavitación y otras condiciones indeseables. Incluso los sistemas diseñados con más cuidado pueden encontrar problemas inesperados en las operaciones del mundo real. Cuando las cosas no salen según lo planeado, los profesionales de mantenimiento y los ingenieros necesitan opciones para poder evitar algunos de los daños mayores que puede causar la cavitación.

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