¿Qué es la cavitación? ¿Cómo evitarla?

Cuando en una tubería que transporta agua la presión interior comienza a caer por debajo de la presión atmosférica se inicia el vacío. A medida que desciende la presión, el vacío aumenta, aunque el agua sigue líquida. Es a partir de un determinado valor de vacío cuando el agua cambia de estado y se transforma en vapor.

Un líquido puede pasar a vapor debido a dos circunstancias, o bien porque aumente su temperatura o bien porque disminuya su presión. En el caso del agua, y para una temperatura de 10ºC, considerada como la temperatura media del agua en los bombeos, el cambio de estado se produce cuando la presión absoluta es de 9 mm de columna de mercurio, lo que equivale a:

Esto es lo mismo que decir que la presión de vacío relativa es:

Cuando el agua pasa a vapor, libera gases que se encontraban disueltos y se forman unas burbujas (las cuales se denominan cavidades, de ahí el nombre del fenómeno) que viajan con la corriente líquida y que, al ganar presión nuevamente aguas abajo, explotan con violencia. Es lo que se conoce como cavitación.

Imaginemos por ejemplo una válvula en una conducción que opera con una escasa abertura y un alto caudal. Esta circunstancia provoca una alta pérdida de presión debido al rozamiento de la corriente líquida con el obturador de la válvula. Al mismo tiempo se produce un notable incremento de la velocidad del fluido, consecuencia directa de la disminución del área de paso ya que:

Q = S · v

Donde Q es el caudal que circula por el estrechamiento, S su sección y v es la velocidad del fluido. Al disminuir la sección aumenta la velocidad del fluido, es lo que se conoce como efecto Venturi.

Este aumento de la velocidad trae consigo una disminución de la presión. Si en esta bajada de presión se alcanza la presión de vapor del fluido (en nuestro caso la presión de vapor del agua) se generan burbujas de vapor y aparece entonces el fenómeno de la cavitación. Estas burbujas de vapor viajan con la corriente hacia zonas donde la presión se incrementa de nuevo debido a que la sección se hace mayor –esto ocurre realmente en un espacio muy pequeño- con lo que se produce la violenta implosión de las mismas. Si las burbujas explotan en las proximidades del diafragma o de las paredes de la válvula o de la tubería producen importantes daños, generando además ruidos y vibraciones en la instalación.

En los siguientes esquemas se visualiza gráficamente lo comentado.

Un estrechamiento produce en la corriente un aumento de su velocidad y una disminución de la presión.

Cuando la disminución de la presión alcanza y rebasa la presión de vapor del líquido (agua en este caso) se forman burbujas debido a la liberación del aire contenido en el agua, que al poco tiempo colapsan. Este fenómeno, llamado cavitación, sucede a una presión absoluta de 0,12 mca (presión de vapor para una temperatura del agua de 10ºC). En la tabla siguiente se dan valores de presión de vapor según temperatura del agua.

Cuando la presión se recupera las burbujas colapsan y explotan. Cuando lo hacen cerca de las paredes de la válvula o de la tubería ocasionan importantes daños.

En las fotografías siguientes podemos observar los daños ocasionados por la cavitación en las partes metálicas de las válvulas.

En la imagen de la izquierda se muestran los daños en el obturador de una válvula de compuerta que no se cerró completamente. En la pequeña sección de paso el agua alcanzaba grandes velocidades. Tras varios meses de uso la cavitación generada causó dos grandes perforaciones en el disco metálico.

Obviamente la cuestión de la cavitación no tiene ninguna importancia cuando se trata de válvulas de abrir y cerrar, siempre y cuando se utilicen para abrir y para cerrar completamente, no para regular. Sin embargo la cavitación se convierte en una cuestión fundamental cuando se trata de válvulas reguladoras y más si trabajan con altas reducciones de presión y con caudales elevados.

Las casas fabricantes de válvulas suelen dar información detallada sobre los riesgos de cavitación según las condiciones de uso de la válvula. En el gráfico siguiente observamos una información con la zona de daños por cavitación que proporciona un fabricante para un modelo de válvula, teniendo en cuenta el diferencial de presiones aguas arriba y aguas abajo.

Además de comprobar los gráficos sobre riesgos de cavitación que suministre el fabricante, se recomienda no instalar una válvula reguladora de menor tamaño que el considerado adecuado para las condiciones de trabajo de la conducción.

Siguiendo con las recomendaciones, no se deben de utilizar válvulas de compuerta para trabajar en posiciones intermedias, ya que son válvulas que han sido diseñadas para abrir o para cerrar completamente la conducción.

Si en una tubería a presión van a existir grandes diferencias entre los caudales circulantes, normalmente se coloca en paralelo con la válvula reguladora principal una segunda válvula reguladora de menor tamaño que trabajará cuando los caudales sean bajos, tal y como se muestra en la figura.

La cavitación también aparece en los bombeos. Si una bomba centrífuga opera con una aspiración excesiva, la presión a la entrada puede disminuir hasta llegar a alcanzar la tensión de vapor del agua. Se desprenderían entonces burbujas de vapor que, cuando la presión se recupera, explotarían violentamente ocasionando graves daños en los mecanismos de la bomba.

La zona de la bomba con menor presión es la sección de entrada, la boca de aspiración, justo antes de los álabes del impulsor o rodete. Una vez que el fluido llega a los álabes empieza a aumentar su presión a medida que recorre el impulsor hasta el difusor de salida. Es por ello que la erosión producida por la cavitación se localiza justo en el inicio de los álabes, cuando se empieza a recuperar la presión y las burbujas de vapor explotan.

Daños graves producidos en rodetes y álabes debido a la cavitación.

Para que una bomba funcione sin cavitación debe de cumplirse la relación siguiente, en la que se añade 0,5 metros por seguridad:

NPSHdisp ≥ NPSHreq + 0,5

Por último en las conducciones también puede surgir el fenómeno de la cavitación. Existe una fracción de aire que viaja disuelto en el agua. El contenido de aire disuelto en el agua depende sobre todo de la presión y de la temperatura. A mayor presión el contenido de aire disuelto en el agua es mayor. A mayor temperatura, el contenido de aire disuelto disminuye. En condiciones de alta temperatura y baja presión el aire se libera en mayor proporción.

En los cambios de pendiente de las conducciones se producen alteraciones de la presión dentro de las mismas, lo que hace que pueda liberarse aire disuelto con la consiguiente formación de bolsas de aire. Esto es particularmente importante en impulsiones donde la presión va disminuyendo progresivamente a lo largo de la conducción.

Una vez que la instalación está en funcionamiento las bolsas de aire se desplazan por la tubería y se acumulan en las zonas más elevadas y a lo largo de accesorios y derivaciones.

Las bolsas de aire y el aire disuelto en el agua pueden ocasionar entre otros inconvenientes cavitación en los accesorios a causa del estrechamiento que se produce en la sección del tubo y el consiguiente aumento de velocidad del fluido.

Las bolsas de aire reducen el caudal que circula por la tubería perdiendo eficiencia el sistema debido a las altas pérdidas de carga generadas. En algunas ocasiones incluso se puede detener la circulación del flujo por falta de presión (riegos por gravedad)

Para eliminar el inconveniente que supone la formación de bolsas de aire en la conducción se deben de instalar válvulas ventosas.