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Cimbra Histórica. La Cavitación: su efecto en la valvulería de las conducciones

Viernes, 28 Junio, 2024

En 1999, en el número 331 de Cimbra, se hablaba sobre la cavitación como un “fenómeno destructivo, no enteramente conocido, ni previsible en algunos casos, que se origina cuando existe un gran vacío dentro de un fluido”. Así, este artículo, el autor se ciñe al fenómeno de cavitación en conducciones de agua a presión. 

Una introducción a este fenómeno, que tener en cuenta en la gestión del agua, que se suele observar en las siguientes situaciones: 

  • Despegue de la lámina de agua en vertederos de presa mal disecados.
  • Válvulas de compuerta semi abiertas. Deben estar siempre o entreabiertas o completamente cerradas.
  • Válvulas de mariposa semi abiertas. El autor ha visto trozos de la lenteja desaparecidos por causas de la cavitación. Son también válvulas disecadas para estar siempre abiertas o siempre cerradas. Por ejemplo, no está disecada para hacer de reductora de presión.
  • Muy altas velocidades del agua en cualquier tipo de válvula. 
  • Grandes cambios de presión entre la parte de agua arriba y la parte de agua debajo de una válvula, plancha perforada, o válvula simple poco abierta. Esto sucede en algunas válvulas reductoras de presión.
  • En los rodetes de las bombas de impulsión.
  • En las turbinas hidráulicas.
  • En las hélices de barcos.

La cavitación produce cavidades o porosidades en los materiales, pues puede transformar la naturaleza del metal y destruirlo. Nos ceñiremos, en este artículo, al fenómeno de cavitación en conducciones de agua a presión.

Bajo la denominación de cavitación se suelen incluir varios fenómenos:

  • Implosión por vacío, que se traduce en burbujas microscópicas, con muy altas presiones negativas q llegan a erosionar hasta las moléculas y desplazar electrones del material de la tubería o de los mecanismos.
  • Erosión debida a partículas sólidas transportadas en el agua.
  • Erosión debida a altas velocidades del agua.

Nos referimos, en este análisis, a la cavitación solamente como el fenómeno asociado con el vacío que da origen a implosiones de las burbujas microscópicas.

En las conducciones hemos de distinguir dos elementos diferentes:

  • Los tubos.
  • Las válvulas.

El Ingeniero Enrique Mendiluce Rosich fue, según creemos, quién más investigó en España el efecto de la cavitación en los tubos, así como en el golpe de ariete. Nos dejó escrito un libro con los factores que halló para afinar el cálculo del golpe de ariete, cuya teoría sigue siendo válida parea impulsiones lineales, con poca diferencia con los métodos que requieren el uso del ordenador. 

Durante el tiempo que Enrique Mendiluce fue nuestro asesor, me refirió que nunca había hallado tubos en tramos rectos que hubieran sufrido de la cavitación. Es decir que, en las tuberías lineales, no suele existir cavitación. 

Sin embargo, la cavitación suele ocurrir en las válvulas y es de suponer que también en todos los casos en los que cuales haya gran turbulencia dentro de las tuberías, como pudiera ser en codos o en conos de reducción. La cavitación en las válvulas depende, a nuestro parecer, de los siguientes factores:

  • Diferencia de presión entre agua arriba y agua abajo (aplicable sobre todo a las reductoras de presión).
  • Caudal.
  • Material y diseño de la válvula.
  • Gases o aire en el agua y grado de disolución.

No existe una ecuación universal que considere todos estos factores. Lo que sí existe son algunas indicaciones de la resistencia de algunos metales o aleaciones a la acción a la cavitación y también la ecuación hallada por el Bureau of Reclamation. Con los medios disponibles para el análisis de los materiales, sabemos ahora mucho acerca de la cavitación, pero quedan algunas lagunas. 

Una artículo completo y fácil de comprender sobre este fenómeno es “La cavitación”, por Max Aucher (Mundo Científico, octubre de 1985). De este documento, tomamos los siguientes párrafos: 

“Fenómeno frecuente y, a menudo, desconocido, la cavitación se produce en líquidos sometidos a bruscas variaciones de presión. Se manifiesta por la aparición de pequeñas “burbujas” o enormes cavidades que se forman y luego implosionan en alguno microsegundos. La cavitación es causa de graves perjuicios como, por ejemplo, la erosión de los materiales, el ruido y la disminución de rendimiento en las instalaciones hidráulicas o marinas”.

“La mayoría de los estudios básicos sobre la cavitación es experimental y, en ellos, se emplea una instrumentación de prestaciones cada vez mejores: cinematografía ultrarrápida (hasta un millón de imágenes por segundo), microcaptadores de presión, holografía láser, etc. Pero el fenómeno en sí mismo, así como sus principales consecuencias (erosión y ruido) distan aún de ser comprendidos del todo”. 

“Todos estos estudios han demostrado que, a consecuencia de la presencia de gases no condensables, la mayor parte del tiempo la burbuja rebota, tomando una forma esférica o toroidal, según las condiciones, para implosionar una segunda e, incluso, una tercera vez”.

“Además, en las proximidades de una pared sólida, la burbuja implosiona acercándose a la pared de conformación de un microchorro líquido de diámetro inferior a 0,1 milímetro, dirigido hacia aquella”. 

“Según cual sea la distancia inicial burbuja-pared, el microchorro percute en la pared a la primera o a la segunda implosión. La punta de presión registrada en el impacto es del orden de 10 (3) a 10 (5) bares para un líquido en reposo y pueden llegar a 10(5) o a 10(6) bares cuando la burbuja tiene, en el momento de partida, una velocidad de acercamiento a la pared de un metro por segundo”. 

“Esta influencia de la velocidad es debida al “efecto cohete” y hace que el producto de la velocidad por el volumen de la burbuja permanezca constante en el momento de la implosión”.

Es decir, el impacto de la implosión es de una magnitud inmensa, difícil de comprender, pues está entre 100 kg/cm2 (100 atmósferas) y 1.000.000 de kg/cm2 (un millón de atmósferas). Son presiones extremadamente altas.

Esto explica los desperfectos que puede causar la cavitación y la erosión que pueden sufrir los alabes de las bombas, las válvula y otros mecanismos o elementos. A veces, la cavitación cambia tanto la estructura del metal que da la impresión de que tiene la misma resistencia que una roca muy blanda, pues he comprobado que el hierro de destruye con la uña. 

La cavitación puede destruir elementos fabricados con cualquier metal. Como la cavitación se produce en algunos metales más que en otros, es necesario sopesar su susceptibilidad.

Si consideramos el hierro fundido como base, el acero inoxidable 316SS es ligeramente superior (del orden de 30%). La fundición nodular o dúctil A395 es inferior en resistencia (aproximadamente, la mitad de resistente que el hierro de fundición gris). El latón es aún más inferior (como la décima parte). 

El aluminio es muy susceptible a la cavitación (más de 200 veces menos resistente que el hierro fundido) y también puede haber aleaciones de aluminio más resistentes.

No hay, a nuestro modo de ver, forma exacta de calcular la cavitación. El uso continuado de una válvula en la zona sombreada puede causar deterioro de las partes internas. Una vez elegido el tamaño de la válvula, hay que entrar en el gráfico con las presiones de entrada y de salida. 

Si el punto de intersección queda situado en la parte sombrada, puede haber cavitación. La parte sombread está basada en un índice de cavitación, K, cuyo valor se estima en 0,5 y está derivado de la fórmula K = (Ps-Pv): (Pe-Ps), donde Pe es presión de entrada; Ps es presión de salida; y Pv es presión de vapor de agua relativa a la atmósfera.

Si la intersección de las presiones de entrada y de salida queda dentro de la zona sombreada queda dentro de la zona sombreada, habrá que bajar la presión en dos o más escalonamientos. Se necesitarán a lo largo de la conducción más válvulas reductoras para escalonar la bajada de presión y estar siempre dentro de la zona que se estima segura.

Ejemplo: ¿sufrirá cavitación una válvula cuya presión de entrada es bares y la de salida 1 bar? Habrá cavitación si se instala una sola válvula. Sería conveniente instalar dos reductores. Por ejemplo, una que reduzca de 18 a 5 y la otra, de 5 a 1.

Aclaración. Los ensayos se hicieron de la siguiente manera:

Primero, se sometió una pieza de acero tipo 316 SS a la influencia de la cavitación durante seis horas. Esto dio como resultado una deterioro de la pieza que se consideró como estándar. A este estándar, se le dio un índice de 1. Después, se fueron sometiendo otros metales al mismo tipo de ensayo, bajo las mismas condiciones y con la misma forma de la probeta.

Cuando estos metales llegaron a tener un deterioro exacto al dela muestra de cero 316 SS, se paró el ensayo. Se anotó el tiempo transcurrido y se dividió entre el tiempo empleado parea la muestra tipo (seis horas). A este factor se le denominó “Índice de Resistencia a la Cavitación 7”. 

Teniendo en cuenta lo estipulado por el Bureau of Reclamation es muy simple, pues se podrían introducir otras variables, como velocidad del flujo y duración de una válvula en función de las presiones de entrada y de salida.

Sin embargo, cualquier otra forma de definir los rasgos de cavitación podría ser una elucubración más o menos acertada. Antes de utilizar u gráfico con otros datos adicionales, conviene cerciorarse de que se ha hecho en un laboratorio de prestigio y con suficiente puntos para tener bases para representarlo.

En resumen, si existe cavitación, al seleccionar una válvula reductora de presión, hay que considerar las siguientes soluciones:

  • Colocar dos o más en serie.
  • Construcción especial de algunas partes internas.
  • Cambiar el diseño de algunas partes internas. 
  • Sustituir, en algún caso, válvulas de una dimensión por otra u otra de dimensiones distintas.
  • Ser cautos al recomendar fundición dúctil. 

Autor. Manuel Mateos de Vicente, ITOP, ICCP y Doctor. 

Artículo recogido en el número 331 de Cimbra, correspondiente a los meses de noviembre-diciembre de 1999. 

Puedes acceder a los últimos números de Cimbra, la revista de Ingeniería Civil del Colegio de Ingenieros Técnicos de Obras Públicas.