Cavitación en tuberías y bombas

ABASTECIMIENTO DE AGUA Y ALCANTARILLADO CAVITACION
UNIVERSIDADJOSECARLOSMARIATEGUI | FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL 1
CAVITACION
1. DEFINICIÓN:
La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas
situaciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado
líquido. Este fenómeno tiene dos fases:
 Fase 1.- Cambio de estado líquido a estado gaseoso
 Fase 2.- Cambio de estado gaseoso a estado liquido
La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas hidráulicos donde se presentan
cambios bruscos de la velocidad del líquido. Eje:
 Hélices de barco
 Estrangulamientos bruscos
 En válvulas reguladoras
 Álabes de turbinas
2. FACTORES QUE INTERVIENEN EN SU APARICIÓN:
Un líquido se evapora cuando la energía no es suficiente para mantener las moléculas
unidas, entonces se separan unas de otras y entonces aparece el vapor. Uno de los ejemplos
más comunes es el que ocurre con el agua, la condición de paso de líquido a vapor depende
de dos parámetros: Temperatura y Presión.
La curva se conoce como curva característica
de la presión de vapor. A presión atmosférica
(1 bar) el agua cambia a estado gaseoso a
100°C, de la curva se desprende que, a
medida que la presión decrece, el proceso de
evaporación comienza a una temperatura
menor. Para analizar el conjunto de
condiciones que propician que el agua
decaiga a menor presión que su presión de

vapor, debemos considerar que el agua que fluye por las tuberías esta generalmente a presión,
producida por una bomba o debido a una diferencia de alturas y es considerablemente mayor
que la presión de vapor.
Para comprender porque razón la presión del agua en el punto de estrangulamiento de una
válvula llega ser menor que la presión de vapor, estudiaremos el balance hídrico del fluido.
3. ANÁLISIS ENERGÉTICO EN SISTEMAS DE TUBERÍAS:
3.1. IDENTIFICACION DE ENERGIAS
La energía total de un fluido está compuesta por los siguientes tipos de energía:
3.2. EVOLUCIÓN DE LOS TIPOS DE ENERGÍA:
La energía total almacenada en
el deposito debido a la carga
estática acumulada en el
mismo, es la energía potencial
del sistema, Cuando el agua
empieza a circular por las
tubería la energía potencia se
transforma en energía cinética,
energía de presión y perdidas
energía producidas por la
rugosidad de los materiales y
otros factores. Debido al
estrechamiento de la sección de
paso en un punto de regulación,
la velocidad del fluido y por
tanto su energía cinética

aumentan considerablemente. Debido también al estrechamiento las perdidas también
aumentan de forma apreciable.
En la vena contractada la energía de
presión restante, y por tanto la presión
local, decrece considerablemente ya que la
energía total debe permanecer constante.
Si en este punto la presión baja por debajo de
la presión de vapor, el agua se evapora,
Entonces se forman burbujas de vapor que se
deforman al incrementarse la presión y
finalmente explotan.
3.3. IMPLOSIÓN DE LAS
BURBUJAS:
Implosión de las burbujas de vapor
sigue ciertas direcciones
dependiendo de la ubicación en la
sección de las tuberías.

Al cambiar de estado gaseoso a líquido, las burbujas de vapor se colapsan súbitamente
(implosión) y esto produce que el agua que las rodea se acelere hacia las paredes de la tubería
formando una especia de hendidura, lo cual va erosionan los materiales a nivel molecular.
4. RECOMENDACIONES PARA EVITAR LA CAVITACIÓN:
 La cavitación es un fenómeno físico cuya aparición depende de las condiciones de
funcionamiento. Por tanto, cuando se proyecta una instalación debe intentarse que no
aparezca la cavitación o que sus efectos sean los menores posibles.
 De cualquier manera la instalación debe ser precisa, para ello las válvulas deben ser las
apropiadas.

 Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para trabajar en posición
completamente abierta o cerrada y no en posiciones intermedias.
5. CAUSAS DE LA CAVITACIÓN EN BOMBAS:
Cavitación en el ojo del rodete o de aspiración. Se produce cuando existe demasiado vacío
que excede la presión del vapor del líquido bombeado. El líquido hierve y se separa del resto.
Las bolsas de vacío aparecen en el centro del impulsor, que es la zona de más baja presión, y
se desplazan hasta su implosión o colapso. Este tipo de cavitación la causa una altura de
aspiración excesiva o bien, que el NPSHD de la instalación se vuelva insuficiente por aumento
de la pérdida de carga en la succión de la bomba (obstrucciones parciales). La bomba no
provoca ambas situaciones sino su entorno (instalación / aplicación).
Cavitación en el tajamar de la voluta o de impulsión. Esta situación se da cuando la altura
de descarga es demasiado alta, desplazando el punto de trabajo hacia la izquierda y fuera de
la curva de funcionamiento. La cavitación se localiza entre el extremo del álave del rodete y
donde acaba la envolvente del cuerpo o tajamar. El líquido se “estira” debido al bajo caudal y a
la alta presión diferencial en ambos lados del tajamar. Al paso de los álaves, se forman y se
colapsan burbujas continuamente. Entre un álave y el siguiente, aparecen burbujas que
permanecen en el tajamar hasta que el siguiente álave la alcanza. Es entonces cuando se crea
una presión suficiente que permite la implosión de la burbuja en el extremo del álave. En la
parte posterior del álave ya se ha formado una nueva burbuja que permanece ahí hasta que
implosiona en el siguiente álave.

DAÑOS PRODUCIDOS: Debe tenerse en cuenta que válvulas y otros accesorios pueden
cavitar sufriendo los mismos efectos perjudiciales que una bomba. Si una válvula tiene su
admisión parcialmente cerrada, probablemente cavitará y se deteriorará de la misma forma que
lo haría un impulsor y la placa de desgaste de una bomba cuya aspiración estuviera obstruida.
En la cavitación de aspiración, el daño
observado puede abarcar desde unas
pocas picaduras localizadas en el ojo
del rodete hasta una rotura total del

impulsor y destrucción de la placa de desgaste. En la mayoría de casos, el daño consiste en
picaduras en el rodete y en la placa de desgaste. A veces se describe el daño como si fuera un
queso suizo o como si se hubiera ametrallado el rodete. En general, el daño provocado por una
cavitación de aspiración se limita a estas dos piezas. La cavitación en la tajamar de la carcasa
o de impulsión es, con diferencia, mucho más destructiva que la cavitación de aspiración.
Cuando se dan las circunstancias de una cavitación de impulsión, aparecen las picaduras
características en el extremo de los álaves y por su parte anterior. Si la cavitación es
suficientemente severa, el ataque avanza por todo el álave. Por otra parte, en carcasas de
volutas simples, a causa de no compensarse la alta presión, el eje aumenta su deflexión a
medida que la altura de bombeo es más alta. Gorman – Rupp diseña los ejes de sus bombas
para que admitan esta deflexión en el rango de trabajo de la curva de funcionamiento. Sin
embrago, si la altura de bombeo es suficientemente elevada como para que el punto de trabajo
se sitúe a la izquierda de la curva característica, entonces se producirá la cavitación de
impulsión que reducirá la vida útil del rodete. La deflexión del eje podría producir fatiga y su
rotura; los rodamientos podrían deteriorarse por sobreesfuerzo y podría dañarse el cierre
mecánico.
6. ¿CUÁLES SON LOS EFECTOS DE LA CAVITACIÓN?
 Ruidos y golpeteos.
 Vibraciones.
 Erosiones del material (daños debidos a la cavitación).
6.1. CAVITACIÓN EN UNA VÁLVULA DE MARIPOSA:
Condiciones de funcionamiento:
• Presión aguas arriba: 1.2 ÷1.4 bares.
• Presión aguas abajo: 0.1 bares.
• Velocidad del fluido (referida al diámetro nominal): 2.2 m/seg.
• Tiempo en funcionamiento: 2 años.
• Grado de apertura del disco: Aprox. 30°

La válvula de compuerta no ha
estado completamente cerrada y en
la sección de paso la velocidad ha
sido muy alta. Después de tres
meses de funcionamiento el cuerpo
de la válvula muestra los daños de la
fotografía.
6.2. SINTOMAS:
La forma más segura de comprobar
si una bomba está cavilando es controlar la línea de aspiración mediante la instalación de un
vacuómetro. Además:
 Mantener la entrada de la bomba hidráulica limpia y libre de obstrucciones.
 Utilizar una tubería de aspiración de diámetro interno lo suficientemente grande y de
longitud lo más corta posible.
 Minimizar al máximo el número de codos en la línea de la aspiración.
 Mantener las velocidades de rotación de la bomba dentro de los márgenes nominales.
Una de las formas más sencillas de superalimentar la entrada de una bomba es situarla en el
circuito hidráulico por debajo del nivel de aceite en el tanque. Cuando esto no es posible o
cuando no se pueden crear condiciones favorables de alimentación, se debería utilizar un
tanque presurizado. Otra posibilidad es utilizar una bomba auxiliar para mantener un suministro
de aceite a baja presión para la bomba principal. Para este fin, se suele utilizar una bomba de
engranajes con una válvula de seguridad ajustada para mantener la presión de
superalimentación deseada.

6.3. C
AVITACIÓN EN EL PISTÓN DE UNA
VALVULA DE PASO ANULAR:
Pueden aparecer daños por cavitación
debido a un mal dimensionado de una
válvula reguladora, tal como puede verse en
la fotografía adjunta. Un líquido se evapora
cuando la energía no es suficiente para
mantener las moléculas unidas, entonces
estas se separan unas de otras y aparecen
burbujas de vapor.
7. PROBLEMAS DE LA
CAVITACION EL LA
INGENIERIA:
Las disgregaciones son roturas que se
producen en el interior del hormigón por
tracciones internas que el hormigón no
puede resistir. Pueden producirse por causas muy diversas.
Las acciones de tipo físico que pueden deteriorar al hormigón dando lugar a su desgaste
superficial o a su pérdida de integridad o disgregación pueden ser de diferentes tipos tales
como: hielo y deshielo; abrasión, cavitación y choques térmicos. Desgaste superficial por
cavitación, el fenómeno de cavitación ataca a la superficie del hormigón en forma de picaduras
que posteriormente se unen en zonas erosionadas amplias. Se trata de un arrancamiento
progresivo del hormigón. Uno de los cuidados que debe tener un ingeniero (Principalmente
cómo ocurre en el hormigón o concreto). al seleccionar, las parte de una estación de bombeo,

es la cavitación, este fenómeno producido normalmente en las salidas de los alabes del rotor
de una bomba y en las paredes de la tubería es desfavorable, debido a que causa daños y
aumenta el costo de mantenimiento. Por esta razón el presente trabajo tratara de exponer en
sus posibilidades de una manera clara y amplia el fenómeno de la cavitación.
En la ingeniería naval se estudia el fenómeno, para el diseño de todo tipo de barcos debido a
que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones. En los
submarinos, este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita
a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indefectibilidad
por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices.
El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede
causar enorme daño. La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras
causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes
componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bomba o hélice. La creación y
posterior colapso de las burbujas crea fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a
una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación.
La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de
irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando
lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños
microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el
lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del
fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los
pilares de los puentes. Además se sabe que los árboles succionan la savia sometiéndolas a
esfuerzos de tensión, pero nadie a podido explicar este fenómeno, sin embargo si sometemos
un líquido a esfuerzos de tensión reduciéndole la presión entrara en ebullición si esta es
demasiada baja, de ahí la importancia de cuidar la presión de succión en las bombas.
En la naturaleza el mercurio es uno de los metales líquidos más excepcionales debido entre
otras cosas a su punto de evaporización en 20 ºC ocurre a 0.168 Pa, debido a esto es que es
muy aplicado en la instrumentación porque su punto de vaporización está muy bajo, comparado
con el del agua el cual ocurre en la misma temperatura a 2337 Pa, sin embargo por ser este
último el fluido más común vale la pena realizar un análisis de las condiciones de trabajo de
este con el fin de evitar en las bombas una presión menor a la de vaporización.
EFECTO MECANICO: Con las implosiones se decrecen los diámetros de las burbujas, las
partículas en estado líquido se aceleran y se desplazan hacia el centro de estas burbujas
chocando entre sí, estos choques provocan sobrepresiones (golpe de ariete) que se propagan
en todas las direcciones afectando principalmente a las ranuras de las superficies metálicas por
lo que en muy poco tiempo pueden ocasionar daños a la estructura de la maquina (rotor). Y el
problema y quizás el más importante es el de la reducción de la eficiencia de la bomba con el
cual el nosotros como futuros ingenieros estamos obligados a seleccionar o diseñar de la
manera más eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenómeno
de la cavitación. Entre las bombas más susceptibles a este fenómeno están las que tiene lados

convexos y sobre todo en la parte trasera en donde pueden tener un área localizada que
propicie la cavitación.
EFECTO QUIMICO: Con la implosión de las burbujas se liberan iones de oxigeno que como
sabemos atacan las superficies de los metales.
8. NATURALEZA DE LA CAVITACIÓN:
Actualmente se sabe que la cavitación es debida principalmente a la acción mecánica de
impactos rápidos, a manera de explosiones de las partículas de líquido, aunque no se descarta
la posibilidad de acción química corrosiva, cuya naturaleza no se ha llegado a dilucidar por
completo. Los impactos que se generan son periódicos, es decir, se produce un fenómeno
vibratorio que aumenta la erosión del material por fatiga.
8.1. EN LAS PLANTAS:
La cavitación puede aparecer en el xilema de las plantas cuando el potencial del agua se
hace tan grande que el aire disuelto dentro del agua se expande hasta llenar la célula de la
planta. Las plantas generalmente son capaces de reparar los daños producidos por la
cavitación, por ejemplo con la presión de bombeo de las raíces, en otro tipo de plantas como
las vides la cavitación puede llevarlas a la muerte. En algunos árboles la cavitación es
claramente audible.
8.2. DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO:
La cavitación se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un
líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. Esta baja que sufre la
presión es debida a los efectos dinámicos de un líquido al escurrir, siguiendo fronteras curvas o
alrededor de cuerpos sumergidos.
El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el líquido
fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste hierve y
forma burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de
mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita aplastándose
bruscamente las burbujas.
Cuando por culpa de girar muy rápido, o
por exceso de velocidad del barco, la
presión de la cara anterior de la hélice (la
que está más a proa) decae a valores muy
pequeños. En estas condiciones, en la
zona con depresión se forman burbujas de
vapor por culpa del vacío que se ha

creado. ¡El agua verdaderamente hierve pero a temperatura ambiente! Cuando las burbujas de
vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de
esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan
otra vez en líquido. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento
produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear
fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su
superficie.
Cuando existe cavitación en sus aplicaciones, Se perciben los síntomas: sonido alto y seco que
le avisa que algo anda mal. Cavitación no es solo aquel sonido fastidioso. A medida que el
tiempo pasa, la cavitación desgasta la válvula, destruyéndola lentamente por dentro requiriendo
reparaciones que involucran que la válvula quede fuera de servicio y gastos significantes.
9. SUPERCAVITACION:
Propulsar un cuerpo bajo el agua necesita gran cantidad de energía. Desplazándose
rápidamente aún consume más energía pues la resistencia al avance del agua contra una
superficie sumergida aumenta con la velocidad. Los ingenieros navales constantemente tratan
de mejorar los cascos de los barcos con el objetivo de minimizar la fricción del agua.
Los científicos han hallado una nueva forma de evitar la resistencia al avance del agua, lo que
permite desplazarse a alta velocidad. La idea es minimizar la superficie húmeda del cuerpo en
movimiento encerrándolo en una burbuja de gas de baja densidad.
La supercavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se forma una única burbuja
de manera que envuelve el objeto en desplazamiento casi por completo. Un cuerpo con
supercavitación tiene una resistencia extremadamente baja, porque la fricción sobre su
superficie es casi inexistente. En lugar de estar rodeado de agua, se rodea del vapor del agua
que se forma en la burbuja. Como el vapor tiene una densidad y viscosidad mucho menor que
el agua líquida, el cuerpo puede avanzar mucho más rápido. La supercavitación es difícil de
obtener, el cuerpo que quiera usarla debe estar moviéndose a una gran velocidad: al menos
180 km/h, según algunos expertos. Esa es una velocidad muy superior a la que se obtiene en
cuerpos que actualmente se mueven en el agua. Por otra parte, la forma de la cabeza también
tiene que ser diferente, debería ser chata. Así a grandes velocidades el fluido es forzado a
moverse desde el borde de la cabeza con tanta velocidad, en un ángulo especial, que no toca
la superficie del cuerpo.
Por eso, en un cuerpo supercavitatorio,
solamente la cabeza causa una resistencia
significativa, ya que es la única parte que está
en contacto real con el agua líquida. Sin
embargo, estamos ante una paradoja: cuando
más chata sea la cabeza, más alta será la
resistencia. Es por eso que hay que conseguir

un punto medio, y las mejores cabezas son las que están ligeramente curvadas. El asunto es
que la resistencia general se reduce enormemente una vez que se alcanza un régimen de
supercavitación, y luego aumenta linealmente con la velocidad (y no geométricamente). Mucha
de la teoría todavía no está en papel, ya que se trata de cálculos muy complicados.

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