Cavitacion y la tecnologia de materiales

1. Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Ambiental

2. Cavitación – Fundamento Teórico
 La cavitación es un fenómeno que 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. El fenómeno puede producirse lo mismo en
estructuras hidráulicas (tuberías, válvulas, etc.) que en
máquinas hidráulicas (bombas, hélices, turbinas, etc.)

3.  La cavitación es un fenómeno muy frecuente en sistemas
hidráulicos donde se dan cambios bruscos de la velocidad del
líquido.
Ejemplos:
CAVITACIÓN EN TUBERÍAS
En partes móviles:
•Álabes de turbinas
•Rodetes de bombas
•Hélices de barcos
En partes no móviles:
Estrangulamientos bruscos
Regulación mediante orificios
En válvulas reguladoras

4. CAVITACIÓN EN TUBERÍAS
 ¿Cómo ocurre la cavitación en tuberías?
La cavitación es un fenómeno físico, que ocurre en los sistemas de
tuberías mediante el cual el liquido, en determinadas condiciones, 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 líquido.

5. 2)Tipos de Cavitación:
Hay dos tipos de cavitación, uno con flujo y otro estando el
líquido estático:
a)Cavitación por flujo
b)Cavitación por ondas
Ejemplos del tipo (a) los tenemos en tuberías donde la presión
estática del líquido alcanza valores próximos al de la presión de
vapor del mismo, tal como puede ocurrir en la garganta de un
tubo Venturi, a la entrada del rodete de una bomba centrífuga o
a la salida del rodete de una turbina hidráulica de reacción.
Los ejemplos del tipo (b) aparecen cuando estando el líquido en
reposo por él se propagan ondas como las ultrasónicas
denominándose Cavitación Acústica, o típicas ondas por
reflexión sobre paredes o superficies libres debido a ondas de
compresión o expansión fruto de explosiones y otras
perturbaciones como en el caso del golpe de ariete,
denominadas Cavitación por Shock.

6. Contenido de aire
Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la
cavitación, debido a que originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra
parte un contenido elevado de aire (presión parcial de aire) disminuye la
velocidad de implosión.
Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitación,
ya que la resistencia a la tracción del agua en este caso comienza a jugar un
papel considerable. Para un contenido de un 10% del valor de saturación la
cavitación comienza al alcanzar la presión de vapor.
Con elevados contenidos de aire la presión para el comienzo de la
cavitación es superior a la presión de vapor, ya que en este caso el
crecimiento de la burbuja.

8.  Nuevo modelo para la evaluación de
materiales, que permita conocer su
resistencia a la cavitación, que posibilite
mejores diseños.
 Este modelo permite determinar un sistema
de identificación y medición apropiado con
técnicas metalográficas estándares (banco de
cavitación por ultrasonido + equipo para
preparación de muestras + observación de
muestras mediante microscopía)

11. Los álabes de un rodete de una bomba
se mueven dentro de un fluido, las áreas
de bajas presiones se forman cuando el
fluido se acelera a través de los álabes.
Cuando se alcanza la presión de vapor,
el fluido se vaporiza y forma pequeñas
burbujas de vapor que al colapsarse
causan ondas de presión audibles y
desgaste en los álabes.

12.  La cavitación en bombas puede producirse de
dos formas diferentes: Cavitación de succión
y de descarga
 La cavitación de succión ocurre cuando la
succión de la bomba se encuentra en unas
condiciones de baja presión/alto vacío que
hace que el líquido se transforme en vapor a
la entrada. Este vapor es transportado hasta
la zona de descarga donde el vacío
desaparece y el vapor del líquido es de nuevo
comprimido debido a la presión de descarga;
allí se produce una violenta implosión sobre
la superficie del rodete.

13.  La cavitación de descarga. La elevada presión
de descarga provoca que la mayor parte del
fluido circule por dentro de la bomba en vez
de salir por la zona de descarga, a este
fenómeno se le conoce como "slippage".
 A medida que el líquido fluye alrededor del
rodete debe de pasar a una velocidad muy
elevada. Esta velocidad provoca el vacío, lo
que provoca que el líquido se transforme en
vapor.

14.  Este fenómeno ocurre cuando la
válvula se encuentra parcialmente
cerrada, la velocidad local del flujo a
su paso por el cierre puede alcanzar
valores muy elevados. de modo que
la presión, puede alcanzar los valores
de la presión de vapor del agua.
 En el caso de cavitación muy intensa
se llegaría a una situación de
bloqueo del caudal (choked
cavitation).

15. Clasificación de la intensidad de la cavitación
1) Cavitación incipiente
Se define como la condición del flujo en la que
la cavitación comienza a ser detectable.
2) Cavitación constante o crítica
Este segundo límite de cavitación se define
como la situación del flujo en la que aparece
cavitación continua en un grado moderado.
3) Cavitación con daños incipientes
Se caracteriza, como su nombre indica, por el
comienzo de la erosión de los contornos de la
válvula.
4) Cavitación con bloqueo
En este nivel extremo se bloquea el caudal
circulante debido a la obstaculización
provocada por las burbujas. Llegados a este
extremo.

16.  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.

17.  Como ya se ha mencionado la cavitación ocurre en las
bombas, aunque también sucede en los ductos sobre todo
donde se encuentran reducciones seguidas de ampliaciones
bruscas, (tubos venturi) estos efectos se pueden transmitir a las
demás partes del equipo de bombeo reduciendo la eficiencia y
pudiendo causar serios daños como la corrosión de partículas
de metal (pitting).

18.  La cavitación ocurre en las paredes de las válvulas, bombas,
tuberías sobre todo donde se encuentran reducciones seguidas
de ampliaciones bruscas, (tubos venturi) estos efectos se
pueden transmitir a las demás partes del sistema de tuberías o
de bombeo reduciendo la eficiencia y pudiendo causar serios
daños como la corrosión de partículas de metal (pitting).
Los efectos que tiene la cavitación sobre un sistema de tuberías
son:
 Efectos Mecánicos
 Ruidos y Golpeteos
 Vibraciones
 Erosión del material
 Efectos Químicos
 Erosión del metal

19.  La cavitación es un efecto 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 efectiva y para ello es
necesario elegir las válvulas apropiadas.
 Son aplicables los siguientes principios:
 Utilice las válvulas de compuerta y mariposa solo para
trabajar en posición completamente abierta o cerrada y no en
posiciones intermedias.
 Las válvulas de paso anular son válvulas de control, pero
deben ser elegidas en función de las condiciones de trabajo
(ej. De corona de aletas o de cilindros ranurados).
 Para operar en condiciones extremas donde no podemos
controlar la cavitación ni con válvulas especiales, la
regulación debe hacerse paso a paso (ej. orificio para
contrapresión) o mediante la admisión de aire en el punto de
regulación.

21.  El golpe de ariete o choque hidráulico o pulso de
Joukowski, llamado así por el ingeniero ruso
Nikolái Zhukovski, es junto a la cavitación, el
principal causante de averías en tuberías e
instalaciones hidráulicas.
 El golpe de ariete (choque hidráulico) es el
incremento momentáneo en presión, el cual
ocurre en un sistema de agua cuando hay un
cambio repentino de dirección o velocidad del
agua. Cuando una válvula de rápido cierre cierra
repentinamente, detiene el paso del agua que
está fluyendo en las tuberías, y la energía de
presión es transferida a la válvula y a la pared de
la tubería

22.  Ilustración grafica del Golpe de Ariete

23. Las causas del golpe de ariete son muy variadas. Sin embargo existen cuatro eventos comunes
que típicamente inducen grandes cambios de presión:
 El arranque de la bomba puede inducir un colapso rápido del espacio vacío que existe aguas
abajo de la bomba.
 Un fallo de potencia en la bomba puede crear un cambio rápido en la energía de suministro
del flujo, lo que causa un aumento de la presión en el lado de succión y una disminución de
presión en el lado de la descarga. La disminución es usualmente el mayor problema. La
presión en el lado de descarga de la bomba alcanza la presión de vapor, resultando en la
separación de la columna de vapor.
 La abertura y cierre de la válvula es fundamental para una operación segura de la tubería. Al
cerrarse una válvula, la parte final aguas debajo de una tubería crea una onda de presión que
se mueve hacia el tanque de almacenamiento. El cerrar una válvula en menos tiempo del que
toma las oscilaciones de presión en viajar hasta el final de la tubería y en regresar se llama
“cierre repentino de la válvula”. El cierre repentino de la válvula cambiará rápidamente la
velocidad y puede resultar en una oscilación de presión. La oscilación de presión resultante
de una abertura repentina de la válvula usualmente no es tan excesiva.
 Las operaciones inapropiadas o la incorporación de dispositivos de protección de las
oscilaciones de presión pueden hacer más daño que beneficio. Un ejemplo es el exceder el
tamaño de la válvula de alivio por sobre-presión o la selección inapropiada de la válvula
liberadora de aire/vacío.

24.  Al ser detenida súbitamente la vena líquida su
energía cinética se convierte en energía de presión
sobre el agua y energía elástica de deformación del
agua, al quedar fuertemente comprimida contra la
válvula cerrada. La tubería no se deforma, dad su
rigidez infinita.
 La tubería es plástica o deformable: casos reales de
la práctica tienen un mayor o menor grado de
elasticidad.
 La sobre-presión se "desahoga" en sucesivas
dilataciones y contracciones del agua y de la
tubería, como en un movimiento oscilatorio, hasta
desvanecerse totalmente, a lo cual coadyuda
también el rozamiento.

25.  El fenómeno del golpe de ariete, consiste en la alternancia de
depresiones y sobrepresiones debido al movimiento
oscilatorio del agua en el interior de la tubería, es decir,
básicamente es una variación de presión, y se puede producir
tanto en impulsiones como en abastecimientos por gravedad.
Por lo tanto, el correcto estudio del
golpe de ariete es fundamental en el
dimensionamiento de las tuberías, ya
que un cálculo erróneo puede
conducir a:
Un sobredimensionamiento de las
conducciones, con lo que la
instalación se encarece de forma
innecesaria.
Tubería calculada por defecto, con el
consiguiente riesgo de que se
produzca una rotura.

26.  Descripción del fenómeno en abastecimientos por gravedad
Si el agua se mueve por una tubería con una velocidad determinada
y mediante una válvula se le corta el paso totalmente, el agua más
próxima a la válvula se detendrá bruscamente y será empujada por
la que viene detrás.
Como el agua es algo compresible, empezará a comprimirse en las
proximidades de la válvula, y el resto del líquido comprimirá al que
le precede hasta que se anule su velocidad. Esta compresión se va
trasladando hacia el origen conforme el agua va comprimiendo al
límite la que le precede, de manera que al cabo de un cierto tiempo
toda el agua de la tubería está en estas condiciones, concluyendo la
primera etapa del golpe de ariete.

27.  Descripción del fenómeno en impulsiones
En una impulsión, la parada brusca de motores produce el
mismo fenómeno, pero al contrario, es decir, se inicia una
depresión aguas arriba de la bomba, que se traslada hacia el
final para transformarse en compresión que retrocede a la
bomba.
Como la presión en el depósito es siempre superior a la de la
tubería, que se encuentra bajo los efectos de la depresión, se
inicia un retroceso del fluido hacia la válvula de retención con
velocidad -v.
Tanto en abastecimientos por gravedad como en impulsiones, la
duración de cada una de estas fases es L/a, siendo L la longitud
de la tubería y a la celeridad.

28.  TUBERIA EN PERIODO DE SERVICIO NORMAL VÁVULA
ABIERTA
 El agua fluye con una velocidad uniforme, bajo una presión h
supuesta constante sin considerar rozamiento, el diámetro de
la tubería es normal

29.  INICIACIÓN DEL FENOMENO, CIERRE RÁPIDO DE LA VÁLVULA B
Repentinamente se cierra la llave B, en un tiempo teórico t = 0. El primer
"bloque líquido" Volumen en el frente de la vena líquida, se "aplasta" o
comprime fuertemente contra la válvula cerrada, su energía cinética se
convierte bruscamente en energía de presión (sobre-presión h´). La
presión total en el extremo de la tubería es ahora H = h+ h´
 ORIGEN DE LA ONDA ELASTICA O DE PRESIÓN
En la figura anterior, la deformación se traslada de B hacia A, con una
velocidad constante c. Esta es la onda elástica o de presión, del tipo
longitudinal cuya velocidad se conoce como "celeridad".

30. FASE DIRECTA. PRIMER TIEMPO t1 = L/ c
La onda c llega a la base del depósito. La velocidad se anula. La tubería se ensancha, el agua queda comprimida
en su interior, con una presión total H = h + h´. Debido a la elasticidad del agua y del material de la tubería el
conjunto "en tensión" está presto a recuperar su estado normal.
FASE DIRECTA. SEGUNDO TIEMPO t2 = L /c
La onda c se refleja en A y se dirige a B.
El agua que estaba comprimida comienza a escapar del depósito. Hay descompresión y la tubería
empieza a recuperar su diámetro normal; desde A hacia B

31. La onda c regresa a su punto de partida B.
El diámetro es normal, ha desaparecido la sobre-presión h´. Sin embargo, el agua
continúa por inercia fluyendo hacia el depósito. Ha transcurrido un tiempo total T =
t1 + t2 = 2L/c = tiempo crítico = fase directa.
FASE INVERSA. PRIMER TIEMPO t3 = L/ c
Se inicia la onda de presión negativa
Aparece una depresión en el interior de la tubería debido a que por A sigue fluyendo
agua y la llave B está cerrada.

32. a) Valor de la celeridad
La celeridad (a) es la velocidad de propagación de la onda de presión a través del
agua contenida en la tubería, por lo que su ecuación de dimensiones es L.T-1. Su
valor se determina a partir de la ecuación de continuidad y depende
fundamentalmente de las características geométricas y mecánicas de la conducción,
así como de la compresibilidad del agua.
Una expresión práctica propuesta por Allievi (agua).
K: Coeficiente función del módulo de
elasticidad (e) del material constitutivo
de la tubería, que representa
principalmente el efecto de la inercia del
grupo motobomba, cuyo valor es:
D: Diámetro interior de la tubería
e: Espesor de la tubería

33. También se puede hallar el valor de la celeridad consultando las tablas
siguientes

34. Las siguientes son algunas herramientas para reducir los efectos del
golpe de ariete:
 Válvulas
El golpe de ariete usualmente daña a las bombas centrífugas cuando
la energía eléctrica falla. En esta situación, la mejor forma de
prevención es tener válvulas controladas automáticamente, las cuáles
cierran lentamente.
(Estas válvulas hacen el trabajo sin electricidad o baterías. La
dirección del flujo los controla).

35.  Bomba
Los problemas de operación en el arranque de la bomba
pueden usualmente ser evitados incrementando el flujo en la
tubería lentamente hasta colapsar o desalojar los espacios de
aire suavemente. Incluso, un simple medio para reducir las
oscilaciones hidráulicas de presión es el mantener bajas
velocidades en la tubería.
 Tanque de Oscilación
En tuberías muy largas, las oscilaciones pueden ser liberadas
con un tanque de agua directamente conectado a la tubería
llamado “tanque de oscilación”. Cuando la oscilación es
encontrada, el tanque actuará para liberar la presión, y poder
almacenar el líquido excesivo, dando al flujo un
almacenamiento alternativo mejor que el proporcionado por
la expansión de la pared de la tubería y compresión del fluido

36. 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 si, estos choques provocan
sobrepesiones (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).

37.  EFECTO QUIMICO: Con la implotación de las burbujas se liberan
iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los
metales.