El fenómeno de la cavitación consiste en la interrupción de la continuidad en el líquido cuando hay una considerable reducción local de la presión. La formación de burbujas dentro de los líquidos (cavitación) comienza incluso en presencia de presiones positivas que son iguales o cercanas a la presión de vapor saturado del fluido a la temperatura dada.

Los diversos líquidos tienen diferentes grados de resistencia a la cavitación porque dependen, en un grado considerable, de la concentración de gas y partículas extrañas en el líquido.

Mecanismo de desgaste

El mecanismo de la cavitación puede describirse como sigue: Cualquier líquido contendrá burbujas gaseosas o vaporosas, que sirven como núcleos de cavitación. Cuando la presión se reduce a un cierto nivel, las burbujas se convierten en el depósito de vapor o de gases disueltos.

El resultado inmediato de esta condición es que las burbujas aumentan rápidamente de tamaño. Posteriormente, cuando las burbujas entran en una zona de presión reducida, se reducen de tamaño como resultado de la condensación de los vapores que contienen.

Este proceso de condensación tiene lugar con bastante rapidez, acompañado de choques hidráulicos locales, la emisión de sonido, la destrucción de enlaces materiales y otros fenómenos indeseables. Se cree que la reducción de la estabilidad volumétrica en la mayoría de los líquidos está asociada con el contenido de diversos aditivos, como las partículas sólidas no humedecidas y las burbujas de gas-vapor, particularmente las de nivel submicroscópico, que sirven como núcleos de cavitación.

Un aspecto crítico del proceso de desgaste por cavitación es la destrucción de la superficie y el desplazamiento del material causados por los elevados movimientos relativos entre una superficie y el fluido expuesto. Como resultado de dichos movimientos, la presión local del fluido se reduce, lo que permite que la temperatura del fluido alcance el punto de ebullición y se formen pequeñas cavidades de vapor.

Cuando la presión vuelve a la normalidad (que es mayor que la presión de vapor del fluido), se producen implosiones que provocan el colapso de la cavidad o de las burbujas de vapor. Este colapso de las burbujas genera ondas de choque que producen altas fuerzas de impacto en las superficies metálicas adyacentes y causan endurecimiento por trabajo, fatiga y picaduras por cavitación.

Así, la cavitación es el nombre dado a un mecanismo en el que las burbujas de vapor (o cavidades) en un fluido crecen y se colapsan debido a las fluctuaciones locales de presión. Estas fluctuaciones pueden producir una baja presión, en forma de presión de vapor del fluido. Este proceso de cavitación vaporosa se produce en condiciones de temperatura aproximadamente constantes.

Tipos de cavitación

Existen dos tipos principales de cavitación: la vaporosa y la gaseosa.

La cavitación vaporosa es un proceso de ebullición que tiene lugar si la burbuja crece explosivamente de forma ilimitada a medida que el líquido se transforma rápidamente en vapor. Esta situación se produce cuando el nivel de presión desciende por debajo de la presión de vapor del líquido.

La cavitación gaseosa es un proceso de difusión que se produce siempre que la presión cae por debajo de la presión de saturación del gas no condensable disuelto en el líquido. Mientras que la cavitación vaporosa es extremadamente rápida, produciéndose en microsegundos, la cavitación gaseosa es mucho más lenta; el tiempo que tarda depende del grado de convección (circulación del fluido) presente.

El desgaste por cavitación sólo se produce en condiciones de cavitación vaporosa – donde las ondas de choque y los microjets pueden erosionar las superficies. La cavitación gaseosa no provoca la erosión del material de la superficie.

Sólo crea ruido, genera altas temperaturas (incluso de craqueo a nivel molecular) y degrada la composición química del fluido mediante la oxidación. El desgaste por cavitación también se conoce como erosión por cavitación, cavitación vaporosa, picadura por cavitación, fatiga por cavitación, erosión por impacto de líquidos y trefilado.

El desgaste por cavitación es un tipo de desgaste de fluido a superficie que se produce cuando una parte del fluido se expone primero a tensiones de tracción que provocan la ebullición del fluido, y luego se expone a tensiones de compresión que provocan el colapso (implosión) de las burbujas de vapor.

Este colapso produce un choque mecánico y provoca el impacto de microchorros contra las superficies, unificando el fluido. Cualquier sistema que pueda repetir este patrón de tensión de tracción y compresión está sujeto al desgaste por cavitación y a todos los horrores que acompañan a dicha actividad destructiva.

El desgaste por cavitación es similar al desgaste por fatiga de la superficie; los materiales que resisten la fatiga de la superficie (sustancias duras pero no frágiles) también resisten el daño por cavitación.

Proceso de desgaste por cavitación

El líquido es el medio que provoca el desgaste por cavitación. El desgaste por cavitación no requiere una segunda superficie; sólo requiere que exista un alto movimiento relativo entre la superficie y el fluido. Dicho movimiento reduce la presión local en el fluido. Cuando el líquido alcanza su punto de ebullición y se produce la ebullición, se forman burbujas de vapor, lo que produce la cavitación.

Cada cavidad de vapor dura poco tiempo porque casi cualquier aumento de presión hace que el vapor de la burbuja se condense instantáneamente y la burbuja se colapse y produzca una onda de choque. Esta onda de choque incide entonces en las superficies metálicas adyacentes y destruye las uniones del material.

La onda de choque produce primero un esfuerzo de compresión en la superficie sólida y luego, al reflejarse, produce un esfuerzo de tracción que es normal a la superficie.

Figura 1. Colapso de una burbuja de vapor y nacimiento de un microchorro

La figura 1 representa el colapso de una burbuja de vapor y el nacimiento de un microchorro. La cavitación se encuentra generalmente cuando existe una condición hidrodinámica, caracterizada por un cambio repentino y grosero de la presión hidrostática. Debido a que la ebullición puede ocurrir en el instante en que la presión cae, las burbujas de vapor se forman y colapsan con frecuencia y rapidez.

Las partículas de aire y polvo atrapadas en el fluido sirven como sitios de nucleación para la formación de cavidades de vapor. Estos núcleos pueden ser pequeñas bolsas llenas de gas en las grietas del contenedor o simplemente bolsas de gas en las partículas contaminantes que se mueven libremente en la corriente de flujo. Por lo tanto, todos los fluidos confinados pueden contener suficientes impurezas para producir cavitación.

Los pequeños vacíos cerca de la superficie o del campo de flujo, donde existe una presión mínima, indican que la cavitación ha comenzado. Una vez iniciada, las burbujas continúan creciendo mientras permanezcan en regiones de baja presión. A medida que las burbujas se desplazan hacia regiones de alta presión, colapsan, produciendo intensas presiones y erosionando cualquier superficie sólida en las cercanías.

Durante el colapso, las partículas de líquido que rodean la burbuja se desplazan rápidamente hacia su centro. La energía cinética de estas partículas crea golpes de ariete locales de gran intensidad (choque), que crecen a medida que el frente progresa hacia el centro de la burbuja.

Detección auditiva y visual

Los usuarios de los equipos pueden detectar la cavitación de forma audible, visual, mediante instrumentación acústica, mediante sensores de vibración de la máquina, a través de la medición de la sonoluminiscencia o por una disminución o cambio en el rendimiento respecto al producido en condiciones de flujo monofásico (por ejemplo, pérdida de flujo, rigidez y respuesta).

En condiciones de flujo cavitante, la tasa de desgaste puede ser muchas veces mayor que la causada únicamente por la erosión y la corrosión. El desgaste por cavitación puede destruir los materiales más resistentes: aceros para herramientas, estelitas, etc. Este daño puede producirse de forma rápida y extensa.

La cantidad de daño que causa la cavitación depende de la cantidad de presión y velocidad que crean las burbujas colapsadas. Como resultado de esta presión y velocidad, la superficie expuesta sufre una variedad de intensidades muy variadas.

Cada imposición dura poco tiempo; las magnitudes de impulso y los tiempos de colapso son mayores para burbujas más grandes en diferenciales de presión de colapso dados. Así, cuanto mayor sea la tensión de tracción en el fluido (cuanto menor sea la presión estática), mayor será el tamaño de las burbujas, más intensa será la cavitación y más grave será el daño.

Los impulsos que resultan cuando se forman y colapsan las burbujas de vapor provocan cráteres simétricos individuales y deformaciones permanentes del material cuando el colapso se produce junto a la superficie. En consecuencia, el daño por cavitación, al igual que el fallo por fatiga, tiene varios periodos de actividad:

• Periodo de incubación: las microfisuras se nuclean alrededor de los límites de grano y las inclusiones debido a la deformación tanto elástica como plástica de la superficie.

• Período de acumulación – el crecimiento de las grietas procede en relación con el grado de acción de división, cizallamiento y desgarro en el material.

• Período de estado estacionario – la tasa de nucleación y propagación de las grietas se vuelve constante durante el resto del tiempo de exposición.

En un sistema de flujo de fluido (a diferencia de un tanque de ultrasonidos), las burbujas de vapor se forman donde se producen tensiones de tracción del fluido (bajas presiones), y las burbujas de vapor se colapsan en las regiones de mayor presión donde se pueden imponer tensiones de compresión en el fluido.

Por lo tanto, la región en la que se produce el daño es a menudo bastante separada de la región en la que se crean las cavidades – a menudo conduce a un diagnóstico incorrecto del problema. El desgaste por cavitación es de naturaleza mecánica y no puede ocurrir sin la aplicación de los esfuerzos de tracción y compresión.

Puntos calientes de cavitación

Muchas áreas en los sistemas hidráulicos son propensas al desgaste por cavitación, tales como:

• Dentro de las válvulas de control que tienen elevados diferenciales de presión,

• En las cámaras de succión de las bombas donde existen condiciones de entrada sin alimentación,

• En los actuadores de movimiento rápido (tanto de tipo lineal como rotativo) donde se producen condiciones de carga negativa,

• En las vías de fuga (a través de los sellos, asientos de válvulas y tierras de carretes) donde las altas velocidades hacen que los niveles de presión caigan por debajo de la presión de vapor del fluido (una condición de cavitación que a menudo se conoce como arrastre de hilos) y

• En todos los dispositivos en los que el flujo de fluido se somete a giros bruscos, reducción de las secciones transversales con las consiguientes expansiones (en grifos, aletas, válvulas, diafragmas) y otras deformaciones.

La cavitación perturba las condiciones normales de funcionamiento de los sistemas mecánicos de tipo fluido y destruye las superficies de los componentes. El proceso consiste en la formación de cavidades cuando las presiones son bajas, el crecimiento de las burbujas subsiguientes a medida que la presión se estabiliza y, finalmente, el colapso de las burbujas cuando las cavidades (burbujas gaseosas o vaporosas) se exponen a altas presiones.

Nótese que la caída de presión a través del componente es la fuerza impulsora del desgaste por cavitación. La figura 2 representa el proceso de cavitación que se produce en una bomba de engranajes y en una válvula de carrete, mostrando cómo se generan, crecen y colapsan las cavidades en los componentes de tipo fluido.

Figura 2. Proceso de cavitación en componentes hidráulicos

Reducción del desgaste por cavitación

En el desgaste por cavitación, las microfisuras se propagan hasta el punto en que el material ya no puede soportar la carga de impulso que imponen las burbujas de vapor en implosión. Por lo tanto, las partículas finalmente se desprenden y entran en el sistema.

Como en cualquier fallo por fatiga, las microfisuras se forman primero en los elevadores de tensión (muescas, desgarros, socavones, defectos de soldadura, etc.) o en zonas heterogéneas del material (como en la direccionalidad del flujo de metal, inclusiones y secciones descarburadas).

Por lo tanto, una superficie rugosa es propensa al desgaste por cavitación y, dado que las picaduras y el perfil rugoso caracterizan el daño por cavitación, el daño aumenta a medida que la superficie se vuelve más rugosa.

El medio más básico para combatir el desgaste por cavitación es minimizar el esfuerzo de tracción en el fluido. En otras palabras, los usuarios de los equipos deben reducir el nivel de refracción o las condiciones de vacío en las zonas de posible cavitación. En particular, pueden ser apropiadas las siguientes medidas:

• Aumentar el nivel de presión a la salida de las válvulas de estrangulamiento.

• Aumentar la presión de entrada en el puerto de succión de la bomba sobrealimentando la entrada de la misma.

• Utilizar controles anticavitación en aplicaciones de actuadores de carga negativa.

• Reducir el contenido de agua del fluido para eliminar la posibilidad de arrastre de hilos (el agua tiene una presión de vapor más alta que el aceite) a través de los asientos de las válvulas y los sellos dinámicos.

• Utilizar un fluido con baja presión de vapor.

• Seleccionar una bomba con buenas características de llenado en lugar de una configuración de entrada sin alimentación.

• Utilizar un fluido con baja viscosidad o aumentar la temperatura del fluido.

En muchos casos, los ingenieros de diseño pueden minimizar los daños por cavitación seleccionando adecuadamente los materiales de fabricación. Por ejemplo, se puede seleccionar el acero inoxidable en lugar del aluminio (Figura 3) y utilizar un revestimiento duro con una aleación resistente a la cavitación en la superficie expuesta. Los revestimientos de goma y otros elastómeros también han ayudado a minimizar el desgaste por cavitación. A pesar de su baja resistencia a la cavitación, estas superficies reflejan la onda de choque sin causar daños intensos.

Figura 3. Orden de resistencia relativa a la cavitación de los materiales

Partículas de cavitación

El tamaño de las partículas generadas por el desgaste por cavitación es función de la dureza Brinell del material expuesto. Las partículas más grandes se producen durante el periodo de acumulación. Las pendientes de las curvas de distribución del tamaño de las partículas acumuladas aumentan a medida que aumenta la energía de deformación del material. El tamaño medio de las partículas producidas por la cavitación disminuye a medida que aumenta la intensidad de la cavitación.

Precursores de la cavitación

Cuando se investiga un problema de cavitación en un sistema de fluidos, se deben identificar todas las posibles fuentes de baja presión (vacío), alta temperatura (calor) y los lugares por los que podría estar entrando aire. La siguiente lista debe servir como guía para identificar las áreas de baja presión en un sistema de fluidos:

• Succión de la bomba – sistema hidráulico inadecuado de la línea de succión (condiciones que limitan el flujo).

• Efecto del orificio de la válvula – vórtices del chorro de alta velocidad en los pasajes de flujo de la válvula de control.

• Chorro sumergido – un chorro que se extiende en áreas de flujo no limitadas donde se crean regiones de baja presión.

• Cargas negativas en motores y cilindros – las cargas de los actuadores accionados externamente crean baja presión en el actuador.

• Subidas de presión y golpes de ariete – la parte de rarefacción de las ondas de presión son capaces de crear regiones de presión negativa en la línea.

• Efecto de altura – la baja presión atmosférica somete a la línea de aspiración a una presión que puede resultar inadecuada para llenar las cámaras de bombeo.

Fuentes de calor que conducen a la cavitación

Las fuentes de calor que contribuyen a las temperaturas excesivamente altas y a la cavitación en el fluido del sistema incluyen lo siguiente:

• Temperatura ambiente elevada
• Eficiencia mecánica deficiente de bombas y motores
• Condiciones de flujo turbulento en los conductos
• Calor de vaporización en flujo cavitante
• Calor de compresión en flujo aireado
• Altas caídas de presión a través de los orificios de control
• Severo ciclo de ciclo de trabajo
• Restricciones de flujo importantes en todas las partes del sistema de circulación de fluidos
• Enfriamiento deficiente o falta de transferencia de calor
• Alta fricción por superficies ásperas y acción abrasiva

Posibles puntos de entrada de aire a revisar

En cuanto a los puntos de entrada de aire de un sistema, debe examinar cuidadosamente estos lugares cuando se produce una cavitación grave:

Depósitos – lugares en los que se produce un arrastre de aire de tipo mecánico (agitación), existe un fluido arremolinado, impacto del fluido en superficies líquidas o sólidas, condiciones de depósito presurizado, flujo ciclónico en el puerto de succión de la bomba, altitud crítica (depósito en ángulo) que se produce durante el funcionamiento y que expone el puerto de succión de la bomba a la atmósfera, empuje del fluido debido al movimiento sobre terreno accidentado y/o bajo nivel de fluido del depósito que expone el puerto de succión de la bomba a la atmósfera.

Bomba – conductos y/o puertos de pequeño diámetro, pasajes de flujo restrictivos, desviaciones de flujo, y/o condiciones largas de la línea de succión, malas características de llenado de la bomba (pasajes de flujo internos restrictivos, alta velocidad de bombeo, desplazamiento de flujo demasiado grande); altitud demasiado alta para proporcionar suficiente presión del depósito para alimentar la bomba en condiciones de flujo nominal; altura de aspiración inadecuada para elevar el fluido hasta el nivel de entrada de la bomba (es decir, elevación entre el nivel del fluido y la entrada de la bomba demasiado grande), altura de aspiración insuficiente para acelerar el fluido del depósito hasta las condiciones de caudal nominal de la bomba (no responde a las demandas de desplazamiento de la bomba).

Válvulas – chorros que descargan de los orificios en un espacio de flujo limitado, flujo de corriente a través de canales que terminan en cámaras donde la presión es baja en las paredes aguas abajo de la válvula, y/o válvulas de mariposa que descargan en un conducto de baja presión (línea de retorno).

Actuadores (sellos extendidos) – sellos de vástago que pasan aire, desorción de aire existente y/o cavidades vaporosas que se forman cuando se produce una carga negativa debido a cargas inerciales externas.

Motores (sellos de eje) – sellos que pasan aire y cavitación gaseosa/vaporosa que se produce cuando existe una carga negativa debido a un efecto de volante.

Acumulador – fuga de aire/gas a través de un sello de pistón desgastado, un diafragma roto o una vejiga desgarrada.

Filtro – aire que pasa por las juntas externas de los filtros de la línea de aspiración o restricciones de flujo internas que provocan desorción de aire.

Conectores de conductos (acoplamientos de mangueras, racores de tubos y juntas de colectores) – aire que pasa por las superficies de sellado de los conectores que la vibración y los efectos de expansión y contracción térmica han aflojado.

Conduit – paredes ásperas, secciones de flujo pellizcadas o protuberancias en el flujo.