Introducción

La cavitación es un efecto que puede causar severos daños en componentes hidráulicos y mecánicos, generando desgaste prematuro y reduciendo la vida útil de los equipos. Es un problema común en bombas, turbinas, válvulas y sistemas de conducción de líquidos a alta velocidad. Sin un adecuado control y prevención, los efectos de la cavitación pueden derivar en mecanismos de falla como la corrosión, la aparición de picaduras y la fractura del material.

Este artículo se enfoca en los mecanismos de falla causados por la cavitación, con énfasis en la corrosión por cavitación y sus efectos.

¿Qué es la cavitación?

La cavitación es un procesos hidrodinamico que ocurre cuando un líquido experimenta cambios bruscos de presión y caudal, provocando la formación de burbujas de vapor en su interior. Estas burbujas colapsan violentamente generando una contrapresión contra las superficies metálicas .

Tipos de cavitación

Cavitación inercial: Ocurre cuando las burbujas colapsan con alta energía, produciendo impactos agresivos sobre la superficie.
Cavitación no inercial: Se da cuando las burbujas persisten en el fluido sin colapsar de forma violenta, aunque contribuyen al deterioro del material con el tiempo.
Cavitación de vórtices: Se presenta en sistemas de flujo rotativo, como bombas y turbinas.

Los efectos destructivos de la cavitación se agravan cuando se combinan con otros factores como la composición del fluido, la velocidad del flujo y la baja resistencia del material expuesto.

Corrosión inducida por cavitación

Uno de los principales mecanismos de falla asociados a la cavitación es la corrosión acelerada. El colapso de las burbujas produce microfracturas en la superficie del material, eliminando las capas protectoras y dejando expuesta la superficie metálica a procesos de oxidación y degradación.

Este efecto es especialmente corrosivo en materiales metálicos, ya que la exposición de superficies frescas a ambientes agresivos (como el agua salina o fluidos con agentes corrosivos) acelera la reacción electroquímica de la corrosión.

Factores que influyen en la corrosión inducida por cavitación incluyen

Naturaleza del fluido: Fluidos con alto contenido de oxígeno o productos químicos agresivos pueden acelerar el proceso.
Composición del material: Materiales con baja resistencia a la corrosión son más propensos a deteriorarse.
Condiciones operativas: Altas velocidades y presiones fluctuantes contribuyen a una mayor cavitación y, por ende, a una acelerada corrosión.

Tipos de corrosión por cavitación

Picaduras y erosiones superficiales: Las picaduras o “pitting” localizadas en la superficie del material causadas por la cavitación son el resultado del impacto constante de burbujas colapsadas. Con el tiempo, estas picaduras se agrandan y comprometen la resistencia estructural del componente. Este tipo de daño es particularmente peligroso en piezas críticas como impulsores de bombas, válvulas y carcasas de turbinas, ya que puede generar fugas o fallas inesperadas en la operación. Además, las picaduras actúan como puntos de concentración de tensiones, aumentando la susceptibilidad del material a fracturas catastróficas.

1 IMG 1 ESP shutterstock 1269823708 Mecanismos de falla por cavitacion Por que ocurren la corrosion las picaduras y la fractura resultado — Picadura en el interno de un tubo causado por cavitación.

Fractura inducida por cavitación: Cuando la cavitación es severa y prolongada, las microfisuras generadas en la superficie pueden evolucionar hasta convertirse en grietas que afectan la resistencia estructural del componente. Este proceso puede derivar en fracturas completas del material, especialmente en aquellos sometidos a esfuerzos cíclicos o cargas mecánicas elevadas.

Las fracturas inducidas por cavitación se pueden clasificar en:

Fractura por fatiga: Ocurre cuando la acción repetitiva de la cavitación provoca la propagación de fisuras en materiales sometidos a esfuerzos cíclicos.
Fractura frágil: Se da en materiales con baja tenacidad, donde el colapso de burbujas genera microfisuras que se propagan rápidamente.
Fractura dúctil: En materiales más resistentes, la fractura inducida por cavitación se da de manera progresiva, con deformación visible antes de la falla completa.

1 IMG 2 ESP shutterstock 1997717708 Mecanismos de falla por cavitacion Por que ocurren la corroson las picaduras y la fractura — Impulsor de bomba fallado por fisura debido a cavitación.

¿Cómo afecta la cavitación a los procesos?

Este tipo de corrosión afecta negativamente diversos procesos industriales y sistemas hidráulicos de las siguientes maneras:

Reducción de eficiencia: La formación y colapso de burbujas genera turbulencias y pérdidas de energía en bombas, turbinas y válvulas, reduciendo su rendimiento operativo.
Disminución de caudal: En las bombas de desplazamiento positivo las burbujas de vapor desplazan el fluido de la cámara de bombeo, disminuyendo su volumen efectivo de transporte. Este fenómeno no solo afecta la cantidad de fluido impulsado, sino que también puede provocar fluctuaciones en el consumo energético debido a las condiciones irregulares de operación que genera la cavitación.
Daño mecánico y estructural: Los impactos generados por la cavitación erosionan superficies metálicas, provocando desgaste acelerado y fallas prematuras en los equipos.
Aumento del mantenimiento y costos operativos: La necesidad de reparaciones frecuentes debido a daños en los componentes afecta la disponibilidad y confiabilidad del sistema, incrementando los costos de mantenimiento.
Alteración en la calidad del producto: En procesos que requieren condiciones controladas, como en la industria química o alimentaria, la cavitación puede generar impurezas o afectar la homogeneidad del producto final.
Ruido y vibraciones excesivas: El colapso de burbujas produce vibraciones que pueden afectar la estabilidad de los equipos, comprometiendo su vida útil y aumentando la posibilidad de fallas estructurales.
Interrupciones en la operación: En aplicaciones críticas, como generación de energía y transporte de fluidos, la cavitación puede causar fallas con paradas inesperadas, afectando la continuidad del proceso productivo.

Indicadores que me determina que una bomba está cavitando

Existen varios indicadores que pueden revelar la presencia de cavitación en una bomba durante su operación. Algunos de los signos más comunes incluyen:

Ruidos anómalos (golpeteo o crepitación): La cavitación produce un sonido característico similar a un golpeteo o a grava circulando dentro de la bomba. Esto ocurre debido al colapso de burbujas de vapor contra las superficies internas del equipo.
Vibraciones excesivas: El impacto constante de las burbujas de cavitación genera vibraciones irregulares en la bomba, lo que puede afectar la estabilidad del sistema y acelerar el desgaste de los componentes.
Disminución del caudal y presión: Cuando la cavitación ocurre, el volumen efectivo de fluido transportado disminuye, lo que provoca una caída en el caudal sin una razón aparente. En algunos casos, también se observa una reducción en la presión de descarga.
Pérdida de eficiencia y aumento del consumo energético: La bomba necesita compensar las pérdidas de rendimiento provocadas por la cavitación, lo que genera un incremento en la demanda de energía sin una mejora en el desempeño.
Sobrecalentamiento del equipo: El colapso de burbujas puede generar calor localizado, lo que aumenta la temperatura del fluido y de los componentes de la bomba, acelerando el desgaste de los materiales.

Estrategias de prevención y mitigación

El diseño adecuado de los sistemas de flujo y el mantenimiento preventivo juegan un papel relevante en la reducción de los efectos de la cavitación. Algunas estrategias clave incluyen:

Optimizar el diseño hidráulico: Reducir los cambios bruscos de presión y minimizar la generación de burbujas en el flujo.
Emplear materiales resistentes: Utilizar aleaciones con alta resistencia a la cavitación, como aceros inoxidables y recubrimientos cerámicos.
Controlar la presión y velocidad del flujo: Mantener condiciones operativas que minimicen la formación de cavidades en el líquido.
Aplicar recubrimientos protectores: Emplear barreras que reduzcan el impacto de la cavitación sobre las superficies expuestas.
Monitorear el estado de los equipos: Inspecciones regulares y análisis de vibraciones pueden detectar signos tempranos de cavitación.

Conclusión

La cavitación es un fenómeno altamente destructivo que puede desencadenar diferentes mecanismos de corrosión, como las picaduras y la fractura de materiales. Comprender los mecanismos involucrados y adoptar estrategias de prevención es determinante para prolongar la vida útil de los equipos y garantizar su operación eficiente. La combinación de diseño optimizado, selección de materiales resistentes y monitoreo constante puede mitigar de manera efectiva los efectos adversos de la cavitación en sistemas hidráulicos.