Un grave inconveniente que ocurre en el tramo más importante del sistema de bombeo, la succión. Conozca cómo detectar, solucionar y preverlo.
SUCCIÓN ¿POR QUÉ EL PUNTO MÁS DÉBIL?
En un sistema de bombeo hay errores o modificaciones que pueden tener distintos efectos. Consecuencias que pueden variar su gravedad según en qué parte del sistema sucedan. Hablamos de efectos probables ya que hay muchos factores que influyen en los resultados y no siempre tienen la misma gravedad, pero lo que quiero destacar es que variaciones, aunque sean mínimas, en el trayecto de succión (a comparación del de impulsión) pueden hacer la diferencia entre que el equipo funcione o no funcione, e inclusive que sufra daños que puedan dejarlo inutilizable.
El tramo de succión de un equipo de bombeo es la parte más sensible y donde se producen el mayor porcentaje de fallas, muchas de veces ocasionadas por errores de diseño, dimensionado o instalación.
Por ello es que esta serie de notas técnicas tiene por objetivo analizar cada detalle para evitar los problemas que pueden surgir en la parte más sensible de un sistema de bombeo.
En esta quinta entrega nos centramos en cómo revertir o prever el efecto de cavitación.
CAVITACIÓN
La cavitación es un fenómeno que ocurre mucho más seguido de lo que aparenta y no todos comprenden esta situación ni cómo solucionarla adecuadamente.
Aunque se detecta como una falla o deficiencia, no siempre se lo diagnostica correctamente.
La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723. Mayor información: info@emetreshache.com
Es una falla visible que hace que la bomba no cumpla su función (o lo haga parcialmente) y produce daños evidentes en las piezas del equipo, inclusive mucho más allá del impulsor.
Teniendo en claro los parámetros dentro de los cuales va a trabajar el equipo de bombeo tenemos recursos como para prever detalles y evitar la cavitación.
El problema puede surgir cuando nos excedemos de esos límites o rangos, o por situaciones como el envejecimiento o deterioro de los equipos y sistemas.
SÍNTOMAS CAVITACIÓN
La cavitación es detectable por distintos síntomas generales, aquí una descripción de los más comunes:
HIDRÁULICOS:
Caudal inestable. Cómo explicaba en la edición anterior (ver M3h nro. 37) la cavitación es la formación de pequeñas burbujas de vapor en el seno de un líquido por una importante disminución en la presión. Estas burbujas de vapor ocupan mucho más volumen que su equivalente en estado líquido (aproximadamente 1700 veces más), este volumen hace que el caudal que se obtiene del equipo se vea afectado y oscile según la gravedad de la cavitación.
Disminución de la presión que entrega el equipo. Esta misma situación afecta también a la presión de salida, la cual se ve reducida notablemente ya que las burbujas al comprimirse (en su implosión) están absorbiendo energía que, de estar trabajando normalmente, el equipo la utiliza para generar presión.
Por lo tanto, es importante -sobre todo en situaciones donde el ruido no es fácilmente detectable por el excesivo ruido ambiente- tener en cuenta la posibilidad de que la bomba “cavite”, cuando el rendimiento de la bomba no coincide con la curva característica en situaciones donde sí debería.
MECÁNICOS:
Vibración y Ruido anormal. El colapso de las burbujas crea ondas de choque que producen ruidos y vibraciones anormales. Se estima que durante el colapso de las burbujas se desarrollan ondas de choque con presiones del orden de 104 atmósferas.
El ruido que produce la cavitación es reconocible ya que similar al que hubiera piedras o elementos metálicos sueltos dentro del impulsor.
Se usan varios términos para describirlo; traqueteo, golpeteo, crepitación, etc. El ruido de una bomba “cavitando” va desde el golpeteo grave y uniforme (como sobre una puerta) hasta una crepitación aguda y errática (similar a un impacto metálico). El ruido de cavitación puede confundirse fácilmente con el de un rodamiento en mal estado. Para distinguir si el ruido es debido a un rodamiento o a cavitación basta con operar la bomba sin flujo, si el ruido desaparece quiere decir que existe cavitación.
Aquí es donde más allá de lo funcional toma importancia que todo el equipo funcione de manera serena (balanceo; rodamientos; bujes; acoples; etc.) e incluso es importante que el diseño de la tubería impida la formación de otro tipo de turbulencias o vibraciones para así evitar ruidos que puedan opacar o tapar al de cavitación.
CONSECUENCIAS
Más allá de los problemas inmediatos que ocasiona la cavitación (ruido vibración, disminución de presión, etc.) hay otras consecuencias.
Rotura de piezas. Las implosiones se dan sobre la superficie del impulsor produciendo una erosión sobre el mismo y su tuerca de sujeción (si la hubiera o en el extremo de eje expuesto). Si la velocidad de circulación del líquido es alta, favorece la cavitación, estas implosiones y su consecuente daño se puede manifestar en otras piezas como: el cuerpo de la bomba, difusores y hasta sellos mecánicos.
Consecuencia de esta erosión que no se da de forma pareja, es el desbalanceo del impulsor que desencadena en otras fallas mecánicas: daños en rodamientos, torcedura y deflexión de ejes, vibración, etc.
Facilitar la corrosión. Cuando los impulsores tienen algún tipo de baño o tratamiento superficial para evitar la corrosión por tratar con fluidos corrosivos o abrasivos, la cavitación se combina con la corrosión acelerando el desgaste del impulsor.
CAUSAS CAVITACIÓN
Como veíamos más arriba, la raíz del problema es la disminución de la presión a la que queda expuesto el fluido por debajo de su presión vapor. Visto desde el análisis del ANPA (NPSH) veremos que esto se da cuando el ANPA Requerido es mayor al Disponible.
Este resultado o desequilibrio se origina por distintas circunstancias:
- El sistema está expuesto a una baja presión atmosférica. Si la presión atmosférica no influye en el sistema por ser estanco a ésta, se debe analizar la presión estática del sistema.
- Excesiva altura geométrica de succión. La respuesta de ¿cuánto es excesivo? Es muy variable ya que esta cota desfavorable puede estar compensada por otras, pero en general debemos prestar atención en este parámetro cuando a la bomba no llega el agua por gravedad y ésta queda sobre el espejo de agua más allá de los 3 metros con el resto de las circunstancias favorables. (Cuando hablamos de altura geométrica no incluimos las pérdidas de carga por rozamiento, es sólo diferencia de altura).
- Pérdidas de carga por rozamiento elevadas. Si la sección útil de la cañería no es generosa, ya sea por mal dimensionamiento, obstrucción u obturación por solidificación de óxido o cristales, las pérdidas serán altas y por tanto la presión con que llegue el fluido a la boca del impulsor poca. Otras veces la sección es media pero suma excesiva pérdida por tratarse de largos o sinuosos tramos de succión.
- Presión vapor necesaria muy alta. Si el fluido se encuentra a alta temperatura o el equipo trabaja a mucha altitud sobre el nivel del mar hace que el valor que necesitemos de PV (Presión Vapor) sea alto, es decir para que el fluido se mantenga en estado líquido y no tienda a evaporarse.
- Alta velocidad de circulación del fluido. Es un valor que está ligado con la pérdida de carga, trabajar a mucha velocidad quiere decir que las tuberías son pequeñas para el caudal movilizado, por ello también se generarán altas pérdidas de carga. La velocidad también facilita que la erosión por cavitación se extienda más allá de la boca del impulsor e inclusive llegue a dañar el cuerpo de la bomba.
- Válvulas cerradas parcialmente. Si hay un decálogo de las bombas uno de sus primeros preceptos dice que jamás debe cerrarse la válvula a la entrada de la bomba, aunque estemos buscando regular el caudal o la presión a la salida. La razón es justamente que causaría cavitación por reducir el paso, generar altas pérdidas de carga, mayor velocidad de circulación, etc. Si la válvula está a la salida de la bomba los efectos son menores pero puede suceder que si es muy poco el paso que permite, produzca un reflujo dentro del caracol que eleve la temperatura del fluido y esto ocasione cavitación.
- Colocar accesorios o filtros en el tramo de succión.
Efecto equivalente a cerrar una válvula en la entrada.
COMO REVERTIR EL PROBLEMA
Método. Una buena manera de analizar las posibles soluciones es pensarlo desde el cálculo de ANPA Disponible.
El concepto es sencillo: debemos hacer que el resultado nos dé un ANPA Disponible mayor. Para ello modificaremos lo que esté a nuestro alcance; por ejemplo cuando el equipo de bombeo está sobre el espejo de agua, podemos acercarlo y acortar la diferencia de altura así estaremos disminuyendo la altura de succión y logrando un ANPA D mayor, es decir mayor presión en la boca de succión de la bomba.
Arsenal. Los daños causados por la erosión son irreversibles, pero si se pueden ajustar distintos valores para evitar que se continúen ocasionando daños.
Como hemos visto con otras fallas hidráulicas no hay una solución integral aplicable a toda situación, por ello es importante contar con un arsenal de posibles soluciones, ya que dependiendo del sistema, los recursos y las limitaciones, iremos aplicando una o varias para mitigar este conflictivo fenómeno.
- Si el sistema trabaja a baja presión atmosférica, lo ideal es poder hermetizar el tanque de bombeo donde succiona el equipo y presurizarlo con aire comprimido, pudiendo así elevar la presión estática del mismo. En circuitos cerrados para presurizar debemos agregar el mismo fluido y generar así más presión.
- Para evitar elevadas alturas geométricas de succión, hay varias opciones, básicamente lo que buscamos es acortar esta altura (bomba-espejo de agua), por lo que una opción es podernos acercar la bomba. Otra menos viable es acercar el tanque, pero una solución sencilla es que el nivel mínimo de la cisterna quede más alto – regulando el automático de nivel y/o incrementando el caudal de entrada al tanque de bombeo– sin que esto eleve en demasía el número de arranques y paradas.
Cuando ninguna de las situaciones anteriores es viable, puede ser un buen recurso el sellado y presurización del tanque con aire comprimido.
- Cambiar las tuberías por otras de mayor tamaño evitará altas perdidas de carga y alta velocidad de circulación. Usualmente son tramos cortos lo que significa bajo costo. De igual manera hay que verificar y reemplazar válvulas, accesorios o filtros que reduzcan el paso, y generen pérdidas excesivas.
- En equipos de gran tamaño es posible agregar una pequeña bomba, mucha veces axial o centrífuga sumergible que moviliza el mismo caudal nominal que la bomba principal con problemas de cavitación, con una presión mínima, la cual es suficiente para evitar la cavitación.
- Algunos fabricantes de bombas cuentan para algunos sus modelos con la opción de un inductor, un pequeño tornillo axial similar al de Arquímedes el cual genera una presión adicional en la boca del impulsor.
- Bajar la temperatura del fluido bombeado previo al pasaje por la bomba, hará que la presión vapor descienda y así tendremos menos posibilidades de cavitación.
- Interceptar las burbujas o gases disueltos en el fluido.
- Una opción que pocas veces se aplica pero es importante tenerla en cuenta es la de bajar la velocidad de rotación de la bomba, esto disminuirá el ANPA Requerido. Pero es aplicable cuando podemos reemplazar el impulsor por uno de mayor tamaño, que nos asegure que al bajar la velocidad podamos generar la altura manométrica necesaria.
PREVISIONES
Debemos ser aún más cuidadosos en situaciones de riesgo (mucha altura de succión, alta temperatura del fluido, etc.)
En el diseño del sistema: ubicar el equipo debajo del tanque de bombeo para que el fluido llegue por gravedad; de ser imposible, que la altura geométrica de succión sea la menor posible, las tuberías holgadas y de un material que no se altere (Ej. obture con sarro) con el fluido bombeado
En la selección de la bomba: utilizar equipos de bajas revoluciones u holgados en caudal de manera que el punto de trabajo se sitúe hacia la izquierda de la curva donde el ANPA Requerido es menor.
En el uso y operación del equipo: mantener totalmente abiertas las válvulas en el tramo de succión, limpios los filtros, mantener el fluido a la temperatura más baja posible, evitar ingreso de aire o gases en el seno del líquido.
Autor: Sr. Hernán Levy
Publicado en Versión papel Edición Nº 39 Año 7 – Junio / Julio 2010.
Registro de propiedad intelectual realizado y vigente.
La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723.
BIBLIOGRAFIA
Cavitation and Bubble Dynamics. Brennen, Christopher Earls (1995) Cavitation and Bubble Dynamics. Oxford University Press, New York.
Cavitación, Un ataque al corazón de las Bombas Centrífugas. De Boris Cisneros H.
Cavitación, nota técnica de Salmson Argentina M3h edición 12.
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