Diagnóstico de cavitación
Cavitación es un fenómeno destructivo que ocurre en bombas y otros sistemas hidráulicos: la rápida formación y el colapso violento (implosión) de burbujas de vapor en un líquido. Ocurre cuando la presión estática local del líquido cae por debajo de su presión de vapor, por lo que el líquido hierve momentáneamente a temperatura ambiente y luego se recondensa a medida que la presión se recupera. Aunque a menudo se describe como un sonido de “silbido” o “canicas rebotando”, la cavitación es una fuente significativa de vibración y puede causar daños erosivos graves en impulsores y carcasas. Fundamentalmente, es un signo de un hidráulico problema en lugar de uno mecánico; sin embargo, se detecta fácilmente con análisis de vibración, lo que lo convierte en un ejemplo clásico del uso de la vibración para diagnosticar una falla de proceso.
1. Definición: ¿Qué es la cavitación?
La física de la cavitación se basa en la relación entre la presión local y la presión de vapor. Dentro de una bomba, el líquido acelera al entrar en el ojo del impulsor y, según el principio de Bernoulli, esa aceleración reduce la presión local. Si la presión cae por debajo de la presión de vapor del líquido, se nuclean pequeñas cavidades de vapor. Solo sobreviven hasta que el flujo las transporta a una región de mayor presión, generalmente unos pocos milímetros más adelante a lo largo de la paleta, donde colapsan casi instantáneamente. Cada colapso es una implosión microscópica que libera un pico de presión agudo y una ráfaga de energía de alta frecuencia. Multiplique eso por los miles de burbujas formadas cada segundo y el efecto acumulativo es tanto ruido audible como vibración medible, junto con la lenta y constante picadura de las superficies metálicas.
2. Los dos tipos de cavitación
a) Cavitación de succión
Esta es la forma más común. Ocurre cuando la bomba está “privada” de fluido, es decir, cuando la Carga Neta Positiva de Aspiración Disponible (NPSHa) cae por debajo de la Carga Neta Positiva de Aspiración Requerida (NPSHr) por la bomba.
- Mecanismo: la baja presión en el ojo del impulsor hace que el líquido hierva, formando burbujas de vapor. A medida que estas burbujas son transportadas a las regiones de mayor presión a lo largo de las paletas del impulsor, colapsan violentamente.
- Causas: un filtro o colador de aspiración obstruido, una válvula de aspiración parcialmente cerrada, una línea de aspiración demasiado larga o de diámetro demasiado pequeño, o una bomba que debe levantar el fluido desde una altura excesiva.
El margen del lado de aspiración es fundamentalmente un problema de NPSH, por lo que al diseñar o solucionar problemas de una instalación ayuda verificar los números explícitamente; nuestro Calculadora de NPSH calcula la carga disponible y muestra qué tan cerca está operando un sistema del umbral de cavitación.
b) Cavitación de descarga
Esta es menos común y ocurre cuando la presión de descarga de la bomba es extremadamente alta, impidiendo que el fluido fluya hacia fuera de la bomba.
- Mecanismo: el fluido queda atrapado entre las paletas del impulsor y recircula a alta velocidad, creando una zona de vacío de baja presión donde se forman burbujas. Esas burbujas luego implosion a medida que se alejan del área de baja presión.
- Causas: una válvula de descarga obstruida o cerrada, o bombear contra una “carga muerta”, una línea de descarga completamente bloqueada.
La recirculación interna de alta velocidad detrás de la cavitación de descarga está estrechamente relacionada con el flujo recirculación, otra inestabilidad de bajo flujo que comparte algunos de los mismos síntomas y es una de varias defectos de bombas centrífugas que un analista aprende a distinguir.
3. La firma de vibración de la cavitación
La implosión violenta de miles de pequeñas burbujas de vapor no produce una frecuencia única y ordenada. En cambio, crea una firma de vibración muy distintiva:
- Ruido de banda ancha de alta frecuencia: el indicador principal es un aumento significativo en el “suelo de ruido” del Espectro FFT, particularmente a altas frecuencias (generalmente por encima de 2,000 Hz). Aparece como un amplio “bulto” de energía aleatoria en lugar de picos discretos.
- Aleatorio e inestable: la vibración es aleatoria y no periódica, que es exactamente por qué no produce líneas nítidas, y la amplitud general puede fluctuar notablemente de un momento a otro. Esta aleatoriedad es lo que separa la cavitación del flujo turbulencia, que tiende a ser más suave y de menor frecuencia.
- Armónicos potenciales de la frecuencia de paso de paletas: en algunos casos, la energía aleatoria puede excitar la frecuencia de paso de álabes (BPF = número de paletas × velocidad de operación) y sus armónicos, pero la característica dominante sigue siendo el suelo de ruido de banda ancha. En las bombas, este mismo componente a menudo se llama frecuencia de paso de álabes.
Debido a que la energía es de banda ancha e impulsiva, las técnicas ajustadas a impactos repetitivos pueden afilar el diagnóstico: análisis de envolvente y métricas como factor de cresta responden fuertemente a los transitorios rápidos de colapso de burbujas. Si se deja que la cavitación progrese, puede causar daños secundarios, como la erosión del impulsor, lo que luego introduce un verdadero desbalance que aparece como un pico alto de 1×, un recordatorio útil de que una falla puede generar otra.
4. Confirmación
Debido a que la firma es de ruido aleatorio, puede confundirse con otras fuentes relacionadas con turbulencia o flujo, por lo que la confirmación vale la pena antes de comprometerse con una reparación:
- Escucha: la cavitación a menudo produce un sonido audible distintivo, como grava o canicas rodando dentro de la bomba, frecuentemente la primera pista que un operador nota en el piso.
- Cambios en el proceso: para la cavitación de aspiración sospechada, abrir cuidadosa y lentamente una válvula de aspiración parcialmente cerrada, o limpiar el colador de aspiración, debería reducir o eliminar inmediatamente el ruido de alta frecuencia. Esta prueba deliberada de cambio y observación es una de las confirmaciones más efectivas disponibles, porque manipula directamente la causa hidráulica.
Es fundamental abordar la cavitación rápidamente. Cada implosión actúa como un martillo de chorro microscópico, desgastando las paletas del impulsor y el volute de la bomba, lo que lleva a una falla prematura. En el campo, el flujo de trabajo práctico es confirmar la firma de banda ancha en un analizador de vibración, eliminar la causa hidráulica y luego verificar que la máquina haya regresado a un estado mecánico limpio. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A es muy adecuado para ese paso final: una vez que se cura la falla de proceso, mide el 1× amplitud y fase en los propios rodamientos de la bomba a la velocidad de operación, por lo que cualquier desbalance dejado por la erosión puede cuantificarse y corregirse mediante balanceo.
