Diagnóstico de la cavitación
Cavitación es un fenómeno destructivo que se produce en bombas y otros sistemas hidráulicos: la formación rápida y el colapso violento (implosión) de burbujas de vapor en un líquido. Se produce cuando la presión estática local del líquido desciende 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 de «traqueteo de canicas», la cavitación es una fuente importante de vibración y puede provocar daños graves y erosivos en los impulsores y las carcasas. Lo más importante es que es un indicio de un hidráulico problema más que mecánico; sin embargo, se detecta fácilmente con análisis de vibraciones, lo que lo convierte en un ejemplo clásico del uso de la vibración para diagnosticar un fallo en un 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. En el interior de una bomba, el líquido se acelera al entrar en el ojo del impulsor y, según el principio de Bernoulli, esa aceleración reduce la presión local. Si la presión desciende por debajo de la presión de vapor del líquido, se forman diminutas cavidades de vapor. Estas solo sobreviven hasta que el flujo las arrastra a una zona de mayor presión —normalmente unos pocos milímetros más allá de la pala—, donde colapsan casi instantáneamente. Cada colapso es una implosión microscópica que libera un pico de presión repentino y una ráfaga de energía de alta frecuencia. Si multiplicamos eso por las miles de burbujas que se forman cada segundo, el efecto acumulativo es tanto un ruido audible como una vibración medible, además del lento e implacable picado de las superficies metálicas.
2. Los dos tipos de cavitación
a) Cavitación por succión
Esta es la forma más habitual. Se produce cuando la bomba se queda «sin líquido», es decir, cuando la altura de succión positiva neta disponible (NPSHa) es inferior a la altura de succión positiva neta requerida (NPSHr) por la bomba.
- Mecanismo: La baja presión en el ojo del impulsor provoca la ebullición del líquido, formándose burbujas de vapor. Al ser transportadas a las zonas de mayor presión de los álabes del impulsor, estas burbujas colapsan violentamente.
- Causas: un filtro de succión obstruido, una válvula de succión parcialmente cerrada, un conducto de succión demasiado largo o de diámetro insuficiente, o una bomba que debe bombear el líquido desde una altura excesiva.
El margen del lado de succión es, en esencia, un problema de NPSH, por lo que, al diseñar o solucionar problemas en una instalación, resulta útil comprobar los valores de forma explícita; nuestro Calculadora de NPSH calcula la altura neta positiva de aspiración (NPSH) disponible y muestra lo cerca que está el sistema del umbral de cavitación.
b) Cavitación de descarga
Esto es menos común y ocurre cuando la presión de descarga de la bomba es extremadamente alta, lo que impide que el fluido salga de la bomba.
- Mecanismo: El fluido queda atrapado entre los álabes del impulsor y recircula a alta velocidad, creando una zona de vacío de baja presión donde se forman burbujas. Estas burbujas implosionan al salir de la zona de baja presión.
- Causas: Una válvula de descarga bloqueada o cerrada, o bombeo contra una “cabeza muerta” (una línea de descarga completamente bloqueada).
La recirculación interna a alta velocidad que se produce tras la cavitación en la descarga está estrechamente relacionada con el flujo recirculación, otra inestabilidad de bajo caudal que presenta algunos de los mismos síntomas y es una de las varias defectos de las bombas centrífugas un analista aprende a distinguir.
3. La firma vibratoria de la cavitación
La violenta implosión de miles de diminutas burbujas de vapor no produce una frecuencia única y definida. En cambio, crea una firma vibratoria muy distintiva:
- Ruido de banda ancha de alta frecuencia: el indicador principal es un aumento significativo del «piso de ruido» del Espectro FFT, especialmente en las frecuencias altas (normalmente por encima de los 2.000 Hz). Se manifiesta como una «protuberancia» amplia de energía aleatoria, en lugar de como picos discretos.
- Aleatorio e inestable: La vibración es aleatoria y no periódica —razón por la cual no produce líneas definidas— y la amplitud general puede variar notablemente de un momento a otro. Esta aleatoriedad es lo que distingue a la cavitación del flujo ordinario turbulencia, que suele ser más leve y de menor frecuencia.
- Armónicos potenciales de la frecuencia de paso de la pala: En algunos casos, la energía aleatoria puede excitar el frecuencia de paso de palas (BPF = número de álabes × velocidad de funcionamiento) y sus armónicos, pero la característica dominante sigue siendo el ruido de fondo de banda ancha. En las bombas, a este mismo componente se le suele llamar frecuencia de paso de la paleta.
Dado que la energía es de banda ancha e impulsiva, las técnicas adaptadas a impactos repetitivos pueden precisar el diagnóstico: análisis de envolvente y métricas como factor de cresta responden con fuerza a los transitorios rápidos del colapso de las burbujas. Si se deja que la cavitación avance, puede provocar daños secundarios —erosión del impulsor— que a su vez dan lugar a un auténtico problema mecánico desequilibrio que se manifiesta como un pico alto de 1×, un recordatorio útil de que un fallo puede dar lugar a otro.
4. Confirmación
Dado que la señal es de ruido aleatorio, puede confundirse con otras fuentes relacionadas con la turbulencia o el flujo, por lo que conviene confirmarlo antes de proceder a la reparación:
- Escuchando: La cavitación suele producir un sonido claramente perceptible, como si hubiera grava o canicas rodando dentro de la bomba; a menudo, es el primer indicio que detecta el operario en la planta.
- Cambios en los procesos: En caso de sospecha de cavitación en la aspiración, abrir con cuidado y lentamente una válvula de aspiración parcialmente cerrada, o limpiar el filtro/colador de aspiración, debería reducir o eliminar inmediatamente el ruido de alta frecuencia. Esta prueba de «cambiar y observar», realizada de forma deliberada, es una de las formas más eficaces de confirmar el problema, ya que actúa directamente sobre la causa hidráulica.
Es fundamental abordar la cavitación con rapidez. Cada implosión actúa como un martillo de chorro microscópico, desgastando poco a poco los álabes del impulsor y la voluta de la bomba, lo que provoca un fallo prematuro. En la práctica, el procedimiento habitual consiste en confirmar la firma de banda ancha en un analizador de vibraciones, eliminar la causa hidráulica y, a continuación, comprobar que la máquina ha recuperado un estado mecánico limpio. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A es ideal para esa etapa final: una vez subsanado el fallo del proceso, mide el 1× amplitud y fase en los propios cojinetes de la bomba a velocidad de funcionamiento, por lo que cualquier desequilibrio que deja la erosión pueden cuantificarse y corregirse in situ equilibrando.
