Cavitación en Bombas Industriales: Qué Es, Cómo Identificar y Cómo Evitar

1. Qué es la cavitación

La cavitación es la formación de burbujas de vapor en el líquido donde la presión local cae por debajo de la presión de vapor a la temperatura de operación, seguida del colapso de esas burbujas al llegar a una zona de mayor presión. En la centrífuga, la presión cae cuando el líquido se acelera hacia el rodete; el Hydraulic Institute describe el colapso erosionando los pasajes del rodete y la vibración dañando sellos y rodamientos.

El daño viene del colapso junto a la pared. Según Brennen (Cavitation and Bubble Dynamics, §3.6), cada colapso cerca de una superficie sólida produce ondas de choque y microchorros; las tensiones locales y transitorias se repiten, fatigan la superficie y desprenden trozos de material. Por eso la zona cavitada tiene aspecto áspero y cristalino, distinto del desgaste más liso causado por partículas sólidas. En hierro y acero, la corrosión agrava el daño.

En campo, "cavitar" es el verbo de este régimen: la bomba cavita cuando la presión en algún punto de la entrada cae por debajo de la presión de vapor, y deja de cavitar cuando se corrige la causa, ya sea reduciendo las pérdidas de aspiración, subiendo el nivel, bajando la temperatura o devolviendo el caudal al rango de la curva. En servicio continuo, cavitar no es aceptable: indica instalación, selección u operación fuera de lo previsto.

La burbuja de cavitación no es aire: es vapor del propio líquido, que nace en núcleos microscópicos, como microburbujas de gas o partículas, cuando la presión local cruza la presión de vapor (Brennen, cap. 1). Crece en la zona de baja presión y colapsa al reencontrar presión mayor. Cerca de una pared, el colapso es asimétrico y lanza un microchorro contra ella (§3.5); el libro cita choques de unos 100 bar en la pared (§3.2).

Dos puntos prácticos. Primero, en la bomba la cavitación nace del lado de aspiración, donde la presión es mínima, y el daño se concentra justo después, en la entrada del rodete de la centrífuga. Segundo, el aire arrastrado no es cavitación: cuando burbujas de gas crecen en la zona de baja presión sin que esta llegue a la presión de vapor, Brennen llama al fenómeno pseudocavitación (§1.15). Los síntomas se parecen; la causa y la corrección, no.

2. Cómo identificar cavitación en campo

Cinco signos apuntan a cavitación: (1) chasquidos que la guía del DOE con el Hydraulic Institute compara con canicas pasando por la bomba; (2) vibración creciente, medida con instrumento en el soporte, nunca con la mano; (3) caída de altura, caudal o presión; (4) erosión áspera y cristalina en la entrada del rodete, distinta del desgaste liso por partículas; (5) desgaste acelerado de sellos y rodamientos (DOE, p. 14 y 20).

Ninguno de estos signos es exclusivo de la cavitación: entrada de aire, desalineación, rodamiento gastado o recirculación producen síntomas parecidos. Compare ruido, vibración medida, caudal y presiones con la condición normal registrada de la bomba. Inspeccione piezas internas solo con el equipo parado, aislado y liberado según el procedimiento de la instalación, y no use el contacto de la mano con partes calientes o en movimiento como diagnóstico.

3. Las 7 causas reales de cavitación

Siete condiciones cubren las causas a investigar en una instalación industrial. La lista organiza el diagnóstico y no es estadística de fallos de FB Bombas: cada punto reduce el NPSH disponible, aumenta el requerido o produce síntomas parecidos a los de la cavitación.

• Altura de aspiración excesiva: con la bomba por encima del nivel del líquido, la diferencia de cota consume parte de la presión atmosférica, y el nivel mínimo del depósito es el que cuenta en el cálculo.
• Pérdidas de aspiración: tubo menor que la boquilla, exceso de accesorios, válvula parcialmente cerrada, bolsas de aire o tubería incrustada (DOE, p. 20); en la FBEI, el diámetro debe ser al menos igual al de la boquilla, con el menor número de accesorios (MAN001-10).
• Temperatura por encima del proyecto: la presión de vapor del agua sube de 2,34 kPa a 20 °C a 47,41 kPa a 80 °C (NIST); la sección 4 muestra el efecto en el NPSH disponible.
• Operación lejos del mejor rendimiento: en la centrífuga, la cavitación suele aparecer con caudal alto, en el lado derecho de la curva, donde el NPSHr sube; con caudal bajo, los vórtices pueden causar un daño parecido (DOE, p. 14).
• Viscosidad y velocidad en la bomba de engranajes: la aspiración debe llenar las cámaras entre los dientes en cada vuelta, y la Tabla 2 (MTEC-01/01) reduce la velocidad a medida que sube la viscosidad (sección 5).
• Entrada de aire: juntas, empaquetaduras y conexiones mal selladas en la aspiración dejan entrar aire. No es cavitación, pero produce ruido y caída de caudal parecidos, y debe descartarse primero.
• Líquido cerca de la ebullición: a 100 °C, la presión de vapor del agua es de 101,42 kPa (NIST), por encima de la atmósfera estándar de 101,325 kPa; en un tanque abierto, solo la columna de líquido sobre la bomba sostiene el NPSH disponible.

4. NPSH: el parámetro que previene la cavitación

El NPSH disponible (NPSHa) es la carga absoluta en la aspiración sobre la presión de vapor, en metros del líquido: es propiedad de la instalación en una condición de operación. El NPSH requerido (NPSHr) lo da el fabricante para cada modelo, rodete, velocidad y caudal. Según el Hydraulic Institute, el NPSH3 es el valor con caída del 3% en la altura de la primera etapa; no marca el inicio de la cavitación, que en ese punto ya reduce la altura.

El margen viene de la aplicación. La ANSI/HI 9.6.1 mide el margen sobre el NPSHr publicado, igual o mayor que el NPSH3, con recomendaciones por tipo de servicio, y la guía del DOE con el HI cita la regla común de NPSHa un 25% por encima del NPSHr (p. 38). Ningún margen fijo en metros aprueba todas las centrífugas FBCN o bombas de engranajes FBE.

Para aspiración desde un depósito, NPSHa = Pa ± Hz − Hf − Pv, con todos los términos en metros del líquido: Pa es la presión absoluta sobre el depósito; Hz, la diferencia de nivel, positiva con aspiración en carga; Hf, las pérdidas de aspiración; Pv, la presión de vapor a la temperatura de operación. El artículo de NPSH en bombas centrífugas detalla cada término y la lectura del NPSHr en la curva.

Un ejemplo muestra el peso de la temperatura: agua en tanque abierto al nivel del mar, bomba 2,5 m por encima del nivel y 0,8 m de pérdidas. A 20 °C, el NPSHa es de 6,81 m, con 3,81 m de holgura sobre un NPSHr hipotético de 3,0 m. A 80 °C, la misma instalación cae a 2,36 m, 0,64 m por debajo de ese NPSHr: la bomba empieza a cavitar sin que nada cambie en la tubería.

Por eso la temperatura es la variable más traicionera del diagnóstico. El ejemplo convierte cada término con la densidad del NIST a la temperatura del líquido y no selecciona bomba ni fija margen: la comparación real usa el NPSHr de la curva en el punto de operación y el margen de la aplicación.

5. Cavitación en bombas de engranaje vs centrífugas

En la centrífuga, el líquido acelera hacia el rodete y la presión cae en la entrada (DOE, p. 20); el NPSHr sale de la curva y crece con el caudal. En la curva publicada de la FBCN 50-160 a 3.500 rpm (rodete de 174 mm, agua limpia a 20 °C), queda cerca de 1,7 m a 40 m³/h y llega a unos 4,7 m a 100 m³/h.

La Ingeniería de FB Bombas limita el caudal de la FBCN a 1,1 Qot (MTEC-03/00, Tabla 1).

La bomba de engranajes es de desplazamiento positivo: en cada vuelta, los dientes llevan el líquido de la aspiración a la descarga, y la aspiración debe llenar las cámaras entre ellos. En la FBE, la selección parte de la Tabla 2 (MTEC-01/01), que asocia cada rango de viscosidad a una velocidad, una transmisión y los modelos. Cada fila vale para los modelos que enumera, no para todos los tamaños.

FB no publica un valor de NPSH para la FBE: la Tabla 1 (MTEC-01/01) lista caudal y potencia por presión de descarga y velocidad. En la FBEI, la aspiración está ligada a la cavitación: el filtro es de 40 a 80 mesh, según el modelo, con la mayor área de paso posible "para evitar la cavitación de la bomba" (MAN001-10, p. 4).

No hay clasificación universal de qué familia resiste más; cada una se verifica con los datos de su serie.

6. Cavitación hidráulica: válvulas, turbinas e hidroeléctricas

Cavitación hidráulica es el nombre genérico del fenómeno en cualquier sistema con líquido. Donde el líquido se acelera y la presión local cae por debajo de la presión de vapor, se forman y colapsan burbujas: en la vena contracta de válvulas parcialmente cerradas, en la garganta de venturis y placas de orificio, en hélices navales y en los rodetes de turbinas hidráulicas. La física es la de la sección 1; solo cambia la geometría donde cae la presión.

En las centrales hidroeléctricas, la cavitación desgasta los rodetes de las turbinas de reacción. La monografía EM-20 del U.S. Bureau of Reclamation registra rodetes grandes de acero inoxidable fundido, o de acero al carbono con recubrimiento inoxidable, para resistir la cavitación (p. 13), y asocia la operación con pequeña apertura de los álabes directrices a bajo rendimiento y daño acelerado por cavitación (p. 8).

El control empieza por la cota. El EM-20 usa el factor de cavitación de Thoma, σ, y fija la altura estática de aspiración en Hs = Hb − σ·h: Hb es la presión atmosférica menos la de vapor, en metros de agua, y h, la caída máxima a plena apertura. La curva de experiencia sitúa la turbina 0,3 m bajo la cota en que el daño y la pérdida de rendimiento se acercaron a valores inaceptables (p. 22).

El paralelo con la bomba es directo: Hb − Hs hace el papel del NPSH disponible, y σ·h, el del requerido. En plantas industriales, el punto ciego común es la válvula estrangulada antes de la bomba, que hace caer la presión de aspiración y crea una cavitación de la instalación que ningún cambio de bomba resuelve. En la FBEI, la válvula de aspiración debe estar totalmente abierta antes del arranque (MAN001-10, p. 13).

En la centrífuga, el caudal se controla con válvula en la descarga, por velocidad o con varias bombas (DOE, p. 8), nunca estrangulando la aspiración. En la bomba de desplazamiento positivo, la descarga cerrada hace subir la presión hasta sobrecargar el motor o romper la tubería, y por eso suele tener válvula de alivio (DOE, p. 41).

La Ingeniería de FB Bombas prohíbe, en la FBEI, usar esa válvula para controlar presión o caudal y exige protección en la bomba sin ella (MAN001-10, p. 4).

7. Checklist de prevención de cavitación — FB Bombas

Los puntos siguientes reúnen lo que la Ingeniería de FB Bombas y las fuentes citadas piden para prevenir la cavitación. Verifique cada uno en la peor condición de operación, no en la media.

• Calcular el NPSHa con el nivel mínimo, la temperatura máxima y el mayor caudal previsto, y compararlo con el NPSHr de la curva más el margen de la aplicación.
• Instalar la bomba lo más cerca posible del punto de aspiración (MAN001-10, p. 4); con aspiración en carga, la columna de líquido suma al NPSHa.
• Usar tubo de aspiración con diámetro al menos igual al de la boquilla y el menor número posible de accesorios (FBEI, p. 4).
• En la FBEI, instalar filtro de 40 a 80 mesh, según el modelo, con la mayor área de paso posible (p. 4), y mantenerlo limpio.
• Controlar la temperatura del líquido: por encima del proyecto, la presión de vapor sube y el NPSHa cae.
• En la FBE, seleccionar la velocidad por la Tabla 2 (MTEC-01/01) con la viscosidad real, al arrancar y en operación.
• En la FBCN, operar entre 0,1 y 1,1 Qot en los soportes de cojinetes 30 y 40, y entre 0,15 y 1,1 Qot a partir del soporte 50 (MTEC-03/00, Tabla 1).
• Sellar juntas, empaquetaduras y conexiones de la aspiración: la entrada de aire imita la cavitación y es difícil de encontrar.
• En el arranque de la FBEI, cebar la bomba y abrir totalmente la válvula de aspiración; en operación, verificar que la presión de aspiración sea la del proyecto (MAN001-10, p. 13).
• Registrar ruido, vibración medida, caudal y presiones en condición normal, para tener una base de comparación cuando aparezca un síntoma.

8. Cuándo consultar al ingeniero de aplicación

Si los síntomas persisten, envíe modelo, número de serie, curva, fluido, temperatura, caudal, velocidad y presiones medidas, con el plano de la aspiración. Con esos datos, la ingeniería de aplicación de FB Bombas recalcula el NPSH de la instalación y puede recomendar un cambio en la tubería de aspiración, otro modelo o diámetro de rodete, otra velocidad o una bomba auxiliar en la aspiración. Contacto: comercial@fbbombas.com.br o WhatsApp +55 11 97287-4837.