Análisis de la cavitación del impulsor de una bomba centrífuga

1. La naturaleza de la cavitación
La cavitación, un proceso destructivo físico-químico combinado, ocurre en tres etapas:

Vaporización local: cuando la presión local en la entrada del impulsor o en la zona de baja presión cae por debajo de la presión de vapor saturado del líquido a su temperatura de funcionamiento, el líquido hierve y genera numerosas burbujas de vapor (cavidades).

Colapso y daños de burbujas: Estas burbujas son transportadas por el flujo a la zona de alta presión del impulsor, donde la presión circundante aumenta bruscamente, provocando su implosión casi instantánea. Este colapso genera intensas ondas de choque y microchorros con una presión localizada que alcanza cientos de megapascales, actuando en microsegundos y en áreas de escala micrométrica.

Fatiga y erosión del material: Estas ondas de choque impactan repetidamente la superficie metálica del impulsor (miles de veces por segundo), provocando fatiga mecánica y por corrosión. Esto desprendió progresivamente los granos metálicos, lo que provocó una erosión picuda, en forma de panal o esponjosa en la superficie.

2. Peligros específicos de la cavitación para las bombas

Degradación del rendimiento: las burbujas de vapor obstruyen los canales de flujo, interrumpen la continuidad del fluido y provocan una caída significativa en el caudal, la altura y la eficiencia de la bomba, lo que a menudo crea una ddhhhbreakddhhh en la curva de rendimiento.

Vibración y ruido: La formación violenta y el colapso de burbujas provocan vibraciones severas en la bomba y ruidos característicos de crujidos o silbidos, lo que compromete la estabilidad y el entorno de trabajo.

Daños en el impulsor:

Picaduras mecánicas: Crean la erosión característica en forma de panal.

Corrosión electroquímica: La energía liberada durante el colapso destruye la capa pasiva protectora del impulsor (especialmente crítica para el acero inoxidable), acelerando la corrosión química. Este ataque combinado provoca una pérdida de material extremadamente rápida.

Los casos graves pueden provocar la perforación del impulsor y la falla total de la bomba.

Vida útil reducida: el daño al impulsor, junto con el desgaste acelerado de los cojinetes y sellos debido a la vibración, acorta drásticamente los intervalos de mantenimiento y la vida útil general de la bomba.

3. Identificación y diagnóstico

Sonido: Un ruido persistente de ddhhhcrepitación," "estallido," o ddhhhsilbido" proveniente de la bomba, similar al bombeo de grava.

Rendimiento: Bajo velocidad constante y posición de la válvula, una caída repentina o gradual en el flujo, la presión de descarga (altura) y la corriente del motor (consumo de energía).

Vibración: Lecturas de vibración de la bomba anormalmente altas, especialmente en la dirección axial.

Inspección visual: el desmontaje posterior a la operación revela las picaduras en forma de panal en la parte posterior de los bordes de entrada de la cuchilla (la zona de baja presión).

4. Causas primarias (en sistemas de agua circulante)

NPSH disponible insuficiente (NPSHa): la causa raíz.

Elevación excesiva de la bomba: la bomba está instalada demasiado alta por encima del nivel del líquido de suministro.

Pérdidas excesivas en la línea de succión: las tuberías de succión que son demasiado largas, estrechas, tienen demasiados codos o tienen filtros/filtros/válvulas de pie obstruidos aumentan la caída de presión.

Alta temperatura del líquido: un intercambio de calor deficiente o una carga térmica alta en el sistema aumentan la temperatura del agua y su presión de vapor, lo que reduce el NPSHa.

Baja presión del sistema: Las fluctuaciones de presión o el agua de reposición insuficiente en sistemas cerrados reducen la presión del recipiente de succión.

NPSH alto requerido para bomba (NPSHr):

Diseño de bomba inherente deficiente o geometría de entrada del impulsor desfavorable/alta velocidad de entrada.

Desgaste u obstrucción del impulsor, que compromete el diseño hidráulico original.

5. Prevención y soluciones

Optimizar el diseño del sistema (aumentar NPSHa):

Baje la altura de instalación de la bomba; utilice una succión inundada (nivel de líquido por encima de la línea central de la bomba) siempre que sea posible.

Optimice las tuberías de succión: acorte la longitud, aumente el diámetro, minimice los accesorios/válvulas y limpie los filtros/filtros periódicamente.

Control de temperatura de líquidos: Garantizar el funcionamiento eficiente de torres de enfriamiento, intercambiadores de calor, etc.

Estabilizar la presión del sistema: mantener la presurización y el maquillaje adecuados en sistemas cerrados.

Selección y modificación adecuadas (reducción de NPSHr):

Seleccione bombas con amplio margen: asegúrese de que NPSHa > NPSHr tenga un margen de seguridad suficiente (normalmente ≥ 0,5-1,0 m).

Elija bombas resistentes a la cavitación: Modelos con impulsores de doble succión (menor velocidad de entrada) o álabes inductores.

Modificación del impulsor: reemplace el impulsor estándar con un modelo anticavitación (con bordes de entrada más gruesos y perfiles aerodinámicos especiales) o remodele/recorte profesionalmente la entrada del impulsor estándar a un perfil más delgado y nítido.

Operación y mantenimiento:

Revestimiento/revestimiento duro: aplicar materiales resistentes a la cavitación (por ejemplo, aleaciones a base de cobalto, carburo de tungsteno) mediante revestimiento láser, pulverización de plasma o superposición de soldadura.

Recubrimientos de polímero: utilice recubrimientos epoxi de alto rendimiento para aplicaciones menos críticas.

Los impulsores dañados deben repararse o reemplazarse rápidamente.

Evite el funcionamiento con bajo caudal: La recirculación interna a bajo caudal promueve la cavitación. Opere dentro del rango de funcionamiento recomendado (BEP) de la bomba.

Utilice variadores de frecuencia (VFD): reducir la velocidad de la bomba reduce significativamente su NPSHr (proporcional al cuadrado de la velocidad), una solución eficaz.

Protección y reparación de superficies:

Resumen
La cavitación del impulsor en bombas centrífugas es un problema sistémico que surge del desequilibrio entre la altura de succión neta positiva disponible (NPSHa) del sistema y la altura de succión neta positiva requerida (NPSHr) de la bomba. La solución reside en un enfoque doble: aumentar la oferta y reducir la demanda, mejorando la NPSHa del sistema y reduciendo la NPSHr de la bomba. Mediante un diseño, selección, operación y mantenimiento sistemáticos, la cavitación se puede prevenir y gestionar eficazmente.