Nota:
En esta ocasión tengo el placer de poder añadir a “InstrumentacionHoy” el
siguiente artículo que nos ha enviado “D.Ángel Arranz”.
D.Ángel Arranz es una de las máximas referencias en España en válvulas de control.
D.Ángel Arranz es una de las máximas referencias en España en válvulas de control.
1.
INTRODUCCIÓN
2.
CAVITACIÓN Y VAPORIZACIÓN
3.
CICLOS DE LAS BURBUJAS
4.
PARÁMETROS DE DIMENSIONAMIENTO
5.
DAÑOS DEL MATERIAL
6.
RUIDO
7.
OPCIONES DE DISEÑO PARA APLICACIONES CON VAPORIZACIÓN
8.
DISEÑO DE LA VÁLVULA
9.
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
10.
DISEÑO DEL SISTEMA
11.
OPCIONES DE DISEÑO PARA APLICACIONES CON CAVITACIÓN
12.
TRAYECTORIAS TORTUOSAS
13.
ESCALONAMIENTO DE LA PÉRDIDA DE CARGA
14.
AUMENTO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA CORRIENTE
15.
DISEÑO DE ORIFICOS TALADRADOS
16.
INTERNOS ANTICAVITACIÓN DST (DIRTY SERVICE TRIM)
17.
JAULAS DE CARACTERÍSTICAS DETERMINADAS
18.
POSICIONES SEPARADAS DEL ASIENTO Y LA ESTRANGULACIÓN
19.
FUGAS TSO
20.
ALTERNATIVAS PARA EL CONTROL DE LA CAVITACIÓN
21.
DISEÑO DEL SISTEMA
22.
RESUMEN DEL CONTROL DE LA CAVITACIÓN
1.
INTRODUCCIÓN
La cavitación y la vaporización (comúnmente llamado en
nuestra industria igual que en inglés, flashing), son fenómenos hidrodinámicos
que comenzaron a reconocerse como problemas técnicos de ingeniería a principios
del siglo XX. Por aquel entonces, ciertas observaciones llevaron a la
conclusión de que la vaporización del agua en la proximidad de las hélices en
alta velocidad era la causa de una disminución de su rendimiento. Esta
vaporización del líquido se definió más adelante como cavitación.
La cavitación y vaporización constituyen una preocupación
en el sector de válvulas de control, no sólo porque disminuyen el caudal que
puede pasar a través de las válvulas de control, sino también porque generan
ruido, vibraciones y daños materiales en la instalación.
2.
CAVITACIÓN Y VAPORIZACIÓN
La cavitación y vaporización son exclusivamente fenómenos
que ocurren en los líquidos. Los gases y vapores no pueden cavitar ni
vaporizarse. Aunque hay tres tipos distintos reconocidos de cavitación, el más
importante, por lo que se refiere a las válvulas de control, es la cavitación
con formación de vapor.
La cavitación con formación de vapor consiste en un
crecimiento explosivo de una burbuja de vapor dentro de un líquido cuyo
resultado es una vaporización local del líquido. La formación de la burbuja va
seguida por un rápido aplastamiento o implosión de la misma, debido a la
recondensación del vapor. La secuencia de cambio de fase es causada por
fluctuaciones de la presión local en el líquido.
Para comprender las condiciones que en una válvula de
control pueden dar lugar a cavitación o vaporización, consideremos la
restricción sencilla que se muestra en la figura 1. En esta figura, la presión
del líquido P está representada en función de la distancia X, a través de la
restricción sencilla que se muestra en la parte superior de la figura.
La figura 2 es una curva de velocidad V del líquido en función de la
distancia X, tal como corresponde al perfil de la presión.
Existe un punto denominado vena contracta, en el cual la
sección transversal de la corriente de líquido es mínima. Siendo el punto de
máxima velocidad y mínima presión. La vena contracta está situada aguas abajo a
cierta distancia de la restricción. Esta distancia varia con las condiciones de
presión y con el tipo real de restricción.
La Figura 2 muestra que en el punto de la vena contracta
la presión alcanza un valor mínimo que se definirá como la presión de la vena
contracta (Pvc).
Después de alcanzarse dicho punto mínimo, la presión del
líquido vuelve a recuperar presión aguas abajo. Obsérvese que las presiones
aguas abajo es inferior a la presión aguas arriba, debido a que una parte de la
energía es absorbida por la propia válvula.
Para mantener un caudal constante a través de la
restricción, la velocidad del flujo tiene que aumentar para compensar el efecto
de la disminución de la sección en la restricción. Puesto que la energía debida
a la velocidad del fluido (energía cinética) aumenta, otras formas de energía
del fluido tienen que disminuir; lo que explica la pérdida de carga del líquido
a través de la restricción.
Esta relación se puede mostrar en forma de ecuación
examinando la ecuación de Bernouilli (ecuación 1) de la sección de dimensiones
de la vena líquida. La ecuación de Bernouilli entre el punto P1 y el punto de
la vena contracta se puede escribir de la forma siguiente:
Un aumento de la velocidad del fluido (energía cinética)
tiene que compensarse mediante una disminución de la presión estática.
Para definir claramente la vaporización y la cavitación
con sus diferencias, lo mejor es examinar el perfil de presión (figura 1) del
flujo a través de una restricción fija, en función de la presión de vapor del
líquido.
La Figura 3 muestra esta relación y define gráficamente
la diferencia entre cavitación y vaporización.
Un líquido que cavita o
se vaporiza se comporta de la misma manera desde la entrada hasta la
vena contracta. A medida que desciende la presión desde la presión de entrada,
se alcanza un punto en el cual la presión local del fluido se hace igual a la
presión de vapor: Cuando la presión del fluido desciende por debajo de la
presión de vapor, el fluido se hace inestable y comienza a transformarse en
vapor. Este cambio de fase de líquido a vapor se materializa como burbujas en
la corriente de líquido que son muy similares a las burbujas que se forman en
un cazo de agua hirviendo.
Sólo cuando el fluido pasa la restricción y recupera su
presión por encima de la Pv es cuando se separan los dos fenómenos.
Se dice que un fluido se vaporiza cuando la presión aguas
abajo de ese fluido es inferior a su presión de vapor. Las burbujas de vapor
que se forman cuando la presión desciende por debajo de la presión de vapor
siguen creciendo y llega un momento en que el líquido cambia o se transforma
instantáneamente en vapor. Debe observarse que la vaporización viene
determinada por la presión de vapor del líquido y la presión aguas abajo. Por
tanto, es un fenómeno del sistema y ninguna válvula de control puede impedir la
vaporización a menos que se cambien las condiciones de proceso (P2, Pv).
La cavitación se produce cuando la presión aguas abajo
de la válvula crece por encima de la presión de vapor. La burbuja ya no puede
existir como un vapor e implosiona inmediatamente para convertirse otra vez en
líquido. Puesto que la masa de la burbuja de vapor tenía un volumen mayor que
la masa de líquido equivalente, se dice que la burbuja implosiona. Obsérvese
que la cavitación es un cambio de fases líquido-vapor-líquido. A diferencia de
la vaporización, una válvula de control seleccionada correctamente puede
impedir la cavitación. Esto se tratará en este artículo más adelante.
3.
CICLOS DE LAS BURBUJAS
El ciclo de las burbujas se refiere a los cambios de fase
de líquido a vapor y de nuevo a líquido que se producen cuando un líquido
cavita. El comportamiento de estas burbujas tiene una relación directa con el
grado de los efectos negativos que resultan. En el ciclo de las burbujas hay 4
eventos primarios: nucleación, crecimiento, aplastamiento y recuperación.
Para que un líquido cavite, es necesario que haya un
lugar para que se forme la cavidad. Con frecuencia este lugar es una burbuja
pequeña de un gas incondensable arrastrada por el líquido.
Estos núcleos tienen que tener un tamaño mínimo
determinado para que crezcan de una manera explosiva o caviten. Este proceso de
iniciación de la formación de burbujas es lo que se conoce con el nombre de
nucleación.
Una vez formada la burbuja , avanza a través de la región
de presión reducida y crece en respuesta a la presión que disminuye
continuamente y aumenta la vaporización de líquido. Esta parte del ciclo de las
burbujas se conoce con el nombre de parte del crecimiento. Llega un momento en
el que la recuperación de la presión detiene su crecimiento y fuerza su
aplastamiento que es el tercer evento del ciclo de las burbujas. (Figura 7).
En determinadas circunstancias, se pueden producir varios
ciclos de crecimiento y aplastamiento en una serie de recuperaciones.
La cavitación tiene 4 efectos secundarios negativos
fundamentales: ruido excesivo, vibraciones excesivas, daños en el material y
disminución en la capacidad de la sección.
Como se muestra en la ecuación 2, el caudal a través de
una restricción es normalmente proporcional a la raíz cuadrada de la pérdida de
carga. La constante de proporcionalidad es el coeficiente de caudal de líquido
de la restricción, Cv, dividido por la raíz cuadrada de la densidad, G.
Esta relación sugiere que aumentando la presión
diferencial a través de la restricción puede aumentar continuamente el caudal.
Sin embargo, en la práctica, comienza a dejar de cumplirse cuando se forma una
cantidad suficiente de la fase vapor (producido en el proceso de cavitación).
Se obtiene un menor incremento de caudal para el mismo incremento de la presión
diferencial (para una presión P1 dada), hasta que finalmente el caudal
permanece constante a pesar de un aumento de la pérdida de carga. La Figura 4
representa gráficamente este fenómeno de estrangulamiento.
Los mecanismos exactos del estrangulamiento del líquido
no están totalmente confirmados, aunque existen paralelismos entre esto y el
caudal crítico en aplicaciones de gases. En gases, el caudal se estrangula
cuando la velocidad de la corriente es igual a la velocidad de la onda acústica
(velocidad sónica).
Para líquidos puros (fluidos incompresibles) la velocidad
de la onda acústica es muy elevada. Sin embargo, en líquidos que se vaporizan
parcialmente, el fluido es realmente una mezcla de 2 fases y tiene típicamente
una velocidad de la onda acústica muy baja (realmente inferior a la de un gas
puro). Por consiguiente, es posible que la velocidad de la mezcla se haga igual
a la velocidad sónica y estrangule el caudal.
4.
PARÁMETROS DE DIMENSIONAMIENTO
Con objeto de comprender cómo se debe dimensionar una
válvula para condiciones de flujo con cavitación, se definen los siguientes
parámetros de dimensionamiento.
FL2 (anteriormente Km) = coeficiente de
recuperación de la válvula.
Este valor se utiliza únicamente para determinar la
pérdida de carga que se puede utilizar para predecir el caudal en condiciones
de flujo estrangulado. Aunque este parámetro se publica con gran frecuencia,
sólo tiene una utilidad limitada desde el punto de vista de aplicación de la
válvula. FL2 predice el punto de
caudal totalmente estrangulado.
En este punto, la mayoría de los tipos de válvulas sufren
una fuerte cavitación que produce daños. Se ha visto que las válvulas con alta
recuperación, como las válvulas de mariposa y de bola, sufren una cavitación
que produce daños mucho antes de alcanzar la pérdida de carga admisible
predicha con FL2.
Por el contrario, se
pueden utilizar internos anticavitación especiales de baja recuperación hasta
los límites máximos de pérdida de carga admisibles, sin que se produzcan daños
o ruido. La presencia de tal variabilidad limita el uso del parámetro FL2
desde el punto de vista de las aplicaciones y conduce al desarrollo del
coeficiente de cavitación Kc.
AP admisible – La pérdida de carga para la cual el caudal
queda totalmente estrangulado. Este valor se determina utilizando el valor de
FL2 según se indica en la ecuación 3.
AP cavitación – La pérdida de carga para la cual se
producirán daños por cavitación y más allá de la cual no deben utilizar las
válvulas con ese factor FL2. DP cavitación se determina utilizando
el valor Kc como se muestra en la ecuación 4.
Ki = coeficiente de cavitación incipiente
Este es un valor que predice la pérdida de carga para la
cual comenzará a producirse cavitación. En su momento se pensó que era un
parámetro importante, pero ya no se utiliza. El uso de Ki predice la cavitación
demasiado conservadoramente y no tiene en cuenta la capacidad de la válvula
para funcionar correctamente en una aplicación con una baja intensidad de
cavitación.
Aunque los valores de FL2 y Kc parecen
bastante similares, en realidad se determinan de maneras muy distintas. El
valor de FL2 es un valor experimental que se determina a partir de
datos empíricos de laboratorio. Por otra parte, el valor de Kc es un término
más subjetivo y amplio basado en la experiencia, tipo de válvula, tamaño, tipo
de internos y material de construcción. En la Tabla 1 se muestra una lista de
valores de Kc. Una vez más, se utiliza el valor de FL2 para predecir
el caudal en condiciones de estrangulamiento total y el de Kc para predecir el
punto en el que se producirán daños por cavitación.
En las ecuaciones 3 y 4, se utiliza un término denominado
“rc”. Este representa la relación de presiones crítica y es una propiedad
termodinámica de un fluido. Aunque es realmente una función de cada fluido y de
las condiciones existentes, “rc” se puede generalizar de acuerdo con la figura
5.
s mr = límite recomendado de
cavitación por el fabricante
Entre las muchas definiciones, una puede ser esta: “el
límite de caída de presión que tiene una válvula bajo las condiciones de
proceso establecidas”.
Este factor se desprende de la siguiente ecuación, siendo
exactamente la inversa de Kc
s mr = (P1 - Pv) / (P1 – P2)
Kc = (P1 – P2) / (P1 – Pv)
s mr = 1 / Kc
Kc = coeficiente de dimensionamiento para cavitación
Este valor se utiliza para determinar la pérdida de carga
para la cual comenzarán a producirse daños debidos a cavitación. Este umbral de
daños indica cuándo estarán presentes el ruido y la vibración que acompañan intrínsecamente
a la cavitación.
Los factores Kc combinan numerosos parámetros y son los
indicadores principales del comportamiento de la válvula en aplicaciones con
cavitación. Puesto que están estrechamente relacionados con FL2, se
expresan en ocasiones como una fracción de este parámetro (por ejemplo, Kc =
0,67 FL2). También resulta cómodo incorporar el uso de límites de
pérdida de carga con factores Kc. Estos límites tienen en cuenta la
resistencia intrínseca de una válvula de control a los efectos de la
cavitación. La variación de estos límites de pérdida de carga es una función
del tipo de válvula, tamaño, tipo de internos y materiales.
La Tabla 1 recoge valores de Kc e incluyen directrices
para selección de válvulas en aplicaciones con cavitación potencial. Los
valores de Kc o bien tienen un valor desde 1,0 hasta límites específicos
basados en la experiencia o bien se representan respecto a los valores FL2.
La Tabla 1 muestra la relación existente entre los
valores de FL2 y Kc para diversos tipos de válvulas.
Estos límites
reconocen que pueden producirse daños por cavitación a niveles muy por
debajo del límite de caudal estrangulando
y también que las distintas geometrías de los internos producen
cavitación y reaccionan a ella de formas distintas. Este reconocimiento combina
límites basados en la experiencia con medidas teóricas, para asegurar una
sección satisfactoria sin un compromiso que o bien acorte la duración de la
válvula o bien aumente su precio de compra.
Como ejemplo de la manera de determinar un valor
apropiado de Kc examinemos las filas de la tabla titulada “Globe…”, ante todo,
obsérvese que la información está dividida en 2 categorías: caracterizada por
la jaula y caracterizada por el obturador:
La sección caracterizada por la jaula está además
subdividida en 2 categorías, materiales estándar (316SST) y materiales
endurecidos (416SST). Esta denominación es genérica, queriendo englobar a los
materiales martensíticos endurecidos. La Tabla 1 muestra que una válvula de
globo caracterizada por la jaula, con materiales de internos estándar (316SST),
tiene un valor Kc = 1 para todas las pérdidas de carga inferiores a 6,9 bar. La
misma categoría de válvulas con internos fabricados en materiales endurecidos
(416SST), podemos tener Kc = 1 con pérdidas de carga de hasta 20,7 bar en
válvulas de NPS 1 y 2. Un valor de Kc igual a la unidad, indica que para la pérdida de carga reflejada no se
producirá daños por cavitación.
La resistencia a la cavitación también depende del tamaño
de la válvula, no es lo mismo una masa de líquido que entre por una válvula de
NPS 1 que una masa que pase por otra de NPS 6 ya que la energía cinética contenida,
no tiene nada que ver entre las dos masas. Por ejemplo, una válvula de NPS 1
con materiales de internos endurecidos (en 416 SST) tiene un límite de pérdida
de carga de 20,7 bar, para el cual el valor de Kc es igual a la unidad. Por
encima de esta pérdida de carga, el valor de Kc vuelve a ser el de FL2.
Una válvula de NPS 3 con materiales de los internos endurecidos (en 416 SST)
tiene un límite de pérdida de carga de 13,8 bar, para el cual el valor de Kc es
igual a la unidad. Este límite de pérdida es inferior al límite de la
válvula de NPS 1; por consiguiente, la válvula de mayor tamaño tiene menor
resistencia a los efectos perjudiciales de la cavitación. Los valores de Kc
para otros tipos de válvulas se pueden determinar de la misma manera. Propongo
analizar un ejemplo cotidiano:
¿Nadie se ha parado a pensar por qué las cisternas son
tan ruidosas? Porque tenemos cavitación, observamos las condiciones de proceso:
-P1 5 barg
-P2 Atm
-Temperatura 20ºC
-Caudal será el que circule por una tubería de NPS ¼.
El proceso es cavitante, reflejándose en el ruido, pero sin embargo la zapata asiento de la válvula de corte, es de vitón, aguantando al menos 10 años tirando de la cadena unas 20 veces diarias (en casas de familias numerosas).
Esto se debe a que la energía liberada en el proceso, no es suficiente como para atacar el material del asiento.
Ahora, vamos repetir las mismas condiciones de proceso,
pero la válvula está en el sistema de refrigeración de un ciclo combinado con
un tamaño de línea de NPS 24.
Literalmente no pueden abrir la válvula de mariposa por
miedo a arrancar la tubería de los soportes ¿qué es lo que ha cambiado? La
energía cinética contenida en la masa que lleva la tubería de NPS 24 que se
tiene que disipar para encontrarse con el escenario hidráulico aguas abajo de
presión atmosférica.
Los parámetros mencionados anteriormente se pueden
utilizar en el proceso de dimensionamiento de las válvulas, para seleccionar
una válvula apropiada para un servicio en el que potencialmente pueda
producirse cavitación. El primer paso es seleccionar un tipo de válvula basado
en el tamaño de válvula esperado, la presión nominal requerida y la experiencia
en la aplicación en cuestión. Este paso no es más que una primera aproximación a
lo que la válvula puede ser y en los pasos sucesivos se determinará si la
elección inicial ha sido correcta.
La selección de un tipo y tamaño de válvula permite
entonces determinar los valores de FL2 y Kc. Utilice el valor de FL2
conjuntamente con las condiciones de servicio de la aplicación, con objeto de
determinar la pérdida de carga admisible. Utilice el valor de Kc de forma
similar para determinar la pérdida de carga de cavitación.
Una vez conocida el límite de pérdida de carga admisible,
determine el intervalo de valores de Cv requerido por la aplicación. Esta
información se utiliza para determinar la precisión de la selección inicial del
tamaño de la válvula. La limitación de pérdida de carga por cavitación puede
entonces utilizarse para determinar si se producirá daños por cavitación. La
selección final de la válvula se hará utilizando el requisito de la aplicación
para Cv y si se producirán o no daños por cavitación.
Puede verse en la ecuación 4 que cuanto más alto sea el
valor FL2 que tenga una válvula, mayor será la pérdida de carga (AP)
admisible que podrá tener la válvula en cuestión, antes de que se produzcan
daños por cavitación.
La válvula que tiene el valor de FL2 más alto
se dice que es una válvula de baja recuperación porque la recuperación de
presión de Pvc a P2 es pequeña. Por el contrario, una válvula con un
valor de FL2 bajo se dice que es una válvula de alta recuperación.
Para un conjunto dado de condiciones de servicio, la presión de la vena
contracta de una válvula de recuperación baja será mayor que la de una válvula
de recuperación alta. Dicho sencillamente, una válvula de recuperación baja
(Alto FL2, válvulas de globo, internos anticavitación, etc.) tiene
menos probabilidad de cavitar que una válvula de recuperación alta (bajo FL2,
válvulas de mariposa, bola, etc.).
5.
DAÑOS DEL MATERIAL
Los daños por cavitación son normalmente el efecto
secundario negativo que más problemas causa al sector de válvulas de control. No
hace falta considerar muchos ejemplos de tales daños para demostrar totalmente
las posibilidades destructivas de la
cavitación
Típicamente, los daños por cavitación se caracterizan por
una superficie rugosa muy irregular. Con frecuencia, para describir los daños
causados por la cavitación se utiliza el término “aspecto de escorias”. Se
puede distinguir de otros tipos de daños producidos por el caudal, como los de
erosión y vaporización, que normalmente producen una superficie muy lisa y
brillante. Esta sección se ocupará de los daños por cavitación, aunque la
mayoría de los comentarios se pueden aplicar también a los daños por
vaporización. La Figura 6 ilustra estas diferencias.
Figura 6 El obturador dañado por cavitación de la parte
superior muestra la textura rugosa (6A) característica que difiere
considerablemente del aspecto pulido de los daños debidos a vaporización (6B).
Los fenómenos de los 2 mecanismos de daños varían considerablemente.
Aunque los resultados de los daños por cavitación son muy
familiares, los eventos y los mecanismos del proceso de daños por cavitación no
se conocen ni comprenden por completo, a pesar de los amplios estudios realizados
durante muchos años. Sin embargo, hay un consenso general sobre ciertos
aspectos del proceso y una coherencia en determinadas observaciones.
Se ha observado repetidamente que los daños por
cavitación están asociados con la dinámica de implosión de las burbujas.
Además, estos daños son el resultado de 2 fases o eventos primarios: (1) un
ataque sobre la superficie de un material como consecuencia de cavitación en el
líquido y (2) la respuesta o reacción del material a dicho ataque. Todo factor
que tenga influencia sobre cualquiera de estos eventos tendrá algún tipo de
efecto final sobre las características de los daños globales.
La fase de ataque del proceso destructor se ha atribuido
a diverso mecanismos, pero ninguno de ellos es responsable de todos los
resultados observados. Parece que este ataque implica 2 factores que
interactúan reforzándose mutuamente. (1) ataque mecánico y (2) ataque químico.
Figura 7 La implosión de las cavidades de vapor en la
cavitación es rápida, asimétrica y muy enérgica. La mecánica del aplastamiento
genera chorros de líquido a alta velocidad que chocan contra las superficies
metálicas. En último término, el metal experimenta fatiga y se rompe en
pequeños fragmentos.
Hay pruebas que indican la presencia casi universal de un
componente de ataque mecánico que puede producirse de dos formas distintas:
1. Erosión resultante de micro-chorros a alta velocidad
que chocan contra la superficie del material.
2. Deformación y rotura del material resultante por las
ondas de choque que inciden sobre la superficie del material.
En el primer tipo de ataque mecánico, se forma un pequeño
chorro de líquido de alta velocidad durante el aplastamiento asimétrico de una
burbuja de vapor. Si la orientación y la proximidad de los chorros son correctas,
se produce un ataque perjudicial sobre la superficie del metal, como se muestra
en la Figura 7. Esta es la forma más probable de ataque mecánico, comparaciones
de choques de gotas de líquido y diversos estudios analíticos apoyan su
presencia.
El segundo tipo de ataque mecánico (incidencia de ondas
de choque) no parece ser tan dominante. Las estimaciones analíticas de las
presiones de aplastamiento de las burbujas de vapor no sugieren que las ondas
de choque sean de un orden de magnitud capaz de producir daños, al menos
durante el aplastamiento inicial. Esto lo confirman estudios experimentales.
También revelan que las presiones de aplastamiento resultantes aumentan de
magnitud con los sucesivos aplastamientos de rebote y se convierten en
potencialmente peligrosas.
El otro componente primario del ataque, el ataque
químico, es quizás más importante ya que interactúa con el componente mecánico,
en lugar de actuar por sí mismo. Después de un período de ataque mecánico
muchas de las capas protectoras de un material (películas, óxidos, etc.) se
eliminan físicamente y el material base resulta más vulnerable al ataque
químico. El ataque mecánico repetido una y otra vez, elimina material y el que
queda se ve sometido a la acción corrosiva con mayor facilidad.
Por tanto, se puede llegar a la conclusión de que el
ataque por cavitación es fundamentalmente mecánico pero con frecuencia se
refuerza mediante un ataque químico (corrosión) y que el ataque mecánico es
producido por aplastamiento de burbujas muy cercanas a una superficie.
De la misma manera que hay diversas variables que
influyen en el comportamiento de las cavidades individuales, también hay
influencias que afectan al grado y alcance de los daños que sufre el material.
Las influencias principales incluyen variables como contenido de aire, presión,
velocidad y temperatura.
El contenido de aire afecta a los daños por cavitación,
fundamentalmente por sus efectos sobre la mecánica de las burbujas, como se ha
explicado anteriormente. Una vez más, son evidentes 2 tendencias opuestas en el
aumento de la cantidad de aire. La adición de aire proporciona más núcleos de
aire arrastrados, lo que a su vez produce más burbujas que pueden aumentar el
daño total. Sin embargo pasando un punto determinado, aumentos continuados del
contenido de aire perturban el componente del ataque mecánico y reducen
efectivamente los daños totales.
Los efectos de la presión también presentan dos
tendencias opuestas. Dada una presión de entrada fija P1, la disminución de la
contrapresión P2 tiende a aumentar el número de burbujas formadas, lo cual crea
una situación peor. Sin embargo, una contrapresión más baja también da lugar a
una presión diferencial de aplastamiento (P2-Pv) más baja, con el resultado de
una disminución de la intensidad de la cavitación.
Un efecto adicional de la presión, no relacionado con lo
anterior, se refiere a la ubicación de los daños. A medida que cambia la
contrapresión la presión necesaria para el aplastamiento de las burbujas se
desplaza aguas arriba o abajo, dependiendo de que la presión aumente o
disminuya, respectivamente. Además de un cambio en la gravedad de los daños
totales, puede hacer un cambio simultáneo en la ubicación física de los daños
cuando se modifican las condiciones de presión.
A estas alturas, debería estar claro que el proceso de
daños por cavitación y vaporización es una función compleja de lo siguiente:
1. Intensidad y grado de cavitación (ataque por
cavitación).
2. Materiales de construcción (respuesta del material).
3. Tiempo de exposición.
6.
RUIDO
Aunque el ruido asociado con un líquido que cavita puede
ser bastante alto, normalmente es una preocupación secundaria en comparación
con los daños que puede sufrir el material. Por tanto, la cavitación de alta
intensidad debe prevenirse para disminuir la posibilidad de que el material
sufre daños. Si se impide la cavitación, el ruido asociado con la corriente de
líquido será inferior a 90 dBA.
Para un líquido que se vaporiza, los estudios y la
experiencia han demostrado que el nivel de ruido asociado con la válvula será
inferior a 85 dBA, independientemente de la pérdida de carga que haya provocado
la vaporización.
7.
OPCIONES DE DISEÑO PARA APLICACIONES CON VAPORIZACIÓN
Se ha indicado anteriormente que la vaporización es un
fenómeno de la corriente de líquido definido por el sistema y no por el diseño
de la válvula. Por tanto, puesto que la vaporización no puede ser evitada mediante la válvula de
control, todo lo que se puede hacer es prevenir los daños por vaporización.
Hay cuatro factores principales que afectan a la magnitud
de los daños por vaporización que puede sufrir una válvula de control.
-Diseño de la válvula.
-Materiales de construcción.
-Diseño del sistema.
-Tiempo de exposición.
8.
DISEÑO DE LA VÁLVULA
Aunque el diseño de la válvula no tiene ninguna
influencia sobre el hecho de que se produzca o no vaporización, puede tener
efectos importantes sobre el hecho de que se produzcan daños por vaporización.
Una válvula angular con internos estándar en el sentido
de flujo descendente y con un liner o revestimiento aguas abajo es quizá la
mejor solución para impedir los daños por vaporización.
La Figura 8 muestra una
válvula angular típica para servicio en condiciones de vaporización.
La razón de que esta construcción sea una opción
excelente, es que los daños por vaporización se producen cuando las burbujas de
vapor a alta velocidad chocan con la superficie de la válvula. Una válvula
angular reduce el choque dirigiendo la corriente hacia el centro de la tubería
aguas abajo y no hacia el cuerpo de válvula. Si se producen daños, el
revestimiento situado aguas abajo se puede cambiar mucho más económicamente que
el cuerpo de válvula, utilizándose como pieza de sacrificio.
9.
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Hay varios factores que determinan el comportamiento de
un material dado en una situación concreta de vaporización y/o cavitación,
incluidas la tenacidad, dureza y resistencia a la corrosión del material en el
entorno de la aplicación. Dentro de una familia de materiales dada (por
ejemplo, los aceros inoxidables martensíticos de la serie 400), la dureza es un
método bastante exacto para clasificar los materiales. Sin embargo, cuando se
comparan materiales de distintas familias, no se puede correlacionar la dureza
con la resistencia global a los daños. Por ejemplo, el alloy 6 basado en
cobalto, cromo y tungsteno tiene una resistencia a la cavitación y a la
vaporización mucho más alta que los aceros inoxidables templados de los tipos
410 o 17-4 aunque tienen aproximadamente la misma dureza. De hecho, el alloy 6 tiene
un comportamiento igual o superior al de muchos materiales con dureza de 60 HRC
o superior. El comportamiento superior del alloy 6 se atribuye a un mecanismo
incorporado de “absorción de energía” que comparten diversas aleaciones basadas
en cobalto. Sin embargo, el alloy 6 no deja de tener sus inconvenientes; en
aplicaciones de agua de alimentación a caldera (BFW) tratada con aminas, el alloy
6 sufre un ataque acelerado debido a un mecanismo de erosión-corrosión
craqueándose el material, teniendo el daño, la apariencia de una cavitación en
vez de una disgregación del material.
Figura 8 Se utiliza un diseño de válvula angular con
revestimiento en la salida para servicio con vaporización. El revestimiento
resiste a la erosión y protege el cuerpo de la válvula.
Los materiales más utilizados para servicios con vaporización
y cavitación son: el alloy 6 (recubrimientos y piezas macizas), las aleaciones
de níquel, cromo, y boro (recubrimientos y piezas macizas), y los aceros
inoxidables templados, 410, 416, 420, 440C y 17-4P H.
Puesto que los materiales estándar utilizados en los
cuerpos de válvulas son relativamente blandos, la selección para resistencia a
la cavitación y la vaporización tiene que basarse en factores distintos de la
dureza. En general, a medida que aumenta el contenido de cromo y molibdeno,
aumenta la resistencia a los daños por cavitación y vaporización. Así pues, los
aceros aleados de cromo y moilbdeno tienen una mayor resistencia que los aceros
al carbono y los aceros inoxidables tienen una resistencia todavía mejor que
los aceros aleados de cromo y molibdeno.
En el pasado, el acero aleado de cromo y molibdeno que se
especificaba con más frecuencia era el ASME SA217, gr C5. Sin embargo, debido a
las pobres características de fundición, soldadura y fabricación del acero ASME
SA217, gr C5, el grado WC9 se ha convertido en una alternativa más popular. La
experiencia indica que el grado WC9 se comporta igual que el grado C5 en
servicios con cavitación y vaporización a pesar de su menor contenido en cromo
(2,25% frente 5%). Aparentemente, esto es debido a su mayor contenido de
molibdeno (1% frente al 0,5%) que compensa el menor contenido en cromo.
El acero ASTM A217, grado C12A, se está haciendo cada vez
más corriente en el sector energético. Este material tiene unas propiedades
excelentes a alta temperatura y se
utiliza normalmente a temperaturas superiores a 538ºC. Sus mayores contenidos
de cromo y molibdeno (9% Cr, 1% Mo) indicarían una excelente resistencia a la
cavitación.
10.
DISEÑO DEL SISTEMA
En esta sección se estudia el diseño del sistema en el
que se supone que se producirá vaporización. La posición óptima de la válvula
en un servicio con vaporización puede tener efectos importantes sobre el éxito
de instalación de dicha válvula.
La figura 9 muestra la
misma aplicación con la excepción de la posición de la válvula de control.
Estas figuras son bastantes representativas de una válvula que controla el
caudal enviado a un condensador.
En la primera figura, la vaporización se producirá en la
tubería situada aguas abajo entre la válvula de control y el condensador.
Cualquier daño que se produzca tendrá lugar por tanto en esta zona.
En la segunda figura en configuración hidrodinámica, la
vaporización se producirá aguas abajo de la válvula y dentro del condensador.
Puesto que el condensador tiene un volumen muy grande comparado con la tubería,
no se produciría choque del fluido a alta velocidad sobre una superficie de
material, ya que esencialmente no hay superficie de material. Este diseño del
sistema ayudará a evitar daños por vaporización.
11.
OPCIONES DE DISEÑO PARA APLICACIONES CON CAVITACIÓN
El diseño de una válvula de control afecta
considerablemente a la capacidad de una válvula para controlar la cavitación.
En esta sección se explican las teorías que justifican cada uno de los tipos de
diseño de internos que se utilizan principalmente para controlar la cavitación.
Las teorías o ideas de diseño que justifican los
distintos diseños de los internos incluyen:
- Trayectoria tortuosa.
- Escalonamiento de la pérdida de carga.
- Aumento de la sección transversal de la corriente.
- Diseño de orificios taladrados.
- Jaula de características determinadas.
- Separación del asiento de los puntos de estrangulación.
- Control en lugar de prevención de la cavitación.
12.
TRAYECTORIAS TORTUOSAS
Hacer que el fluido recorra una trayectoria tortuosa a
través de los internos es una de las maneras de reducir la magnitud de la
recuperación de presión de esos internos. Aunque esta trayectoria tortuosa
puede adoptar la forma de orificios taladrados o conductos de flujo radiales,
el efecto de cada diseño es esencialmente el mismo.
13.
ESCALONAMIENTO DE LA PÉRDIDA DE CARGA
Este planteamiento está constituido por controlar la
disipación de energía, haciendo pasar la corriente a través de varias
restricciones en serie, en lugar de
utilizar un sola restricción. Cada restricción disipa una determinada cantidad
de energía disponible y presenta una presión de entrada más baja a la etapa
siguiente. Esta técnica de escalonamiento reduce eficazmente el rendimiento del
dispositivo y da por resultado una recuperación de presión más baja.
Un dispositivo de escalonamiento de la presión bien
diseñado podrá aceptar una gran presión diferencial, manteniendo la presión de
la vena contracta por encima de la presión de vapor del líquido, lo que
impedirá que éste cavite.
Los internos que disipan
energía disponible tienen una ventaja adicional, que consiste en que si se
supera la presión diferencial de diseño y se produce cavitación, la intensidad
será siempre menor. Esto es debido a que la presión que causa el aplastamiento
de las burbujas (es decir, la presión recuperada) será menor.
14.
AUMENTO DE LA SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA CORRIENTE
El concepto de control de los daños por ampliación de la
sección transversal de la corriente está estrechamente relacionado con el
concepto de escalonamiento de la pérdida de carga. La figura 10 muestra una
curva de la presión en función de la distancia para un caudal a través de una serie de
restricciones fijas en las que la sección transversal de cada una de las
restricciones sucesivas es mayor que la anterior. Obsérvese que la primera
restricción es la que produce la mayor parte de la pérdida de carga y que ésta
disminuye a través de las restricciones sucesivas.
En la última restricción, donde es más probable que se
produzca cavitación, la pérdida de carga es sólo un pequeño porcentaje de la
pérdida de carga total y la recuperación de presión se reduce sustancialmente.
Si se utilizan secciones transversales iguales, como hacen algunos fabricantes
de válvulas, la pérdida de carga a través de cada etapa podría ser igual y
requeriría 10 etapas para proporcionar solamente el 10% de la perdida de carga
total a través de la última etapa.
El concepto de aumento de la sección transversal de
corriente requiere menos etapas de pérdida de carga para proporcionar la misma
protección contra la cavitación que el concepto de secciones transversales
iguales. Puesto que la pérdida de carga en la última etapa es bastante baja en
comparación con la pérdida de carga total, si se produce cavitación, su
intensidad y los daños producidos por la cavitación serán mucho menores.
15.
DISEÑO DE ORIFICOS TALADRADOS
Los fabricantes que utilizan esta técnica, la realizan
mediante jaulas de orificios taladrados para proporcionar una trayectoria
tortuosa, escalonamiento de la pérdida de carga y aumento de la sección
transversal del caudal. El diseño de cada uno de los orificios taladrados
concretos tiene un efecto importante sobre la recuperación de presión global
del diseño de la válvula.
La figura 11 muestra una sección transversal de 3 tipos de
orificios taladrados que se pueden utilizar en una jaula anticavitación. El
diseño placa delgada tiene muy poca capacidad, pero proporciona un elevado
valor de FL2 y por consiguiente una recuperación de presión baja. El
diseño de placa gruesa tiene una gran capacidad, pero proporciona una
recuperación de presión alta, como lo
indica el reducido valor de FL2.
Este diseño de los internos anticavitación, es un
equilibrio entre los diseños de orificios de placas gruesas y placa delgada.
Proporcionando una capacidad relativamente alta, pero mantiene un valor alto de
FL2, queda por resultado una reducida recuperación de presión. Este
diseño representa la elección óptima entre capacidad y control de la
cavitación.
Otra ventaja de este tipo de diseño de orificios
taladrados es que el punto de la vena contracta está más lejos de la salida del
orificio en comparación con un orificio pasante recto. Por tanto, si se produce
una recuperación de presión por encima de la presión de vapor (cavitación),
tendrá lugar más lejos de la pared externa de la jaula y la magnitud de los
daños será menor.
16.
INTERNOS ANTICAVITACIÓN DST (DIRTY SERVICE TRIM)
Una desventaja del diseño de orificios taladrados es la
posibilidad de que se obstruyan los orificios. El fluido que circula contiene
con frecuencia pequeñas partículas, como por ejemplo arena, que pueden obstruir
los orificios de la jaula, limitando o interrumpiendo totalmente el flujo a
través de la válvula. Si existe esta posibilidad, será necesario eliminar las
partículas del fluido, normalmente mediante filtración, o deberá adoptarse un
planteamiento alternativo para el problema de cavitación.
Una alternativa consiste en utilizar internos
anticavitación diseñados para controlar la cavitación en líquidos con partículas
en suspensión o viscosos. Dicho interno es el DST (Interno anticavitación para
líquidos sucios) existen diseños, para que puedan pasar partículas de hasta 19
mm de grosor y se pueda controlar la cavitación hasta pérdidas de carga de 281
barg. Estos internos (Figura 12) se han utilizado ampliamente en aplicaciones
de recirculación y arranque de bombas de alimentación.
17.
JAULAS DE CARACTERÍSTICAS DETERMINADAS
La teoría del diseño de jaulas de características
determinadas ha evolucionado a partir del hecho que “el caudal es inversamente
proporcional a la capacidad para evitar la cavitación”. En aplicaciones en las
que la pérdida de carga disminuye al aumentar el caudal, se pueden utilizar
jaulas de características combinadas, previniendo la cavitación en la primera
fase de apertura de la válvula y capacidad cuando la válvula está en
porcentajes medios/altos de apertura (Figura 13). Para un diseño de interno
anticavitación caracterizado, a medida que aumenta la carrera, cambia el diseño
de la jaula. Comienza como un diseño anticavitación potente, disminuyendo su
protección a medida que se abre la válvula, terminando con un perfil de jaula
con grandes ventanas para dar la capacidad requerida.
Debe tenerse cuidado en utilizar jaulas de este tipo, ya
que solo se podrá aplicar en aplicaciones en las que la pérdida de carga
disminuye al aumentar la carrera. Para aplicaciones tales como recirculación de
bombas de alimentación, en las cuales la pérdida de carga a través de la
válvula es relativamente constante, no debe utilizarse una jaula caracterizada.
Con este tipo de internos, no es necesario instalar un
lazo en rango partido con dos válvulas, donde la válvula pequeña se diseña con
interno anticavitación y la grande con internos estándar para dar la capacidad
de caudal adecuado a la presión requerida, no podemos olvidar que los
principales dolores de cabeza que tiene el personal de operación, es
precisamente ajustar adecuadamente estos lazos, pongo por ejemplo el lazo de
nivel del calderín en una planta de energía.
18.
POSICIONES SEPARADAS DEL ASIENTO Y LA ESTRANGULACIÓN
En una central eléctrica moderna, la mayoría de las
aplicaciones con cavitación requieren una válvula de control, no sólo para
controlar la cavitación, sino también para conseguir un cierre hermético. La
mejor manera de conseguir esto consiste en separar la posición de
estrangulación de la posición del asiento como se muestra en la Figura 14. La
posición del asiento del obturador se encuentra aguas arriba de la posición de
estrangulación y la jaula está diseñada de tal manera que en ella se produce
una pérdida de carga muy pequeña. En la superficie de asiento, las velocidades
de flujo son relativamente bajas ya que la velocidad es inversamente
proporcional a la presión. Hasta hace poco tiempo, la máxima hermeticidad que
se podía conseguir, era clase V.
19.
FUGAS TSO
Para evitar pérdidas de rendimiento de la instalación, o
para asegurar una vida más larga a los internos de la válvula, se ha realizado
recientemente un avance tecnológico, que ha sido la implantación del uso de un
material del asiento más blando que el material del obturador. Esto permite una
ligera deformación del material del asiento, que proporciona un contacto mucho
mejor entre el asiento y el obturador y por tanto mejora considerablemente la
capacidad de cierre. Las válvulas que utilizan este material blando en el
asiento pueden proporcionar un cierre TSO, que es la clasificación más estricta
del cierre de válvulas, esto significa que la válvula tiene fugas “0” a la
presión máxima diferencial del proceso.
A la hora de especificar este requerimiento de fuga, se
tiene que hacer muy bien, ya que de momento no está reflejado en la norma
FCI-70.2.
20.
ALTERNATIVAS PARA EL CONTROL DE LA CAVITACIÓN
En el apartado anterior se han examinado las teorías que
justifican los tipos modernos de control de la cavitación. Esta sección
presenta alternativas de control de la cavitación que en ocasiones es costoso.
También se indican directrices para ayudar a determinar cuándo se necesitan
internos anticavitación o cuándo se puede utilizar otras alternativas.
21.
DISEÑO DEL SISTEMA
El diseño correcto del sistema hidráulico, es la manera
más económica de evitar los efectos destructores de la cavitación, sin necesidad
de aplicar válvulas de control para evitar la cavitación. Desgraciadamente,
incluso el sistema mejor diseñado puede necesitar válvulas de control del tipo
anticavitación, pero mediante la aplicación de ciertas características de
diseño se puede simplificar la complejidad de estas válvulas de control.
El método más corriente y más antiguo de diseñar un
sistema de flujo de líquido en el que tengan que producirse grandes pérdidas de
carga, es el uso de una válvula de control con internos estándar con un dispositivo
de contrapresión instalado aguas abajo. Aunque hay diversos tamaños, formas y
diseños de estos dispositivos, todos ellos realizan la misma función de
disminuir la pérdida de carga a través de la válvula de control, aumentando la
presión existente aguas abajo.
Puesto que aumenta la presión aguas debajo de la válvula,
también aumenta la presión de la vena contracta. Si el dispositivo de contrapresión
se dimensiona correctamente, la presión de la vena contracta no disminuirá por
debajo de la presión de vapor y no se producirá cavitación.
Aunque ésta es una manera sencilla y económica de
prevenir daños por cavitación en la válvula de control, hay varias
consideraciones importantes a tener en cuenta antes de utilizar un dispositivo
de contrapresión aguas abajo:
- Puede ser necesaria una válvula de mayor tamaño para
que pase el caudal, puesto que se reduce la pérdida de carga.
- Aunque no se produzca cavitación en la válvula de
control, puede producirse en el dispositivo de contrapresión.
- El dispositivo de contrapresión sólo se puede
dimensionar para una condición. Si existen otras condiciones con caudal
inferior, la contrapresión creada puede dar lugar a que se produzca cavitación.
- Si el dispositivo de contrapresión se desgasta, el
valor de la contrapresión disminuirá y puede producirse cavitación en la
válvula.
Otra desventaja que se menciona raras veces es la que se
da cuando abre una válvula contra una presión aguas arriba elevada. Hasta que
el caudal llega al dispositivo de contrapresión y se estabiliza, la válvula
experimenta la totalidad de la pérdida de carga del sistema. Aunque es posible
que esto sólo ocurra durante un período de tiempo corto, existe la posibilidad
de que se produzcan daños.
En el caso de válvulas rotativas, también se puede utilizar
inyección de aire para minimizar los efectos de la cavitación en un sistema.
Con este método, se inyecta aire aguas arriba de la vena contracta. El aire
dispersado actúa como un amortiguador cuando implosionan las burbujas de vapor,
lo cual hace que disminuya la intensidad de la cavitación. Desgraciadamente, la
posición de la vena contracta, la cantidad de aire a inyectar, etc., son
difíciles de cuantificar en algunas ocasiones.
Puesto que se inyecta aire en el sistema, este método de
control de la cavitación se suele utilizar en grandes válvulas que descargan en
un depósito o estanque.
22.
RESUMEN DEL CONTROL DE LA CAVITACIÓN
La cavitación es un fenómeno resultante de un cambio de
fases líquido-vapor-líquido. Este cambio de fases se produce cuando se estrangula
el paso de los líquidos a través de válvulas de control:
- Es necesario controlar la cavitación porque
potencialmente puede causar daños en válvulas y tuberías, además de ruido y
vibraciones.
- La vaporización es un fenómeno termodinámico con su
génesis similar a la cavitación. Sin embargo, en el caso de la vaporación, las
burbujas de vapor permanecen en la corriente del fluido en lugar de implotarse.
- La vaporización lo determina el proceso y no es posible
eliminarlo mediante la selección de las válvulas. La válvula solamente se puede
diseñar para defenderse de los efectos.
Artículo elaborado por: D. Angel Arranz
Si tiene algo que corregir o añadir agradecería que me mandara sus comentarios a:
InstrumentacionHoy@gmail.com
07/06/2015