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¡Descarga medicion de instrumentos y más Esquemas y mapas conceptuales en PDF de Medición Electrónica e Instrumentación solo en Docsity! 1 La cavitación en válvulas Vicente Sansaloni Company (vicente.sansaloni@genide.es) GENIDE - COMEVAL Introducción La cavitación es un fenómeno físico frecuente en la hidráulica consistente en el paso del líquido a gas por descenso local de la presión y cuya aparición suele traer consigo efectos nocivos para la instalación (ruido, vibraciones, erosión mecánica, disminución del caudal) Este artículo no pretende ser un tratado sobre el fenómeno ni detallar y desarrollar ecuaciones complejas sino simplemente exp licar en qué consiste, porqué puede aparecer, cómo evitarlo y en caso de ser imposible, como minimizar los efectos dañinos. Todo ello en el ámbito de las válvulas y para el agua, aunque el fenómeno también se produce en otros líquidos. ¿Qué es la cavitación? La cavitación es un fenómeno físico, mediante el cual un líquido, en determinadas condiciones, pasa a estado gaseoso y unos instantes después pasa nuevamente a estado líquido. Tiene dos fases: Fase 1: Paso de estado líquido a gaseoso (vapor) El agua, al pasar por algún estrechamiento aumenta su velocidad y sufre un descenso de presión de manera que se alcanza la presión de vapor (o tensión de vapor), pasando de estado líquido a gaseoso Fase 2: Paso de estado gaseoso a líquido Las burbujas de vapor generadas son arrastradas por la corriente llegando a una zona de mayor presión por lo que el vapor se condensa inmediatamente, el líquido circulante “invade” el espacio que ocupaba la burbuja, este fenómeno sucede prácticamente de forma instantánea en forma de implosión. Las velocidades generadas son enormes y al chocar las partículas de agua se originan golpes de ariete de altísima intensidad pero muy breves y localizados. a= sección del dispositivo de cierre 2 ¿Cuándo y dónde se puede producir la cavitación? Se puede presentar en aquellos elementos donde puedan producirse descensos de presión, estos son causados habitualmente por cambios bruscos en la velocidad Esto puede ocurrir en Elementos estáticos • Estrangulamientos bruscos • Regulación mediante orificios • Válvulas en posiciones cercanas al cierre, mal cerradas o no estancas Elementos dinámicos • Álabes de turbinas • Rodetes de bombas • Hélices de barcos • Válvulas reguladoras ¿Cómo y por qué aparece la cavitación? Como se explicaba anteriormente, la cavitación es la evaporación de un líquido. Esto depende de la energía (temperatura) y de la presión exterior. De una manera simple, la temperatura favorece la evaporación puesto que las moléculas de agua tienen más energía y tienden a expandirse, y la presión exterior es un impedimento para esa expansión por lo que a más energía y menos presión, es más fácil que se produzca la cavitación (evaporación). Esta relación viene determinada por la curva característica de presión de vapor del agua (o tensión de vapor) que relaciona temperatura y presión con el estado líquido o vapor del agua. Esta curva delimita las zonas donde el agua se va a presentar en estado líquido o gaseoso 0.01 0.10 1.00 10.00 0 20 40 60 80 100 120 Curva de presión de vapor del agua líquido vapor P re si ón [b ar ] Temperatura [°C] P re si ón [b ar ] 5 Efectos de la cavitación Una vez aparece la cavitación se empiezan a formar las burbuja de vapor. Éstas al salir de la zona de baja presión, se empiezan a comprimir, hasta que acaban implosionando. Al implosionar, el líquido que rodea la burbuja, invada el espacio que esta ocupaba formando un micro- chorro a alta velocidad. Esta implosión de las burbujas y la formación del micro-chorro se puede dar en zonas rodeadas completamente de agua o cerca de las paredes de la tubería o del cuerpo de la válvula o accesorios. Cuando la implosión de las burbujas tiene lugar cerca de las paredes de la tubería, válvula o accesorios, el micro-chorro impacta contra esas partes sólidas con velocidades que pueden superar los 1.000 m/s y picos de presión de hasta 10.000 bar provocando la erosión del material así como ruidos y vibraciones. Los principales efectos de la cavitación son: • Ruidos y golpeteos • Vibraciones • Erosión del material • Disminución del caudal por flujo de bloqueo Dirección del flujo Dirección del flujo En el centro de la tubería Burbuja de vapor totalmente desarrollada La burbuja se va deformando Implosión Microchorr o En la pared de la tubería 6 Ejemplos de daños causados por cavitación Válvula de mariposa En la siguiente imagen se aprecian daños causados por la cavitación en el disco y cuerpo de una válvula de mariposa. Las condiciones de funcionamiento de esta válvula eran las siguientes: • Presión aguas-arriba: 1,2 a 1,4 bar • Presión aguas-abajo: 0,1 bar • Velocidad: 2,2 m/s • Tiempo de funcionamiento: 2 años • Grado de apertura disco: aproximadamente 30º (33,33 %) A continuación se ve otro caso de deterioro en una válvula de mariposa que se había utilizado para regular. La válvula ha perdido gran parte del disco. 7 Válvula de compuerta En esta válvula se aprecia como a cavitación ha acabado perforando el cuerpo de la válvula. Esta se quedó mal cerrada con una sección de paso muy pequeña. Es curioso observar cómo la compuerta se encuentra en perfecto estado, esto es porque la cavitación se produce en el estrechamiento y las burbujas colapsan en un punto más adelante. De hecho si esta válvula hubiera sido de cuerpo corto, los daños se habrían producido en la tubería o en un accesorio y no en la válvula. Este tipo de daños por válvulas de compuerta semi-cerradas pueden aparecer a los pocos meses de uso. Válvula de regulación de globo En este caso se aprecian los daños caudados en una válvula de regulación de globo con cuerpo a 90º que estuvo trabajando como válvula de llenado de depósito. Válvula de regulación de paso anular Cuando se trabaja en condiciones inadecuadas, ni siquiera válvulas especialmente diseñadas para trabajar en condiciones severas, se libran de los daños. 10 Secciones de paso en diferentes tipos de válvulas Ésta característica de mantener la geometría constante proporciona un funcionamiento de la válvula muy estable y equilibrado y crea pocas turbulencias a la entrada de la válvula. Son válvulas equilibradas en presiones y esto les proporciona un accionamiento suave y bajo par de maniobra. El cuerpo esférico permite también trabajar hasta altas presiones. Las aplicaciones principales de estas válvulas son: regulación de presión o caudal, llenado de depósitos, descarga de presas, válvula de by-pass, válvula de desagüe. Tipos de cilindro de salida Las válvulas de paso anular, pueden modificarse para adaptarse mejor a las condiciones de servicio. Lo más habitual es cambiar la forma del obturador o cilindro - Cilindro recto (estándar) Cilindro recto Esta es la configuración estándar. El pistón acaba en un pequeño cilindro recto que al estar el pistón retraído deja el paso completamente libre y que al avanzar va cerrando el paso hasta que este se cierre completamente una vez hace contacto con la junta de estanqueidad. Esta configuración es de aplicación cuando los diferenciales de presión no son muy elevados o en los casos donde se requiere una gran capacidad (baja pérdida de carga) como descarga de presas y válvulas de control de bomba. Energía de presión Presión alta Presión alta Presión baja Válvula de Válvula de 11 - Cilindro ranurado o perforado Cilindro perforado o ranurado (posición 100% abierto) El cilindro perforado o ranurado consiste en una prolongación del pistón que puede estar perforada o ranurada. En posición 100% abierta el cilindro está ocupando el área de paso del agua, por lo que el agua se fuerza a pasar por los orificios o ranuras, forzando a las posibles burbujas de cavitación a ir a gran velocidad hacia el centro del chorro, colapsando rodeadas de agua y sin producir daños mecánicos. Adicionalmente estos orificios o ranuras cambian la relación entre carrera y cierre de la válvula, cambiando por tanto la curva característica de la misma. Entrada del agua en el cilindro Cambiando el tamaño o distribución de los cilindros y ranuras se puede adaptar la curva de la válvula a las necesidades de la instalación. Cuando la válvula empieza a cerrar, el pistón se desplaza y el cilindro empieza a salir hacia el exterior, de ésta manera el área de paso va disminuyendo. Una vez el pistón está en contacto con la junta la válvula queda completamente cerrada. Cilindro perforado en posición cerrado (el cilindro sale al exterior) - Cilindro doble perforado 12 Cuando los diferenciales de presión requeridos son muy grandes se puede instalar un cilindro doble, consistente en dos cilindros perforados paralelos y con un cierto decalaje entre las perforaciones. Cilindro doble perforado (válvula DN800 PN100) El efecto que se consigue es el hacer la reducción de presión en varias etapas. Si el cilindro tiene más escalones se haría en más etapas. Con este sistema se consiguen grandes reducciones de presión sin cavitación. Cilindro multi-etapas Reducción de presión en una etapa (izquierda) y en múltiples etapas (derecha) - Cilindro ranurado recortado El cilindro ranurado recortado es un cilindro ranurado que en la posición de la válvula 100% abierta no cubre toda el área de paso. Es por tanto una solución híbrida, facilita una baja pérdida de carga ya que en posición 100% abierta el paso de la válvula está prácticamente libre lo que permite el control de grandes caudales. En las últimas posiciones de la carrera, el cilindro ranurado recortado obtura el paso, quedando éste limitado a las ranuras, permitiendo una mayor precisión en el control de los caudales bajos y un mejor comportamiento frente a la cavitación. Válvula de esfera Válvula de paso 15 En estos diseños se estudia el diámetro, reparto y densidad de orificios para conseguir la curva característica pretendida. Válvula de control multi-chorro tipo guillotina. Obsérvese la distribución estudiada de los orificios El otro tipo es la de doble disco. Como se aprecia en la figura siguiente el principio de funcionamiento es sumamente sencillo consisten en dos discos perforados (2 y 3) y un cuerpo anular (1) que se monta entre las bridas de la tubería. El disco (2) está fijo. El disco (3), situado aguas arriba de la válvula se puede desplazar deslizándose arriba y abajo. En la posición completamente abierta, los orificios en los discos (2) y (3) coinciden. La posición completamente cerrada se obtiene por el desplazamiento del disco móvil (3) la pequeña distancia equivalente al diámetro de uno de los orificios. Válvula de control multi-chorro de doble disco. Obsérvese la distribución uniforme de los orificios Las posiciones de regulación son las intermedias, con los orificios parcialmente cerrados. El disco móvil (3) puede ser movido manualmente o por cualquier tipo de actuador. Son válvulas como se puede ver en ambos tipos, sencillas y con buenas cualidades de regulación, aún así tienen algunos inconvenientes importantes. Por su diseño constructivo no pueden trabajar en presiones elevadas, en caso de formarse cavitación, las burbujas que se forman se reparten por toda la conducción, pudiendo causar desperfectos aguas-abajo. La pérdida de carga con la válvula 100% es elevada lo que disminuye su capacidad máxima y al tener un recorrido el obturador muy pequeño se pierde precisión en el control en comparación con otros diseños. Instalación y consideraciones importantes Otra consideración muy importante es el tener en cuenta que las válvulas de regulación requieren de un flujo lo menos turbulento posible (igual que lo elementos de medición como caudalímetros y contadores) por lo que antes y después de las mismas se aconseja dejar un tramo recto de conducción antes y después de las mismas y sin elementos distorsionadores del flujo. Esto es tanto más importante cuanto mayor es la válvula. Como regla general se puede considerar un tramo recto de 5 x DN antes de la válvula y 3 x DN detrás de la misma En válvulas de gran tamaño y válvulas de paso anular es más importante estas recomendaciones ya que si trabajan con grandes diferenciales de presión y se produce cavitación, aunque ésta no afecte a la válvula 16 (recordemos que converge al centro de la conducción) sí puede hacerlo a elementos montados detrás de la misma (válvulas de mariposa, codos, tés,…) Recomendaciones de espacio de tubería recta aguas-arriba y aguas-debajo de las válvulas de control Cálculo de la cavitación Parámetros para medir la cavitación La cavitación en las válvulas se puede caracterizar por lo que se conoce como coeficiente de cavitación. El más habitual es el coeficiente de cavitación σ1 que es un parámetro adimensional definido como: 1 1σ = p - p p v ∆ Donde: • p1: Presión absoluta aguas arriba. • p2: Presión absoluta aguas abajo. • ?p: Caída de presión en la válvula, relacionada con el caudal y grado de apertura. • pv: Presión de vapor del agua a la temperatura de trabajo (absoluta). Para 20ºC es de 0.238 mca y para 4ºC es de 0.083 mca. • patm: Presión atmosférica absoluta (10.33 mca). También se utilizan otros partámetros como: 2 2 v = p - p p σ ∆ ; c 1 v k = p p - p ∆ ; Y la relación entre ellos: = k 1 c 1 11 2 + = σσ A Kc se le llama índice de cavitación. 8 a 10 x DN para cilindro recto 5 x DN para cilindro ranurado o perforado Válvula paso anular 17 Niveles de cavitación De acuerdo con Tullis, y en función de su grado de consolidación, podemos encontrarnos cuatro niveles de cavitación: incipiente, crítica, con daños incipientes y por cavitación con bloqueo. Cavitación incipiente La cavitación es incipiente a partir del momento en que se distingue el ruido que produce la misma respecto del que normalmente existe cuando la válvula no está cavitando. Se produce solo en algunos puntos de la válvula y además lo hace de modo intermitente. La cavitación incipiente se determina experimentalmente y se asocia a un valor del coeficiente de cavitación σ1 en el que comienza a aparecer. Tal y como están definidos los coeficientes de cavitación σ1 y σ2, para valores mayores que los correspondientes a la cavitación incipiente no existirá cavitación, aunque la mayoría de las válvulas pueden trabajar con valores de al σ1 y σ2 hasta un 10-15% por debajo de los valores de cavitación incipiente sin que la válvula sufra efectos negativos sobre su funcionamiento. Normalmente los valores obtenidos para al en cavitación incipiente aumentan con el grado de apertura y con el coeficiente de caudal. La cavitación puede comenzar antes en válvulas sometidas a mayores presiones o de mayor tamaño. Por ello es necesario asociar siempre el valor de σ1 con los parámetros utilizados P1 y Pv. El valor de σ1 cambia también con la diferencia P1 y Pv, aunque empíricamente se ha comprobado que para valores diferentes podemos utilizar la siguiente relación: 22,0 1 1 , )( )(         − − refv v ref11 PP PP = σσ El procedimiento de prueba para determinar el valor del coeficiente de cavitación incipiente consiste en ensayar la válvula, inicialmente con valores grandes (σ1 = 20, por ejemplo) en los que todavía no ha aparecido cavitación. Posteriormente se va aumentando el caudal o la pérdida de carga, manteniendo la presión aguas arriba (P1) hasta que aparecen los síntomas de la cavitación. Este ensayo se realizará con varios grados de apertura de la válvula. Cavitación constante o crítica La cavitación crítica aparece como el siguiente nivel de cavitación. A partir del límite inferior de cavitación crítica, esta se hace continua si bien no origina erosión importante salvo que se produzca durante mucho tiempo. Puede identificarse por medios de detección sonora (ruidos de intensidad inferior a 80 dB). Puede permitirse el funcionamiento de la válvula en estas condiciones si es de forma esporádica. Es habitual que el valor de σ1 correspondiente a la cavitación crítica sea de aproximadamente el 80% del de cavitación incipiente. Los procedimientos de ensayo son similares al caso de la cavitación incipiente. Cavitación con daños incipientes En este nivel se produce erosión y destrucción sobre las superficies sólidas. No conviene trabajar en esta zona. Este nivel de cavitación no es estable y es previo al bloqueo del caudal. La característica principal de este nivel, aparte los daños físicos, es la disminución del caudal debido a la reducción de la sección de paso, ocupada por las burbujas gaseosas en una parte importante. 20 Curva cavitación válvula mariposa (Válvulas VAG) Observamos que la válvula de mariposa estará cavitando, precisamente en el único tramo donde tenía capacidad de regulación. Así pues las válvulas de aislamiento como las mariposas y compuertas no son válvulas adecuadas para regular. No porque no puedan hacerlo sino porque lo hacen de manera ineficiente. Los coeficientes de cavitación deben de ser proporcionados por los fabricantes y son necesarios para poder estudiar el funcionamiento de la instalación. Otros fabricantes facilitan tablas donde se representan las condiciones bajo las cuales la válvula cavita. En las siguientes figuras tenemos dos ejemplos. Zonas donde existe cavitación (Válvulas Raphael) En este caso, se definen diferentes zonas de funcionamiento (2, 3, 4 y 5). La zona 1 corresponde a una situación imposible en la que la presión aguas arriba es inferior a la presión aguas abajo. En la zona 2 no existe cavitación. En las zonas 3, 4 y 5 la válvula estará trabajando en condiciones más o menos severas de cavitación. 1 2345 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 Presión aguas abajo (bar) P re si ón a gu as a rr ib a (b ar ) 21 Hay que señalar que estas tablas no son rigurosas, pues como se puede ver sólo tienen en cuenta las presiones de entrada y salida y no aspectos tan importantes como la velocidad o el grado de apertura de la válvula. Podemos consideraros orientativos siempre que estemos hablando de situaciones de uso normal, con velocidades de de no mucho más de 2 m/s y presiones aguas-abajo superiores a 1 bar y válvulas que se tenga claro que trabajarán en grados de apertura intermedios. Para casos diferentes, habría que hacer un estudio más riguroso. Zonas donde existe cavitación (Válvulas Bermad) En este segundo caso aparece como parámetro la velocidad en la tubería. Lógicamente se trata de la velocidad correspondiente a la sección nominal de la válvula (Q/Snominal). Como podemos observar, para una presión aguas arriba dada, cuanto mayor es el caudal mayor es la presión aguas abajo mínima permitida para que no exista cavitación. Como conclusión podemos decir que es necesario analizar las condiciones de funcionamiento de la válvula en toda su zona de operación, a fin de escoger la más adecuada. Es posible, no obstante, recurrir a ciertas disposiciones a fin de paliar el problema de la cavitación. Por ejemplo efectuar la regulación con varias válvulas en paralelo de diferentes tamaños, o incluso con varias válvulas dispuestas en serie. En este último caso, la caída de presión en cada una de ellas será más pequeña, por lo que el valor del parámetro σsis se verá incrementado, lo cual resulta favorable desde el punto de vista de la cavitación. Cuando la presión aguas abajo de la válvula es pequeña (por ejemplo en el caso de una válvula de alivio descargando a la atmósfera, de llenado de depósito, desagües y válvulas de descarga) la posibilidad de que aparezca cavitación es mayor, dado que disminuye el valor del parámetro σ. En este caso interesa colocar la válvula sin ningún elemento aguas abajo (ni tan siquiera un corto tramo de conducción), de manera que se facilita la entrada de aire a presión atmosférica en el orificio. De esta manera queda limitada la presión mínima hasta el valor de la presión atmosférica. Si es imprescindible realizar la descarga conducida mediante un tramo corto de conducción, interesa o bien instalar un orificio de ventilación o generar en este unas pérdidas de carga, de forma que aguas abajo de la válvula se genere una contrapresión. Para ello se reduce el diámetro del tramo o se instala algún dispositivo disipador de energía como placas orificio o difusores. Con ello se incrementa al valor de la presión aguas abajo de la válvula y, consecuentemente el del parámetro σ, lo que reduce la posibilidad de cavitación. Esta solución tiene el mismo fundamento físico que la colocación de varias válvulas en serie, lo que limita la caída de presión en cada una de ellas. 22 Conclusiones Como se ha visto, es muy importante evitar la presencia de la cavitación. Para ello es importante seleccionar y calcular las válvulas adecuadamente, al igual que elegir un tipo de válvula que vaya a resultar más efectiva. Hay soluciones muy diversas para evitar los problemas, desde hacer una reducción escalonada a montar válvulas en serie, instalar disipadores de energía, obturadores especiales,… Los fabricantes deben de proporcionar los datos necesarios para poder calcular y prever las condiciones de trabajo de las válvulas. No existen materiales “milagrosos” frente a la cavitación, sí buenos diseños que retrasan la aparición y palian los efectos de la misma. Son especialmente problemáticos los casos donde se trabaja con presiones de salida muy bajas y velocidades elevadas que los de gran diferencia absoluta entre P1 y P2 8.- Bibliografía - Cabrera, E., Espert, V., Gracía-Serra, J., Martínez, F. (1996) Ingeniería Hidráulica Aplicada a los Sistemas d Distribución de Agua - Iglesias, P., (2006) Fundamentos sobre válvulas en abastecimientos de agua - Manhardt Lindel (Erhard-Armaturen). Cavitation in closed piping System - Sansaloni, V. (2008). Válvulas de regulación en las redes de abastecimiento y distribución de agua. - Catálogos comerciales y técnicos de: VAG Armaturen, Erhard Armaturen, Valcon, Flowserve, Sapag, Parcol, Comeval.