La cavitación que se produce en las válvulas de control es un fenómeno en el que, dentro de la válvula, la presión desciende localmente hasta la presión de vapor saturado, generando burbujas que colapsan cuando la presión se recupera aguas abajo. Este colapso de las burbujas golpea continuamente la superficie metálica, provocando erosión, ruidos anómalos y vibraciones. Las bases de las contramedidas son tres: un diseño que no absorba toda la presión diferencial en una sola etapa, la selección de una estructura interna (trim) que aleje el colapso de las burbujas de la superficie del obturador, y el uso de materiales con alta resistencia a la erosión. El punto de partida es determinar la posibilidad de que se produzca a partir de la presión de entrada, la presión de salida y la temperatura del líquido de la propia línea.
Puntos clave de este artículo
- La cavitación avanza en dos etapas: “generación de burbujas por la reducción de presión dentro de la válvula → colapso por la recuperación de presión aguas abajo”, y el impacto en el momento del colapso es la causa principal de la erosión, los ruidos anómalos y las vibraciones.
- La contramedida no es una única solución universal, sino que el enfoque básico consiste en mitigarla combinando la división de la presión diferencial, la selección de la estructura del trim y los materiales resistentes a la erosión.
- La posibilidad de que se produzca puede juzgarse con cierto criterio a partir de la presión de entrada, la presión de salida y la temperatura del líquido (presión de vapor saturado), y su evaluación en la etapa de diseño resulta eficaz.
Mecanismo por el que se produce la cavitación y cómo identificarla
En las válvulas de control, cuando el flujo se estrangula en el espacio entre el obturador y el asiento, la velocidad del flujo aumenta y, en la misma medida, la presión estática desciende. Cuando esta presión local cae por debajo de la presión de vapor saturado del líquido, una parte del líquido se vaporiza y se generan burbujas microscópicas. Después, cuando el conducto se ensancha aguas abajo de la válvula y la presión se recupera, las burbujas colapsan bruscamente, y la elevada presión local que se genera en ese momento golpea repetidamente la superficie metálica.
Los ruidos anómalos se manifiestan como un sonido similar al de grava fluyendo o como un sonido agudo continuo, y pueden ir acompañados de vibraciones y ruido en el sistema de tuberías. Dado que su evolución es distinta a la del flashing (fenómeno en el que las burbujas no se recuperan ni siquiera aguas abajo y el flujo continúa en dos fases gas-líquido), observar en conjunto las tendencias del sonido, la vibración y la ubicación del daño ofrece pistas para diferenciarlos.
Ubicaciones donde tiende a concentrarse la erosión
Las burbujas tienden a colapsar en la posición donde la presión se recupera, es decir, en el lado aguas abajo del obturador, en las proximidades del asiento y en la pared interior de la tubería aguas abajo, y el daño también tiende a concentrarse en esas zonas. Cuando se observa una superficie erosionada de aspecto esponjoso o mate, formada por la aglomeración de pequeñas oquedades dispersas, ello constituye un indicio para sospechar la presencia de cavitación. Cotejar la ubicación del daño con la dirección del flujo ayuda a estimar la causa.
Criterios de decisión para el diseño y la selección que suprimen su aparición
La posibilidad de que se produzca puede evaluarse de antemano en cierta medida a partir de la relación entre la diferencia de presión de entrada y de salida (presión diferencial) y la presión de vapor saturado correspondiente a la temperatura del líquido. En general, cuanto más próxima esté la presión de salida a la presión de vapor saturado y cuanto mayor sea la presión diferencial, más fácilmente se producirá. En los líquidos a alta temperatura, la presión de vapor saturado aumenta, por lo que hay que tener en cuenta que, aun en las mismas condiciones de presión, se produce con mayor facilidad.
El enfoque de las contramedidas se divide en tres grandes puntos. En primer lugar, en lugar de absorber toda la presión diferencial en una válvula de una sola etapa, se distribuye la caída de presión mediante reducción en varias etapas o el uso combinado de orificios, mitigando así el descenso local de la presión. En segundo lugar, se selecciona una estructura que aleje la generación y el colapso de las burbujas de la superficie del obturador, como los trim de varias etapas que dividen el flujo en múltiples trayectorias y reducen la presión de forma escalonada. En tercer lugar, en condiciones en las que el colapso es inevitable, se emplean materiales duros de alta resistencia a la erosión o recargues de tipo estelita para frenar el avance del daño.
Mitigación posible desde la operación y sus límites
No solo en instalaciones nuevas, sino también en líneas existentes, en algunos casos es posible reducir la carga revisando las condiciones de operación. Por ejemplo, comprobar si no se está estrangulando la presión de salida más de lo necesario, o estudiar la posición de instalación de la válvula (una posición en la que se pueda asegurar la contrapresión aguas abajo). No obstante, según las condiciones, estos efectos son limitados, y ante condiciones de presión diferencial fundamentalmente severas es necesario actuar sobre la estructura y el material de la válvula. Como continuar con una operación de estrangulamiento forzado hace avanzar el daño, recomendamos organizar las condiciones cuanto antes.
Preguntas frecuentes
P1. ¿En qué se diferencian la cavitación y el flashing?
R1. Ambos coinciden en que se generan burbujas por la reducción de presión, pero en la cavitación la presión se recupera aguas abajo y las burbujas colapsan, mientras que en el flashing no se recupera y el flujo continúa en dos fases gas-líquido. La forma en que se produce el daño también es distinta.
P2. ¿Si hay ruidos anómalos, se trata siempre de cavitación?
R2. No necesariamente. Los ruidos anómalos también se producen por otros factores, como el flashing, una velocidad de flujo excesiva o la resonancia. Además de la naturaleza del sonido, comprobar en conjunto las condiciones de presión y la ubicación del daño sirve de orientación.
P3. ¿Se resuelve endureciendo el material?
R3. Los materiales resistentes a la erosión son un medio eficaz para retardar el avance del daño, pero no detienen su aparición en sí. El planteamiento básico es considerarlos junto con la distribución de la presión diferencial y la estructura del trim.
P4. ¿A partir de qué nivel de presión diferencial hay que prestar atención?
R4. No es posible indicar un umbral uniforme. Como varía en función de la proximidad entre la presión de salida y la presión de vapor saturado, de la temperatura del líquido y de las características de recuperación de presión de la válvula, se juzga mediante un cálculo estimativo para cada condición. Como orientación, cuanto mayores sean la temperatura y la presión diferencial, mayor atención se requiere.
P5. En una válvula existente la erosión está avanzando. ¿Qué debo hacer primero?
R5. Registre la ubicación del daño y la dirección del flujo, las presiones de entrada y de salida durante la operación y la temperatura del líquido, y determine si se trata o no de cavitación. Sobre esa base, estudie si basta con relajar las condiciones o si es necesario cambiar la estructura y el material.
P6. ¿Qué información se necesita para calcular las condiciones de aparición?
R6. Lo básico es la presión de entrada, la presión de salida, la temperatura del líquido (presión de vapor saturado), el caudal y el tipo de líquido. Cuando se dispone de estos datos, resulta más fácil estimar, con cierto criterio, la posibilidad de que se produzca y la orientación de las contramedidas necesarias.
Resumen
La contramedida contra la cavitación en las válvulas de control consiste en, primero, determinar la posibilidad de que se produzca a partir de la presión de entrada, la presión de salida y la temperatura del líquido, y, sobre esa base, combinar según las condiciones la distribución de la presión diferencial, una estructura de trim que aleje el colapso de las burbujas de la superficie y materiales resistentes a la erosión. En todos los casos, partir de una “orientación” y ajustarla a las condiciones reales de la propia línea es lo que determina la precisión.
Si tiene alguna dificultad como “hay ruidos anómalos y vibraciones, pero no puedo determinar si la causa es la cavitación”, “conozco la presión de entrada y de salida, pero dudo sobre la selección de la válvula de contramedida” o “en una válvula existente la erosión está avanzando y quiero consultar cómo renovarla en las mismas condiciones”, organice las condiciones de presión, temperatura del líquido, caudal, etc., y aproveche la consulta técnica y de selección de Yoshitake. Sobre la base de las condiciones de operación, estudiaremos junto con usted la selección de la válvula con la estructura y el material adecuados.