Al final, no os preguntarán qué habéis sabido, sino qué habéis hecho (Jean de Gerson)

CAVITACIÓN Y VAPORIZACIÓN EN VÁLVULAS DE CONTROL

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.

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



cavitación y vaporización en válvulas de control

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.

Cavitación válvulas

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.

presión y velocidad válvula de control

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:

ecuación bernoilli

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.

cavitación y flashing

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).

cavitación válvulas

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.
fórmula caudal válvula

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.

ecuación válvulas de control

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.

cálculo cavitación
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.

Kc válvulas de control


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.


cálculo válvulas de control


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.

ejemplo de cavitación


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.

daños cavitación flashing

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.

formación burbujas cavitación

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

ruido cavitación válvula

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.

evitar daños flashing válvulas

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.

flashing 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.

caída de presión válvula especial

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.

acabados pasos jaula válvulas

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.

evitar cavitación

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.

internos anticavitación

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.

válvula alta presión

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.

válvula anticavitación

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

2 comentarios:

  1. Buenas tardes, me podría nombrar ejemplos de tipos de dispositivo de contrapresión que instalado aguas abajo podrían evitar que la válvula llegue a cavitar? muchas gracias!

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  2. Cuidado porq sólo se puede evitar la cavitación en un punto determinado de trabajo, lo que quiere decir que si intentas pasar la cavitación aguas abajo, seguramente te vuelva cavitar en un rango más bajo. Se podría usar por ejemplo un orificio de restricción, pero todo depende de la aplicación. Si en el rango de operación hay cavitación severa en la válvula, algo está mal diseñado. (No obstante que haya cavitación no quiere decir que se tenga que producir un daño severo)

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