Tecnología del mantenimiento para cavitación
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Javier Borda Elejabarrieta
Dr. Mech. Engineer, Msc Math Models and MBA
Former Prof of Aerospace Manuf. Systems in the ETSII of Bilbao
INTRODUCCIÓN
La cavitación es una vía sutil, constante y furtiva, que conduce al desgaste y, finalmente, a la rotura de los componentes en contacto con fluidos situados en zonas de baja presión.
El proceso de Cavitación es el siguiente:
- Un aumento en la velocidad del agua, reduce su presión, y si este descenso es lo suficientemente grande, cae por debajo de la presión de vapor del fluido en cuestión (presión de vapor PV).
- Como consecuencia, surgen burbujas de vapor que, a medida que se trasladan a puntos de mayor presión, implosionan generando un frente de onda de agua líquida que choca contra las superficies de tuberías, válvulas, turbinas o bombas.
- Este choque provoca erosión mecánica, deterioro de la superficie y, por lo tanto, una presión de flujo turbulento (que realimenta una disminución adicional en el nivel de presión local p) y, finalmente llega a provocar el agrietamiento y rotura de la pieza.
El único síntoma externo es una vibración continua de alta frecuencia y baja amplitud en el equipo (un "zumbido de fondo") porque su degradación (en términos, por ejemplo, de nivel de presión entregada y caída de presión) es lento hasta la ruptura repentina final.
1. ECUACIONES DETRÁS DE LA CAVITACIÓN
La primera de ellas, es la ecuación de Bernoulli
(1) 
Donde se entiende que si la velocidad del fluido "v" aumenta, entonces la presión local del mismo "p" disminuye, por lo que aparece cavitación en áreas de aceleración del fluido como:
- Actuadores y asientos de válvulas.
- Bordes de salida de hélices
- Puntas de las palas de las bombas
- Aguas abajo de estrechamientos en tuberías
Este efecto llega a ser muy preocupante cuando se trata de instalaciones críticas, como la vasija del reactor y los componentes de los circuitos primarios de las centrales nucleares (NPP), dado que es complicado instalar detectores en estas zonas para esta función específica.
Afortunadamente, FRAMATOME presenta un interesante desarrollo en este campo (que también puede utilizarse en otras instalaciones) que aumenta la fiabilidad y por lo tanto reduce la frecuencia de reparación, aprovechando los repostajes y paradas programadas de la planta. Se analizará posteriormente.
En segundo lugar, a partir de la fluidodinámica de las burbujas, se puede calcular su velocidad de colapso mediante:
(2) 
Relacionada con la velocidad del sonido en el fluido
En tercer lugar, la presión de vapor pv aumenta con la temperatura, como se aprecia en la conocida curva siguiente:
Esto significa que es más probable que surja cavitación en el caso de un fluido caliente que se mueve rápidamente, como ocurre a lo largo de la vasija del reactor y su circuito primario de transferencia de calor.
La fórmula de Antoine (3) proporciona la variación de pv frente a T [K] del gráfico.
(3) 
( a, b, y c, son parámetros empíricos)
Apréciese que en (3) pV crece con T, y en (2) la densidad ρ disminuye con T, con lo que la velocidad de implosión es exponencial con T.
2. TRATAMIENTO TRADICIONAL
En general, es difícil por una parte, pretender cambiar los parámetros de funcionamiento de un proceso para evitar la cavitación y por otra parte, la predicción del fenómeno mediante monitorizado on line de la vibración y del zumbido de fondo que es difícil de discriminar del producido por otras fuentes comunes como la fricción producida por elementos giratorios, ya que son el mismo tipo de señal.
Así pues, lo usual es la sustitución de los elementos afectados según un periodo de intervención “óptimo”, o esperar a que dichos elementos se rompan, lo que se detecta fácilmente por un cambio de vibración a mucha mayor amplitud y frecuencia armónica principal relacionada con el número de palas de las bombas o hélices, o una intensidad de puntos de ajuste de las válvulas contra la regulación efectiva del flujo.
Por lo tanto, sería bienvenido un sistema predictivo de cancelación durante el proceso, y esta es la solución inteligente de Framatome. Desafortunadamente, este diseño no es de aplicación general debido a restricciones geométricas y costos, pero es adecuado para piezas críticas, esperando que en el futuro se estandarice y se miniaturice el equipo
3. LA SOLUCIÓN FRAMATOME: DURANTE EL PROCESO DE FABRICACIÓN PARA EVITAR LA CAVITACIÓN
Básicamente consiste en la proyección de un chorro de agua a ultra alta presión sobre las áreas más frágiles y propensas a sufrir cavitación de la pieza que se está fabricando
Este chorro de agua crea, de forma controlada, burbujas que colapsan justo en la superficie de los componentes críticos, creando una tensión de compresión residual que los refuerza contra los impactos aleatorios de la cavitación. Así pues, es una proyección de agua que provoca cavitación controlada, localizada y precisa en la superficie de piezas que endurece su superficie.
En la práctica se utiliza en soldaduras de núcleos de reactores y toberas y tuberías de vasijas, fabricadas con aleaciones de acero inoxidable muy sensibles a la corrosión del agua borada a alta temperatura [1] del circuito de enfriamiento primario, que junto con la cavitación empeoraría las tensiones residuales acumuladas en la fabricación.
[1]. El agua con ácido bórico se utiliza en los reactores tipo PWR como moderador de la velocidad de los neutrones reduciendo cualquier posibilidad de fusión del núcleo por reacción en cadena.
APÉNDICE: FÍSICA DE LA CAVITACIÓN
- Evitar las pérdidas de presión localizadas por fricción en el flujo del fluido:
Las burbujas de cavitación, viajan desde zonas de baja presión hacia las de alta presión arrastradas por el flujo.
Las burbujas implosionan aleatoriamente, creando ondas de choque que corroen y acaban agrietando la soldadura.
Velocidad de colapso de la burbuja Vc
Debe ser una función de la velocidad del sonido en el agua. Esta última puede calcularse considerando un volumen elemental V=1 en sección y en longitud
Considerando la energía del fluido:
siendo K el coeficiente de compresibilidad : 
(Como V=1, y dp=dx=1), se obtiene:
(4) 
La velocidad de colapso, es:
Siendo ∆𝑝 ≃ 𝐾 ya que (V=1, ∆x=1)
Téngase en cuenta el coeficiente 2/ 3, que dice que VC es menor que VS, eso se debe a que la burbuja está llena de aire que debe comprimirse al colapsar, con KAIRE < KAGUA y, por lo tanto, VS AIRE < VS AGUA.
Eso es empírico, y considerando RB = 1 obtenemos:
Y como 
, se obtiene 
de donde:
(5)
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