erosión por cavitación

Monografía
Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
ELECTRICA
ZONA POZA RICA-TUXPAN
ESTUDIO TEÓRICO SOBRE LA EROSIÓN
POR CAVITACIÓN
MONOGRAFIA
QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA
EDUCATIVA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL DE
INGENIERIA MECANICA ELECTRICA
PRESENTA
EFRÉN MONTIEL CRUZ
DIRECTOR DEL TRABAJO RECEPCIONAL
DR. JUAN RODRIGO LAGUNA CAMACHO
POZA RICA DE HGO., VER
Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica
2012
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AGRADECIMIENTOS
A DIOS:
Por haberme permitido vivir, por estar siempre a mi lado en los momentos mas difíciles,
por darme las oportunidades brindadas, gracias por permitirme realizar una meta más en mi
vida.
Por darme la oportunidad de existir, darme la dicha de tener una gran familia y unos padres
que me supieron guiar por un buen camino;
Por permitirme salir adelante a pesar de los obstáculos que se presentaron y bendecirme a
cada instante de mi vida.
A MIS PADRES:
Prisciliano Montiel Santiago y Flavia Cruz Malerva, les dedico este trabajo por el
significado que tiene para mí, por su confianza incondicional, su cariño y apoyo en las
ocasiones cuando más los necesite, por sus consejos y valores familiares que me inculcaron
gracias Mamá, Papá por permitirme culminar esta etapa de mi vida.
Por todo el tiempo dedicado, el amor, paciencia, apoyo moral, económico e incondicional
que me brindaron sin importar los sacrificios que tuvieron que pasar para poder alcanzar
esta meta.
Por formar parte de este esfuerzo que no se vio truncado.
Porque no hay algo más hermoso en la vida que ser amado.
A MI HERMANA Y A MI HERMANO:
Marlen y Alejandro, Les agradezco su amor y su cariño.
Gracias por formar parte de mi niñez y esos maravillosos momentos que hemos
compartido.
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AL DIRECTOR DE ESTE TRABAJO:
Dr. Juan Rodrigo Laguna Camacho.
Por aceptar auxiliarme y dirigirme en este trabajo recepcional, pero sobre todo por ser un
gran amigo que me brindo su confianza y valioso apoyo incondicional.
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CONTENIDO
INDICE
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………….…………….…..6
CAPITULO I…………………………………………………………….…………...........8
JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………………….…….....8
NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO…………………………………………...……... 9
ENUNCIACIÓN DEL TEMA…………………………………………………………..…………………...10
ESTRUCTURA DEL TRABAJO………………………………………………………………..…................11
EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO…………………………………….………..…13
CAPITULO II……………………………………………………………………...……..15
DESARROLLO DEL TEMA…………………………………………………………………………….…....15
MARCO CONTEXTUAL………………………………………………………………………………….….15
MARCO TEÓRICO………………………………………………………………………………………...…16
1. EROSIÓN POR CAVITACIÓN…………………………………...………………………………….….16
1.1 ANTECEDENTES………………………………………………………………...………………………16
1.2 CLASIFICACIÓN……………………………………………………...………………………………….17
1.3 DEFINICIÓN DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN………………………...……………………….……20
1.4 ETAPAS DE LA EROSIÓN POR CAVITACIÓN……………………………………………...……..…25
1.5 EFECTOS DEBIDO A LA EROSIÓN POR CAVITACIÓN………………………………………….….28
2. MECANISMOS DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN……………………………………………….….40
2.1 MICROCHORRO (MICROJETS)…………………………………………………………...…………....40
2.2 ONDAS DE CHOQUE……………………………………………………………………………...….…41
2.3 CORROSIÓN COMO FACTOR PARA INCREMENTAR EROSIÓN POR CAVITACIÓN………...…46
2.4 EROSIÓN-CORROSIÓN…………………………………………………………………..…………..…47
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2.5 CASOS DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN EN SERVICIO REAL……………………………..……...52
3 DESCRIPCIÓN DE EQUIPOS PARA REALIZAR INVESTIGACION
DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN…………………………………………………………………..….....55
3.1 INTRODUCCIÓN DE LA NORMA ASTM G32……………………………………………...............…55
3.2 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO ULTRASÓNICO PARA PRUEBAS DE EROSIÓN POR
CAVITACIÓN……………………………………………………………………………………………...…59
3.3 DESCRIPCIÓN DE OTROS EQUIPOS PARA REALIZAR PRUEBAS DE EROSIÓN POR
CAVITACIÓN………………………………………………………………………………………………...67
3.4 REVISIÓN DE ARTÍCULOS RELACIONADOS A EROSIÓN POR
CAVITACIÓN……………………………………………………………………………………………...…70
TRATAMIENTO DEL TEMA…………………………………………………………………………..……72
CAPITULO III…………………………………………………………………..……..…74
CONSIDERACIONES FINALES…………………………………………………...………………………..74
ANEXOS………………………………………………………………………………………………….…...75
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INTRODUCCION
Durante los últimos 100 años el fenómeno de desgaste erosivo por cavitación, ha sido un
tema de estudio por científicos e ingenieros, debido a que ha ocasionado graves problemas
en la industria.
El uso de la cavitación acústica e hidrodinámica inducida, parece ser un medio prometedor
para el análisis de la formación de burbujas de vapor o de gas en un líquido por efecto de
una reducción en la presión a temperatura constante. Una vez que se forman las burbujas,
curre el colapso de las mismas, al llegar a una zona de alta presión, lo cual provoca el daño
en la superficie de los materiales con los que interactúan. En consecuencia el análisis e
inspección, el mantenimiento y la reparación son vitales para el desarrollo de maquinaria
hidráulica resistente a dicho fenómeno, evitando así pérdidas económicas, por tiempos
muertos en la maquinaria empleada.
La cavitación acústica se ha utilizado ampliamente para estudiar este fenómeno; donde las
ondas de choque y microchorros surgen de los colapsos de las burbujas y tienen la
capacidad de causar la degradación de los materiales a través del impacto y la erosión. El
rápido crecimiento y el colapso de la burbuja, puede ser inducido por una fuente de sonido
ultrasónico que se efectúa utilizando las ondas de sonido de alta frecuencia [1].
La información disponible sobre la erosión por cavitación en la literatura, es importante y
necesaria para entender y mejorar los procesos de diseño, construcción y mantenimiento de
maquinaria hidráulica, hoy día no se podría minimizar o prevenir este fenómeno sin las
investigaciones que han sido realizadas en varios países.
[1] Gogate PR, Pandit AB.”Sonochemical Reactors: Scale up UltrasonicsSonochemistry”. 2004.
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CAPÍTULO I
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JUSTIFICACIÓN
La presente monografía, aborda el tema del desgaste causado por la erosión por cavitación.
En algunas aplicaciones de ingeniería y en investigaciones de laboratorio las superficies son
afectadas por la formación de burbujas de vapor o de gas en un líquido por efecto de una
reducción en la presión a temperatura constante.
Debido a esto, es importante realizar un estudio teórico que contribuya a conocer este
proceso de desgaste y los mecanismos involucrados. Esto, como se ha mencionado
anteriormente, tendrá incidencia directa en experiencias educativas tales como: Ciencia de
los materiales, estructura y propiedades de los materiales, fundamentos de mecánica de
materiales, mecánica de los materiales, diseño mecánico y física. Esto ayudará a mostrar a
los alumnos evidencia del daño que es posible observar en los componentes o piezas
mecánicas en la industria a causa de este proceso. El objetivo principal de este trabajo es
elaborar un documento informativo para toda persona interesada en este tema.
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NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO
El presente trabajo, trata sobre la erosión por cavitación, que es un proceso dañino para los
materiales que ocurre como resultado de la cavitación. La "cavitación" se refiere a la
ocurrencia o formación de burbujas de gas o vapor, formados en líquidos que fluyen,
debido a la generación hidrodinámica de presiones diferentes. Este daño resulta en una
acción de martilleo cuando las burbujas "cavitan" o sufren un colapso, en el líquido en
flujo. Las altas presiones causadas por el colapso de las burbujas del vapor producen la
deformación y falla del material, y finalmente, la erosión de las superficies.
De manera general el presente trabajo en su calidad de Monografía consiste en realizar un
trabajo de recopilación y comprensión sobre la erosión por cavitación, de tal modo que esto
permita al estudiante tener los fundamentos teóricos sobre este proceso de desgaste que
afecta día a día a diversos elementos mecánicos. Por lo cual se pretende profundizar sobre
este tema de manera teórica desde comprender el fenómeno de erosión por cavitación,
clasificación, prevención, reducción del daño, hasta la utilización de materiales
convenientes en caso de presentarse este fenómeno.
El poco conocimiento en México de la ciencia conocida como Tribológia, ha generado
grandes pérdidas económicas causadas por el fenómeno de erosión por cavitación. Por lo
tanto se requiere un esfuerzo interdisciplinario para lograr un mejor entendimiento y
solución a este fenómeno.
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ENUNCIACIÓN DEL TEMA
La erosión por cavitación es un problema presente en sistemas hidráulicos, el cual genera
gran dificultad para su mantenimiento, convirtiéndose así en un obstáculo para el
rendimiento de dichos equipos, se debe considerar cuidadosamente las medidas adecuadas
para la selección de materiales, diseño mecánico y como reducirla al mínimo, esto es a un
nivel aceptable para minimizar el costo de futuras reparaciones (facilitar el mantenimiento
o sustitución de las partes que puedan dañarse).
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ESTRUCTURA DEL TRABAJO
Para su desarrollo, este trabajo consta la introducción y de tres capítulos.
En el capítulo I se presenta la justificación, naturaleza, sentido y alcance de trabajo,
enunciación del tema y la explicación de la estructura del trabajo antecedentes de este
proceso de desgaste y su clasificación.
Se describirá el fenómeno de erosión por cavitación un concepto sobre este fenómeno y
adicionalmente se presentarán las etapas en que se produce, desde la etapa de incubación, la
zona de acumulación del desgaste a través del tiempo y hasta una zona de equilibrio o
estabilidad del daño.
Finalmente, se da una descripción de los efectos observados debido a este proceso, como
picado intenso y corrosión, sobre la superficie de diferentes componentes mecánicos, tales
como bombas, tuberías, pistones de automóvil, válvulas de paso, etc.
En el capítulo II se tratará el desarrollo del tema y marco teórico en el que se detallan
los siguientes subtemas: erosión por cavitación, mecanismos de erosión por cavitación los
diferentes mecanismos de desgaste como microchorros (microjets), las ondas de choque
(shockwaves) que se producen después del impacto de las burbujas sobre una superficie.
Se explicarán los efectos que son causados debido a los mecanismos descritos arriba,
además, se da un concepto de corrosión y como esto puede ayudar a profundizar el daño de
erosión por cavitación. Finalmente, se presenta una descripción de lo que es erosióncorrosión y se podrán observar algunos casos reales donde es posible identificar el daño
producido sobre algunos componentes mecánicos que han sido afectados por la formación e
implosión de burbujas, corrosión y erosión-corrosión y además se describen algunos
equipos que permiten investigar la erosión por cavitación.
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Finalmente en el capitulo III se presentan las consideraciones finales, la bibliografía
utilizada en la realización de esta monografía y anexos que complementan esta
información.
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EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
El presente trabajo se estructura de la siguiente forma:
 Realizar la consulta de bibliografía que complemente el tema en referencia.
 Revisar páginas de internet que permitan contribuir a la recopilación de
información.
 Revisar artículos y documentos que presenten información sobre el tema.
 De la información recopilada, realizar una selección acorde a las necesidades del
tema.
 La información seleccionada se estructura con un criterio propio de organización y
definición.
 La información seleccionada y organizada se transferirá al proceso de redacción y
diseño.
 Promover los ajustes, modificaciones y/o cambios necesarios en el proceso de
revisión.
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CAPÍTULO
II
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DESARROLLO DEL TEMA
MARCO CONTEXTUAL
El trabajo de investigación con formato de monografía se llevará a cabo en la Facultad de
Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana en la región Poza RicaTuxpan.
Esto es por que se cuenta con la bibliografía adecuada, capacidad y tiempo necesario para
poder realizar la investigación pertinente para incrementar el conocimiento que se tiene
acerca del desgaste de erosión por cavitación. Este proceso de desgaste afecta diferentes
elementos mecánicos tales como (ejemplos: cojinetes de cigüeñales, cojinetes de bielas,
camisas de cilindros etc). Por esta razón esto es estudiado y analizado en diferentes países,
sobre todo en China, Japón, Reino Unido, Estados Unidos, y ahora empieza a ser tema de
interés en nuestro país, con el desarrollo de equipos para simular el desgaste generado y
poder dar posibles soluciones. Es importante mencionar que bibliografías de otras
instituciones como el Instituto Politécnico Nacional, así como libros y artículos de revistas
internacionales especializadas en el tema serán consultadas para alcanzar un documento de
alta calidad informativa.
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MARCO TEÓRICO
1.-EROSIÓN POR CAVITACIÓN
1.1 ANTECEDENTES
La cavitación es un problema frecuentemente encontrado en equipos hidráulicos, el cual
genera grandes problemas de mantenimiento. Las primeras observaciones sobre cavitación
fueron hechas por Isaac Newton en 1704, quien realizó estudios en zonas de baja presión
entre superficies en contacto rodante, separadas por una capa delgada de agua.
En el siglo XIX, el problema que presentaban los tornillos generados por las hélices de los
barcos de vapor, a perder su control sobre el agua, daba como resultado disminuir la vida
de los motores, lo cual había desconcertado a los ingenieros, aunque Euler previó esto en
1754 en su obra sobre las teoría de las turbinas, también afirmó que un líquido sometido a
tensión en zonas de alta velocidad, puede perder su medio continuo del fluido al formarse
cavidades de aire.
Por otra parte, en el siglo XIX Reynolds describió el fenómeno de cavitación como se
conoce hoy en día. En 1894 realizó experimentos en tubo de Venturi y observó que se
formaban burbujas en las proximidades en la disminución del diámetro, observó que puede
aumentar la temperatura del agua en un tubo abierto a temperatura ambiente a niveles de
ebullición.
Durante el año 1985, Charles Algernon Parsons, construyó el “Turbinia”, un barco de vapor
donde se dio cuenta que el agua se agitaba simultáneamente con la formación de burbujas,
como consecuencia de una reducción brusca de la presión detrás de las hélices; es decir, el
agua se impactaba en las superficies de las hélices, las cavidades no contenían aire, sólo
vapor de agua, además la mayor parte de la potencia del motor se consumía en la
propulsión del barco. Parsons diseñó y construyó para el estudio de la cavitación un circuito
cerrado en forma ovalada con sección transversal rectangular, propulsada por una hélice en
movimiento. En 1910, Parsons construyó un túnel de cavitación mas grande en Newcastle
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Upon Tyne, para el estudio de la cavitación, que le permitió hacer ensayos con hélices de
12 pulgadas de diámetro [2]. Por otra parte el termino “cavitación” apareció por primera
vez en el artículo de Sidney Barnaby y Thorny croft, donde se describe la cavitación sobre
hélices de buques, sin embargo se le atribuye al ingeniero naval, RE. Froude la invención
del término.
En 1917, Lord Rayleigh presentó un estudio sencillo y realista del colapso de una burbuja
con simetría esférica, los resultados indicaron que las burbujas contenían los elementos
necesarios para generar ondas de choque intensas y producir un daño en una superficie,
erosionando al material. Durante el mismo año Dieter Thoma definió el parámetro de
cavitación como la diferencia entre la presión absoluta en zonas susceptibles a la cavitación
y la presión de vapor del líquido. Plesset trato problemas muy relevantes para la dinámica
de burbujas, como su estabilidad en soluciones liquido-gas [3].
Hacia 1950 Glaser, inventó la cámara de burbujas, dando origen a la investigación de
cavitación inducida por radiación. Seitz explico la formación de burbujas por partículas
cargadas en líquidos sobrecalentados [4].
1.2 CLASIFICACIÓN
Se puede clasificar la cavitación según la forma en la que se produce, según el grado de
desarrollo de la misma y según la forma de manifestarse macroscópicamente [5].
a) Según la forma de producirse la cavitación se distinguen los siguientes tipos:
- Cavitación de vapor: Debida a la disminución local de la presión en el seno de un
líquido. Puede ser hidrodinámica, creada por depresiones locales debidas a la aceleración
del fluido, o acústica, debida a ondas de presión transmitidas en el fluido.
[2] Burrill, L. C. (1951). Sir Charles Parson and Cavitation. (T. I. Engrs., Ed.) Parsons Memorial Lecture, 1950, 63-149.
[3] Dopazo, C. (2008). ¿Cavitar o no cavitar? La inevitable ubicacuidad de las Burbujas. 1-89. (R.AIngenieria, Ed.) Madrid,
España.
[4] Rayleigh, L. “The dinamics of cavitation bubbles”, 1949.
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- Cavitación gaseosa: Ocasionada por la introducción desde el exterior de energía en
puntos del líquido (aumento de la temperatura, inducir vibración local de las partículas,
etc.). Se habla entonces de cavitación óptica o cavitación de partículas.
b) Según el grado de desarrollo, se distinguen:
- Cavitación incipiente: Es una etapa inicial de la cavitación en la que empieza a ser
visible la formación de las burbujas.
- Cavitación desarrollada: Se trata de una etapa en la que se tiene un número de burbujas
lo suficientemente elevado como para producir una modificación del campo hidrodinámico.
- Supercavitación: Cuando se tiene una superficie sólida sumergida, la cavitación se
extiende ocupando en su totalidad dicha superficie. Aparece, por ejemplo, en las hélices de
lanchas rápidas en las que las condiciones ante la cavitación son críticas.
-
Cavitación
separada: Etapa
final de la cavitación,
cuando está
próxima
a
desaparecer. Se produce normalmente en las zonas de estela y su importancia es mucho
menor que las anteriores [5].
c) Según su manifestación macroscópica (morfología).
- Cavitación de burbujas aisladas (bubble cavitation). Cuando el número de burbujas es
muy denso da lugar a la llamada cavitación de nube (cloud cavitation).
- Cavitación de lámina (sheet cavitation).
- Cavitación de vórtice (vortex cavitation). Es la que se encuentra en un vórtice de alta
velocidad generados principalmente, aunque no exclusivamente, al paso del fluido a través
de objetos que se encuentren inmersos en medio del sitio por el cual fluye el líquido, lo que
genera cambios de presión en estos vórtices produciendo el fenómeno.
- Cavitación de estría (streak cavitation). Es un tipo de cavitación de burbujas, en la que la
nucleación de las mismas se produce siguiendo una línea.
[5] Unioviedo, 2011, Mecánica de fluidos, Disponible en:
http://www.unioviedo.es/Areas/Mecanica.Fluidos/docencia/_asignaturas/maquinas_de_fluidos/Lecc6_r1.pdf (última visita 09 de
Septiembre del 2012)
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Existen cuatro formas de generar el crecimiento de la burbuja:
1.- Para una burbuja llena de gas, por la reducción de la presión o por el aumento de la
temperatura, se llama cavitación gaseosa.
2.- Para obtener una burbuja llena de vapor, por reducción de la presión, se conoce como
cavitación vaporosa.
3.- Para una burbuja llena de gas, si el gas viene del exterior del líquido por difusión, llena
la burbuja, al proceso se le conoce como desgasificación.
4.- Para obtener una burbuja llena de vapor, es suficiente con aumentar la temperatura, a
esto se le denomina ebullición [6].
La burbuja por lo general contiene una mezcla de gas y vapor, por lo que clasificar y
entender el origen claramente de la cavitación puede ser complicado. De acuerdo al modo
de generación la cavitación se puede clasificar en cuatro tipos diferentes como la propone
Lauterborn [7].
Lauterborn también sugirió que la cavitación hidrodinámica y acústica es causada por la
tensión del líquido, mientras que la cavitación óptica y de partícula son generadas por un
depósito local de energía. A continuación se listan las cuatro formas de cavitación
propuestas por Lauterborn:
1.- La cavitación hidrodinámica es producida por las variaciones de presión en un flujo del
líquido debido a la geometría del sistema.
2.- La cavitación acústica es generada por las ondas de sonido en un líquido debido a las
variaciones de presión.
3.- La cavitación óptica es inducida por los fotones de luz de alta intensidad que atraviesan
a un líquido.
[6] Young, F. (1989).Cavitation.Londres: McGraw-Hill.
[7] Lauterborn, W. (1979).Cavitation and Coherent Optics.Cavitation and Inhomogeneities in Underwater Acoustics, 3-12.
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4.- La cavitación de partículas se produce por cualquier otro tipo de partículas en el líquido.
1.3 DEFINICIÓN DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN
1.3.1 La erosión por cavitación es el daño mecánico de un material a causa de la presión
impulsiva generada por el continuo colapso de las burbujas [8]. Esta comienza cuando el
área de la cavitación es considerablemente grande, la zona de mayor daño ocurre en la
región de colapso de las burbujas.
Mediante pruebas experimentales se ha determinado que este fenómeno es causado
inicialmente por la depresión en algún punto o zona de la corriente de un líquido para dar
paso a la formación de burbujas, el subsecuente impacto de las mismas, existiendo un valor
límite por encima del cual, las cargas comienzan a contribuir a la fractura por fatiga. La
fractura por fatiga del material se produce a lo largo de la superficie de impacto
desprendiendo partículas.
Cavitación es un fenómeno generado por la formación cíclica de burbujas o cavidades de
vapor y/o gas, en este medio la presión estática o dinámica desciende al valor de la presión
de vapor a temperatura constante. Una vez que las burbujas son originadas, estas se mueven
atreves del líquido hasta someterse a un aumento de presión donde colapsan o implotan, es
decir regresan al estado líquido de manera súbita [9].
Las presiones pueden ser transmitidas desde el colapso de las burbujas a la superficie, ya
sea en la forma de una onda de choque o por un microchorro, dependiendo de la distancia
con la superficie.
El ciclo de formación y colapso de las burbujas se produce a alta frecuencia y la tensión
dinámica, puede causar daño en el material por fatiga [10].
[8] Okada, T., & Iwai, Y. (1989).Cavitation Erosion. (F. University, Ed.) Japon: Dpt. Of Mechanical Engineering.
[9] Knapp, R., Daily, J. W., &Hammit, F. (1982). Effects of applied stress on cavitation erosion.Wear, 283-293.
[10] Schwetzke, R., &Kreye, H. (1996). Cavitation Erosion of HVOF Coatings.En A.I C.C Berndt (Ed), Proceedings of the 9th
National Thermal Spray Conference, (págs. 153-158).
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[7] Okada, T., & Iwai, Y. (1989).Cavitation Erosion. (F. University, Ed.) Japon: Dpt. Of Mechanical Engineering.
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1.3.2 Tipos de cavitacion:
Por lo dicho precedentemente hay dos tipos de cavitación, uno con flujo y otro estando el
líquido estático:
(a) Cavitación por flujo
(b) Cavitación por ondas
Ejemplos del tipo (a) los tenemos en tuberías donde la presión estática del líquido alcanza
valores próximos al de la presión de vapor del mismo, tal como puede ocurrir en la
garganta de un tubo venturi, a la entrada del rodete de una bomba centrífuga o a la salida
del rodete de una turbina hidráulica de reacción.
Los ejemplos del tipo (b) aparecen cuando estando el líquido en reposo, por él se propagan
ondas, como las ultrasónicas [11] denominándose Cavitación Acústica, o típicas ondas
por reflexión sobre paredes o superficies libres debido a ondas de compresión o expansión
fruto de explosiones y otras perturbaciones como en el caso del golpe de
ariete,denominadas Cavitación por Shock [12].
1.3.3 El fenómeno de la erosión por cavitación.
El fenómeno de erosión por cavitación consiste en la formación, crecimiento y colapso de
burbujas en un líquido, es responsable de los daños en materiales metálicos y no metálicos
en medios líquidos.
Generalmente la formación de burbujas es causada por la disminución de presión no
obstante existe la posibilidad de que las burbujas se generen a presiones mayores a la
atmosférica. La cual es descrita en las siguientes etapas;
[11] "Acoustic fluctuations du to microbubles in the near-surface ocean", Medwin, M., J.ACOUSTIC SOC AMER., VOL 56 ,1974.
[12] "On the dynamics of heterogeneous shock cavitation", Rein, M. and Meier, G. A., INT.JOURNAL OF ACOUSTIC, VOL 71 ,1990.
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1. Se forman en el líquido numerosas burbujas microscópicas.
2. Las burbujas recién formadas se expanden o se agrandan en el líquido.
3. La presión extrema ejercida sobre las burbujas recién expandidas, se comprime
aumentando la temperatura del vapor contenido en ellas.
4. Por las burbujas colapsan ocasionando la liberación de una enorme cantidad de
energía al impacto, causando daños en la superficie del material.
1.3.4 Etapas de la Cavitación

Formación de burbujas dentro del líquido

Crecimiento de las burbujas

Colapso de las burbujas
1.3.5 Etapa 1. Formación de burbujas
Las burbujas se forman dentro del líquido cuando este se vaporiza. Esto es, cuando cambia
desde la fase líquida a la de vapor.
1.3.6 Etapa 2. Crecimiento de las Burbujas
Si no se produce ningún cambio en las condiciones de operación, se seguirán formando
burbujas nuevas y las viejas seguirán creciendo en tamaño.
1.3.7 Etapa 3. Colapso de las Burbujas
A medida que las burbujas se desplazan, la presión que las rodea va aumentando hasta que
llegan a un punto donde la presión exterior es mayor que la interior y las burbujas colapsan.
El proceso es una implosión.
Existen cuatro formas de generar el crecimiento de la burbuja:
1.- Para una burbuja llena de gas, por la reducción de la presión o por el aumento de la
temperatura, se llama cavitación gaseosa.
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2.- Para obtener una burbuja llena de vapor, por reducción de la presión, se conoce como
cavitación vaporosa.
3.- Para una burbuja llena de gas, si el gas viene del exterior del líquido por difusión, llena
la burbuja, al proceso se le conoce como desgasificación.
4.- Para obtener una burbuja llena de vapor, es suficiente con aumentar la temperatura, a
esto se le denomina ebullición [13].
La burbuja por lo general contiene una mezcla de gas y vapor, por lo que clasificar y
entender el origen claramente de la cavitación puede ser complicado. De acuerdo al modo
de generación la cavitación se puede clasificar en cuatro tipos diferentes como la propone
Lauterborn [14].
Lauterborn también sugirió que la cavitación hidrodinámica y acústica es causada por la
tensión del líquido, mientras que la cavitación óptica y de partícula son generadas por un
depósito local de energía. A continuación se listan las cuatro formas de cavitación
propuestas por Lauterborn:
1.- La cavitación hidrodinámica es producida por las variaciones de presión en un flujo del
líquido debido a la geometría del sistema.
2.- La cavitación acústica es generada por las ondas de sonido en un líquido debido a las
variaciones de presión.
3.- La cavitación óptica es inducida por los fotones de luz de alta intensidad que atraviesan
a un líquido.
4.- La cavitación de partículas se produce por cualquier otro tipo de partículas en el líquido.
[13] Young, F. (1989).Cavitation.Londres: McGraw-Hill.
[14] Lauterborn, W. (1979).Cavitation and Coherent Optics.Cavitation and Inhomogeneities in Underwater Acoustics, 3 -12.
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Fig. 1. Colapso de una burbuja con la subsiguiente formación del Jet.
Fig. 2. Colapso de una burbuja con la subsiguiente formación del Jet [15].
[15] Fainweb, 2006, cavitación
http://fainweb.uncoma.edu.ar/La.M.Hi/textos/Maquinas%20hidrualicas/CAVITACION%20(v%201.2).pdf
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Fig. 3. Proceso de formación y colapso de burbujas [16].
Después del colapso, emana una onda de choque desde el punto de colapso. Esta onda es la
que se escucha y que usualmente se identifica como ‘cavitación’.
1.4 ETAPAS DE LA EROSIÓN POR CAVITACIÓN
Thiruvengadam y Preiser, propusieron que la curva característica de la tasa de desgaste
contra el tiempo, se puede dividir en cuatro zonas: 1) Zona de incubación, donde no hay
perdida de masa, 2) Zona de acumulación, la tasa de pérdida de masa se incrementa, 3)
Zona de tasa máxima de desgaste, en la que disminuye la tasa de desgaste y 4), Zona de
equilibrio, con una tasa de desgaste constante; sin embargo, esta propuesta fue cuestionada
por Plesset y Devine, quienes demostraron que la zona de atenuación se asocia a cavidades
de menor intensidad de implosión, que atribuyeron a una amortiguación asociada a los
efectos hidrodinámicos.
[16] MecfluE, 2012, Cavitación,Disponibleen:http://mecflue.wikispaces.com/Cavitacion(última visita 05 de Septiembre del 2012).
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Por otra parte, indicaron que la tasa máxima de desgaste permanece estable por un tiempo,
y no formando un pico estrecho, como se indica en estudios previos de cavitación [16].
En información mas reciente de la literatura, el proceso de erosión por cavitación, según la
norma ASTM G 32 puede clasificarse en diferentes etapas: 1) Incubación, la pérdida de
masa es insignificante o cero, 2) Aceleración, aumenta considerablemente la perdida de
material, y la deformación plástica, 3) Tasa máxima de erosión, la superficie original
elimina por completo, 4) Desaceleración, disminución de la tasa de erosión, 5) tasa terminal
de erosión, después de que la tasa de erosión se ha reducido desde su valor máximo y
permanece constante por un periodo de tiempo suficientemente largo.
Hammit y sus colaboradores [17] clasifican el proceso de erosión por cavitación en cuatro
etapas: La etapa inicial se caracteriza por una alta tasa de perdida de volumen al inicio del
ensayo; la segunda es la etapa de incubación, en la que disminuye la tasa de pérdida de
volumen, durante esta etapa se produce un endurecimiento por trabajo en la superficie,
como consecuencia de la deformación plástica del material; la siguiente es la etapa de
aceleración, en la que se acumula la deformación plástica y comienza la remoción del
material, que se puede observar en distintas áreas de la superficie. Finalmente, la última
etapa es la tasa máxima de erosión, donde la superficie original es totalmente removida, lo
cual puede explicar que la tasa de pérdida de volumen es constante en esta etapa.
1.4.1 Resistencia a la Tracción y Nucleación
De acuerdo a lo expuesto surge el interrogante de cómo aparecen estas burbujas aparecen.
A fin de producir una cavidad en un líquido, debe primero ser estirado y posteriormente
Desgarrado. Si el líquido es considerado como un sólido, esto es inducido por un esfuerzo
de tracción. Por lo tanto, la facultad de un líquido de soportar este esfuerzo de tracción es
llamada resistencia a la tracción. La Figura 4 muestra la capacidad del agua de tener una
presión negativa (ejemplo: esfuerzo de tracción) [18].
[17]
Thiruvengadam,
A.,
&Preiser,
Resistence.TechnicalReport.Hydronautics, Inc.
H.
S
(1963).On
Testing
Materials
for
Cavitation
Damage
[18] "Cavitation, an overview ", H.Grein, Escher Wyss, Zurich, 1974
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Figura 4. Resistencia a la Tracción Teórica soportada por el agua
Estos son valores mínimos teóricos para agua absolutamente pura. Así, bajo ciertas
condiciones el agua pura puede soportar muy altas tensiones de tracción, o presiones
negativas, mucho más bajas que la presión de vaporización. Esta clase de agua, capaz de
soportar tensiones de tracción de más de 250 bar a temperatura ambiente, (125.000 veces
más bajas que la presión de vapor) puede ser producida solamente en laboratorios altamente
especializados.
Bajo tensiones de tracción un líquido generalmente se separa a la presión de vapor. El
hecho de que las tensiones de tracción antes mencionadas, y que el comienzo de la
cavitación se produzca con el arribo a la tensión de vapor, conduce a la suposición de
que las impurezas deben estar presentes en el líquido. Estos son comúnmente llamados
núcleos. El inicio de la cavitación se debe a dichos puntos de "rotura del líquido llamados
"cavidades" (de aquí el nombre del fenómeno). La tensión necesaria para "romper" o
"fracturar" el líquido, es decir vencer a las fuerzas de cohesión intermoleculares es, como se
dijo anteriormente, enorme. Cálculos teóricos, como los de Fisher [15] los cuantifican, para
el agua pura a 10ºC en 1000 bar; aunque resultados experimentales como los de Briggs [19]
lo han logrado a 277 bar. Pero el fenómeno de cavitación ocurre precisamente a bajas
presiones, ello quiere decir que en la práctica los líquidos ya están "desgarrados". A estas
[19] "Limiting negative pressure of water", Briggs, L. J., J. Appl. phys.,1950.
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fracturas previas se las denomina "núcleos de cavitación" mencionados anteriormente, y
son los iniciadores del proceso.
1.5 EFECTOS DEBIDO A LA CAVITACIÓN
1.5.1 Efectos internos
Como su nombre lo indica se produce en el interior de la burbuja. El efecto interno de la
cavitación es un aumento de temperatura local y de presión, en estas regiones puede ocurrir
reacciones químicas que normalmente no producen líquidos y por lo tanto llevan a la
formación de partículas de tamaño nanométrico (Fujikawa, 1980; Kumar, Kumar, & Pandit,
2000). Esta mezcla microscópica puede aumentar la transferencia de masa y generar
algunas reacciones.
1.5.2 Efectos externos
Se originan en el exterior de la burbuja. La presencia de cavitación produce tres efectos
externos principales: Ruido, alteración del flujo de fluidos, y daños en los materiales. El
ruido de alta frecuencia es asociado a la cavitación y se debe al colapso de burbujas y se
considera generalmente como una molestia auditiva en algunas aplicaciones, por ejemplo,
es perjudicial para los militares navales ya que delata la ubicación de los buques al
enemigo.
La cavitación modifica el flujo de los líquidos, lo cual puede provocar la disminución de la
fuerza que se puede aplicar a una superficie, por ejemplo, puede dar lugar a la limitación de
empuje de las hélices de los buques y barcos de velocidad. En las bombas centrífugas,
existe una perdida de la eficiencia debido a la presencia de cavitación, misma que puede
ocasionar la disminución en la potencia de las bombas y las turbinas [20].
[20] Hammitt, F.G. (1980). Cavitation and Multiphase Flow Phenomena.New York: McGraw-Hill.
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1.5.3 Mecanismos de cavitación
Los mecanismos de la erosión por cavitación pueden tener dos orígenes distintos:
El primero se encuentra relacionado con el hecho de que el colapso de una burbuja puede
ser inestable en cuanto a su forma. Cuando el colapso se produce en contacto o muy cerca
de una superficie sólida, las burbujas colapsan asimétricamente, formando un micro-chorro
(micro-jet) de líquido dirigido hacia el sólido [21].
El segundo, cuando ocurre el colapso de la burbuja lejos de cualquier superficie solida lo
hace de manera simétrica y emite una onda de choque en el líquido circulante [22].
1.5.4 Desgaste por erosión por cavitación

Es una acción de impacto de fluido que golpea las superficies y no a las partículas

Se produce por el colapso de las burbujas de vapor contenidas en el fluido cerca de
una superficie.

Esto sucede en zonas en que la presión aumenta repentinamente.

Si el aumento de presión es gradual, las burbujas se hacen más pequeñas pero no
colapsan.

Si el cambio de presión es repentino (violento) las burbujas se colapsan hacia dentro
(implosión) enviando chorros de fluido a alta velocidad contra la superficie (grietas
superficiales), esto se puede deber a la fatiga de la superficie.
Es similar a la acción de impacto en contra de una superficie, pero el que choca es el fluido.
[21] Naude, C., & Ellis, A. (1961).On the mechanism of cavitation damage by non-hemispherical cavities collapsing in contact with
a solid boundary. Trans. (ASME, Ed). Basic Eng. 83, 648–656.
[22] Plesset, M. S. & Chapman, R. B. 1971 Collapse of an initially spherical vapour cavity in the neighbourhood of a solid
boundary. J. Fluid. Mech. 47, 283–290.
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(b)
(a)
Fig. 5 (a) Acción de impacto, (b) Picadura [23].
1.5.5 Características de la superficie
Al igual que en otros tipos de desgaste, la erosión por cavitación produce sus propias
características superficiales específicas [23]:
1.- Grietas superficiales.
2.- Picaduras.
3.- Agujeros mellados.
4.- Túneles abovedados.
A continuación, en las figura6, se muestran ejemplos del daño ocasionado por la erosión
por cavitación:
[23] Scribd, 2011, Erosión por Cavitación for Presentación STAND Desgaste, Disponible en: http://es.scribd.com/don(última visita
02 de Septiembre del 2012).
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Fig. 6. Daño causado por la erosión por cavitación sobre algunas piezas mecánicas.
Grietas
Este cojinete de biela tiene una capa superficial de plomo-estaño que es blanda y ha sido
atacada por burbujas. Una inspección detallada muestra que la capa de plomo y estaño se
está flexionando, agrietándose y separándose de la pieza.
Picaduras
La capa de aluminio es ente cojinete de biela se está agrietando y picando en una zona de
aumento súbito de presión. La superficie ha desarrollado características irregulares y
asperezas. Notar que a medida que se remueven partículas de aluminio de la superficie,
estas partículas causan desgaste abrasivo aguas abajo y algunas se han incrustado en la
superficie blanda del cojinete.
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Agujeros mellados
La erosión por cavitación puede formar picaduras irregulares tal como se ve en esta placa
de flexión de bomba hidráulica. Una inspección más detallada revela las características de
superficie mellada causada por burbujas implosionando contra la superficie de bronce. Si se
observan con ampliación, las superficies parecen tener agujeros abovedados.
Algunas veces, las superficies que han sufrido erosión por cavitación brillan cuando se las
gira bajo luz brillante. Esta caja de bomba de agua brilla, lo que indica que las picaduras
contienen fracturas frágiles.
Túneles abovedados.
Cuando las piezas son demasiado fuertes para deformarse y desarrollar grietas, la erosión
por cavitación puede producir un aumento de ritmo de erosión superficial localizada. Como
se mencionó anteriormente, las camisas de cilindros de motores diesel pueden desarrollar
corrosión superficial localizada después de muchos meses de uso. Una inspección detallada
de este daño superficial muestra que las implosiones y la corrosión pueden eliminar metal
de la superficie de forma errática, dejando agujeros mellados y abovedados
[24]
El
rincón
del
mecánico
cat,
2012,
Desgaste
del
tipo
erosión
por
cavitación.
Disponible
en
http://lamaquinariapesadacat.blogspot.mx/2012/10/desgaste-del-tipo-cavitacion-por-erosion.html(última visita 28 de Octubree del
2012).
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Fig. 7. Daño en el cojinete de un cigüeñal.
Cojinete de cigüeñal.
En este cojinete de cigüeñal, la presión de aceite subió justo delante de esta zona de alta
carga, colapsando las burbujas que había en el aceite y golpeando la superficie. Los
cambios de presión se debieron a fuerzas de combustión presionando repentinamente la
capa de aceite atrapada.
1.5.6 Ubicación del desgaste.
Se puede obtener información observando la ubicación del desgaste por erosión por
cavitación.
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Fig. 8. Camisa de cilindro desgastada [23].
1.5.7 Causas de erosión por cavitación.
La erosión por cavitación ocurre donde hay burbujas presentes y la presión aumenta
repentinamente. Las burbujas son introducidas por aireación o por cavitación. Los
aumentos de presión son causados por restricciones, cambios en dirección de flujo, en
velocidad de flujo o en carga.
1.5.8 Condiciones que hacen posible el desgaste de los materiales.

La erosión por cavitación requiere el colapso de burbujas de vapor sobre la
superficie.

Son cuatro las condiciones que hacen posible el desgaste:
- Aireación (entrada de burbujas en el fluido)
- Cavitación (formación de burbujas al fluido)
- Implosión (colapso de las burbujas sobre la superficie)
- Las superficies de los materiales no deben ser tan fuertes (No deben soportar la
erosión por cavitación).
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Aireación
Entre las condiciones que causan aireación podemos citar fugas de aire en tuberías de
succión, bajos niveles de fluidos, operación en pendientes escarpadas, rociado de aceite a
presión y niveles altos de fluido con componentes sumergiéndose en el fluido.
Cavitación
Entre las condiciones que causan cavitación podemos citar altas temperaturas, caídas
repentinas de presión, restricciones en las entradas de las bombas, fluidos incorrectos,
cambios repentinos de carga y cambios repentinos en la dirección del flujo.
Implosión
Implosión es el fenómeno en el que las burbujas se colapsan repentinamente y se lanza un
chorro de fluido hacia delante. Las condiciones que causan implosión son aquellas que
causan un aumento repentino de presión. Si la presión aumenta gradualmente, normalmente
las burbujas disminuyen de tamaño pero no explotan [21].
1.5.9 Contenido de aire
Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la cavitación, debido a que
originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra parte un contenido levado de aire
(presión parcial de aire) disminuye la velocidad de implosión.
Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitación, ya que la resistencia
a la tracción del agua en este caso comienza a jugar un papel considerable. Para un
contenido de un 10% del valor de saturación la cavitación comienza al alcanzar la presión
de vapor. Con elevados contenidos de aire la presión para el comienzo de la cavitación es
superior a la presión de vapor, ya que en este caso el crecimiento de las burbujas está
favorecido por la difusión de gas en el líquido [25].
[25] Maquinas Hidraulicas, Resumen de las Conferencias, H. Grein, H. K. Holler, Escher Wyss,
1981.
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1.5.10 Condiciones por las que se causa la cavitación:

Fugas de aire (tuberías de succión)

Bajo nivel de fluido

Operación en pendiente escarpada

Rociado de aceite a presión

Niveles altos de fluido con componentes sumergiéndose en el fluido
En la figura 9 se muestra un claro ejemplo de cavitacion.
Fig. 9. Cavitación en una Jeringa.
1.5.11 Causas por las que se genera la cavitación:

Altas temperaturas

Caídas repentinas de presión

Restricciones en la entrada de la bóveda (ductos)

Fluidos incorrectos

Cambios repentinos de carga
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Fig. 10 Colapso de burbujas.
1.5.12 Baja resistencia superficial de los materiales
Si es por causa metalúrgica, las fuerzas de erosión por cavitación pueden producir
grietas, picaduras y astillamiento, como lo observado en la figura 11.
Fig. 11 Grietas ocasionadas por el impacto de una burbuja sobre la superficie [23].
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1.5.13 Determinación de los limites de cavitación - Punto de Incepción.
Ya que la erosión por cavitación es capaz de destruir partes vitales de la máquina en corto
tiempo es importante determinar el valor admisible de cavitación.
Los métodos experimentales de estudio de la perfomance de una máquina con respecto a
la cavitación difieren principalmente en el fenómeno físico seleccionado para determinar y
evidenciar el comienzo de la cavitación. De acuerdo a esto pueden diferenciarse tres
métodos de detección del fenómeno [26]:
1.- Por el cambio en el rendimiento hidráulico de la máquina, puesto de manifiesto en la
variación de la altura, potencia, caudal, etc.
2.- Por observación visual o fotográfica de las bolsas de vapor o burbujas en los álabes del
rotor.
3.-Por observación y medición de los ruidos y vibraciones que acompañan el
funcionamiento de la máquina.
De los tres métodos mencionados, el más exacto o el que mejores resultados de valor
práctico produce es el primero.
Pero el cambio en el rendimiento hidráulico no es suficientemente confiable por si solo
como indicación de la cavitación, ya que en ocasiones ruidos apreciables y tras indicaciones
del fenómeno pueden aparecer sin acompañamiento de cambios en dicho rendimiento.
Consecuentemente, parte de los ensayos se compensan por los otros métodos mencionados.
Los ensayos para la determinación de la cavitación por estudio del rendimiento hidráulico
son llevados a cabo de la siguiente manera:
[26] Fluid Mechanics of Turbomachinery (vol I), G. Wislicenus, Dover Publications Inc., NewYork, 1965.
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La altura total de succión de la máquina es reducida gradualmente manteniendo constantes
las otras condiciones de funcionamiento. Algunos cambios producidos en la altura,
potencia, caudal o rendimiento pueden ser atribuidos a la cavitación.
1.5.14 Formas de reducir la erosión
Como ya se dijo, la cavitación no puede ser eliminada, o en muchos casos es antieconómico
intentarlo. No obstante la erosión deberá ser mantenida en un mínimo admisible. Para
lograr ese mínimo se puede actuar sobre los parámetros geométricos y no geométricos de la
máquina.
1.5.15 Selección de los materiales
Como se expresó anteriormente la cavitación es capaz de destruir todos los materiales.
Según el grado de severidad, aún los materiales reconocidos por sus altas resistencias son
destruidos en corto tiempo. El problema que se presenta es como clasificar a los distintos
materiales según su reacción frente a la cavitación y relacionarlos unos a otros. Una
deformación plástica en el material se produce cuando la superficie metálica es expuesta a
la cavitación debido a los mecanismos de daño explicados anteriormente [27].
Los materiales empleados en las piezas de maquinaria que van a estar sujetas a cavitación
durante su operación son principalmente hechas de acero, especialmente martensítico el
cual ofrece un mejor comportamiento de resistencia a la cavitación, también la propiedad
de los aceros austeníticos de endurecerse por trabajo transformando la fase austenítica que
es la principal en su estructura a martensita le provee también aceptables propiedades de
resistencia al material contra el desgaste por cavitación.
Recubrimientos poliméricos.
Las pinturas para protección al desgaste, al contrario de las decorativas, tienen una serie de
exigencias en términos de propiedades mecánicas y tribológicas, las cuales deben
garantizarse para ofrecer la resistencia deseada. Las pinturas están compuestas
principalmente por una resina polimérica y hojuelas de sílice en la cual se suspenden
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partículas sólidas que son el pigmento de la pintura, para la protección contra la erosión por
partículas sólidas o por cavitación, pueden ser utilizadas partículas cerámicas, metálicas o
de caucho que sirven para soportar la acción de las partículas, ondas de presión o chorros
líquidos. La matriz polimérica tiene normalmente una función amortiguadora, mientras que
las partículas sirven de refuerzo y aumentan la resistencia mecánica.
2.- MECANISMOS DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN
2.1 MICROCHORRO (MICROJETS)
El colapso de una gran cantidad de burbujas de forma asimétrica, provoca que el liquido
que rodea se apresure a llenar el vacío, lo que origina un microchorro de liquido como se
observa en la Figura 12, posteriormente el microchorro rompe la burbuja con tal fuerza que
se produce una acción de martilleo, el cual puede picar la superficie del material. Se ha
reportado que puede alcanzar velocidades de hasta 1000 m/s y puede alcanzar presiones
superiores a 1 GPa [28].
Fig. 12 Esquema del colapso de la burbuja asimétrica mostrando el choque del chorro de líquido.
[27] bdigital,2009, Relación entre resistencia a cavitación y propiedades físico-quimicas y mecánicas de recubrimientos
poliméricos para aplicaciones en turbinas hidráulicas. Disponible en: http://www.bdigital.unal.edu.co/2291/1/8125262.2009_1.pdf
(última visita 06 de Septiembre del 2012).
[28] Arviza, J., Balbastre, I., & González, P. (2002). Ingeniería rural: Hidráulica. Valencia: Universidad Politécnica de Valencia.
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Fig. 13 Fotografía real del colapso de la burbuja [29].
2.2 ONDAS DE CHOQUE.
En la mecánica de fluidos, una onda de choque es aquella onda de presión abrupta
producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido en el medio
correspondiente [30], así mismo a través de diversos fenómenos produce diferencias de
presión extremas e incremento de la temperatura. La onda de presión se desplaza como una
onda frontal que se percibe como explosiones.
Dicho término también se aplica para designar a cualquier tipo de propagación ondulatoria
y por tanto, se transporta energía a través de un medio continuo o el vacío, de tal manera
que su frente de onda provoca un cambio abrupto de las propiedades del medio [31].
Para que las ondas de choque puedan provocar daño a un material, es necesario que el
colapso ocurra muy próximo a las superficies del sólido donde interactúa.
[30] Umaine, 1993, Development of a cavitatation erosion resistant advance material system, Disponible en:
http://www.umaine.edu/mecheng/peterson/Service/Grad/Grad_students/Thesis/Cavitation%20Erosion%20Thesis%20Final%20(Ke
n%20L).pdf(última visita 05 de Septiembre del 2012).
[31] Potter, M.,&Wiggert, D. (2002).Mecánica de fluidos (Tercera edición ed.). México, D.F. Thomson Learning.
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Se han medido presiones superiores a 100,000 psi en las ondas de choque producidas por
burbujas de cavitación [32].
2.2.1 Mecanismos de daño
Rayleigh mostró la posibilidad del surgimiento de elevadas presiones y velocidades debido
al colapso de burbujas. En su trabajo utilizó un balance de energía para mostrar la
posibilidad de surgimiento de altas presiones originadas en el colapso de las burbujas.
De las suposiciones propuestas por Rayleigh, la que más influye es aquella donde afirma
que la presión interna puede ser despreciada. En realidad siempre existirá una cierta
cantidad de aire o gases disueltos en el líquido, y en el interior de la burbuja siempre
existirá vapor debido a su propia nucleación. Por otro lado la presión en el interior de la
micro-burbuja no puede ser despreciada. Parte de la energía de colapso es utilizada para
comprimir los gases o vapores en el interior de la burbuja, los cuales alcanzan presiones y
temperaturas muy altas.
Las consecuencias de este hecho se pueden entender mejor de la siguiente forma.
Durante el colapso, ocurre un flujo de fluido en dirección a la burbuja, provocando
aumento de presión en la interface burbuja/líquido y acelerando cada vez más la interface.
El colapso se da de manera tan rápida que parte del vapor presente en la burbuja no tiene
tiempo suficiente de condensarse. Así, el vapor (y también cualquier gas disuelto) será
comprimido a una alta presión que, eventualmente, será suficientemente alta para
interrumpir el colapso y hacer que la burbuja crezca nuevamente de forma explosiva,
emitiendo ondas de presión o de choque, conforme se esquematiza en la figura 14.
[32] Anderson, J. D (1984).Fundamentals of Aerodynamics (Terceraedición.Ed).McGraw-Hill.
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Fig. 14 Representación esquemática del fenómeno de nucleación y colapso de micro-burbujas y la emisión de
ondas de choque. [33].
Las ondas de presión emitidas durante el crecimiento explosivo de las burbujas son las
responsables por el daño del material. Estas ondas de choque que generan elevadísimas
presiones, son capaces de alcanzar valores del orden de GPa y actúan en un intervalo de
tiempo muy corto sometiendo al material a una tasa de deformación muy alta.
Este mecanismo continuaría indefinidamente sino existieran mecanismos de disipación de
energía. La disipación de energía ocurre en virtud de la viscosidad del fluido, que de
manera general, puede ser considerado como un factor de amortiguamiento, transformando
la energía mecánica del colapso en energía térmica. La viscosidad también reduce la tasa de
crecimiento o colapso de las micro-burbujas, reduciendo con esto el daño potencial.
La compresibilidad del líquido tiene gran influencia en la formación de las ondas de
choque y en la siguiente fase al colapso, la compresibilidad del fluido causa una atenuación
de las ondas de choque emitidas y disminuye el daño total provocado.
Para que las ondas de choque puedan provocar daño a un material, es necesario que el
colapso ocurra muy próximo a las superficies sólidas. Pero cuando el colapso ocurre
próximo a una superficie sólida ésta altera el flujo y da origen a un segundo mecanismo de
daño posible: los micro-chorros.
[33]Itescam, 1998, Desgaste de materiales,Disponible en:http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r73632.PDF
(última visita 05 de Septiembre del 2012).
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Cuando el colapso de la burbuja ocurre próximo a una superficie sólida, el flujo en la
región entre ésta y la burbuja es restringido. Así la velocidad de contracción de la burbuja
en esa región es menor que en las regiones de la burbuja más distantes de la superficie
sólida. Esa diferencia de velocidad de contracción, provoca una asimetría del colapso, esto
explica porque las micro-burbujas no presentan una forma esférica.
El comportamiento de pérdida de esfericidad de las burbujas es presentado en la Figura 15.
Con la continuación del colapso, hay una aceleración de la burbuja y por consiguiente la
formación de un micro-chorro, siendo este otro mecanismo de daño posible, además de las
ondas de presión.
Fig. 15 Modelos de formación de microchorros [34].
[34] Análisis de fractura, 2011, Fatiga térmica, Disponible en:
http://www.analisisdefractura.com/?s=Fatiga+mecanica&search=Search(última visita 07 de Septiembre del 2012).
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Por lo tanto, existen dos mecanismos por los cuales el crecimiento y colapso de burbujas
pueden causar daño al material en regiones vecinas al colapso: la emisión de ondas de
choque y los micro-chorros. La pregunta de sí el daño por cavitación es provocado por
ondas de presión o por micro-chorros es un asunto aún controversial en la literatura.
Durante la década delos 40 y 50, se creía que las ondas de presión eran el mecanismo
responsable por el daño. Con el descubrimiento de los micros-chorros, fue entonces puesta
atención a las presiones generadas por estos. Así que la pregunta aún no fue resuelta y la
posición actual es que el daño es provocado por la acción conjunta de estos dos
mecanismos.
Fig. 16 Proceso completo de una micro burbuja. [34].
Fig. 16. Proceso completo de una micro burbuja [34].
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2.3 CORROSIÓN COMO FACTOR PARA INCREMENTAR EROSIÓN
POR CAVITACIÓN
En un medio donde comúnmente se presenta la cavitación, y que al mismo tiempo es un
medio corrosivo, como en agua de mar o un medio ácido, tanto la erosión mecánica como
la corrosión están presentes y pueden interactuar entre sí de forma sinérgica, lo que puede
agravar el ataque contra el material. En este caso el proceso se conoce como cavitacióncorrosión [35].
La corrosión es la oxidación electroquímica de la materia. La interacción de la corrosión
con la cavitación puede tener efectos que pueden conducir a un daño mayor. El daño por
cavitación se atribuye parcialmente a efectos de desgaste mecánico. Por otra parte el
mecanismo de cavitación puede inhibir o reducir los efectos nocivos de la corrosión La
corrosión se origina cuando ocurre el colapso de la burbuja, ya que destruye la película
protectora.
Mediante los siguientes pasos:
1. Se forma una burbuja de cavitación sobre la película protectora.
2. El colapso de la burbuja causa la destrucción local de la película.
3. La superficie no protegida del metal esta expuesta al medio corrosivo y se forma
una nueva película por medio de una reacción de corrosión.
4. Se forma una nueva burbuja en el mismo lugar, debido al aumento de poder de
nucleación de la superficie irregular.
5. El colapso de la nueva burbuja destruye otra vez la película.
6. La película se forma de nuevo y el proceso se repite indefinidamente hasta formar
huecos bastante profundos.
El mecanismo anterior también funciona sin la presencia de una película protectora, ya que
la implosión de la burbuja ya es suficiente para deformar el metal plásticamente y arrancar
pedazos de material, por lo que la cavitación es un fenómeno de corrosión- erosión.
[35] ASTM. (2002). Norma ASTM G 40 Standard Terminology Relating to Wear and Erosion.Philadelphia, USA.
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2.4 EROSIÓN-CORROSIÓN.
2.4.1 La erosión-corrosión: Mecanismos
La erosión es la perturbación de la película superficial de un material, causado por las
corrientes de alta velocidad que fluyen más allá del material dado. A la eliminación de la
película protectora de la superficie se le llama corrosión. La erosión y la corrosión tienen un
efecto sinérgico una sobre la otra, y como resultado, los dos son a menudo agrupados juntos
como un fenómeno [36].
La erosión-corrosión se ilustra en las figuras 17 y 18. A continuación.
Dirección del flujo del fluido.
Película de
corrosión.
Agujeros por corrosión.
Superficie de metal original.
Fig. 17 Erosión -corrosión.
Fig. 18 La erosión-corrosión de tubos de latón, c mostrando agujeros individuales con subvaloración en la
dirección aguas abajo [37].
La erosión-corrosión se acelera a menudo en los codos de un tubo, la constricción del tubo,
y las corrientes del fluido en cualquier lugar se alteran y hay un aumento de la turbulencia.
Otros aspectos que incrementan la erosión por corrosión son la corrosividad del fluido, un
[36] March, P., & Hubble, J. (1996). Evaluation of Relative Cavitation Erosion Rates For Base Materials, Weld Overlays, and
Coatings. Report No. WR28-1-900-282. (T.V. Laboratory, Ed.) Tennessee, USA.
[37] Corrosionist.com, 2006, TypesErosionCorrosion, Disponible en:
http://www.corrosionist.com/Corrosion_Types_Erosion_Corrosion.htm(última visita 09 de Septiembre del 2012).
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Página 47
Monografía
Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
flujo de dos fases, tal como vapor y agua, o un flujo en el que los sólidos suspendidos están
fluyendo con el fluido [38].
Las presiones más altas y temperaturas de fluidos también han demostrado que aumenta la
erosión-corrosión.
La baja resistencia, a la corrosión de algunas aleaciones, como acero al carbono, cobre y
aluminio son mucho más susceptibles a la corrosión por erosión que las aleaciones de alta
resistencia a la corrosión, como acero inoxidable, aleaciones de níquel y titanio. Las tres
aleaciones posteriores tienen una película mucho más duradera (superficie pasiva), que
indica que este puede ser un factor en la elección del material para la resistencia contra la
erosión-corrosión.
El mecanismo de la erosión-corrosión no se conoce completamente. Muchos modelos se
han propuesto, pero cada uno tiene un defecto en particular. El mecanismo de las plaquetas
de la erosión es una buena manera de explicar el mecanismo básico para la corrosión.
Turbulencias pequeñas en el flujo del líquido pueden causar una pequeña cavidad en la
película pasiva del material (figura 19a). La cavidad pequeña, luego provoca una mayor
turbulencia y el fluido puede cortar la película protectora de óxido sobre la superficie y
separar el material (Figura 19b).
La erosión- corrosión toma la forma de surcos, y hoyos. (Figuras 19c-d).
[38] Unioviedo, 2011, Mecánica de fluidos, Disponible en:
http://www.unioviedo.es/Areas/Mecanica.Fluidos/docencia/_asignaturas/maquinas_de_fluidos/Lecc6_r1.pdf(última
Septiembre del 2012).
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visita
09
de
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Fig. 19 Proceso de erosión-corrosión [39].
2.4.2 Erosión-Corrosión: Prevención
Existen varios métodos para prevenir o minimizar los daños resultantes de la erosióncorrosión. Entre los más importantes a considerar, se tienen los siguientes:
1. Selección del material. Seleccionar los materiales que tengan mayor resistencia a la
erosión-corrosión.
2. Consideraciones de diseño. Agilizar el flujo, evitar los diseños que crean turbulencia.
Minimizar los cambios bruscos en la dirección del flujo. Evitar las obstrucciones del flujo
en el diseño o las obstrucciones que pueden surgir en las operaciones, aumentar el grosor
del material en las zonas vulnerables.
3. Aireación del medio ambiente. Es un método eficaz para la reducción de riesgos de
erosión por cavitación ha sido ampliamente experimentado, se ha establecido que la
incorporación de aire al flujo demora o elimina el proceso del surgimiento y desarrollo de
erosión por cavitación. También se ha establecido que la introducción de pequeñas
cantidades de aire modifica las condiciones de fluctuación de presión tanto en estructuras
macroturbulentas como en flujos turbulentos a pequeña escala originados en
[39] Corrosionist.com, 2006, TypesErosionCorrosion, Disponible en:
http://www.corrosionist.com/Corrosion_Types_Erosion_Corrosion.htm(última visita 09 de Septiembre del 2012).
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Página 49
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
irregularidades. Superficiales estos efectos se deben a la disminución del modulo de
compresibilidad del agua producido por el contenido de microburbujas de aire.
4. Especificación de revestimientos adecuados o recubrimientos. Los revestimientos duros
pueden ser útiles en algunas situaciones y donde las superficies están expuestas a medios
ambientes agresivos.
5. La protección catódica. Proporcionar protección catódica siempre que sea posible.
2.4.3 Efecto de la cavitación en el proceso de corrosión
La cavitación puede tener una variedad de efectos en el proceso de corrosión,
incluyendo:

La eliminación de cualquier película protectora de la superficie del metal.

Aumento de las tasas de difusión de los gases disueltos en la superficie del
metal.

Aumento de la velocidad de eliminación de los materiales por la reacción a
la corrosión de las proximidades de la superficie.
2.4.4 Efecto de la corrosión en el proceso de la cavitación
El proceso de corrosión electroquímica puede ser descrito por dos reacciones: La reacción
anódica, que consiste en la oxidación del metal y la reacción catódica, que por lo general
consiste en el desprendimiento de hidrógeno; lo cual puede generar que:

Los gases disueltos puedan amortiguar la implosión de las burbujas y reducir sus
efectos perjudiciales.

Es posible que las partículas sólidas producidas por el proceso de corrosión, puedan
actuar como núcleos de cavidades y con ello aumentar la aparición de cavitación.
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Página 50
Monografía
Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
2.5.5 Problemas de erosión por cavitación
El daño que la cavitación puede causar en un material cuando se colapsan las burbujas en
las proximidades de la superficie, ha sido estudiado por muchos años por científicos e
ingenieros. Cuando este colapso se produce cerca de una superficie solida, la reproducción
de colapsos de millones de burbujas puede provocar falla por fatiga superficial, y como
consecuencia el desprendimiento de fragmentos de material dando origen a la erosión por
cavitación. La figura 20, se observa el daño ocurrido por una inadecuada presión de succión
y velocidad de rotación.
En la figura 21, muestra un impulsor de acero inoxidable dañado por cavitación en el
centro y filo exterior de una hoja (indicado por las flechas).
Fig. 20. Daño por cavitación-corrosión de un impulsor de aleación de níquel en contacto con soluciones de
HCl.
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Página 51
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Fig. 21. Impulsor de una bomba rotatoria [34].
2.5 CASOS DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN EN SERVICIO REAL.
2.5.1 DIAGNÓSTICO DE AVERÍAS:
A pesar de que las máquinas hidráulicas son uno de los elementos más fiables desde el
punto de vista de la operación, pueden sufrir averías más o menos intempestivas. El
servicio técnico de diagnóstico de averías está especializado en aquellas que tienen su
origen en un problema mecánico y/o hidráulico. Las causas que pueden provocar una avería
en un grupo hidroeléctrico pueden ser variadas, por ejemplo:

Ajustes incorrectos de los tiempos de cierre de los elementos mecánicos en un
disparo, particularmente nocivos en el caso de turbinas Kaplan o Francis con tuberías
forzadas.

Unidades trabajando en condiciones alejadas a las de diseño, por ejemplo turbinas y
turbinas-bombas, operando a cargas de presión demasiado bajas o turbinas operando
a sobrecargas (velocidad del fluido), con pares motores superiores a los de diseño, lo
que puede dar lugar a fallo de cojinetes en procesos transitorios.
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Página 52
Monografía

Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Problemas derivados de inspecciones rutinarias de mantenimiento, al tratar de reparar
zonas afectadas en las turbinas.

Uso de materiales con baja resistencia a la erosión por cavitación, que puede verse
agravado por las malas condiciones de operación de la turbina o una falta de
aireación de la misma.

Selección inadecuada de elementos mecánicos.
Fig. 22. Diagnostico de daño de un alabe debido a la cavitación. [40].
[40] Unioviedo, 2011, Mecánica de fluidos, Disponible en:
http://www.unioviedo.es/Areas/Mecanica.Fluidos/docencia/_asignaturas/maquinas_de_fluidos/Lecc6_r1.pdf(última
Septiembre del 2012).
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visita
09
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Fig. 23 Aparición de burbujas de cavitación en las palas de una hélice [41].
En ocasiones se produce la presencia de varios de estos factores, lo cual puede dar lugar a
una avería “catastrófica” que incluso, si no se adoptan las medidas oportunas, puede
repetirse en el tiempo. La determinación de las causas que originan el fallo mediante el
oportuno análisis del mismo y de las pruebas, reducen los efectos no pronosticados, con el
consiguiente beneficio económico.
2.5.2 MEDIDA DE ESPESORES EN TUBERÍAS
La conducción forzada o tubería a presión está sujeta a lo largo de su vida a la erosióncorrosión, incrustaciones, sedimentaciones, formación de depósitos, etc. El control de la
pérdida del espesor de la pared de la tubería proporciona un indicador de su vida útil.
Se realiza en campo la inspección visual de los diferentes tramos que forman la tubería
incluyendo las bocas de hombre, picajes, codos, apoyos, soportes, etc. Posteriormente se
[41]Sofmmoo,2002,
El
fenómeno
de
cavitación,
en:http://www.sofmmoo.com/espagnol/bonneau_cavitacion.pdf(última visita 12 de Septiembre del 2012).
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Disponible
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
procede a la medida por tramos de los espesores con un equipo de ultrasonidos valorando el
alcance de la erosión-corrosión.
Es necesario llevar a cabo medidas a períodos regulares establecidos en función del estado
actual y del año de puesta en servicio. De este modo se puede determinar la velocidad de
corrosión y adelantarnos así a un posible fallo intempestivo en la tubería.
Fig. 23. Inspección de tuberías. [40].
3.-DESCRIPCIÓN
DE
EQUIPOS
PARA
REALIZAR
INVESTIGACIÓN DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN
3.1 INTRODUCCIÓN DE LA NORMA ASTM G32-06 (2010)
Es uno de los métodos de prueba de vibraciones sónicas mas utilizados para realizar
pruebas de cavitación. El procedimiento para los ensayos de cavitación es el que ha sido
desarrollado por la American Society for Testing and Materials (ASTM), Norma ASTM G
32. El cual es un método estandarizado para los ensayos de erosión por cavitación [42].
[42] ASTM. (2006). Norma ASTM G 32, Standard Test Method of Cavitation Erosion Using a Vibratory Apparatus.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
El mecanismo de generación de cavitación difiere con el que se produce en los sistemas de
flujo y máquinas hidráulicas; sin embargo, la naturaleza del mecanismo de generación de
daño es similar, por lo que el método es controlable y utilizado para comparar la resistencia
a la erosión por cavitación de diferentes materiales, de igual forma la evolución de la
erosión puede ser monitoreada.
Asimismo, se establecen las condiciones y parámetros de prueba estándar, tales como la
amplitud de vibración, la amplitud de onda, la frecuencia, así como el fluido y
características del contenedor. De igual forma propone las partes del equipo y las
precauciones para el buen desarrollo de las pruebas. También se describe el método de
análisis a seguir con los resultados a partir de materiales de referencia.
3.1.1 Importancia y Uso
Este método de ensayo puede ser utilizado para estimar la resistencia relativa de los
materiales a la erosión por cavitación, por ejemplo, en las bombas, turbinas hidráulicas,
dinamómetros hidráulicos, válvulas, cojinetes, camisas de cilindro del motor diesel, hélices
de barcos, hidroalas, y en pasajes internos de flujo con obstrucciones [43].
Un método alternativo para fines similares es el método de prueba T 134, que emplea un
chorro de líquido para producir la erosión por cavitación en un espécimen estacionario.
Este último puede ser más adecuado para los materiales que no son fácilmente formados en
un espécimen de forma precisa.
Algunos investigadores también han utilizado este método de ensayo como una prueba de
detección de los materiales sometidos a la erosión del choque de líquido tal como se
encuentran, por ejemplo, en turbinas de vapor de baja presión y en aviones, misiles o naves
espaciales volando a través de las tormentas de lluvia.
Este método no se recomienda para la evaluación de recubrimientos elastoméricos o
compatibles, algunos de los cuales han sido utilizados con éxito para la protección contra la
cavitación o el choque de líquido de intensidad moderada.
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Esto es debido a que el
Página 56
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
cumplimiento del recubrimiento en la muestra puede reducir la gravedad de la cavitación
líquido inducido por su movimiento vibratorio. El resultado no sería representativo de una
aplicación en el campo, donde la generación de cavitación hidrodinámica es independiente
del recubrimiento.
Este método de ensayo no debe ser utilizado directamente para clasificar los materiales
para aplicaciones donde la corrosión electroquímica o choque de partículas sólidas
desempeña un papel importante.
Los que se dedican a la investigación básica relacionado, indirectamente con aplicaciones
muy especializadas en estos casos, puede ser necesario variar algunos de los parámetros de
prueba para satisfacer sus propósitos. Sin embargo, la adhesión a este método de ensayo en
todos los demás aspectos permitirá una mejor comprensión y correlación entre los
resultados de diferentes investigadores.
Los resultados de esta prueba pueden ver se afectados significativamente por la
preparación de la superficie de las muestras. Esto debe ser considerado en la planificación,
realización y presentación de informes en un programa de prueba.
Los mecanismos de la erosión por cavitación y la erosión por chorro líquido pueden
diferir, dependiendo de la naturaleza detallada, la escala y la intensidad de las interacciones
líquido-sólido. Resistencia a la erosión puede, por lo tanto, representar una mezcla de
propiedades en lugar de una sola propiedad, y todavía no se ha correlacionado con éxito
otras propiedades de los materiales independientemente medibles. Por esta razón, la
consistencia de los resultados entre diferentes métodos de ensayo o en condiciones de
campo diferentes no es muy buena.
[43] Cecer. Army,1996,Cavitation Testing Methods and Previous Research, Disponible en:
www.cecer.army.mil/techreports/boycavit/boycavit.jef-07.htm(última visita 18 de Septiembre del 2012).
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3.1.2 Alcance
1.-Este método de ensayo cubre la producción de daños por cavitación en la superficie de
un espécimen que vibra a alta frecuencia mientras se encuentra inmerso en un líquido. La
vibración induce la formación y colapso de cavidades en el líquido, y el colapso de las
cavidades produce un daño erosivo y (pérdida de material) de la muestra.
2.- Aunque el mecanismo para la generación de la cavitación del fluido en este método
difiere del que se produce en los sistemas que fluyen y máquinas hidráulicas, la naturaleza
del mecanismo de daño del material se cree que es básicamente similar. El método ofrece
por tanto una pequeña escala, prueba relativamente simple y controlable que puede ser
usada para comparar la resistencia a la erosión por cavitación de diferentes materiales, para
estudiar en detalle la naturaleza y el progreso de daño en un material dado, o mediante la
variación de algunas de las condiciones de ensayo para estudiar el efecto de las variables de
ensayo sobre el daño producido.
3.-Este método de ensayo especifica las condiciones estándar del ensayo que cubren el
diámetro, la amplitud y la frecuencia vibratoria de la muestra, así como el líquido de ensayo
y su recipiente. Se permiten desviaciones de algunas de estas condiciones si esta bien
documentado, que puede ser apropiado para algunos propósitos. Se ofrece orientación
sobre la creación de un aparato adecuado que cubra los procedimientos de prueba y
presentación de informes y las precauciones que deban adoptarse. También especifica los
materiales estándar de referencia que deben ser utilizados para verificar el funcionamiento
de la instalación y para definir la resistencia a la erosión de los materiales normalizados de
prueba.
4.- Los antecedentes de este método de ensayo, son seguidos de una bibliografía extensa.
5.-Los valores indicados en unidades SI deben ser considerados como los estándares. Las
unidades pulgada-libra entre paréntesis son sólo a título informativo.
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6.-Esta norma no pretende señalar todos los problemas de seguridad, si las hay, asociadas
con su uso. Es responsabilidad del usuario de esta norma establecer la seguridad apropiada
y prácticas de salud y determinar la aplicabilidad de las limitaciones reglamentarias antes
de su uso.
3.1.3 Técnicas de Laboratorio
Hay tres técnicas principales de análisis de laboratorio para determinar las tasas de
cavitación:
 Pruebas de cavitación ultrasónica.
 Pruebas de chorro de cavitación.
 Venturi pruebas cavitación.
La tasa de cavitación se da generalmente en términos de pérdida de peso por período de
tiempo. Sin embargo, la tasa también puede ser informada en términos de un cambio en el
espesor por período de tiempo o una pérdida de volumen por período de tiempo.
3.2
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO ULTRASÓNICO PARA
PRUEBAS DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN.
3.2.1 MÉTODO ULTRASÓNICO
El ultrasonido (vibratorio), método de prueba de cavitación, utiliza un dispositivo
magnetoestrictivo o piezoeléctrico para producir una alta frecuencia (generalmente 20 kHz)
vibración en un espécimen de prueba sumergido en un líquido. Durante una mitad de cada
ciclo de vibración, una baja presión se crea en la superficie de la muestra de ensayo,
produciendo burbujas de cavitación. Durante la otra mitad del ciclo, las burbujas se
colapsan en la superficie de la muestra.
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Es una técnica sencilla y relativamente rápida y de bajo costo y ha sido la técnica más
utilizada para las pruebas de cavitación (marzo y Hubble, 1996). Un procedimiento de
prueba estándar para la prueba de la cavitación ultrasónica ha sido aprobado por la
Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM G 32). La técnica ha sido
modificada mediante la colocación de la muestra de ensayo una pequeña distancia por
debajo de la punta de la sonda ultrasónica [17].
Fig. 25. Pruebas de cavitación ultrasónica: (A) ASTM G 32 (B) Equipo modificado [44].
[44] Umaine 1993, Development of Cavitation Erosion Resistant Advance Material System, Disponible en:
http://www.umaine.edu/mecheng/peterson/Service/Grad/Grad_students/Thesis/Cavitation%20Erosion%20Thesis%20Final%20(Ke
n%20L).pdf(última visita23 de Septiembre del 2012).
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Los resultados del ensayo de cavitación ultrasónica con aparato vibratorio para
recubrimientos de polímeros en concreto informaron que no se correlacionan bien con las
condiciones de campo de cavitación. El aparato de prueba ultrasónica no era capaz de
reproducir en el laboratorio los fallos del mismo tipo de adhesión que ocurrieron con
frecuencia de recubrimientos de polímeros bajo condiciones de campo.
3.2.2 Pruebas de cavitación
La prueba de la erosión por cavitación se realiza de acuerdo a la norma ASTM G32-98.
Dentro de los parámetros a tomar en cuenta son las medidas de los especímenes de prueba.
Estas son presentadas en figura 26. El espécimen de prueba es circular y tiene un diámetro
de 16 mm. Este va enroscado a un dispositivo que transmite las vibraciones mecánicas para
excitar al líquido y lograr la formación de burbujas
64en el sistema.
32
10
R1
10
M8
R1
10
10
M8
Ø16
Ø16
32
M10
Ø20
M10
32
Ø20
32
64
(a)
M8
Ø16
6
10
6
10
M8
Ø16
(b)
Fig. 26. (a) Dispositivo para transmitir vibraciones mecánicas (horn), (b) Espécimen.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
ASTM G32-98 es el método de prueba estándar para la erosión por cavitación con aparato
vibratorio. La norma ASTM G32-98 utiliza un procedimiento de prueba ultrasónico para
hacer vibrar un material de ensayo colocado en un líquido.
Es necesario modificar el procedimiento estándar durante este esfuerzo de investigación
para permitir un apoyo adecuado del material que se está probando. En la norma G32, el
material a ensayar se fabrica a las dimensiones especificadas, y para enroscaren el extremo
de la bocina ultrasónica. La muestra de ensayo vibra y la cavitación se produce en el lado
bajo de la muestra (horn).Este método de montaje representa un desafío importante cuando
se prueban materiales compuestos o materiales elastoméricos. Una modificación común
para el método de ensayo estándar utilizado en los estudios anteriores, tales como los
realizados por Hammond y Djordjevic es montar la muestra de ensayo estacionario debajo
de la punta del cuerno vibrante. La amplitud de la oscilación punta del horn.
Aunque el mecanismo de erosión por cavitación presente en este método no es el mismo
que en un cuerpo sumergido en movimiento, este método ha demostrado ser útil en la
clasificación de diferentes materiales con respecto a su resistencia a la erosión. Dado el
equipo mínimo requerido y la simplicidad del método de ensayo, es un método atractivo
para proporcionar datos valiosos para un estudio de prueba de concepto donde las
resistencias de erosión de los sistemas de materiales nuevos son comparadas con los
materiales tradicionales sobre una base relativa.
En las figuras 27 y 28, es posible observar el equipo ultrasónico de vibración.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Fig. 27. Fotografía del aparato de prueba experimental. [45].
Fig. 28. Fotografía en primer plano del soporte de la muestra. [45].
.
Otros de los equipos que han sido usados para realizar pruebas de erosión por cavitación en
diferentes materiales son los que se diseñaron y manufacturaron en la Universidad de
Sheffield [46] y en el Instituto Politécnico Nacional en la SEPI-ESIME-Unidad Zacatenco
[47].
[45] J. R. Laguna Camacho, A study of erosion and abrasion wear processes caused during food processing, Tesis Doctoral,
Universidad de Sheffield, UK; 2009.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Las figura 29a y 29b muestran un diagrama esquemático del equipo y la fotografía del
cavitómetro construido en la Universidad de Sheffield. Algunos de los parámetros más
importantes de operación son la Frecuencia de Vibración de 26.5 KHz y la amplitud
peaktopeak de 3.5 V. El cilindro o bocina (horn) fue hecho de una aleación de aluminio
2024. Este dispositivo es el encargado de transmitir las vibraciones mecánicas al líquido,
logrado que este se agite para tener la formación de burbujas necesaria para afectar el
material de prueba.
(a)
Fig. 29. Equipo para realizar pruebas de erosión por cavitación, (a) Dibujo esquemático,
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Transductor
Fuente de
alimentación
Horn (Bocina)
Depósito
(b)
(b)
Fig. 30. Equipo para realizar pruebas de erosión por cavitación, (b) Equipo de la Universidad de
Sheffield [46].
[41].respecta al equipo desarrollado en el Instituto Politécnico Nacional, la figura 31a
En lo que
y 31b presenta
.
el diagrama esquemático y fotografías del equipo diseñado. Algunos de los
parámetros de operación más importantes y con las cuales funciono correctamente el
equipo son las siguientes: 30 KHz de frecuencia, 6 V de amplitud, 3 hrs de tiempo de
prueba, temperatura ambiente de 25°C.
Fig. 31. cavitómetro diseñado en el IPN, a) Dibujo esquemático del equipo.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Fig. 30. Cavitómetro diseñado en el IPN, (b) Parte Frontal del equipo.
(c)
Fig. 33. Cavitómetro diseñado en el IPN, (c) Panel de Control del equipo [47].
[46] J. Reyes Mariscal, Desarrollo de un prototipo funcional para analizar el fenómeno de erosión por cavitación en especímenes
metálicos, Tesis de Maestría, Instituto Politécnico Nacional, México; 2009.
[47]
Sage
V
Foods,
2008,
Worldproduction
and
trade
of
rice,
http://www.sagevfoods.com/MainPages/Rice101/Production.htm (última visita 3 de Octubre del 2012).
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Disponible
en:
Página 66
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3.3 DESCRIPCIÓN DE OTROS EQUIPOS PARA REALIZAR
PRUEBAS DE EROSIÓN POR CAVITACIÓN
3.3.1 Cavitación método de chorro
El método de chorro para las pruebas de cavitación utiliza un chorro sumergido en la
cavitación para erosionar una muestra de ensayo colocada en la trayectoria del chorro
(Figura 34). Esta técnica es relativamente compacta y proporciona una gama más alta de
las intensidades de cavitación que el método ultrasónico o el método Venturi.
En la metodología de ensayo de chorro de cavitación se ha encontrado que proporciona
resultados consistentes y reproducibles para una condición de operación dada. La tasa de
cavitación relativa, hace referencia a un material estándar, proporciona un buen método
para comparar los materiales que tienen una amplia gama de propiedades [48].
La TVA ha utilizado los resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio chorro de
cavitación para seleccionar los materiales de soldadura para las demostraciones de campo.
Materiales de soldadura que tuvieron mayor resistencia a la cavitación en comparación con
el acero inoxidable soldado en el laboratorio también se desempeñaron mejor que el acero
inoxidable en el campo. Los resultados de las pruebas de chorro de cavitación de
laboratorio para las aleaciones de soldadura se correlacionan bien con la experiencia de
campo.
Por lo tanto, en base a los resultados descritos en la literatura, la prueba de chorro de
cavitación es mejor que la prueba de cavitación ultrasónica en la predicción del
comportamiento en el campo de los materiales.
[48]March, P.,& Hubble, J. (1996). Evaluation of relative cavitation Erosion Rates For Base Materials, weld Overlays, and
Coantings, Report No. WR28-1-900-282. (T:V laboratory, ED.) Tennesse,USA.
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Flujo.
Cuerpo central
cilíndrico.
Chorro.
Cavitación.
ch
Área erosionada.
Espécimen de
prueba.
Fig. 34. Representación esquemática de un aparato de por chorro. [44].
3.3.2 Venturi Método de cavitación
Una máquina de cavitación tipo venturi mostrada en la Figura 33.Cuenta con un panel de
ensayo de acero sin recubrimiento. La presión de entrada se mantiene a aproximadamente a
60 psi (lb/plg2,) la producción de una velocidad de agua de aplicación-roximately
70 pies / seg a través de la garganta Venturi. Esto generó un entorno moderado sostenido en
la cavitación. Esta prueba requiere que los paneles se separen en una base regular del
aparato de prueba, inspeccionado, se pesaron, y volvió a los aparatos de ensayo y se
observo hasta el fallo.
El método de cavitación Venturi que requiere de largos tiempos para completar la prueba
hasta 2 horas, por lo que se considera en ocasiones inapropiado para realizar investigación.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Fig. 35. Venturi pruebas aparato de cavitación. [44].
Los estudios de erosión por cavitación que pueden llevarse a cabo, son los siguientes:

Hélices de los barcos

Por chorro de agua de impulsores

Recubrimientos marinos

Varios (metálicos, cerámicos, elastoméricos,) recubrimientos

Válvulas mecánicas

Componentes del motor

Bombas de combustible / inyectores

Válvulas reguladoras de caudal

Intercambiador de calor
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3.4 REVISION DE ARTICULOS
RELACIONADOS A
EROSIÓN POR CAVITACIÓN.
En lo que respecta a artículos relacionados a erosión por cavitación se tienen los siguientes:
H.Taladores G. [49] llevó a cabo un estudio de varios metales de alta pureza (aluminio,
cobalto, cromo, cobre, hierro, magnesio, molibdeno, níquel, tungsteno y zinc) y algunos
comerciales como el cobre, hierro, níquel y cobalto-base-aleaciones. Estos fueron
investigados por conocer su resistencia a este tipo de desgaste mediante, mediciones y
análisis de superficies con microscopía electrónico de barrido y espectroscopia de rayos X
de fotoelectrones. Los resultados llevaron al siguiente:
Que la resistencia a la erosión por cavitación (SEM) por sus siglas en inglés, está
decisivamente determinada por la energía de enlace y la estructura cristalina del metal base.
(1) El CER de metales y aleaciones se relaciona directamente con su covalente unión o su
energía de unión, su estructura cristalina y su deformación y capacidad de transformación.
(2) De la segunda fase son preferentemente partículas de eliminar debido a la la iniciación
de la deformación y grietas en la interfase partícula-matriz.
C.J. Heatcock [50] condujo un estudio para determinar la resistencias a la erosión por
cavitación de dos materiales austenítico y martensítico, y tres aceros inoxidables ferríticos.
Los aceros martensíticos tuvieron mayor resistencia a la erosión, seguida de los inoxidables
austeníticos y aceros de manganeso, mientras que los aceros inoxidables ferríticos
mostraron una resistencia a la erosión por cavitación muy pobre. Los mecanismos de
resistencia y modos de erosión se investigaron por medio de microscopía óptica, escaneado
y microscopía electrónica de transmisión y difracción de rayos-X.Este estudio ha
[49] H. Taladores G. y Kharrazi, Erosión por cavitación de metales y aleaciones, ZnstitutfürMetallforschung-Metallphysik,
TechnischeUniversitiit
Berlín,
JoachimstalerStrasse
31
-32,
D-000
l
Berlín
15
(F.R.G.),
1983.
[50]C. J. Heathcock y B. E. Protheroe, Erosión por cavitación de los aceros inoxidables, Departamento de Metalurgia y Ciencia de los
Materiales de la Universidad de Ciudad del Cabo, Universidad Bolsa Privada, Rondebosch, 1986.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
puesto de relieve la importancia de la microestructura en el control de la resistencia a la
erosión por cavitación de las aleaciones.
Fue concluido que la erosión por cavitación de aceros austeníticos, martensíticos, y aceros
inoxidables ferríticos no sólo confirmó los hallazgos anteriores, si no que también destaca
la importancia de las propiedades del material previamente no
considerados
significativamente en la determinación de la resistencia a la erosión de metales y
aleaciones.
.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
TRATAMIENTO DEL TEMA
El desarrollo del presente trabajo en su calidad de Monografía se realizó para tener una
investigación bien fundamentada con un documento escrito, recopilado y seleccionado de:
 Bibliografías existentes encontradas en diferentes bibliotecas de la región, algunas
en el idioma ingles, realizándose las traducciones respectivas de algunos textos que
sirvieron de apoyo para completar la información aquí escrita.
 Se empleo de manera fundamental el internet que permitió estar a la vanguardia en
los conocimientos más actualizados dentro de la ingeniería y la industria de
metalurgia moderna.
 Además se revisaron artículos y documentos que presentaron información sobre el
tema, de tal modo que pudo extraerse a aquella que de una u otra forma tenía
relación con los contenidos aquí tratados.
La información que fue encontrada, se selecciono empleando una estructura con un criterio
propio de organización y definición, pero literalmente factible de comprender por el lector
o usuario de este texto.
Los subtemas están ordenados de manera secuencial, es decir cada tema desarrollado
vincula el siguiente, salvo en aquellos casos en los cuales se acepta y considera que el
lector tiene conocimientos previos y básicos de algunos conceptos que permiten
comprender los aquí tratados.
Así también se anexaron fotografías, dibujos esquemáticos, modelos gráficos, que
permitieron proporcionar al lector un panorama más amplio y objetivo con respecto a
aquellos temas donde se requiera ahondar en explicaciones mas detalladas, en aspectos
técnicos manuales e informativos.
Es importante destacar que el campo de información con respecto a este fenómeno no es
muy amplio en México, debido a esto es necesario realizar trabajos de este tipo para
ampliar el conocimiento sobre erosión por cavitación.
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
CAPÍTULO
III
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CONSIDERACIONES FINALES
Esperando el buen uso de este trabajo por estudiantes y toda aquella persona con el deseo
de conocer más sobre este fenómeno, dejo el mismo como un paso más en el proceso de
enseñanza - aprendizaje dentro de las aulas de la Universidad, haciendo hincapié en que el
conocimiento de cada uno de los lectores se centra en su interés real dentro de la Ingeniería
mecánica o tribológica.
Asimismo, es importante destacar que este fenómeno, erosión por cavitación, está causando
gran evolución o conocimiento tanto teórico como práctico por lo cual se recomienda al
estudiante no desistir sino en persistir por tomar más documentos y consultar mas
información, que le permita adentrarse al mundo de la Tribología.
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ANEXOS
Los resultados de Soares, Souza, Dalledon, Baurque, y Amado 1994
Las pruebas se realizaron sobre los revestimientos de aspersión térmica tanto con
pinzamiento líquido y dispositivos vibratorios de cavitación. Algunos de los mejores
recubrimientos fueron probados en un salto de 6 metros de una turbina Francis
hidroeléctrica con una historia previa de cavitación severa. Los materiales investigados y la
erosión de cavitación y los resultados de resistencia se muestran en la Tabla 1. La tasa de
cavitación se da como un cambio en el espesor del recubrimiento (m / h).
Tabla 1.Los resultados de las pruebas de resistencia a la erosión y la cavitación (Soares et al, 1994).
No.
Designación
Descripción
Dureza
Método
Espesor
de
(mm)
aplicación
Tasa de
erosión
relativa
ASTM G
73
La
cavitación
Tasa de
ASTM
G 32 (_m /
h)
1.0 X
7.5
SAE 1020
Fe, 0,2 C, 0,5 de
Mn, 0,2 de Si
Rb 80
Sustrato
AWS 309
Fe 23 Cr, 13 Ni, 2,7
Mo
Rb 92
Soldar
1
Diamalloy 1003
El acero inoxidable,
Aust., Fe-Cr-Ni
Rb 89
HVOF
1.2-1.7
1,3 X
Probado en el campo
2
Diamalloy 1005
Ni-Cr-Mo
Rc 3034
HVOF
1.0-1.7
0,8 X
Probado en el campo
3
Diamalloy 2001
Ni + Cr aleación,
fundible
Rc 5358
HVOF
1.2-1.7
1,7 X
4
Diamalloy 2003
WC + 12 Co
Rc 6465
HVOF
5
Diamalloy 3001
Co + Cr, aleación de
Mo
Rc 5055
HVOF
6
Diamalloy 4006
Ni de aleación
Rc 38
HVOF
7
Metco 72 NS
WC + 12 Co
Rc 5055
Plasma
0.5-0.8
Fracasado
8
Metco 101 NS
94 Al 2 O 3, 2,5
TiO2,SiO 2 2
RC 55
Plasma
0.7
Fracasado
3.9
0.15-0.25 Fracasado
0.4-0.6
Fracasado
Probado en el campo
9
Metco 443
Ni-Cr/Al
Rb 90
Plasma
0.5
2,0 X
10
Metco 601 NS
60 Al, Si + poliéster
R 73 15
años
Plasma
1.4
Fracasado
11
Metco 505
Mo
Rc 4045
Plasma
0.5
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Prueba de campo
11
65
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12
Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
Metco 81 NS
75 Cr 2 O 3 + 20 NiCr Rc 3739
13 Chersteronmasilla
abrasión
Plasma
0.4
100
630
Epoxi + partículas
de cerámica y
silicato de Al
Costa
D 88
Espátula
2.0
14
DevconCarb.A
Epoxi + SiC (grueso)
Costa
D 85
Espátula
3.0
Probado en el campo
15
Pega Devcon
Epoxi + SiC (Fina)
Costa
D 85
Espátula
2.0
Probado en el campo
Los resultados de marzo y Hubble, 1996
Las pruebas de la cavitación de materiales de soldadura en su mayoría y algunos otros
materiales de revestimiento se llevó a cabo en la Tennessee Valley Authority (marzo y
Hubble, 1996). El aparato para chorros de prueba de cavitación se utilizó a 4000 psi
(Tabla 2). Material de soldadura de superposición incluyendo IRECA, Nitronic 60, Stellite
® 6, Stellite ® 21, Stoody 6, y Stoody 2110 con un recubrimiento Imperial Clevite WC-204
se encontró que tenían sustancialmente menores tasas de cavitación que el panel de 308
inoxidable acero de referencia. El austenítico que contiene cobalto acero inoxidable,
IRECA, tenía una tasa de cavitación relativa de 0.02 veces la de 308 acero inoxidable la
tasa más baja entre todos los materiales ensayados.
Tabla 2.Las tasas de cavitación utilizando aparatos de cavitación prueba de chorro a 4000 psi.
Material
La cavitación (mg / h)
Tasa de cavitación
relativa frente a 308 de
soldadura
Clasificación
IRECA soldadura
0.2
0,02
1
Stellite®21
0.9
0.1
2
Stoody-6
2.1 Superficie de craqueo
0.2
3
Stellite®6 de soldadura
2.2 Superficie de craqueo
0.2
4
Imperial Clevite WC-204
2.5
0.3
5
ArmcoNitronic 60
2.5
0.3
6
ArmcoNitronic 60 Weld
2.9
0.3
7
Stoody de soldadura 2110
3.2
0.3
8
Hardco 110 Weld (Cr-Mn de acero)
3.7
0.4
9
Acero Inoxidable 304
7.0
0.7
10
Eutectic 646XHD
7.1
0.7
11
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Acero inoxidable 316
7.6
0.8
12
309 Soldadura de acero inoxidable
9.1
0.9
13
308 Soldadura de acero inoxidable
9.8
1.0
14
EutecticEutectrod 40
10,2
1.0
15
316 Soldadura de acero inoxidable
13,4
1.4
16
347 Soldadura de acero inoxidable
13,7
1.4
17
Acero carbono
15,9
1.6
18
E7018 de soldadura
16,5
1.7
20
Al - Soldadura Bronce
36,0
3.7
19
Plasmadyne Plasma de Stellite 21
105,6
10,8
21
Metco PFX-5000
114,00
11,6
22
Bomba Devcon reparación epoxi
190,0
19,4
23
Belzona®CE sobre cerámica de
cerámica R
274,0
28,0
24
Hardco de aspersión por llama 110
660,0
67,3
25
Devcon WR2
792,0
80,08
26
Use Cont.Tech Nylon II
La superficie
delaminación
----
27
HardcosprayStellite 21
La superficie
delaminación
---
28
SS de uretano Techthane 80 SS
Superficie de punción
---
2829
Fuente: marzo y Hubble de 1996.
Los resultados de Schwetzke y Kreye, 1996
Los experimentos de cavitación se realizaron utilizando un aparato vibratorio de acuerdo
con la norma ASTM G 32, modificado para colocar la muestra de ensayo 0,5 mm por
debajo del disco de acero de vibración de la bocina ultrasónica. Las pruebas se llevaron a
cabo durante un máximo de 5 horas. Las tasas de cavitación en estado estacionario de los
recubrimientos ensayados se muestran en la Tabla 3. Para los revestimientos cermet
(aleación de metal cerámico) y óxido de prueba, la pérdida de masa frente al tiempo de
exposición reveló una tasa de erosión casi constante entre 1 y 5 horas de prueba.
Recubrimientos investigados incluyeron acero inoxidable (316L), auto-fundentes
aleaciones basadas en níquel (Ni Cr Fe B Si, el tipo 60), carburo de tungsteno-cobalto
(WC-17 Co), carburo de cromo y de nicromo (Cr3 C2 -25 NiCr), y el óxido de cromo (Cr2
O3). Los resultados demostraron que HVOF rociado con revestimientos de Ni Cr Fe B Si,
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
WC-17 Co, Cr3 C2 -25 NiCr, y Cr2 O3 exhiben las tasas de erosión tan bajo que el obtenido
a partir de muestras a granel de acero inoxidable (AISI 321 L o 316) . Sin embargo, las
tasas de cavitación de plasma recubrimientos rociados cermet estaban a punto de un orden
de magnitud más alta que la tasa de erosión de los mejores recubrimientos HVOF
(Schwetzke y Kreye 1996). Una diferencia similar alta de las tasas de erosión de plasma
pulverizado en comparación con los recubrimientos HVOF rociados con cermet
Recientemente se ha informado para la eliminación de los recubrimientos mediante chorros
de agua de alta presión (Kreye et al., 1995).
Recubrimientos HVOF de Ni Cr Fe B Si, WC-17Co, Cr3 C2NiCr -25 y Cr2 O3 no
mostraron resistencia alta a la cavitación, y se recomienda para su consideración como una
capa superficial de protección contra la cavitación (Schwetzke y Kreye 1996). Este estudio
proporciona soporte para el uso de estos materiales en la reparación de componentes de
turbinas hidráulicas, tales como revestimientos de tubos de tiro.
Tabla 3.La cavitación tasa de térmicos pulverizados.
Proceso de
aerosol
Sistema
Combustible
Material
Dureza (VHN
300 g)
La cavitación (mg / h)
HVOF
JP-5000
Queroseno
De acero inoxidable 316 L
263
6.8
HVOF
Jet Kote
Propano
NiCrFeBSi tipo 60
674
4.3
HVOF
JP-5000
Queroseno
NiCrFeBSi tipo 60
767
4.7
HVOF
Top Gun
Hidrógeno
Tribaloy®T-400
579
20,4
HVOF
Top Gun
Hidrógeno
Tribaloy®T-700
589
12,4
Plasma
Un 3000-S
Ar / H 2
WC-Co 88-12
764
74,8
HVOF
Top Gun
Propano
WC-Co 88-12
1178
11,9
HVOF
Top Gun
Propano
WC-Co 83-17
1376
5.8
HVOF
Jet Kote
Propano
WC-Co 83-17
1052
30,0
HVOF
Jet Kote
Propano
WC-Co 83-17
1127
23,4
HVOF
Jet Kote
Etileno
WC-Co 83-17
1243
22,8
HVOF
DJ 2700
Etileno
WC-Co 83-17
1399
7.2
HVOF
JP-5000
Queroseno
WC-Co 83-17
1420
6.3
Plasma
Un 3000-S
Ar / H 2
Cr 3 C 2-NiCr 75-25
722
59,5
HVOF
Top Gun
Propano
Cr 3 C 2-NiCr 75-25
1021
17,6
HVOF
Jet Kote
Propano
Cr 3 C 2-NiCr 75-25
978
13,9
HVOF
DJ 2700
Etileno
Cr 3 C 2-NiCr 75-25
1134
5.5
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
HVOF
JP-5000
Queroseno
Cr 3 C 2-NiCr 75-25
1220
3.8
Plasma
Un 3000-S
Ar / H 2
Al 2 O 3-TiO 2 97-3
772
52,8
HVOF
Top Gun
Acetileno
Al 2 O 3-TiO 2 87-13
972
24,7
Plasma
Un 3000-S
Ar / H 2
Cr 2 O 3
1322
6.6
HVOF
Top Gun
Acetileno
Cr 2 O 3
1210
2.9
El material a granel: Acero Inoxidable X6 CrNiTi 18 10 (tipo 321)
226
5.5
El material a granel: Acero Inoxidable X2 CrNiMo 17 13 2 (tipo 316 L)
165
6.0
Fuente: Schwetzke y Kreye 1996.
Los resultados de Musil, Dolhof y Dvoracek 1996
El arco de alambre para pulverización (WAS), el proceso de recubrimientos funcionales y
de varias capas se utilizó con éxito para la reparación de paletas de turbinas Francis
reversibles (Musil, Dolhof y Dvoracek 1996). El proceso de arco de dos hilos de
pulverización emplea la pulverización de dos materiales diferentes de alambre para crear
una estructura de recubrimiento mixto o graduada. NiAl y Cr acero inoxidable se utilizaron
para el arco de dos hilos de pulverización. NiAl (95% Ni - 5% de Al) se utiliza
ampliamente en la industria de la energía. Alambre rociado con revestimiento de NiAl han
demostrado mayor fuerza de adhesión que los revestimientos de plasma rociado y también
mantener su alta fuerza de adherencia a un mayor espesor (Unger y Grossklaus 1992).
Alto-cromo acero inoxidable fue seleccionado como el material de pulverización para la
capa superior funcional.
Debido a la cavitación severa, con algunas profundidades de pozo superiores a 25 mm,se
requiere la deposición de revestimientos muy gruesos. Materiales dañados se retiraron y se
limpió la superficie y placas planas de acero antes de la aplicación del revestimiento de
reparación.
Gruesos recubrimientos multicapa depositados por SE se evaluaron para la reparación de
las paletas en una turbina Francis. Hay tres tipos de recubrimiento gradual funcional se
evaluaron: (A) un dúplex de alta Cr acero inoxidable con revestimiento de unión NiAl, (B)
la capa de unión, graduadas NiAl-Cr revestimientos de acero inoxidable con una capa de
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acero inoxidable Cr superior, y de varias capas (C) graduadas NiAl-Cr inoxidable
revestimientos de acero con una capa final de acero inoxidable Cr.
Las capas alternas en el NiAl-Cr revestimiento de acero inoxidable multicomponente
graduada eran aproximadamente de 1,5 mm de espesor.
Los análisis de laboratorio
mostraron que las varias capas graduadas de NiAl-Cr revestimientos de acero inoxidable
obtuvieron los mejores resultados con la menor tensión residual.
Fig. 36. Recubrimientos (A) Duplex de alto Cr acero inoxidable con revestimiento de unión NiAl, (B) la capa de unión,
se clasifican NiAl-Cr revestimientos de acero inoxidable, acero inoxidable y cromo, (C) de bonos de múltiples capas y
graduadas NiAl-Cr revestimientos de acero inoxidable y cromo acabado de acero inoxidable. Fuente: Musil, Dolhof y
Dvoracek 1996.
La reparación se realizó en grandes áreas erosionadas (1-3 m2) de las paletas en una turbina
Francis. Los daños por corrosión localizadas con una profundidad de pozo de 30-35 mm
como máximo fue reparado por los materiales pulverizados. Multicapas graduadas de NiAlCr revestimientos de acero inoxidable (Figura 3.1) fueron aplicadas por el proceso fue a la
puerta peatonal incorporada fija apoya en cuatro centrales hidroeléctricas ubicadas en la
República Checa. Los pasos principales en el proceso de reparación fueron los siguientes:
· El examen
· Voladura de alúmina
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Estudio teórico sobre la erosión por cavitación
· Por trabajar con herramientas eléctricas y productos químicos de limpieza
· Voladura de alúmina
· Local fue la aplicación de partes muy dañadas
· Por trabajar con herramientas eléctricas y voladuras
· Aplicación de recubrimientos funcionales graduados de varias capas
· Aplicación de las juntas especiales
· Por trabajar con herramientas eléctricas y la aplicación del sello especial.
El material de la junta no se ha especificado. Después de 30-36 meses de operación
continua, los revestimientos aplicados por SE mostraron un mejor rendimiento en
comparación con el acero al carbono original (Musil, Dolhof, y Dvoracek 1996). Esto
demuestra el uso exitoso de recubrimientos de proyección térmica para la reparación de los
componentes centrales hidroeléctricos y proporcionar apoyo adicional para su uso. Sin
embargo, este tipo de daños graves, los autores de este estudio recomienda la reparación de
la soldadura. Como se verá, avanzados a base de hierro aleaciones de soldadura tales como
D-CAV ®, Norem, ® CaviTec, o Hydroloy ® 914, pueden ser considerados para la
reparación de daños por cavitación severa.
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