Cavitación en bombas: NPSH, causas, prevención y simulador

¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! Si una bomba "suena a grava", vibra y entrega menos de lo que debería, lo más probable es que esté cavitando. La cavitación no es un fallo del motor ni del sello: es un problema de succión, y se evita con un número que debes saber calcular, el NPSH. En esta publicación recorremos la ficha técnica, corregimos un error de signo que trae el ejemplo numérico, ampliamos con altitud, temperatura y márgenes de seguridad, y terminas con un simulador donde ves aparecer las burbujas en el ojo del impulsor.

1. ¿Qué es la cavitación?

Qué es la cavitación: zona de baja presión en el ojo del impulsor, formación de burbujas, colapso, proceso en cuatro etapas y efectos y síntomas — Qué es la cavitación, proceso y efectos. Fuente: ficha técnica Welectronic.

La cavitación es la formación y el colapso violento de burbujas de vapor en zonas de baja presión dentro de la bomba. El líquido no "hierve" por calor, sino porque la presión local cae por debajo de su presión de vapor a la temperatura a la que está. El proceso tiene cuatro etapas:

Baja presión: en el ojo del impulsor, justo donde el fluido cambia de dirección y se acelera, la presión local cae por debajo de la presión de vapor.
Formación: el líquido se vaporiza y aparecen burbujas de vapor.
Transporte: las burbujas viajan con el flujo hacia zonas de mayor presión, más adentro del impulsor.
Implosión: allí colapsan de golpe, generando ondas de choque y microchorros que golpean la superficie metálica.

Efectos y síntomas: ruido metálico (como grava o canicas), vibración alta, pérdida de caudal y altura y erosión en impulsores, álabes y carcasa. Cada implosión es minúscula, pero ocurren miles por segundo en el mismo punto y arrancan material del metal como un martilleo.

Dato práctico: una bomba puede "funcionar" con cavitación y llenar el tanque, pero está destruyendo su impulsor. Cuando el ruido de grava es evidente, el daño ya está en marcha.

2. NPSH: concepto y cálculo

NPSH: qué es, fórmula general con presión atmosférica, presión en la superficie, presión de vapor, pérdidas y altura estática; diagrama de succión típico y factores que reducen el NPSHa — NPSH: concepto, fórmula y factores. Fuente: ficha técnica Welectronic.

NPSH (Net Positive Suction Head) es la carga neta positiva en la succión, por encima de la presión de vapor del líquido. Hay dos valores que siempre se comparan:

NPSHa (disponible): lo que le entrega el sistema a la entrada de la bomba. Lo calculas tú.
NPSHr (requerido): lo que necesita la bomba para no cavitar. Lo mide el fabricante y aparece en su curva, y crece con el caudal.

Convención de la ficha: P_atm es la presión atmosférica, P_s la presión sobre la superficie del líquido (manométrica), P_v la presión de vapor, γ = ρ·g el peso específico, h_f las pérdidas por fricción en la succión y h_s la altura estática de succión. La fórmula, con el signo correcto de h_s para la convención "positiva si el líquido está por encima del eje de la bomba", es:

NPSHa = P_atm/γ + P_s/γ − P_v/γ + h_s − h_f [m]

Corrección importante a la ficha: el póster escribe "− h_s" en la fórmula y define h_s como positiva cuando el líquido está por encima del centro del impulsor. Con esa definición el signo debe ser + h_s: un tanque por encima de la bomba aumenta el NPSHa y una aspiración (líquido por debajo) lo disminuye. Por eso el ejemplo numérico de la ficha (h_s = −2,0 m) calcula 10,33 − 0,43 − 1,5 − (−2,0) = 10,40 m, que es incorrecto: una aspiración de 2 m resta 2 m. El valor correcto es 6,40 m (ver el diagrama y el problema 2). La conclusión del ejemplo, que se cumple NPSHa ≥ NPSHr + margen, sigue siendo válida, pero con un margen de 2,40 m y no de 6,40 m.

Gráfico en cascada del NPSHa: 10,33 metros de presión atmosférica menos 0,43 de presión de vapor, menos 1,5 de pérdidas y menos 2 de aspiración da 6,40 metros, frente a un NPSHr de 4 metros — Ejemplo de la ficha, corregido (diagrama original Welectronic).

Regla básica: NPSHa ≥ NPSHr + margen. La ficha recomienda un margen mínimo de 0,5 a 1,0 m (1,5 a 3 ft; con precisión, 0,5 m son 1,6 ft y 1,0 m son 3,3 ft).

Factores que reducen el NPSHa: succión negativa (nivel por debajo de la bomba), pérdidas por fricción altas (tuberías largas, rugosas o con muchos accesorios), filtros sucios o tapados, diámetro de succión insuficiente, temperatura alta del líquido (sube P_v) y aire o gases disueltos.

Presión de vapor del agua, curva NPSHr y ejemplo

Tabla de presión de vapor del agua de 10 a 90 grados, curva NPSHr de ejemplo que sube con el caudal y ejemplo numérico de NPSHa — Presión de vapor del agua, curva de NPSHr y ejemplo numérico. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Los valores de la ficha para P_v del agua (en kPa absolutos) concuerdan con las tablas de vapor: 1,23 a 10 °C; 2,34 a 20 °C; 4,24 a 30 °C; 7,38 a 40 °C; 12,35 a 50 °C; 19,95 a 60 °C; 31,17 a 70 °C; 47,32 a 80 °C y 70,13 a 90 °C. A 100 °C vale 101,3 kPa, igual a la presión atmosférica a nivel del mar: ahí el agua hierve. Observa lo rápido que crece: de 20 a 80 °C la presión de vapor se multiplica por 20.

Gráficos de la presión de vapor del agua en función de la temperatura y de la presión atmosférica en metros de agua en función de la altitud para Callao, Arequipa, Cusco y Cerro de Pasco — Temperatura y altitud: dos enemigos del NPSHa (diagrama original Welectronic).

La curva de NPSHr del ejemplo comienza cerca de 1 m con caudal bajo y sube hasta unos 5 m: el NPSHr crece con el caudal, mientras el NPSHa baja con el caudal (las pérdidas crecen con Q²). Por eso la cavitación aparece al "forzar" el caudal o al abrir de más la descarga: las curvas se cruzan.

Más información útil

Qué mide realmente el NPSHr: el NPSHr de las curvas (NPSH3) es el valor con el que la altura de la bomba cae un 3 %. No es el punto donde empieza la cavitación: las primeras burbujas aparecen antes, con NPSHa de 1,1 a varias veces el NPSH3 según el diseño y el servicio. Por eso hace falta un margen.
Margen por relación: además del margen absoluto (0,5 a 1,0 m), se usa la relación NPSHa/NPSHr. Un criterio práctico y conservador es exigir al menos 1,3. En servicios críticos o de alta energía de succión las guías del Hydraulic Institute (ANSI/HI 9.6.1) piden márgenes mayores; consulta la norma y al fabricante.
Altitud: la presión atmosférica baja con la altura. A 4.330 m (Cerro de Pasco) es unos 59 kPa y equivale a unos 6,0 m de agua frente a 10,3 m a nivel del mar. Una bomba que no cavita en el Callao puede cavitar en la sierra con la misma instalación.
Agua de mar y otros líquidos: el agua de mar tiene densidad cercana a 1.025 kg/m³ y una presión de vapor ligeramente menor que la del agua dulce; el efecto sobre el NPSHa en metros es pequeño. En hidrocarburos livianos, en cambio, P_v es mucho mayor y el NPSHa se vuelve el criterio dominante.
Cavitación por recirculación: además de la cavitación por NPSHa insuficiente, una bomba operada a muy poco caudal cavita por recirculación interna aunque el NPSHa sea alto (ver la publicación anterior).

3. Identificación y daños

Cómo identificarla:

Ruido metálico o tipo grava.
Vibración alta y errática.
Caída de caudal y de altura de descarga.
Fluctuación de presión en los manómetros.
Calentamiento del cuerpo y de los cojinetes.
Patrón irregular en las curvas de operación.

Daños típicos: erosión en los álabes del impulsor, picaduras y desgaste en la carcasa, erosión en el ojo del impulsor y daño en anillos de desgaste y sellos.

Alertas: la cavitación reduce drásticamente la vida útil de la bomba, puede causar fallas catastróficas por erosión y fatiga, y no es recomendable operar la bomba en cavitación aunque el sistema "funcione".

Cómo distinguirla de otros problemas: si el ruido desaparece al cerrar un poco la descarga (baja Q, baja el NPSHr, sube el NPSHa), es probable que sea cavitación. Si el ruido es de aire y varía a golpes, sospecha de entrada de aire por la succión. Si el ruido está en el rodamiento y no cambia con la válvula, no es cavitación.

4. Causas y soluciones

Tabla de causas de cavitación y soluciones: NPSHa insuficiente, temperatura alta, presión atmosférica baja por altitud, aire o gases disueltos, operación fuera de rango y diseño inadecuado — Causas y soluciones. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Causa	Descripción	Soluciones
NPSHa insuficiente	Succión negativa alta, pérdidas por fricción altas, filtros sucios, diámetro pequeño	Reducir la succión negativa, limpiar filtros, aumentar el diámetro de succión, reducir longitud y accesorios
Temperatura alta del líquido	A mayor temperatura, mayor presión de vapor	Reducir la temperatura, usar recirculación, enfriadores
Presión atmosférica baja (altitud)	En altura, menor presión atmosférica implica menor NPSHa	Aumentar el NPSHa (por ejemplo, tanque presurizado, reducir pérdidas); verificar las curvas de la bomba para la altitud
Aire o gases disueltos	El aire liberado favorece la cavitación	Eliminar entradas de aire, sellar conexiones, usar desaireadores
Operación fuera del rango	Caudal muy alto o muy bajo puede inducir cavitación	Operar dentro del rango de diseño (curva de la bomba)
Diseño inadecuado del sistema	Tuberías mal diseñadas, muchos codos, válvulas innecesarias	Rediseñar la succión: lo más corta y recta posible, con menos pérdidas

Precisión a la ficha: el aire o los gases arrastrados no producen cavitación de vapor en sentido estricto (no hay cambio de fase del líquido), sino cavitación gaseosa o "pseudocavitación": hacen ruido y vibración parecidos y bajan el caudal, pero el daño por implosión es menor. En campo conviene tratarlas igual, porque ambas se eliminan mejorando la succión; pero para diagnosticar, distingue si la causa es presión baja (NPSH) o aire entrando.

Soluciones, de las más baratas a las más caras: limpiar filtros y revisar la válvula de pie; abrir del todo las válvulas de succión (nunca regules caudal en la succión); bajar el caudal si la bomba está al final de su curva; subir el nivel del tanque o bajar la bomba; reducir las pérdidas con una tubería de succión más corta, recta y de mayor diámetro (en la succión se suele limitar la velocidad a poco más de 1 m/s); presurizar el tanque; bajar la temperatura del líquido; y, como último recurso, cambiar a una bomba de menor NPSHr o poner una bomba de refuerzo (booster) en la succión.

5. Selección rápida y buenas prácticas

Guía rápida de verificación de NPSH, niveles típicos de margen recomendado según el servicio y buenas prácticas y cosas por evitar — Guía rápida, márgenes recomendados y buenas prácticas. Fuente: ficha técnica Welectronic.

Servicio	Margen recomendado (NPSHa − NPSHr)
Agua limpia, servicios generales	0,5 – 1,0 m
Aguas residuales, lodos ligeros	1,0 – 1,5 m
Líquidos calientes (> 60 °C)	1,0 – 2,0 m
Servicios críticos o de continuidad asegurada	≥ 1,5 m

Guía rápida: verifica el NPSH siempre que cambien las condiciones de operación; mantén NPSHa ≥ NPSHr + margen; limpia filtros y coladores periódicamente; usa una tubería de succión corta, recta y de diámetro adecuado; usa las mínimas válvulas necesarias y de baja pérdida; controla la temperatura para mantener P_v baja; y vigila ruido, vibración, caudal, presión y temperatura.

Buenas prácticas: diseña para NPSHa suficiente desde el inicio, instala instrumentos para monitorear, mantén el sistema limpio y sin obstrucciones, verifica las condiciones después de cualquier cambio en el proceso y capacita al personal en detección temprana.

Evita: operar con succión cerrada o estrangulada, hacer reducciones bruscas en la tubería de succión, dejar filtros colapsados o muy finos sin necesidad y aumentar la velocidad (rpm) sin verificar el NPSHa.

Recomendación técnica de la ficha: diseña y opera el sistema para mantener el NPSHa siempre por encima del NPSHr con un margen adecuado. Monitorea ruido, vibración y desempeño de la bomba. La prevención de la cavitación asegura eficiencia, confiabilidad y larga vida útil.

6. Simulador de cavitación y NPSH

Este simulador calcula el NPSHa con la fórmula corregida y lo compara con una curva de NPSHr ajustable. Empieza con agua a 20 °C al nivel del mar, aspiración de 2 m y 80 m³/h: el semáforo está en verde. Ahora prueba:

Sube la temperatura hasta 85 °C (o pulsa Agua a 85 °C): la presión de vapor se dispara y el NPSHa cae varios metros.
Elige Cerro de Pasco en la altitud de referencia: pierdes unos 4 m de NPSHa sin tocar la instalación.
Cierra la válvula de succión: las pérdidas aumentan y el semáforo pasa a rojo. Compruébalo con Succión estrangulada.
Sube el caudal: el NPSHr sube y el NPSHa baja; el gráfico te marca el caudal máximo seguro y el caudal en que se cruzan ambas curvas.
Mira las burbujas del ojo del impulsor: aparecen cuando la relación NPSHa/NPSHr baja de 1,3 y crecen cuanto menor sea el margen. Los destellos naranjas son las implosiones.
Aumenta la presión sobre el líquido (tanque cerrado) en Ajustar la bomba y el sistema para ver cómo se recupera el NPSHa.

Cómo se evalúa el semáforo: peligro si el margen NPSHa − NPSHr es menor que 0,5 m o la relación NPSHa/NPSHr es menor que 1,3; margen justo si el margen está entre 0,5 y 1,0 m; cavitación desarrollada si NPSHa < NPSHr; y seguro si el margen es de 1,0 m o más y la relación de 1,3 o más. Es un modelo didáctico: el NPSHr real lo da la curva del fabricante, y la presión de vapor se calcula con la ecuación de Antoine (válida de 1 a 100 °C).

✅ 5 Problemas Resueltos

Problema 1: Convierte a metros de columna de agua la presión de vapor del agua a 30 °C (4,24 kPa, con γ = 9,81 kN/m³) y a 80 °C (47,32 kPa, con ρ = 971,8 kg/m³). ¿Cuánto vale cada una?

Solución:
A 30 °C: P_v/γ = 4,24 / 9,81 = 0,43 m
A 80 °C: γ = 971,8 × 9,81 / 1000 = 9,53 kN/m³ → P_v/γ = 47,32 / 9,53 = 4,97 m
Calentar el agua de 30 a 80 °C le quita unos 4,5 m al NPSHa.

Problema 2: Corrige el ejemplo de la ficha: agua a 30 °C (P_v = 4,24 kPa), aspiración de 2,0 m (el líquido está 2,0 m por debajo del eje), h_f = 1,5 m, P_atm = 101,3 kPa y tanque abierto. La bomba requiere NPSHr = 4,0 m. ¿Hay margen suficiente?

Solución:
P_atm/γ = 101,3 / 9,81 = 10,33 m; P_v/γ = 0,43 m; P_s = 0.
Con la convención de la ficha h_s = −2,0 m, y la fórmula correcta suma h_s:
NPSHa = 10,33 + 0 − 0,43 + (−2,0) − 1,5 = 6,40 m (no 10,40 m).
Margen = 6,40 − 4,0 = 2,40 m ≥ 0,5 m y relación 6,40 / 4,0 = 1,6 ≥ 1,3. Cumple.

Problema 3: Una bomba de agua a 20 °C (P_v = 2,34 kPa, γ = 9,79 kN/m³) tiene el tanque abierto 1,5 m por encima del eje (h_s = +1,5 m) y h_f = 1,0 m. Calcula el NPSHa en el Callao (101,3 kPa) y en Cerro de Pasco (59,04 kPa). Si el NPSHr es 4,5 m, ¿es seguro en altura?

Solución:
Callao: (101,3 − 2,34) / 9,79 = 10,11 m → NPSHa = 10,11 + 1,5 − 1,0 = 10,61 m
Cerro de Pasco: (59,04 − 2,34) / 9,79 = 5,79 m → NPSHa = 5,79 + 1,5 − 1,0 = 6,29 m
En altura pierde 4,32 m. Con NPSHr = 4,5 m: margen = 1,79 m y relación = 1,40. Cumple los dos criterios, pero con menos holgura que a nivel del mar.

Problema 4: Agua a 80 °C (P_v = 47,32 kPa, γ = 9,53 kN/m³) en un tanque abierto a nivel del mar (101,325 kPa), 3,0 m por encima del eje, con h_f = 1,0 m. La bomba pide NPSHr = 7,0 m. Evalúa el riesgo con el margen y con la relación.

Solución:
NPSHa = (101,325 − 47,32) / 9,53 + 3,0 − 1,0 = 5,67 + 2,0 = 7,67 m
Margen = 7,67 − 7,0 = 0,67 m (cumple el mínimo de 0,5 m)
Relación = 7,67 / 7,0 = 1,10 < 1,3 → peligro.
El margen absoluto engaña: con un NPSHr alto, la relación es el criterio que avisa. Además, para líquidos calientes se pide 1,0 – 2,0 m de margen: tampoco cumple.

Problema 5: Agua a 20 °C, nivel del mar, tanque abierto, h_f = 1,0 m. La bomba requiere NPSHr = 3,0 m y quieres un margen de 1,0 m. ¿Cuál es la máxima aspiración permitida?

Solución:
Se exige NPSHa ≥ 3,0 + 1,0 = 4,0 m (y 1,3 × 3,0 = 3,9 m, menor, por lo que manda el margen de 1,0 m).
NPSHa = 10,11 + h_s − 1,0 ≥ 4,0 → h_s ≥ 4,0 − 10,11 + 1,0 = -5,11 m
La bomba puede estar como máximo 5,11 m por encima del nivel del líquido (en la práctica, menos).

🏋️ 5 Ejercicios Propuestos

Ejercicio 1: Calcula el NPSHa de una bomba que aspira agua a 25 °C (P_v = 3,17 kPa, γ = 9,78 kN/m³) de un tanque abierto a nivel del mar (101,3 kPa) ubicado 2,0 m por encima del eje, con h_f = 0,8 m.

NPSHa = (101,3 − 3,17) / 9,78 + 2,0 − 0,8 = 10,04 + 1,2 = 11,24 m

Ejercicio 2: ¿Cuántos metros de NPSHa se ganan presurizando el tanque con 50 kPa manométricos (agua a 20 °C, γ = 9,79 kN/m³)?

ΔNPSHa = P_s/γ = 50 / 9,79 = 5,11 m

Ejercicio 3: Una instalación tiene NPSHa = 6,0 m y la bomba pide NPSHr = 4,2 m. Calcula el margen y la relación, y di si cumple los criterios (margen ≥ 0,5 m y relación ≥ 1,3).

Margen = 6,0 − 4,2 = 1,8 m; relación = 6,0 / 4,2 = 1,43. Cumple los dos (incluso el margen de 1,0 m de las guías generales).

Ejercicio 4: Una bomba tiene NPSHa = 8,0 m y h_f = 1,0 m a 100 m³/h. Su NPSHr es 1 + 3·(Q/100)² (m). Si se fuerza el caudal a 130 m³/h, ¿qué pasa? (h_f crece con Q²)

h_f a 130 m³/h = 1,0 × 1,3² = 1,69 m
NPSHa = 8,0 + 1,0 − 1,69 = 7,31 m
NPSHr = 1 + 3 × 1,3² = 6,07 m
Margen = 1,24 m, relación = 1,20 < 1,3 → zona de peligro: ¡a 100 m³/h estaba bien (NPSHa 8,0 contra NPSHr 4,0) y a 130 no!

Ejercicio 5: Expresa un margen de 1,0 m de agua en kPa (agua a 20 °C) y en pies.

En presión: 1,0 m × 9,79 kN/m³ = 9,8 kPa.
En pies: 1,0 m × 3,281 = 3,28 ft (la ficha redondea a 3 ft).