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Diagnóstico y Rendimiento de Bombas Centrifugas

Principales Fallas

Cavitación

Según el manual [106], este fenómeno consiste en la formación de burbujas en un flujo sometido a la

presión del medio ambiente, similar o menor a la de vapor saturado del líquido bombeado. La

cavitación se traduce en perdida de material provocado por la implosión de burbujas contra la

superficie del impulsor o de la carcasa. La formación de estas burbujas no puede ocurrir si el cabezal

neto de succión positiva (NPSHA) excede el requerido para que ocurra la cavitación. Este valor inicial

de NPSH suele ser más alto que el valor del cabezal neto de succión positiva requerido (NPSHR),

que se basa en la existencia de cierto valor de cavitación para hacer notar una desviación en el

rendimiento de la bomba.

Diagnostico

Como lo describe el manual [106], la cavitación es claramente detectable cuando la bomba en su

continua operación genera sonidos en forma golpeteo continuo, generalmente estos sonidos se

presentan alrededor del área de succión. También pueden generarse sonidos en forma de golpeteos

aleatorios, esto ocurre cuando además de la cavitación tenemos recirculación en la bomba. También

es de notar que el caudal de descarga de la bomba se reduce considerablemente causando a su vez

una caída importante en el rendimiento de la misma.

El daño que genera la cavitación es visible y ocurre en el área de succión del impulsor. Todo esto es

causa de un NPSH no adecuado (NPSHA<NPSHR), y se caracteriza por la aparición de hoyuelos en

la superficie del impulsor.

Procedimientos de corrección

Para la corrección de esta falla el manual [106] recomienda que es vital el rediseño, si no se puede

adicionar más NPSH (Cabezal Neto de Succión Positiva) es necesario reducir la capacidad de la

bomba hasta que pueda resolverse el problema en la succión. El rediseño del impulsor para corregir

este problema es otro paso que debe seguirse si no se puede igualar o minimizar el NPSH. Esto

ayudaría a reducir las pérdidas, obteniendo mejores condiciones de flujo. Otra salida a este problema

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puede ser la sustitución del impulsor, en el caso de las bombas multietapas se sustituye solo el

impulsor ubicado en el área de succión.

Recirculación en Succión y Descarga.

El manual [106] contempla que esto ocurre por la existencia de pequeños flujos de líquido que se

devuelven en la entrada del impulsor (recirculación en succión) y en la salida del impulsor)

recirculación en descarga). Estos fenómenos pueden ser muy perjudiciales para una bomba y debe

ser evitado a toda costa para garantizar la continua operación con un gasto insignificante de energía

por etapa.

Diagnostico

Para la detección de recirculación tenemos especificado por el manual [106] que se debe verificar la

generación sonidos en forma de golpeteos aleatoriamente tanto en la succión como en la descarga de

la bomba, tomando así este comportamiento como principal indicativo de esta falla. Este golpeteo

aleatorio siempre viene acompañado de la cavitación también. El sonido generado es de gran

intensidad cuando es en la descarga o en la succión, la diferencia es que en la descarga el sonido se

genera en la voluta de descarga o difusor y en la succión el sonido se genera alrededor de la línea de

succión. Este fenómeno que viene dado junto con la cavitación se caracteriza también por la aparición

de hoyuelos en toda la superficie de los impulsores.

Procedimientos de Corrección

Según el manual [106] todo impulsor está hecho para que trabaje con ciertas características

específicas de recirculación, estas características son inherentes en el diseño y no pueden ser

cambiadas sin que dicho diseño se modifique totalmente.

Haciendo un análisis de recirculación de forma muy general es posible considerar actividades de

corrección como el incrementar la capacidad de descarga de la bomba, instalar un bypass entre las

líneas de descarga y succión, sustituir el impulsor por otro que sea de un material más resistente al

fenómeno de cavitación y rediseñar el impulsor.

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Empuje Axial.

Consiste en el empuje ejercido en dirección del eje, este puede ser indiferentemente en dirección de

entrada o de salida del flujo de líquido. Según el manual [106] está constituido por un componente

cíclico dinámico que está sujeto a una carga estacionaria en cualquier dirección. Estos componentes

cíclicos dinámicos aumentan en lo que se llama la zona de recirculación y por consiguiente somete el

eje a grandes esfuerzos, lo cual puede resultar en la falla del mismo por la fatiga del metal. No obstante

todo el esfuerzo que recae en el eje también lo reciben los cojinetes, lo cual ocasiona que la excesiva

fricción que se genera dé como resultado un aumento descontrolado de la temperatura de las piezas,

aumentando consigo el desgaste de las mismas.

Diagnostico

Una bomba que esté sometida a recirculación excesiva, vibraciones, etc., puede presentar grandes

cargas axiales que usualmente producen una falla por fatiga del eje y desgaste de los cojinetes antes

de tiempo.

La excesiva carga estática en el caso de los rodamientos provoca el desgaste acelerado de piezas como

bolas o rodillos y pistas. Algo importante a considerar es la diferenciación de la falla por cargas

dinámica y por cargas estáticas, esto solo se podrá saber si se hace un estudio de la pieza a través de

una Macrofractografía vía lupa estereoscópica, o un estudio de la superficie de la misma a través de

un microscopio. La falla por carga dinámica a la luz del microscopio revela características que se

asemejan al golpeteo de un martillo en la superficie del metal y la falla por carga estática revela la

fatiga del material en ausencia de marcas de golpeteo de martillo.

Las fallas en los ejes de las bombas multietapa o en las bombas de doble succión es probable que se

provocado por la fatiga en la tensión que resulta de los múltiples esfuerzos cíclicos generados por la

recirculación en la descarga de la misma. Estos esfuerzos es posible evitarlos a través de un aumento

en la zona de descarga, o si es posible realizar la instalación de una línea de recirculación o un bypass

entre la línea de descarga y la línea de succión, que permita mover el flujo necesario para que la

bomba trabaje en el punto donde ocurre la recirculación. Este tipo de modificaciones deben hacerse

según los parámetros de la bomba, consultando siempre al fabricante. [106]

Procedimientos de Corrección

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Antes de tomar cualquier tipo de acción correctiva es necesario identificar si las cargas que actúan

sobre el eje son dinámicas, estáticas o ambas. Si fuesen estáticas se puede reducir el empuje por la

restauración de los espacios y superficies internas. La mayoría de los ejes y rodamientos fallan por

empuje axial, aunque no deja de ser importante también la falla por fatiga. Si se comprueba que la

falla es por fatiga, es posible disminuir la carga a través del aumento de caudal en la bomba. En caso

de que esto no sea posible entonces es necesario sustituir el eje por otro de un material más resistente.

Otra acción a considerar es la sustitución de rodamientos por cojinetes, ya que las películas de aceite

absorben mejor las cargas que las bolas o rodillos en rodamientos. [106]

Empuje Radial.

El manual [106] especifica que esto ocurre cuando hay presente un empuje que es perpendicular al

centro de rotación del eje. Las fuerzas están compuestas por un componente cíclico dinámico sujeto

a una carga estacionaria. El componente cíclico dinámico aumenta rápidamente cuando la bomba

opera con poco flujo o cuando está operando en la zona de recirculación. La carga estática se

incrementa cuando está operando con bajo o con alto flujo, cuando tiene el mínimo valor o está cerca

de la zona de máxima eficiencia. La mayoría de las fallas por empuje radial siempre ocurren en las

bombas que trabajan con bajo flujo.

Diagnostico

La presencia de empuje radial es difícil de detectar en una bomba en funcionamiento. Constantes

problemas en los sellos mecánicos y en los cojinetes o rodamientos puede ser un indicativo de que el

eje esta flexionado y de que hay cargas radiales.

En el caso de los rodamientos y de los cojinetes, las excesivas cargas radiales provocan una

disminución alarmante de su vida útil. El aumento de temperatura provoca que estos sufran un

desgaste antes de lo anticipado. Para el caso de los cojinetes de manguito (Sleeve Bearings), se pueden

usar en una sola dirección para que sea desgastado uniformemente, si esto ocurre puede que la causa

de la falla sea un desbalance y no una carga excesiva en los rodamientos. [106]

Procedimientos de Corrección

Como se dijo anteriormente las cargas radiales pueden reducirse instalando un bypass o una línea de

recirculación entre la succión y la descarga de la bomba. Para los ejes, las cargas radiales excesivas

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ocurren en la parte media del mismo, sobre todo cuando es una bomba multietapa o de doble succión.

Para las bombas que trabajan con agua la vida del eje puede ser extendida si se cambia por un de

acero inoxidable martensítico (13% de cromo) por uno de acero al carbono. Si hay signos de corrosión

y también fallas por fatiga, se debe tomar en cuenta un acero inoxidable austenítico. No obstante las

propiedades físicas debes ser evaluadas cuidadosamente, el límite de resistencia de los aceros de la

serie 300 puede ser más bajo que el de los aceros al cromo en el agua. [106]

Pulsaciones por Presión.

Según el manual [106] estas se pueden presentar en la descarga o en la succión de cualquier bomba

centrifuga, aunque puede ser de poca relevancia no por eso es un síntoma que debemos pasar por alto

en los parámetros del normal funcionamiento. La magnitud y la frecuencia con que ocurre cada

pulsación dependerán del diseño de la bomba, de su cabezal, de la respuesta de succión, de la tubería

de descarga y del punto de operación de la bomba en su curva de funcionamiento. Las frecuencias en

la descarga dependerán de la frecuencia del paso de alabe y la frecuencia de trabajo, o de ambas,

aunque las frecuencias pulsaciones de presión podrán ser en algunos casos más altas que las

mencionadas. La causa de este fenómeno es difícil de descifrar, sin embargo, esta generalmente es

atribuida a resonancia en el sistema, comportamiento acústico, remolinos en válvulas, tuberías aguas

arriba en mal estado, etc. Normalmente las pulsaciones son más bajas en la succión que en la descarga,

y están por el orden de 5 a 25 ciclos por segundo. Estas no tienen ninguna relación con la velocidad

de rotación de la bomba.

Diagnostico

En algunos casos puede causar inestabilidad en el funcionamiento de las bombas o altos niveles de

ruido. Las pulsaciones por presión se hace notar en la mayoría de los casos en instalaciones que

manejan alrededor de 3MPa o 435 ⁄ (eso representa al menos unos 305 de cabezal de agua).

También es un problema persistente engorroso en las bombas de aplicación especializada como las

que se usan en la industria del papel, específicamente las bombas de aguas blancas que usan las

maquinas del papel, donde las excesivas pulsaciones de presión provocan fallas en la calidad del papel

fabricado.

Para las bombas que manejan un alto cabezal es de vital importancia investigar cualquier falla que

pueda ser consecuencia de pulsaciones de presión. Existe la posibilidad de que haya fallas por fatiga

interna dentro de la maquinaria. Este tipo de fallas pueden tener uno o más orígenes. Dentro de la

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maquinaria pueden aparecer marcas de fatiga, grietas y hasta microfracturas en las superficies que

pueden ser causadas por los esfuerzos cíclicos generados, esto da pie para que se realice una

investigación más a fondo de los materiales (ensayos metalográficos). [106]

Procedimientos correctivos

Este tipo de fallas no es la más fácil de corregir, para tener un buen diagnóstico y ejecutar las

actividades de corrección más adecuadas debemos primero estar seguros de lo que sucede en la

maquinaria. A menudo lo más preciso es realizar un análisis espectral de la bomba, específicamente

en la zona de succión y en la zona de descarga.

Para las actividades correctivas el manual [106] recomienda la consideración de las siguientes

situaciones:

Excesiva vibración en las tuberías de descarga y succión.

a. Realizar un análisis de vibraciones a la tubería y a la bomba para luego comparar si la frecuencia

de cualquier parte analizada responde a la frecuencia de las pulsaciones de presión, tomando en

cuenta los valores de frecuencia de trabajo de la bomba.

b. Si la frecuencia de la tubería responde a la del paso del impulsor, este debe ser reemplazado por

otro que contenga un alabe más o un alabe menos.

c. Considerar la instalación de una tubería de descarga de mayor diámetro para aligerar las

pulsaciones, sino se debe instalar una línea de recirculación entre la succión y la descarga de la

bomba, luego verificar.

Inestabilidad en el control de la bomba.

a. Es necesario instalar una línea de recirculación entre la descarga y la succión de la bomba para

reducir la inestabilidad.

b. Instalar filtros acústicos que reduzcan las pulsaciones de la bomba.

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Falla por fatiga o por presión interna en componentes de la bomba generada por las

pulsaciones.

a. Si es posible instalar una line a de recirculación entre la succión y la descarga de la bomba.

b. Estudiar un rediseño de los componentes fallidos de la bomba tomando en cuenta los esfuerzos

cíclicos inducidos en las piezas esté por debajo de la dureza límite del material.

c. Si en los análisis espectrales de la bomba se confirma que la frecuencia de las pulsaciones coincide

con la frecuencia de paso de los alabes del impulsor, es necesario sustituir el impulsor por otro

que posea más o menos alabes del mismo diseño.

12] Karassik Igor J., Messina Joseph P. 2001.Pump Handbook. Third Edition. Chapter 2. Pag. 429

Ejes

Es una pieza rotatoria que usualmente posee una sección transversal circular, y es usado para

transmitir energía o movimiento. El eje puede estar constituido por elementos como engranajes,

poleas, volantes, cigüeñales, ruedas dentadas, etc., que controlan la geometría de su movimiento. Se

conoce también con los nombres de árbol, Husillo (flecha corta), eje principal, gorrón, eje de

transmisión, contraeje o eje flexible, estos son los asociados con los ejes o flechas utilizadas para

procesos especiales. El eje es un elemento no rotatorio que no transmite un par de torsión, es utilizado

para soportar piezas como las nombradas anteriormente, sin embargo, en diversos procesos es

utilizado el termino eje, el cual no es verdadero. Este término es un remanente de la era de caballo y

la calesa, en la época en que las ruedas giraban pero el soporte no lo hacía. [402]

Para diseñar un eje debemos tomar en cuenta los siguientes aspectos:

Deflexión y Rigidez

a. Deflexión por Flexión.

b. Deflexión por Torsión.

c. Pendiente en los cojinetes y elementos soportados por el eje.

d. Deflexión por cortante debida a cargas transversales sobre ejes cortos.

Esfuerzo y Resistencia