Avaries, causes i solucions habituals en el funcionament de la bomba centrífuga

Les bombes centrífugues es troben entre els equips rotatius més utilitzats en els processos industrials, que es troben gairebé a tot arreu, des de la petroquímica i la generació d'energia fins a la metal·lúrgia, des del subministrament d'aigua urbà fins al reg agrícola. No obstant això, moltes bombes no aconsegueixen la seva vida útil dissenyada-una bomba centrífuga estàndard, que funciona prop del seu punt d'eficiència òptima i es manté correctament, pot durar entre 15 i 20 anys, o fins i tot més de 25 anys. En realitat, un gran nombre de bombes centrífugues fallen prematurament, requereixen reparacions freqüents i provoquen pèrdues de producció importants a causa d'un temps d'inactivitat no planificat.

Aquest document identifica sistemàticament els errors comuns en el funcionament de la bomba centrífuga, n'analitzen els mecanismes, els camins de fallada i les característiques destructives i, basant-se en estàndards com l'API 610 i la pràctica d'enginyeria, proposa una estratègia de gestió del cicle de vida complet, des de la selecció del disseny i l'operació/manteniment fins al control de l'estat. Aquest document té com a objectiu ajudar els gestors d'equips a identificar signes d'error ocults, establir un sistema de manteniment predictiu i, fonamentalment, allargar la vida útil de les bombes centrífugues i millorar la fiabilitat de la unitat.

 

 

• Força radial i deflexió de l'eix

La força radial és la força lateral resultant que actua sobre l'eix de la bomba quan l'impulsor funciona fora de les seves condicions de disseny. Quan la bomba es desvia del seu punt d'eficiència òptima (BEP), la distribució de pressió dins de la voluta es torna desigual i la pressió al voltant de l'impulsor es torna asimètrica, generant una força radial que apunta en una direcció determinada. La magnitud d'aquesta força varia amb el cabal: com més baix sigui el cabal, més gran serà la força radial; com més gran sigui el cabal, més gran serà la força radial; només al BEP la força radial és mínima.

 

El perill de la força radial rau en la seva naturalesa "oculta". Sota la influència de la força radial, un eix de bomba que està perfectament recte quan la bomba està aturada pot doblegar-se durant el funcionament; un cop aturat, l'eix torna a la seva posició recta. Això significa que les comprovacions d'alineació estàtica convencionals no poden detectar el problema. Un eix de bomba que funciona a 3.550 rpm es doblega (es desvia) 7.100 vegades per minut, 426.000 vegades per hora i més de 3.700 milions de vegades per any. Aquesta tensió alterna-d'alta freqüència és la causa principal de la fallada del segell mecànic i la fallada prematura del coixinet. Les forces radials elevades que provoquen la deflexió de l'eix dificulten que les cares de segellat mantinguin el contacte, interrompent la capa de fluid necessària per al segellat. Simultàniament, sobrecarreguen el coixinet radial i la vida útil del coixinet està relacionada exponencialment amb la desalineació: una desalineació d'1,5 mm provocarà una fallada del coixinet en un termini de tres a cinc mesos, mentre que una desalineació de 0,025 mm pot permetre que el mateix coixinet funcioni durant més de 90 mesos.

 

La solució:El funcionament de la bomba centrífuga a prop del seu BEP (Boundary Effect Point) és el principi principal per controlar les forces radials. L'amplada de l'impulsor és un dels principals factors que afecten les forces radials: com més ample és l'impulsor, més gran serà la força radial. L'elecció d'una geometria de voluta raonable i un diàmetre de l'eix suficient pot reduir les forces radials mitjançant el disseny. Per a les bombes que ja estan en funcionament, eviteu el funcionament prolongat per sota del cabal mínim.

 

• cavitació

Quan la pressió absoluta local a prop de l'entrada de la bomba o de la pala de l'impulsor cau per sota de la pressió de vapor saturat del líquid a aquesta temperatura, el líquid es vaporitza, formant nombroses bombolles de vapor diminutes. Aquestes bombolles, transportades pel líquid flueix cap a la zona d'alta pressió-, col·lapsen ràpidament o "implosionen", generant ones de xoc d'alta-freqüència (600~25.000 Hz) amb pressions locals que arriben fins a 49 MPa. Aquest impacte actua repetidament sobre la superfície metàl·lica, provocant una erosió mecànica; simultàniament, la corrosió química generada per la calor de vaporització agreuja encara més el dany. La cavitació també interfereix amb l'intercanvi d'energia dins de l'impulsor, provocant un descens complet de les corbes Q-H, Q-P i Q{-η i, en casos greus, fins i tot interrompre el flux de líquid i deixar la bomba inoperable.

 

Hi ha diversos tipus de cavitació. El més comú és la cavitació per vaporització (tipus de deficiència NPSHa), on la velocitat del fluid augmenta i la pressió disminueix a mesura que passa per l'entrada de l'impulsor, fent que el líquid bulli i es vaporitzi. La cavitació turbulenta és causada per remolins i diferències de pressió generades per components com corbes i vàlvules de la canonada. La cavitació de la síndrome de la fulla es produeix quan l'espai entre l'impulsor i la carcassa de la bomba és massa petit, el que provoca un fort augment de la velocitat del flux i una caiguda de pressió. La cavitació de recirculació interna es produeix quan la vàlvula de sortida de la bomba està tancada o el cabal és massa baix, fent que el fluid circuli per l'impulsor, generant calor i bombolles. A més, l'entrada d'aire a la bomba a través de vàlvules defectuoses o connexions soltes també pot provocar cavitació d'entrament d'aire.

 

Les àrees més vulnerables a la cavitació a les bombes centrífugues inclouen:la placa de coberta frontal on la curvatura de l'impulsor és més gran, el costat de baixa-pressió prop de la vora d'entrada de la paleta, la llengüeta de la cambra de descàrrega i el costat de baixa-pressió de la vora d'entrada de la paleta guia.

 

Solucions:Assegureu-vos que el capçal d'aspiració neta positiva (NPSHA) del sistema sigui sempre superior al capçal d'aspiració neta positiva (NPSHR) requerit, generalment recomanat per tenir un marge d'almenys 0,5-1,0 m. La millora de la resistència a la cavitació es pot abordar des de dos aspectes: primer, millorant el disseny de la bomba en si: augmentant l'àrea de flux, augmentant el radi de curvatura de la secció d'entrada de la placa de coberta de l'impulsor i utilitzant un inductor frontal-muntat o un impulsor d'aspiració doble{-; en segon lloc, millorar les condicions del sistema: augmentar la pressió del nivell de líquid al dipòsit aigües amunt, reduir l'alçada d'instal·lació de la bomba, canviar de succió superior al reflux i reduir les pèrdues de canonades, etc.

 

• vibració

Les fonts de vibració es poden classificar en els següents tipus principals:

1. Problemes-relacionats amb el motor:L'excentricitat o la flexió del rotor condueixen a un equilibri estàtic i dinàmic excessiu; les barres trencades de la gàbia d'esquirol causen un desequilibri del camp magnètic; la resistència desequilibrada del bobinat de l'estator genera una força electromagnètica desigual.
2. Fundació i suport:Els fonaments solts o els fonaments flexibles redueixen la rigidesa de la restricció; els cargols d'ancoratge solts agreugen la vibració.
3. Acoblaments:Espaiat desigual entre cargols, seccions d'extensió excèntriques, mal equilibri estàtic i dinàmic, espais d'ajust inadequat, etc.
4. Impulsor: una qualitat de fosa o mecanitzat inferior a la norma condueix a l'excentricitat; la corrosió del canal de flux provoca excentricitat; els anells de desgast desgastats augmenten la fricció.
5. Sistema d'eix:Rigidesa de l'eix insuficient, deflexió excessiva; excés d'espai lliure del disc d'equilibri o moviment axial inadequat.
6. Condicions de funcionament:Desviar-se de les condicions de disseny comporta un augment de la força radial; selecció incorrecta o connexions paral·leles no coincidents.
7. Coixinets i lubricació:Rigidesa del coixinet insuficient, joc excessiu, lubricació deficient.

 

A més, el propi fluid també és una font de vibració: el flux d'aigua que afecta la paleta guia i la vora d'entrada de l'impulsor, la pulsació de pressió dins del cos de la bomba i la cavitació poden induir vibracions. Una vibració excessiva pot provocar la fricció del rotor-estator o fins i tot l'enganxament, la fallada de la junta de l'eix i les fuites, i també pot afectar els accessoris de canonades, les vàlvules i els fonaments, provocant perills secundaris per als operadors i el medi ambient.

 

Solució:El diagnòstic de vibracions requereix un enfocament sistemàtic. Mitjançant l'anàlisi de la forma d'ona del temps, l'espectre i la fase, combinat amb un seguiment continu, la font de vibració es pot localitzar amb precisió. Es recomana establir una línia de base de salut de les vibracions per als equips, fent referència a les normes d'avaluació de vibracions com la ISO 10816-7. Durant les inspeccions rutinàries, un augment anormal dels valors de vibració és sovint el primer senyal d'advertència.

 

• Contaminació de coixinets i lubricació

Els coixinets es troben entre els components més vulnerables de les bombes centrífugues i més del 85% de les fallades dels coixinets són causades per contaminants, ja siguin brutícia, matèries estranyes o aigua. El poder destructiu dels contaminants és sorprenent: només 250 parts per milió (ppm) d'aigua poden escurçar quatre vegades la vida del coixinet.

 

La contaminació de l'oli lubricant prové de diverses fonts: pot ser deguda a la filtració del medi de procés després d'una fallada del segell, a les impureses introduïdes durant el manteniment o al deteriorament de l'oli lubricant en si durant un funcionament a llarg termini.{0}} Els modes habituals de fallada dels coixinets inclouen el desgast de l'adhesiu, el desgast per fatiga i el desgast abrasiu, sovint causats per un espai de contacte inadequat, una mala rugositat de la superfície o el deteriorament de les propietats fisicoquímiques de l'oli lubricant.

 

A més de la contaminació, els coixinets estan sotmesos a càrregues addicionals per forces radials, forces axials, desalineació i tensió de la canonada. Aquestes forces fan que els coixinets funcionin molt més enllà de la seva càrrega de disseny, accelerant el procés de fallada.

 

La solució:Mantenir l'oli lubricant net és la mesura més eficaç per allargar la vida útil del coixinet. Establiu un sistema regular de proves d'oli (es recomana almenys trimestralment) i controleu estrictament la humitat (menys o igual a 100 ppm) i el contingut de partícules (no inferior a l'estàndard de neteja NAS Class 9). Al mateix temps, assegureu-vos que la bomba funcioni a prop del BEP per reduir la força radial, garantir l'alineació precisa de la bomba i l'accionament i eliminar la tensió de la canonada.

 

• Funcionament amb cabal mínim

Molts operadors creuen que "sempre que la bomba estigui funcionant, està bé", sense saber que operar a cabals baixos és la forma més insidiosa de dany crònic a les bombes centrífugues.

 

Cada bomba centrífuga té un rang de funcionament específic. Superar aquest rang pot desencadenar una sèrie de problemes: augment significatiu de la vibració i el soroll, un rendiment reduït, una vida útil reduïda dels components i fins i tot danys mecànics. L'estàndard API 610 defineix dos cabals mínims: el cabal límit tèrmic continu mínim (el cabal més baix al qual la bomba pot mantenir el funcionament sense ser danyat per l'augment de la temperatura) i el cabal mínim continu constant (el cabal més baix que no supera els límits de vibració especificats).

 

El funcionament per sota del cabal mínim augmenta la càrrega radial i la vibració de la bomba, intensifica la recirculació de fluids i escurça la vida útil dels coixinets i segells mecànics. La separació de fluids es pot produir dins de la bomba, augmentant encara més la vibració i el soroll. A les bombes centrífugues d'alta potència-que funcionen amb la vàlvula de sortida tancada, el fluid de l'interior de la bomba s'escalfarà cada cop més, i pot cremar els coixinets. A cabals baixos, l'eix de la bomba també experimenta forces radials addicionals.

 

El cabal mínim continu constant es veu afectat per factors com la velocitat específica de succió i la densitat d'energia. En general, el cabal mínim continu constant augmenta amb l'augment de la velocitat específica de succió. El funcionament de baix-caudal també pot induir la cavitació de recirculació interna, accelerant encara més el dany.

 

La solució:Establir una línia de cabal mínim és la mesura de protecció més fiable. Quan el cabal de funcionament és inferior al cabal mínim de la bomba, s'ha d'instal·lar una línia de cabal-baix (és a dir, una línia de recirculació mínima o bypass). A més, es poden utilitzar variadors de freqüència, vàlvules de recirculació automàtiques i control de potència o vibració. Per a les bombes que compleixen els estàndards API 610, el funcionament ha de complir estrictament el cabal mínim continu estable especificat.

 

• Fuga del segell de l'eix

Els segells mecànics són el mètode de segellat d'eix més comú per a les bombes centrífugues, però també són freqüentment propensos a fallar. Els punts de fuita dels segells mecànics es concentren principalment a les cares extremes de l'anell dinàmics i estàtics i al segell auxiliar.

 

Les causes de la fallada del segellat són variades: planitud o rugositat deficient de les cares extrems del segellat; partícules entre les cares extrems; pressió negativa a la cavitat de segellat durant l'arrencada-i l'aturada de la bomba, provocant una fricció seca de les cares extrems; acumulació prolongada de pressió a la bomba que danya el segell; flux insuficient de la bomba que fa que el medi circuli, s'escalfi i es vaporitzi; envelliment o dany al segell auxiliar. A més, la deflexió de l'eix causada per la força radial fa que sigui difícil que les cares extrems de segellat mantinguin el contacte, una de les principals causes de fallada del segell mecànic.

 

Solucions:El manteniment del segell mecànic requereix una gestió meticulosa. Les inspeccions rutinàries poden utilitzar un termòmetre d'infrarojos per controlar la temperatura de la cavitat de segellat (normal Menys o igual a la temperatura ambient +25 graus) i l'exploració setmanal de la interfície de la brida amb un detector de fuites per ultrasons. Durant el muntatge, assegureu-vos que el moviment axial de l'eix sigui inferior a 0,1 mm. Per a mitjans especials, s'han de seleccionar materials de segellat resistents a altes-temperatura i corrosió-, com ara parells de fricció d'aliatge dur a aliatge dur i anells O-perfluoroelastòmers.

 

• Desequilibri de força axial

Quan una bomba centrífuga d'aspiració d'una-etapa i-única etapa està en marxa, el rotor experimenta una empenta axial dirigida cap a l'entrada d'aspiració. Per a les bombes centrífugues multi-etapa, el problema de la força axial és més greu: la majoria de fallades es deriven d'una configuració inadequada del mecanisme d'equilibri o d'un mal funcionament del sistema d'equilibri.

 

El desequilibri de la força axial augmenta la càrrega de treball del coixinet d'empenta i fa que el rotor es mogui cap a l'entrada d'aspiració, donant lloc a vibracions. En casos greus, això pot provocar la fricció de l'anell de l'impulsor o fins i tot danys al cos de la bomba. Les estructures o dispositius d'equilibri de força axial habituals inclouen forats d'equilibri, discs d'equilibri o tambors d'equilibri (amb tubs de retorn d'equilibri). La instal·lació excèntrica del disc d'equilibri pot provocar vibracions del rotor, danyant potencialment els coixinets i l'eix de la bomba.

 

Solucions:Comproveu regularment els forats d'equilibri i les canonades de retorn per detectar obstruccions. Per als dispositius de disc d'equilibri, controleu estrictament l'excentricitat de la instal·lació, generalment requerint que no superi els 0,05 mm. Abans d'engegar una bomba de diverses etapes, és essencial un cebament i una ventilació minucioses per evitar una empenta axial instantània excessiva. S'ha d'implementar un control en línia de l'augment de la temperatura del coixinet d'empenta, ja que els canvis bruscos de temperatura al coixinet solen ser un precursor del desequilibri de la força axial.

 

• Eix trencat

La fractura de l'eix de la bomba és una de les fallades més greus de les bombes centrífugues, sovint causada per la tensió de rotació i la fatiga de flexió. En gairebé tota la maquinària giratòria, la fractura de l'eix va precedida d'una vibració intensa.

 

Les causes habituals de fractura de l'eix inclouen: disseny inadequat de l'eix de la bomba, desalineació del centre de l'eix de la unitat, selecció inadequada del coixinet, instal·lació incorrecta de la canonada de sortida; concentració d'esforços a la ranura d'alleujament de l'extrem de l'eix; i un abast excessiu de l'eix principal que condueix a un augment de la tensió de flexió. Les esquerdes de fatiga s'inicien al punt més feble, es propaguen gradualment sota tensions alternades repetides i, finalment, es fracturen sobtadament en un moment determinat. Com que l'eix de la bomba sovint no mostra cap anomalia quan s'apaga, aquest procés d'acumulació de fatiga és extremadament insidios.

 

Solucions:Eviteu la concentració d'estrès en el disseny; establiu adequadament el radi de la ranura de relleu (recomanat no menys del 5% del diàmetre de l'eix). Reforçar el control de vibracions durant el funcionament; Els augments anormals dels valors de vibració solen ser un precursor de la fractura de l'eix. Comproveu periòdicament la coaxialitat i el desgast de l'eix; Es recomana fer proves de partícules magnètiques o ultrasòniques del sistema d'eix durant els cicles de revisió importants. Per a les unitats que han patit trencaments d'eix, és essencial una anàlisi exhaustiva de la causa de la fallada; no està permès simplement substituir l'eix i tornar-lo a posar en funcionament.

 

La prevenció és millor que la reparació, i el seguiment és millor que les conjectures. L'establiment d'un sistema sistemàtic de control de vibracions, control de temperatura, anàlisi de lubricants i registre de paràmetres de funcionament és la manera fonamental d'allargar la vida útil de les bombes centrífugues i garantir una producció contínua.