Algunes idees errònies sobre la selecció i aplicació de bombes centrífugues

L'adquisició d'una bomba centrífuga d'alta-qualitat que compleixi els estàndards de fabricació és només el punt de partida, no l'objectiu final, per garantir un funcionament del sistema-sense problemes-a llarg termini. Si l'equip no està dissenyat per ser compatible amb escenaris d'aplicació específics, fins i tot els paràmetres de rendiment més impressionants provocaran inevitablement problemes d'adaptació a l'entorn real. Cada bomba centrífuga té el seu punt de funcionament òptim preestablert i el seu rang de funcionament admissible. Una vegada que les condicions de funcionament reals es desvien dels límits del disseny-ja sigui en termes de cabal, capçal d'aspiració positiu net (NPSH), característiques del medi o mètodes d'arrencada i parada-, amenaçarà directament l'estabilitat hidràulica, la fiabilitat mecànica i la vida útil de la unitat de bomba.

Aquest article, basat en l'experiència de la pràctica d'enginyeria, explicarà i aclarirà alguns conceptes erròniament comuns en la selecció i aplicació de bombes centrífugues per evitar que els usuaris prenguin una mala selecció de productes i decisions d'aplicació.

 

 

• Algunes idees errònies habituals en la selecció de productes

 

Com més gran sigui l'eficiència, millor

"Eficiència" és l'indicador bàsic per mesurar el rendiment hidràulic d'una bomba i també és el punt de partida més directe perquè els usuaris se centren en els costos de consum d'energia. Tanmateix, si l'objectiu de maximitzar l'eficiència de la bomba es persegueix unilateralment, sovint s'han de fer múltiples compromisos en la fase de disseny, que poden afectar la robustesa de l'equip i la fiabilitat del seu funcionament-a llarg termini.

L'alta eficiència, que es tradueix naturalment en un menor consum d'energia operativa, és alhora una expectativa comuna dels usuaris i una força impulsora principal de la innovació contínua per als fabricants de bombes. Es considera un "objectiu" perquè en condicions de funcionament crítiques que requereixen un funcionament continu-a llarg termini, com ara les centrals nuclears, tèrmiques i petroquímiques, la seguretat i l'estabilitat (és a dir, la fiabilitat) de les unitats de bombes són sempre primordials.

Aconseguir un disseny d'alta -eficiència normalment implica diverses característiques tècniques: espais de funcionament més petits (anells de desgast, mecanismes d'equilibri, etc.), eixos de bombes més llargs i flexibles, requisits de tolerància estrictes i el perfil de la trajectòria de flux més suau possible. Tot i que aquests dissenys milloren l'eficiència hidràulica fins a cert punt, també fan que l'equip sigui més sensible a la neteja dels mitjans, les fluctuacions de les condicions de funcionament i l'alineació de la instal·lació, augmentant així la freqüència de manteniment, augmentant les barreres tècniques i augmentant els costos de les peces de recanvi per als usuaris.

Els fabricants, basats en diferents posicionaments de mercat i estratègies de producte, tenen diferents enfocaments en les seves filosofies de disseny de bombes: alguns prioritzen l'eficiència energètica, alguns consideren la fiabilitat com un principi bàsic i d'altres persegueixen una vida útil ultra-llarga en condicions de funcionament extremes. A la dècada de 1980, el mercat de generació d'energia tèrmica de la Xina es va desenvolupar ràpidament, atraient nombrosos proveïdors de bombes de centrals elèctriques de renom internacional. La majoria de fabricants van utilitzar la seguretat i la fiabilitat com a barreres tècniques, però una empresa estrangera va entrar al mercat amb "la més alta eficiència del sector" com a avantatge diferencial. Tot i que la seva eficiència mesurada inicial era efectivament entre un 1% i un 2% superior a la dels seus competidors, sovint va patir accidents de trencament d'eix després de la posada en marxa i finalment va ser expulsat del mercat elèctric xinès. Aquest cas il·lustra profundament que les bombes centrífugues no són necessàriament millors com més gran sigui l'eficiència; una estratègia de disseny que sacrifica la fiabilitat per l'eficiència equival a beure verí per saciar la set en condicions de funcionament crítiques.

 

Com més baix sigui el capçal d'aspiració positiu net requerit (NPSH) de la bomba, millor.

Per als usuaris, com més baix sigui el capçal d'aspiració positiu net requerit (NPSHR) de la bomba, millor, ja que això pot reduir significativament l'alçada de la instal·lació (és a dir, el capçal d'aspiració positiu net NPSHA) i reduir eficaçment els costos d'inversió.

A la majoria de sistemes de bombes, NPSHA tendeix a disminuir amb l'augment del cabal, mentre que NPSHR tendeix a augmentar amb l'augment del cabal. Per tant, abans del disseny del sistema, s'han de tenir en compte les recomanacions del fabricant de la bomba i l'experiència d'aplicació, i s'ha de proporcionar un marge de seguretat suficient dins de tots els cabals de funcionament esperats. Al mateix temps, quan es determina el capçal d'aspiració positiu net, el comprador i el venedor han d'aclarir la relació entre el cabal mínim continu estable i la velocitat específica de succió de la bomba. En general, el cabal mínim continu estable de la bomba augmenta amb l'augment de la velocitat específica d'aspiració... En seleccionar la velocitat específica d'aspiració i el marge de seguretat NPSH, s'han de tenir en compte els estàndards industrials existents i l'experiència del fabricant.

A la mateixa velocitat i cabal, com més baix sigui el NPSHR, més gran serà la velocitat específica de succió de la bomba. En comparació amb els dissenys de bombes amb velocitats específiques d'aspiració més baixes, les bombes amb velocitats específiques d'aspiració més altes tenen més probabilitats de trobar vibracions i sorolls no desitjats, i el rang de funcionament admissible també es fa més estret. Pel que fa a l'impacte de la velocitat específica de succió en la fiabilitat operativa de les bombes centrífugues, els companys internacionals tenen una àmplia experiència en aplicacions d'enginyeria i han proporcionat límits màxims per a la velocitat específica de succió, que es poden utilitzar com a referència a l'hora de seleccionar bombes. Entre ells, el límit de velocitat específica d'aspiració especificat a UOP 5-11-7 [2] ha estat àmpliament reconegut i aplicat a nivell mundial, i les seves disposicions són les següents: la velocitat específica d'aspiració de la bomba no ha de superar els 13000 (m3/h, rpm m); quan el medi de bombeig és aigua o una solució amb un contingut d'aigua superior al 50% i la potència de l'impulsor d'una sola etapa de la bomba supera els 75 kW, la velocitat específica d'aspiració no ha de superar els 11000 (m3/h, rpm, m). Amb el desenvolupament de la ciència i la tecnologia, avui dia, sense augmentar el diàmetre d'entrada de l'impulsor, hi ha moltes maneres de millorar el rendiment d'aspiració de les bombes centrífugues, i el límit per a la velocitat específica d'aspiració també s'ha augmentat en conseqüència. Després d'estudiar els productes de moltes empreses multinacionals (com ara EBARA, KSB, ITT, etc.), l'autor va trobar que el tipus BB2, dissenyat amb mètodes de disseny moderns (en lloc del mètode tradicional d'augment del diàmetre d'entrada de l'impulsor), pot aconseguir un límit de velocitat específic d'aspiració d'aproximadament 14.400 (m3/h, rpm, m).

Per tant, els usuaris no haurien de perseguir cegament "NPSH3 baix" sense tenir en compte les condicions de funcionament reals. En lloc d'això, haurien de treballar amb els fabricants per deixar un marge suficient i raonable entre el capçal d'aspiració positiu net de la unitat (NPSHA) i el capçal d'aspiració positiu net requerit de la bomba (NPSH3), alhora que s'avaluen acuradament els riscos d'estabilitat operacional que poden ser causats per un disseny de velocitat específica d'aspiració elevada.

 

Com més lluny estigui la velocitat crítica de la bomba de la seva velocitat real, millor.

La velocitat crítica es refereix a la velocitat característica a la qual ressona un sistema de rotor, i el seu valor depèn de la rigidesa del rotor, la rigidesa del suport i la distribució de la massa. En els processos reals de licitació d'enginyeria, a causa d'una evitació excessiva dels riscos de ressonància, els compradors solen exigir que la velocitat crítica transversal de primer -ordre sigui tan allunyada com sigui possible de la velocitat nominal de la bomba (per exemple, els primers documents de licitació per a bombes d'aigua d'alimentació d'illa convencionals a les centrals nuclears exigien que "la primera velocitat crítica del sistema de l'eix de la bomba en aigua") sigui superior a la velocitat de funcionament del 125 % de la velocitat corresponent a l'aigua. Uns anys més tard, aquest percentatge es va incrementar fins al 135%, i en la darrera licitació fins i tot es va exigir que arribés al 150%, tot complint els estàndards d'eficiència energètica actuals.

 

Des d'una perspectiva dinàmica, augmentar la velocitat crítica fins a un punt lluny del rang de velocitat de funcionament és totalment factible, simplement augmentant el diàmetre de l'eix, escurçant l'envergadura o augmentant la rigidesa del suport. Tanmateix, això inevitablement comporta un augment del pes del rotor, una major dificultat d'equilibri i un conflicte directe amb els objectius d'eficiència energètica: en les mateixes condicions, com més gran sigui la velocitat crítica, més gruixut és el sistema d'eix i més gran és la pèrdua de fricció mecànica i la pèrdua de fricció del disc, el que significa una menor eficiència de la bomba.

 

Per tant, la selecció de la velocitat crítica és essencialment una compensació-entre "seguretat dinàmica" i "economia hidràulica". La relació entre la velocitat crítica i la velocitat nominal de la bomba s'ha de determinar racionalment en funció de diferents tipus de bombes i condicions de funcionament.

 

Les bombes centrífugues poden gestionar el flux de gas-líquid en dues-fàsiques.

El funcionament de gas dissolt de les bombes centrífugues implica un flux bifàsic de gas{0}}líquid- molt complex, que ha estat àmpliament estudiat per investigadors tant nacionals com internacionals. L'experiència ha demostrat que amb dissenys especials d'impulsor (per exemple, una coberta posterior de l'impulsor semi-oberta amb un orifici de retorn prop de l'entrada de l'impulsor al canal de flux de l'impulsor), les bombes centrífugues poden mantenir un funcionament estable fins i tot amb un contingut de gas del 10% (en volum). Les bombes centrífugues normals poden manejar líquids que contenen petites quantitats de gas (entre l'1% i el 2% en volum). La presència d'una petita quantitat de gas al líquid pot amortir l'impacte del col·lapse de la bombolla de cavitació i reduir el soroll associat, la vibració i els danys per erosió. Tanmateix, quan el contingut de gas arriba al 6%, les bombes centrífugues ordinàries poden experimentar fenòmens de cavitació i bloqueig de gas, provocant un fort descens del rendiment (cabitat, capçal i eficiència).

 

• Algunes idees errònies en l'aplicació

 

Permet un funcionament-a llarg termini per sota del cabal mínim continu estable

L'estàndard ANSI/API 610 defineix el cabal-mínim continu en estat estacionari (MCSF) com el cabal mínim al qual una bomba pot funcionar contínuament sense superar els límits de vibració especificats a l'estàndard. En altres paraules, si una bomba funciona per sota d'aquest cabal durant un període prolongat, activarà immediatament una sèrie de processos físics adversos, com ara el reflux intern, la cavitació, les forces radials addicionals (sobretot en les bombes de-voluta única) i l'augment de la temperatura del líquid. Aquests poden induir una cadena de modes de fallada, com ara la deflexió de l'eix, el desgast de l'anell de desgast, la separació de la cara de l'extrem del segell mecànic i el sobreescalfament anormal del coixinet. Les conseqüències són un augment significatiu de la vibració i el soroll mecànics, que poden escurçar dràsticament la vida útil dels segells i coixinets mecànics, o fins i tot provocar el trencament de l'eix i danys greus al rotor i als components d'acoblament.

 

En el funcionament real, sorgeixen dues idees errònies operatives habituals: en primer lloc, alguns usuaris, a causa de la manca de comprensió del manual d'operació i manteniment durant la posada en marxa, creuen erròniament que les bombes centrífugues poden funcionar durant períodes prolongats en qualsevol condició (incloent-hi un cabal estable mínim continu o fins i tot un flux zero). En segon lloc, alguns usuaris, a causa d'una incomprensió dels termes de la garantia, intenten crear artificialment condicions de funcionament extremes durant la fase de posada en marxa per verificar la "durabilitat" de l'equip. Aquestes operacions constitueixen proves destructives per a les bombes centrífugues, que poden causar no només mal funcionament immediat, sinó també el desenvolupament de defectes ocults, com ara esquerdes per fatiga, i s'han de prohibir estrictament.

 

Engegar la bomba amb la vàlvula de sortida completament oberta significa posar en marxa la bomba quan la vàlvula de sortida està completament oberta.

En molts sistemes que requereixen un funcionament continu-a llarg termini (com ara els sistemes de centrals elèctriques), normalment s'instal·len les bombes de reserva i sempre estan a punt per engegar (la bomba s'omple de mitjà; els sistemes auxiliars com ara segells, aigua de refrigeració i oli lubricant estan operatius). Si la bomba principal falla, la bomba d'espera s'engegarà automàticament. Per tant, la vàlvula de sortida de la bomba ha d'estar oberta, comunament coneguda com a "inici de la vàlvula oberta".

 

Molts compradors o usuaris tenen una idea errònia sobre l'inici de la vàlvula oberta: creuen que significa començar amb la vàlvula de sortida completament oberta. Això és incorrecte! "Obrir la vàlvula d'inici" en realitat significa començar amb la vàlvula de sortida a un cabal especificat (com ara el cabal nominal). Normalment, el cabal que pot gestionar la vàlvula de sortida de la bomba d'un sistema és molt més gran que el cabal nominal de la bomba. Si la vàlvula de sortida està totalment oberta, la bomba funcionarà a un cabal excessivament alt, causant potencialment una sèrie de problemes com ara cavitació, vibració, sobrecàrrega del motor o no engegar la unitat.

 

El procediment correcte és el següent:Basant-se en la corba de rendiment de la bomba i la corba de resistència del sistema, predefiniu l'obertura de la vàlvula de sortida a una posició propera al cabal de treball corresponent i, a continuació, -ajusteu-la segons les lectures del manòmetre i l'amperímetre després d'engegar la bomba.

 

El segell d'embalatge es pot substituir directament per un segell mecànic.

Prenent com a exemple la bomba centrífuga tipus OH1/OH2, les diferències entre els segells d'embalatge i els segells mecànics no només es troben en el seu tipus de segellat, sinó també en les diferències fonamentals en la disposició estructural general. Per als segells d'embalatge, per tal de proporcionar un espai axial suficient per acomodar la empaquetadura, els anells d'embalatge, la glàndula de la empaquetadura i una àrea per a un fàcil funcionament manual, els fabricants de bombes han de col·locar l'impulsor lluny del coixinet, la qual cosa comporta un augment significatiu de l'envergadura en voladís L de l'impulsor. coixinet auxiliar, passant a formar part del sistema de coixinets i donant suport.

 

Simplement treure el segell de l'embalatge i substituir-lo per un segell mecànic sense tornar a{0}}verificar la dinàmica del rotor comportarà els riscos següents:

 

Falta de suport:Els segells mecànics no tenen la funció d'embalar els segells com a "part del sistema de suport de l'eix". Una vegada que l'amortiment i la rigidesa proporcionats per l'embalatge desapareixen, quan la bomba s'engega o l'eix es desvia, la deflexió de l'extrem de l'eix pot superar la capacitat de seguiment del segell mecànic, provocant inevitablement una separació de la cara del segell, fuites i un desgast desigual. Això redueix la vida útil dels components i fins i tot pot causar danys o fallades en l'equip.

Interferència espacial:El diàmetre interior de la caixa de farciment (cavitat de segellat) en un segell d'embalatge sol ser més petit que la mida de la cavitat requerida pel segell mecànic. Aquest espai estret no és suficient perquè el segell mecànic utilitzi la força centrífuga per llançar partícules sòlides de la superfície de segellat, i tampoc no pot proporcionar suficient espai de refrigeració, provocant un sobreescalfament, coquització o una fallada prematura de la superfície de segellat.

 

Per tant, per a les-bombes centrífugues d'aspiració final, quan es consideri canviar a un segell mecànic, primer s'ha de realitzar una avaluació de la dinàmica del rotor per calcular la relació L³/D⁴. Aquí, L és la distància (polzades o mil·límetres) entre el centre del coixinet interior i el centre de l'impulsor; D és el diàmetre de l'eix (polzades o mil·límetres) al casquet del segell mecànic. Aquest valor ha de ser inferior a 60 (unitats dels EUA), o menys de 2,0 en unitats mètriques, per considerar-se dins del rang acceptable per a la deflexió de l'extrem de l'eix del segell mecànic.

 

Permetre la reversió

En moltes aplicacions crítiques de bombes centrífugues, els usuaris solen requerir que la bomba pugui suportar la rotació inversa a curt termini-quan es produeixen condicions com ara una fallada de la vàlvula de sortida o un mal funcionament de la vàlvula de retenció, i que la velocitat inversa admissible arribi a la velocitat nominal. Des de la perspectiva del marge de parell de la dinàmica del rotor, això és teòricament factible, sempre que el diàmetre de l'eix, la connexió de la clau i la femella de bloqueig es comprovi amb el parell invers màxim. Tanmateix, en aplicacions pràctiques d'enginyeria, a causa de les limitacions de múltiples factors com ara el cost, l'eficiència energètica, la seguretat i la fiabilitat, els sistemes de tancament mecànic i les condicions de funcionament, sovint és difícil aconseguir simultàniament un rendiment òptim d'avantguarda alhora que proporciona a l'equip una forta tolerància inversa.

 

A més, la "inversió", com a condició típica de falla/accident, sovint no és un esdeveniment aïllat, sinó que sovint s'acompanya d'una superposició de situacions extremes:

Inversió inversa "Power Slip" Auto{0}}inici:Quan l'equip perd potència, la vàlvula de sortida funciona malament simultàniament i la bomba està en rotació inversa d'alta -velocitat, si la font d'alimentació es restableix sobtadament en un curt període de temps (és a dir, el motor torna a accelerar), equival a iniciar sobtadament la unitat de bomba durant el procés de rotació inversa. En aquest moment, el rotor de la bomba estarà sotmès a la superposició vectorial de parell positiu i parell d'inercia inversa, i s'enfrontarà instantàniament a una càrrega d'impacte de gairebé el doble del parell nominal, que pot causar fàcilment el trencament de l'eix o el trencament de l'element elàstic de l'acoblament.

Falla de rentat del segell mecànic:Per a estructures de segellat mecànic equipades amb anells de bombament (flux de vòrtex), la direcció de bombament és estrictament unidireccional. En funcionament invers, l'anell de bombeig pot no establir el flux de rentat, o fins i tot generar un diferencial de pressió inversa, provocant la interrupció del fluid de rentat del segell mecànic. Això, al seu torn, provoca fricció seca i esquerdament tèrmic a la superfície de segellat, escurçant significativament la vida útil del segell mecànic. Per tant, una vegada que la bomba s'inverteix, el segell mecànic s'ha de desmuntar i inspeccionar després de l'aturada, i els anells de tancament dinàmics i estacionaris s'han de substituir si cal.

Fallada del mecanisme anti-afluixament:Si els elements de subjecció del rotor (com ara les femelles de l'impulsor i les femelles de bloqueig dels coixinets) no tenen un disseny fiable anti-afluixament (p. ex., basant-se únicament en un parell de fricció sense una estructura de bloqueig mecànic), el parell d'impacte instantani generat per la rotació inversa pot provocar que les peces s'afluixin, es desplacin o fins i tot es facin malbé.

 

• Resumir

En funció dels riscos anteriors, es recomana una estratègia de control per nivells: per a condicions de funcionament no-crítiques o per a escenaris crítics en què es pot evitar la rotació inversa mitjançant l'enclavament del procés, no es recomana forçar les bombes a tenir tolerància de rotació inversa; per a les bombes crítiques que han de tolerar la rotació inversa, l'índex de parell invers s'ha d'especificar clarament en la fase de disseny i el fabricant ha de dur a terme una verificació especial de la resistència de l'eix i una certificació anti-afluixament de fixació per garantir el marge de seguretat.

 

La racionalitat de la selecció i l'aplicació de la bomba centrífuga determina directament el cost del cicle de vida{0}}i la fiabilitat operativa del sistema de bombes. A partir de l'anàlisi anterior, les conclusions bàsiques es resumeixen de la següent manera:

• Una eficiència més alta no sempre és millor: els dissenys d'alta-eficiència sovint tenen el preu de sacrificar el joc de l'anell de desgast, el marge del diàmetre de l'eix i la suavitat del canal de flux. S'ha de prioritzar la fiabilitat en condicions de funcionament crítiques.
• Un NPSH requerit més baix no sempre és millor: el NPSH3 baix sol anar acompanyat d'una velocitat específica d'aspiració elevada, cosa que comporta un rang de funcionament més estret i un risc de vibració més gran. La selecció de la bomba ha de coincidir amb el NPSH del sistema i la velocitat específica d'aspiració s'ha de limitar segons estàndards com ara UOP i HI.
• La velocitat crítica s'ha d'establir de manera raonable, no augmentar cegament: augmentar la velocitat crítica es correlaciona negativament amb l'eficiència energètica. El marge de velocitat crítica per als rotors humits s'ha de seleccionar raonablement en funció del tipus de bomba i dels estàndards (com ara l'API 610) per evitar un-disseny excessiu.
• Les bombes centrífugues ordinàries tenen una tolerància extremadament baixa als mitjans gasosos: només les bombes dissenyades especialment poden gestionar un 10% de contingut de gas. Les bombes convencionals experimenten una degradació del rendiment per sobre del 2% i poden experimentar un tancament d'aire per sobre del 6%.
• El funcionament prolongat per sota del cabal mínim continu estable està estrictament prohibit; s'han de configurar mesures de protecció de cabal mínim (com ara vàlvules de derivació o de recirculació automàtiques).
• Inici de la vàlvula oberta-amunt ≠ engegada de la vàlvula de sortida completa-alça: el grau d'obertura preestablert ha de coincidir amb el cabal nominal per evitar la sobrecàrrega i la cavitació. ● Els segells d'embalatge no es poden substituir directament per segells mecànics: s'han de realitzar càlculs de deflexió del rotor (L³/D⁴) i s'ha d'avaluar l'impacte dinàmic dels canvis a l'estructura de suport.
• La rotació inversa s'ha de manejar amb precaució; no és necessària tret que sigui absolutament necessari; si cal, s'han de realitzar comprovacions específiques de resistència i dissenys anti-afluixament.
• L'aigua purificada industrial no és adequada com a mitjà de refrigeració per a bombes d'alta-temperatura; es recomana l'aigua o el vapor suavitzats, i la gestió i el manteniment de la qualitat de l'aigua s'han de reforçar.

 

Només abandonant la mentalitat de selecció aïllada de "supremacia dels paràmetres" i establint un marc científic per a la presa de decisions-d'"adaptació del sistema, concordança de condicions operatives i compensacions del cicle de vida complet-" es poden evitar fonamentalment les idees errònies-esmentades anteriorment i aconseguir un funcionament eficient, estable i de llarga-vida útil dels sistemes de bombes centrífugues.