Fallos comunes, causas y soluciones en el funcionamiento de bombas centrífugas.

Las bombas centrífugas se encuentran entre los equipos rotativos más utilizados en procesos industriales y se encuentran en casi todas partes, desde la petroquímica y la generación de energía hasta la metalurgia, desde el suministro de agua urbana hasta el riego agrícola. Sin embargo, muchas bombas no alcanzan su vida útil prevista.-Una bomba centrífuga estándar, funcionando cerca de su punto óptimo de eficiencia y mantenida adecuadamente, podría durar entre 15 y 20 años, o incluso más de 25 años. En realidad, una gran cantidad de bombas centrífugas fallan prematuramente, requieren reparaciones frecuentes y provocan importantes pérdidas de producción debido a tiempos de inactividad no planificados.

Este documento identifica sistemáticamente fallas comunes en el funcionamiento de las bombas centrífugas, analiza sus mecanismos, rutas de falla y características destructivas y, basándose en estándares como API 610 y prácticas de ingeniería, propone una estrategia de gestión del ciclo de vida completo, desde la selección del diseño y la operación/mantenimiento hasta el monitoreo de la condición. Este documento tiene como objetivo ayudar a los administradores de equipos a identificar señales de fallas ocultas, establecer un sistema de mantenimiento predictivo y, fundamentalmente, extender la vida útil de las bombas centrífugas y mejorar la confiabilidad de la unidad.

 

 

• Fuerza radial y desviación del eje.

La fuerza radial es la fuerza lateral resultante que actúa sobre el eje de la bomba cuando el impulsor opera fuera de sus condiciones de diseño. Cuando la bomba se desvía de su punto de eficiencia óptima (BEP), la distribución de presión dentro de la voluta se vuelve desigual y la presión alrededor del impulsor se vuelve asimétrica, generando una fuerza radial que apunta en una dirección determinada. La magnitud de esta fuerza varía con el caudal: cuanto menor es el caudal, mayor es la fuerza radial; cuanto mayor sea el caudal, mayor será la fuerza radial; sólo en el BEP la fuerza radial es mínima.

 

El peligro de la fuerza radial reside en su naturaleza "oculta". Bajo la influencia de la fuerza radial, el eje de una bomba que está perfectamente recto cuando la bomba está parada puede doblarse durante el funcionamiento; una vez detenido, el eje vuelve a su posición recta. Esto significa que las comprobaciones de alineación estática convencionales no pueden detectar el problema. El eje de una bomba que funciona a 3550 rpm se dobla (desvía) 7100 veces por minuto, 426 000 veces por hora y más de 3700 millones de veces por año. Esta tensión alterna de alta-frecuencia es la causa principal de las fallas de los sellos mecánicos y de las fallas prematuras de los rodamientos. Las altas fuerzas radiales que causan la deflexión del eje dificultan que las caras de sellado mantengan el contacto, alterando la capa de fluido necesaria para el sellado. Al mismo tiempo, sobrecargan el rodamiento radial y la vida útil del rodamiento está exponencialmente relacionada con la desalineación: una desalineación de 1,5 mm provocará una falla en el rodamiento dentro de tres a cinco meses, mientras que una desalineación de 0,025 mm puede permitir que el mismo rodamiento funcione durante más de 90 meses.

 

La solución:Operar la bomba centrífuga cerca de su BEP (punto de efecto límite) es el principio principal para controlar las fuerzas radiales. El ancho del impulsor es uno de los principales factores que afectan las fuerzas radiales: cuanto más ancho sea el impulsor, mayor será la fuerza radial. La elección de una geometría de voluta razonable y un diámetro de eje suficiente puede reducir las fuerzas radiales a través del diseño. Para las bombas que ya están en funcionamiento, evite el funcionamiento prolongado por debajo del caudal mínimo.

 

• cavitación

Cuando la presión absoluta local cerca de la entrada de la bomba o de la entrada de la pala del impulsor cae por debajo de la presión de vapor saturado del líquido a esa temperatura, el líquido se vaporiza formando numerosas y diminutas burbujas de vapor. Estas burbujas, transportadas por el flujo de líquido hacia la zona de alta-presión, colapsan rápidamente o "implosionan", generando ondas de choque de alta-frecuencia (600~25 000 Hz) con presiones locales que alcanzan hasta 49 MPa. Este impacto actúa repetidamente sobre la superficie del metal, provocando erosión mecánica; Al mismo tiempo, la corrosión química generada por el calor de la vaporización exacerba aún más el daño. La cavitación también interfiere con el intercambio de energía dentro del impulsor, lo que provoca una disminución generalizada de las curvas Q-H, Q-P y Q-η y, en casos graves, incluso interrumpe el flujo de líquido y deja la bomba inoperable.

 

Existen varios tipos de cavitación. La más común es la cavitación por vaporización (tipo deficiencia de NPSHa), donde la velocidad del fluido aumenta y la presión disminuye a medida que pasa por la entrada del impulsor, provocando que el líquido hierva y se vaporice. La cavitación turbulenta es causada por remolinos y diferencias de presión generadas por componentes como codos y válvulas en la tubería. El síndrome de cavitación de las palas se produce cuando el espacio entre el impulsor y la carcasa de la bomba es demasiado pequeño, lo que provoca un fuerte aumento de la velocidad del flujo y una caída de la presión. La cavitación de recirculación interna ocurre cuando la válvula de salida de la bomba está cerrada o el caudal es demasiado bajo, lo que hace que el fluido circule alrededor del impulsor, generando calor y burbujas. Además, el aire que ingresa a la bomba a través de válvulas defectuosas o conexiones sueltas también puede causar cavitación por arrastre de aire.

 

Las áreas más vulnerables a la cavitación en bombas centrífugas incluyen:la placa de cubierta frontal donde la curvatura del impulsor es mayor, el lado de baja-presión cerca del borde de entrada de la paleta, la lengüeta de voluta de la cámara de descarga y el lado de baja-presión del borde de entrada de la paleta guía.

 

Soluciones:Asegúrese de que la altura de succión positiva neta (NPSHA) del sistema sea siempre mayor que la altura de succión positiva neta requerida (NPSHR), generalmente recomendada para tener un margen de al menos 0,5 a 1,0 m. La mejora de la resistencia a la cavitación se puede abordar desde dos aspectos: primero, mejorar el diseño de la bomba en sí: aumentar el área de flujo, aumentar el radio de curvatura de la sección de entrada de la placa de cubierta del impulsor y utilizar un inductor-montado en el frente o un impulsor de doble-succión; en segundo lugar, mejorar las condiciones del sistema: aumentar la presión del nivel de líquido en el depósito aguas arriba, reducir la altura de instalación de la bomba, cambiar de succión superior a reflujo y reducir las pérdidas en las tuberías, etc.

 

• vibración

Las fuentes de vibración se pueden clasificar en los siguientes tipos principales:

1. Problemas relacionados con el motor-:La excentricidad o flexión del rotor provoca un equilibrio estático y dinámico excesivo; las barras rotas de una jaula de ardilla provocan un desequilibrio en el campo magnético; La resistencia desequilibrada del devanado del estator genera una fuerza electromagnética desigual.
2. Fundación y apoyo:Los cimientos sueltos o los cimientos flexibles reducen la rigidez de las restricciones; Los pernos de anclaje flojos exacerban la vibración.
3. Acoplamientos:Espaciado desigual entre pernos, secciones de extensión excéntricas, equilibrio estático y dinámico deficiente, holguras de ajuste inadecuadas, etc.
4. Impulsor: La calidad deficiente de la fundición o del mecanizado provoca excentricidad; la corrosión del canal de flujo provoca excentricidad; Los anillos de desgaste desgastados aumentan la fricción.
5. Sistema de eje:Rigidez insuficiente del eje, deflexión excesiva; Holgura excesiva del disco de equilibrio o movimiento axial inadecuado.
6. Condiciones de funcionamiento:Desviarse de las condiciones de diseño conduce a una mayor fuerza radial; selección incorrecta o conexiones paralelas no coincidentes.
7. Rodamientos y lubricación:Rigidez insuficiente del rodamiento, holgura excesiva, mala lubricación.

 

Además, el fluido en sí también es una fuente de vibración: el flujo de agua que impacta la paleta guía y el borde de ataque del impulsor, las pulsaciones de presión dentro del cuerpo de la bomba y la cavitación pueden inducir vibraciones. La vibración excesiva puede provocar fricción en el rotor-estator o incluso agarrotamiento, fallas en el sello del eje y fugas, y también puede afectar los accesorios de tuberías, válvulas y cimientos, causando riesgos secundarios para los operadores y el medio ambiente.

 

Solución:El diagnóstico de vibraciones requiere un enfoque sistemático. A través del análisis de fase, espectro y forma de onda de tiempo, combinado con un monitoreo continuo, se puede localizar con precisión la fuente de vibración. Se recomienda establecer una línea base de salud de vibraciones para los equipos, haciendo referencia a estándares de evaluación de vibraciones como ISO 10816-7. Durante las inspecciones de rutina, un aumento anormal en los valores de vibración suele ser la primera señal de advertencia.

 

• Contaminación de rodamientos y lubricación.

Los rodamientos se encuentran entre los componentes más vulnerables de las bombas centrífugas y más del 85 % de las fallas en los rodamientos son causadas por contaminantes, ya sea suciedad, materias extrañas o agua. El poder destructivo de los contaminantes es asombroso: sólo 250 partes por millón (ppm) de agua pueden acortar la vida útil de los rodamientos cuatro veces.

 

La contaminación del aceite lubricante proviene de varias fuentes: podría deberse a la filtración del medio de proceso después de una falla del sello, impurezas introducidas durante el mantenimiento o deterioro del propio aceite lubricante durante el funcionamiento-a largo plazo. Los modos comunes de falla de los rodamientos incluyen desgaste adhesivo, desgaste por fatiga y desgaste abrasivo, a menudo causados ​​por una holgura inadecuada de la superficie de contacto, una mala rugosidad de la superficie o el deterioro de las propiedades fisicoquímicas del aceite lubricante.

 

Además de la contaminación, los rodamientos están sujetos a cargas adicionales provenientes de fuerzas radiales, fuerzas axiales, desalineación y tensión de las tuberías. Estas fuerzas hacen que los rodamientos funcionen mucho más allá de su carga de diseño, acelerando el proceso de falla.

 

La solución:Mantener el aceite lubricante limpio es la medida más eficaz para prolongar la vida útil de los rodamientos. Establezca un sistema de prueba de aceite regular (se recomienda al menos trimestralmente) y controle estrictamente la humedad (menor o igual a 100 ppm) y el contenido de partículas (no inferior al estándar de limpieza NAS Clase 9). Al mismo tiempo, asegúrese de que la bomba funcione cerca del BEP para reducir la fuerza radial, garantizar una alineación precisa de la bomba y el accionamiento y eliminar la tensión de la tubería.

 

• Operación de caudal mínimo

Muchos operadores creen que "mientras la bomba esté funcionando, está bien", sin saber que operar a bajos caudales es la forma más insidiosa de daño crónico a las bombas centrífugas.

 

Cada bomba centrífuga tiene un rango de funcionamiento específico. Superar este rango puede desencadenar una serie de problemas: aumento significativo de vibraciones y ruidos, disminución del rendimiento, reducción de la vida útil de los componentes e incluso daños mecánicos. La norma API 610 define dos caudales mínimos: el caudal límite térmico continuo mínimo (el caudal más bajo al que la bomba puede mantener el funcionamiento sin sufrir daños por el aumento de temperatura) y el caudal constante mínimo continuo (el caudal más bajo que no excede los límites de vibración especificados).

 

Operar por debajo del caudal mínimo aumenta la carga radial y la vibración de la bomba, intensifica la recirculación de fluido y acorta la vida útil de los cojinetes y sellos mecánicos. Puede producirse una separación de fluidos dentro de la bomba, lo que aumenta aún más la vibración y el ruido. En las bombas centrífugas de alta-potencia que funcionan con la válvula de salida cerrada, el fluido dentro de la bomba se calentará cada vez más, lo que podría quemar los cojinetes. Con caudales bajos, el eje de la bomba también experimenta fuerzas radiales adicionales.

 

El caudal mínimo continuo y estable se ve afectado por factores como la velocidad específica de succión y la densidad de energía. Generalmente, el caudal mínimo continuo y estable aumenta al aumentar la velocidad específica de succión. La operación de flujo bajo-también puede inducir cavitación de recirculación interna, lo que acelera aún más el daño.

 

La solución:Establecer una línea de caudal mínimo es la medida de protección más confiable. Cuando el caudal de funcionamiento es inferior al caudal mínimo de la bomba, se debe instalar una línea de bajo-caudal (es decir, una línea de recirculación mínima o derivación). Además, se pueden utilizar variadores de frecuencia, válvulas de recirculación automática y monitoreo de potencia o vibración. Para las bombas que cumplen con los estándares API 610, la operación debe cumplir estrictamente con el caudal mínimo continuo estable especificado.

 

• Fuga en el sello del eje

Los sellos mecánicos son el método de sellado de eje más común para bombas centrífugas, pero también son frecuentemente propensos a fallar. Los puntos de fuga en los sellos mecánicos se concentran principalmente en las caras extremas de los anillos dinámicos y estáticos y en el sello auxiliar.

 

Las causas de la falla del sello son variadas: planitud deficiente o rugosidad de las caras de los extremos del sello; partículas entre las caras de los extremos; presión negativa en la cavidad de sellado durante el arranque-y la parada de la bomba, lo que provoca fricción seca en las caras de los extremos; acumulación prolongada de presión en la bomba que daña el sello; flujo de bomba insuficiente que hace que el medio circule, se caliente y se vaporice; envejecimiento o daño al sello auxiliar. Además, la deflexión del eje causada por la fuerza radial dificulta que las caras de los extremos del sello mantengan el contacto, una de las principales causas de falla del sello mecánico.

 

Soluciones:El mantenimiento del sello mecánico requiere una gestión meticulosa. Las inspecciones de rutina pueden utilizar un termómetro infrarrojo para monitorear la temperatura de la cavidad de sellado (normal menor o igual a la temperatura ambiente +25 grados) y un escaneo semanal de la interfaz de la brida con un detector de fugas ultrasónico. Durante el montaje, asegúrese de que el movimiento axial del eje sea inferior a 0,1 mm. Para medios especiales, se deben seleccionar materiales de sellado resistentes a altas-temperaturas y corrosión-, como pares de fricción de aleación dura a aleación dura y juntas tóricas de perfluoroelastómero.

 

• Desequilibrio de fuerzas axiales

Cuando está funcionando una bomba centrífuga de succión única-de una sola etapa-, el rotor experimenta un empuje axial dirigido hacia la entrada de succión. En el caso de las bombas centrífugas multietapa, el problema de la fuerza axial es más grave: la mayoría de las fallas se deben a ajustes inadecuados del mecanismo de equilibrio o a un mal funcionamiento del sistema de equilibrio.

 

El desequilibrio de la fuerza axial aumenta la carga de trabajo sobre el cojinete de empuje y hace que el rotor se mueva hacia la entrada de succión, lo que genera vibración. En casos graves, esto puede provocar fricción en el anillo del impulsor o incluso daños en el cuerpo de la bomba. Las estructuras o dispositivos de equilibrio de fuerza axial comunes incluyen orificios de equilibrio, discos de equilibrio o tambores de equilibrio (con tubos de retorno de equilibrio). La instalación excéntrica del disco de equilibrio puede provocar vibraciones en el rotor, lo que podría dañar los cojinetes y el eje de la bomba.

 

Soluciones:Compruebe periódicamente si hay obstrucciones en los orificios de equilibrio y en las tuberías de retorno. Para dispositivos de disco de equilibrio, controle estrictamente la excentricidad de la instalación y, por lo general, no exceda los 0,05 mm. Antes de poner en marcha una bomba multietapa, es esencial cebar y ventilar minuciosamente para evitar un empuje axial instantáneo excesivo. Se debe implementar un monitoreo en línea del aumento de temperatura de los cojinetes de empuje, ya que los cambios repentinos de temperatura en el cojinete a menudo son un precursor del desequilibrio de la fuerza axial.

 

• eje roto

La fractura del eje de la bomba es una de las fallas más graves de las bombas centrífugas, a menudo causada por tensión rotacional y fatiga por flexión. En casi todas las máquinas rotativas, la rotura del eje va precedida de una intensa vibración.

 

Las causas comunes de fractura del eje incluyen: diseño inadecuado del eje de la bomba, desalineación del centro del eje de la unidad, selección inadecuada de cojinetes, instalación incorrecta de la tubería de salida; concentración de tensiones en la ranura de alivio del extremo del eje; y una luz excesiva del eje principal que provoca un aumento de la tensión de flexión. Las grietas por fatiga se inician en el punto más débil, se propagan gradualmente bajo tensiones alternas repetidas y, finalmente, se fracturan repentinamente en un momento determinado. Debido a que el eje de la bomba a menudo no muestra anomalías cuando se apaga, este proceso de acumulación de fatiga es extremadamente insidioso.

 

Soluciones:Evite la concentración de tensiones en el diseño; Establezca adecuadamente el radio de la ranura de alivio (se recomienda no menos del 5% del diámetro del eje). Fortalecer el monitoreo de vibraciones durante la operación; Los aumentos anormales en los valores de vibración son a menudo un precursor de la fractura del eje. Verifique periódicamente la coaxialidad y el descentramiento del eje; Se recomienda realizar pruebas con partículas magnéticas o ultrasonidos del sistema de eje durante los ciclos de revisión importantes. Para las unidades que han experimentado una rotura del eje, es esencial un análisis exhaustivo de la causa de la falla; No está permitido simplemente sustituir el eje y volver a ponerlo en funcionamiento.

 

Prevenir es mejor que reparar y el seguimiento es mejor que las conjeturas. Establecer un sistema sistemático para el monitoreo de vibraciones, monitoreo de temperatura, análisis de lubricantes y registro de parámetros operativos es la forma fundamental de extender la vida útil de las bombas centrífugas y garantizar una producción continua.