Algunos conceptos erróneos sobre la selección y aplicación de bombas centrífugas

Comprar una bomba centrífuga de alta-calidad que cumpla con los estándares de fabricación es simplemente el punto de partida, no el objetivo final, para garantizar el funcionamiento del sistema-sin problemas-a largo plazo. Si el equipo no está diseñado para ser compatible con escenarios de aplicación específicos, incluso los parámetros de rendimiento más impresionantes conducirán inevitablemente a problemas de adaptación al entorno real. Cada bomba centrífuga tiene su punto de funcionamiento óptimo preestablecido y su rango de funcionamiento permitido. Una vez que las condiciones operativas reales se desvíen de los límites de diseño-ya sea en términos de caudal, altura de succión positiva neta (NPSH), características del medio o métodos de arranque-arranque y apagado-, se amenazará directamente la estabilidad hidráulica, la confiabilidad mecánica y la vida útil de la unidad de bomba.

Este artículo, basado en la experiencia práctica de la ingeniería, explicará y aclarará algunos conceptos erróneos comunes en la selección y aplicación de bombas centrífugas para evitar que los usuarios tomen malas decisiones de selección de productos y aplicaciones.

 

 

• Algunos conceptos erróneos comunes en la selección de productos

 

Cuanto mayor sea la eficiencia, mejor

La "eficiencia" es el indicador central para medir el rendimiento hidráulico de una bomba y también es el punto de partida más directo para que los usuarios se concentren en los costos de consumo de energía. Sin embargo, si el objetivo de maximizar la eficiencia de la bomba se persigue unilateralmente, a menudo es necesario hacer múltiples concesiones en la fase de diseño, lo que puede afectar la robustez del equipo y la confiabilidad de su funcionamiento a largo plazo-.

La alta eficiencia, que naturalmente se traduce en un menor consumo de energía operativa, es a la vez una expectativa común de los usuarios y una fuerza impulsora principal detrás de la innovación continua para los fabricantes de bombas. Se considera un "objetivo" porque en condiciones operativas críticas que requieren un funcionamiento continuo a largo plazo-, como las plantas de energía nuclear, térmica y petroquímica, la seguridad y la estabilidad (es decir, la confiabilidad) de las unidades de bombeo son siempre primordiales.

Lograr un diseño de alta-eficiencia normalmente implica varias características técnicas: espacios de funcionamiento más pequeños (anillos de desgaste, mecanismos de equilibrio, etc.), ejes de bomba más largos y flexibles, requisitos de tolerancia estrictos y el perfil de ruta de flujo más suave posible. Si bien estos diseños mejoran la eficiencia hidráulica hasta cierto punto, también hacen que el equipo sea más sensible a la limpieza del medio, las fluctuaciones en las condiciones operativas y la alineación de la instalación, lo que aumenta la frecuencia del mantenimiento, eleva las barreras técnicas y aumenta los costos de repuestos para los usuarios.

Los fabricantes, basándose en diferentes posicionamientos en el mercado y estrategias de productos, tienen diferentes enfoques en sus filosofías de diseño de bombas: algunos priorizan la eficiencia energética, otros consideran la confiabilidad como un principio fundamental y otros persiguen una vida útil ultra-larga en condiciones operativas extremas. En la década de 1980, el mercado de generación de energía térmica de China se desarrolló rápidamente, atrayendo a numerosos proveedores de bombas para centrales eléctricas de renombre internacional. La mayoría de los fabricantes utilizaron la seguridad y la confiabilidad como barreras técnicas, pero una empresa extranjera ingresó al mercado con "la mayor eficiencia de la industria" como ventaja diferenciadora. Aunque su eficiencia medida inicialmente fue entre un 1% y un 2% mayor que la de sus competidores, con frecuencia experimentó accidentes por rotura de eje después de la puesta en servicio y finalmente fue expulsado del mercado energético chino. Este caso ilustra profundamente que las bombas centrífugas no son necesariamente mejores cuanto mayor sea su eficiencia; una estrategia de diseño que sacrifica la confiabilidad en aras de la eficiencia equivale a beber veneno para saciar la sed en condiciones operativas críticas.

 

Cuanto menor sea la altura de succión positiva neta (NPSH) requerida de la bomba, mejor.

Para los usuarios, cuanto menor sea la altura neta de succión positiva (NPSHR) requerida de la bomba, mejor, ya que esto puede reducir significativamente la altura de la instalación (es decir, la altura neta de succión positiva NPSHA) y reducir efectivamente los costos de inversión.

En la mayoría de los sistemas de bombas, NPSHA tiende a disminuir al aumentar el caudal, mientras que NPSHR tiende a aumentar al aumentar el caudal. Por lo tanto, antes del diseño del sistema, se deben considerar las recomendaciones del fabricante de la bomba y la experiencia de aplicación, y se debe proporcionar un margen de seguridad suficiente dentro de todos los caudales operativos esperados. Al mismo tiempo, al determinar la altura de succión positiva neta, el comprador y el vendedor deben aclarar la relación entre el caudal estable continuo mínimo y la velocidad específica de succión de la bomba. Generalmente, el caudal estable continuo mínimo de la bomba aumenta al aumentar la velocidad específica de succión... Al seleccionar la velocidad específica de succión y el margen de seguridad NPSH, se deben considerar los estándares industriales existentes y la experiencia del fabricante.

A la misma velocidad y caudal, cuanto menor sea el NPSHR, mayor será la velocidad específica de succión de la bomba. En comparación con los diseños de bombas con velocidades específicas de succión más bajas, las bombas con velocidades específicas de succión más altas tienen más probabilidades de encontrar vibraciones y ruidos indeseables, y el rango operativo permitido también se vuelve más estrecho. Con respecto al impacto de la velocidad específica de succión en la confiabilidad operativa de las bombas centrífugas, los pares internacionales tienen una amplia experiencia en aplicaciones de ingeniería y han proporcionado límites máximos para la velocidad específica de succión, que pueden usarse como referencia al seleccionar bombas. Entre ellos, el límite para la velocidad específica de succión especificado en UOP 5-11-7 [2] ha sido ampliamente reconocido y aplicado a nivel mundial, y sus disposiciones son las siguientes: la velocidad específica de succión de la bomba no debe exceder 13000 (m3/h, rpm m); cuando el medio de bombeo es agua o una solución con un contenido de agua superior al 50% y la potencia del impulsor de una etapa de la bomba excede los 75 kW, la velocidad específica de succión no excederá 11000 (m3/h, rpm, m). Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, hoy en día, sin aumentar el diámetro de entrada del impulsor, existen muchas formas de mejorar el rendimiento de succión de las bombas centrífugas y, en consecuencia, también se ha aumentado el límite de velocidad específica de succión. Después de estudiar los productos de muchas empresas multinacionales (como EBARA, KSB, ITT, etc.), el autor descubrió que el tipo BB2, diseñado utilizando métodos de diseño modernos (en lugar del método tradicional de aumentar el diámetro de entrada del impulsor), puede alcanzar un límite de velocidad específica de succión de aproximadamente 14.400 (m3/h, rpm, m).

Por lo tanto, los usuarios no deben buscar ciegamente un "NPSH3 bajo" sin considerar las condiciones operativas reales. En su lugar, deben trabajar con los fabricantes para dejar un margen suficiente y razonable entre la altura de succión positiva neta de la unidad (NPSHA) y la altura de succión positiva neta requerida de la bomba (NPSH3), mientras se evalúan cuidadosamente los riesgos de estabilidad operativa que pueden ser causados ​​por un diseño de alta velocidad específica de succión.

 

Cuanto más alejada esté la velocidad crítica de la bomba de su velocidad real, mejor.

La velocidad crítica se refiere a la velocidad característica a la que resuena un sistema de rotor, y su valor depende de la rigidez del rotor, la rigidez del soporte y la distribución de masa. En los procesos de licitación de ingeniería reales, debido a que se evitan excesivamente los riesgos de resonancia, los compradores tienden a exigir que la velocidad crítica transversal de primer-orden esté lo más alejada posible de la velocidad nominal de la bomba (por ejemplo, los primeros documentos de licitación para bombas de agua de alimentación de isla convencionales en plantas de energía nuclear requerían que "la primera velocidad crítica del sistema de eje de la bomba en el agua debería ser superior al 125% de la velocidad correspondiente a su punto de operación nominal"). Unos años más tarde, este porcentaje se incrementó hasta el 135%, y en la última licitación se exigió incluso llegar al 150%, manteniendo los estándares actuales de eficiencia energética.

 

Desde una perspectiva dinámica, aumentar la velocidad crítica a un punto alejado del rango de velocidad de funcionamiento es totalmente factible, simplemente aumentando el diámetro del eje, acortando la luz o aumentando la rigidez del soporte. Sin embargo, esto conduce inevitablemente a un mayor peso del rotor, una mayor dificultad de equilibrio y un conflicto directo con los objetivos de eficiencia energética: en las mismas condiciones, cuanto mayor es la velocidad crítica, más grueso es el sistema de eje y mayor es la pérdida por fricción mecánica y la pérdida por fricción del disco, lo que significa una menor eficiencia de la bomba.

 

Por lo tanto, la selección de la velocidad crítica es esencialmente una compensación-entre "seguridad dinámica" y "economía hidráulica". La relación entre la velocidad crítica y la velocidad nominal de la bomba debe determinarse racionalmente en función de los diferentes tipos de bombas y condiciones de funcionamiento.

 

Las bombas centrífugas pueden manejar un flujo de gas-líquido-bifásico.

El funcionamiento con gas disuelto de las bombas centrífugas implica un flujo bifásico de gas-líquido-altamente complejo, que ha sido ampliamente estudiado por investigadores tanto a nivel nacional como internacional. La experiencia ha demostrado que con diseños de impulsor especiales (por ejemplo, una cubierta posterior del impulsor semi-abierta con un orificio de retorno cerca de la entrada del impulsor en el canal de flujo del impulsor), las bombas centrífugas pueden mantener un funcionamiento estable incluso con un contenido de gas del 10% (en volumen). Las bombas centrífugas comunes pueden manejar líquidos que contienen pequeñas cantidades de gas (1% a 2% en volumen). La presencia de una pequeña cantidad de gas en el líquido puede amortiguar el impacto del colapso de la burbuja de cavitación y reducir el ruido, la vibración y el daño por erosión asociados. Sin embargo, cuando el contenido de gas alcanza el 6%, las bombas centrífugas ordinarias pueden experimentar fenómenos de cavitación y bloqueo de gas, lo que provoca una fuerte disminución del rendimiento (caudal, altura y eficiencia).

 

• Algunos conceptos erróneos en la aplicación.

 

Permite el funcionamiento-a largo plazo por debajo del caudal estable continuo mínimo

El estándar ANSI/API 610 define el caudal mínimo continuo en estado estable-(MCSF) como el caudal mínimo al que una bomba puede funcionar de forma continua sin exceder los límites de vibración especificados en el estándar. En otras palabras, si una bomba funciona por debajo de este caudal durante un período prolongado, desencadenará inmediatamente una serie de procesos físicos adversos, que incluyen reflujo interno, cavitación, fuerzas radiales adicionales (especialmente observadas en bombas de una sola voluta) y aumento de la temperatura del líquido. Estos pueden luego inducir una cadena de modos de falla, como deflexión del eje, desgaste del anillo de desgaste, separación de la cara del extremo del sello mecánico y sobrecalentamiento anormal del rodamiento. Las consecuencias son un aumento significativo de la vibración mecánica y el ruido, que pueden acortar drásticamente la vida útil de los sellos mecánicos y los rodamientos, o incluso provocar la rotura del eje y daños graves al rotor y a los componentes acoplados.

 

En la operación real, surgen dos conceptos erróneos operacionales comunes: Primero, algunos usuarios, debido a la falta de comprensión del manual de operación y mantenimiento durante la puesta en servicio, creen erróneamente que las bombas centrífugas pueden funcionar durante períodos prolongados bajo cualquier condición (incluso por debajo del caudal estable mínimo continuo o incluso flujo cero). En segundo lugar, algunos usuarios, debido a una mala comprensión de los términos de la garantía, intentan crear artificialmente condiciones operativas extremas durante la fase de puesta en servicio para verificar la "resistencia" del equipo. Estas operaciones constituyen pruebas destructivas para bombas centrífugas, que pueden causar no sólo fallos inmediatos sino también el desarrollo de defectos ocultos, como grietas por fatiga, y deben estar estrictamente prohibidas.

 

Arrancar la bomba con la válvula de salida completamente abierta significa arrancar la bomba cuando la válvula de salida está completamente abierta.

En muchos sistemas que requieren un funcionamiento continuo a largo plazo-(como los sistemas de centrales eléctricas), normalmente se instalan bombas de reserva que siempre están listas para arrancar (la bomba se llena con medio; los sistemas auxiliares, como sellos, agua de refrigeración y aceite lubricante, están operativos). Si la bomba principal falla, la bomba de reserva arrancará automáticamente. Por lo tanto, la válvula de salida de la bomba debe estar abierta, lo que comúnmente se conoce como "inicio de válvula abierta".

 

Muchos compradores o usuarios tienen una idea errónea sobre el arranque con válvula abierta: creen que significa comenzar con la válvula de salida completamente abierta. ¡Esto es incorrecto! "Inicio de válvula abierta" en realidad significa comenzar con la válvula de salida a un caudal específico (como el caudal nominal). Normalmente, el caudal que puede manejar la válvula de salida de la bomba en un sistema es mucho mayor que el caudal nominal de la bomba. Si la válvula de salida está completamente abierta, la bomba funcionará a un caudal excesivamente alto, lo que podría causar una serie de problemas como cavitación, vibración, sobrecarga del motor o falla al arrancar la unidad.

 

El procedimiento correcto es el siguiente:Según la curva de rendimiento de la bomba y la curva de resistencia del sistema, preestablezca la apertura de la válvula de salida en una posición cercana al caudal de trabajo correspondiente y luego-ajústela según las lecturas del manómetro y el amperímetro después de que arranque la bomba.

 

El sello del empaque se puede reemplazar directamente con un sello mecánico.

Tomando como ejemplo la bomba centrífuga tipo OH1/OH2, las diferencias entre los sellos de empaque y los sellos mecánicos radican no solo en su tipo de sellado sino también en las diferencias fundamentales en el diseño estructural general. Para los sellos de empaque, a fin de proporcionar suficiente espacio axial para acomodar el empaque, los anillos del empaque, el prensaestopas y un área para una fácil operación manual, los fabricantes de bombas tienen que colocar el impulsor lejos del rodamiento, lo que resulta en un aumento significativo en el tramo en voladizo del impulsor L. Cuando la bomba arranca o el eje se desvía debido a la fuerza radial máxima, el empaque, debido a su cierta rigidez de soporte radial, actúa objetivamente como un rodamiento auxiliar, convirtiéndose en parte del sistema de rodamiento y brindando soporte.

 

Simplemente quitar el sello del empaque y reemplazarlo con un sello mecánico sin volver a -verificar la dinámica del rotor generará los siguientes riesgos:

 

Falta de apoyo:Los sellos mecánicos no poseen la función de sellos de empaque como "parte del sistema de soporte del eje". Una vez que desaparecen la amortiguación y la rigidez proporcionadas por la empaquetadura, cuando la bomba arranca o el eje se desvía, la deflexión del extremo del eje puede exceder la capacidad de seguimiento del sello mecánico, lo que inevitablemente provoca separación de la cara del sello, fugas y desgaste desigual. Esto reduce la vida útil de los componentes e incluso puede causar daños o fallas en el equipo.

Interferencia espacial:El diámetro interior del prensaestopas (cavidad de sellado) en un sello de empaquetadura suele ser menor que el tamaño de la cavidad requerido por el sello mecánico. Este espacio estrecho es insuficiente para que el sello mecánico utilice la fuerza centrífuga para expulsar partículas sólidas de la superficie de sellado y tampoco puede proporcionar suficiente espacio para enfriamiento, lo que provoca sobrecalentamiento, coquización o falla prematura de la superficie de sellado.

 

Por lo tanto, para las bombas centrífugas de succión final-, al considerar cambiar a un sello mecánico, primero se debe realizar una evaluación de la dinámica del rotor para calcular la relación L³/D⁴. Aquí, L es la distancia (pulgadas o milímetros) entre el centro del cojinete interior y el centro del impulsor; D es el diámetro del eje (pulgadas o milímetros) en el buje del sello mecánico. Este valor debe ser inferior a 60 (unidades estadounidenses), o inferior a 2,0 en unidades métricas, para que se considere dentro del rango aceptable para la deflexión del extremo del eje del sello mecánico.

 

Permitir reversión

En muchas aplicaciones críticas de bombas centrífugas, los usuarios normalmente requieren que la bomba pueda soportar la rotación inversa-a corto plazo cuando se producen condiciones como falla de la válvula de salida o mal funcionamiento de la válvula de retención, y que la velocidad inversa permitida alcance la velocidad nominal. Desde la perspectiva del margen de par dinámico del rotor, esto es teóricamente factible, siempre que el diámetro del eje, la conexión de chaveta y la contratuerca se comparen con el par inverso máximo. Sin embargo, en aplicaciones prácticas de ingeniería, debido a limitaciones de múltiples factores como costo, eficiencia energética, seguridad y confiabilidad, sistemas de sello mecánico y condiciones de operación, a menudo es difícil lograr simultáneamente un rendimiento óptimo hacia adelante y al mismo tiempo proporcionar al equipo una fuerte tolerancia hacia atrás.

 

Además, la "reversión", como condición típica de falla/accidente, a menudo no es un evento aislado, sino que frecuentemente va acompañada de una superposición de situaciones extremas:

"Power Slip" Inversión inversa Auto-Inicio:Cuando el equipo pierde energía, la válvula de salida falla simultáneamente y la bomba está en rotación inversa de alta-velocidad, si el suministro de energía se restablece repentinamente en un corto período de tiempo (es decir, el motor acelera nuevamente), es equivalente a arrancar repentinamente la unidad de bomba durante el proceso de rotación inversa. En este momento, el rotor de la bomba estará sujeto a la superposición vectorial de par positivo y par de inercia inverso, y enfrentará instantáneamente una carga de impacto de casi el doble del par nominal, lo que puede provocar fácilmente la rotura del eje o el desgarro del elemento elástico del acoplamiento.

Fallo de lavado del sello mecánico:Para estructuras de sello mecánico equipadas con anillos de bombeo (flujo de vórtice), la dirección de bombeo es estrictamente unidireccional. En funcionamiento inverso, el anillo de bombeo puede no establecer un flujo de lavado o incluso generar un diferencial de presión inverso, lo que provoca la interrupción del fluido de lavado del sello mecánico. Esto, a su vez, provoca fricción seca y agrietamiento térmico en la superficie de sellado, lo que acorta significativamente la vida útil del sello mecánico. Por lo tanto, una vez que la bomba retrocede, el sello mecánico debe desmontarse e inspeccionarse después de la parada, y los anillos de sellado dinámicos y estacionarios deben reemplazarse si es necesario.

Fallo del mecanismo anti-aflojamiento:Si los sujetadores del rotor (como las tuercas del impulsor y las tuercas de seguridad de los cojinetes) no tienen un diseño anti{0}}aflojamiento confiable (por ejemplo, basándose únicamente en el par de fricción sin una estructura de bloqueo mecánico), el par de impacto instantáneo generado por la rotación inversa puede hacer que las piezas se aflojen, se muevan o incluso se dañen.

 

• Resumir

En función de los riesgos anteriores, se recomienda una estrategia de control escalonada: para condiciones operativas no-críticas o para escenarios críticos en los que se puede evitar la rotación inversa mediante el enclavamiento del proceso, no se recomienda forzar las bombas para que tengan tolerancia a la rotación inversa; para bombas críticas que deben tolerar la rotación inversa, el índice de torsión inversa debe especificarse claramente en la fase de diseño, y el fabricante debe realizar una verificación especial de la resistencia del eje y una certificación anti-aflojamiento de los sujetadores para garantizar un margen de seguridad.

 

La racionalidad de la selección y aplicación de la bomba centrífuga determina directamente el costo del ciclo de vida-y la confiabilidad operativa del sistema de bomba. Con base en el análisis anterior, las conclusiones principales se resumen a continuación:

• Una mayor eficiencia no siempre es mejor: los diseños de alta-eficiencia a menudo conllevan el costo de sacrificar la holgura del anillo de desgaste, el margen del diámetro del eje y la suavidad del canal de flujo. Se debe priorizar la confiabilidad en condiciones operativas críticas.
• Un NPSH más bajo requerido no siempre es mejor: un NPSH3 bajo suele ir acompañado de una velocidad específica de succión alta, lo que genera un rango operativo más estrecho y un mayor riesgo de vibración. La selección de la bomba debe coincidir con el NPSH del sistema y la velocidad específica de succión debe limitarse de acuerdo con estándares como UOP y HI.
• La velocidad crítica debe establecerse de manera razonable, no aumentarse ciegamente: aumentar la velocidad crítica se correlaciona negativamente con la eficiencia energética. El margen de velocidad crítica para rotores húmedos debe seleccionarse razonablemente según el tipo de bomba y los estándares (como API 610) para evitar un diseño excesivo.
• Las bombas centrífugas comunes tienen una tolerancia extremadamente baja a los medios gaseosos: solo las bombas especialmente diseñadas pueden manejar un contenido de gas del 10%. Las bombas convencionales experimentan una degradación del rendimiento superior al 2 % y pueden experimentar bolsas de aire superiores al 6 %.
• Está estrictamente prohibido el funcionamiento prolongado por debajo del caudal estable continuo mínimo; se deben configurar medidas de protección de flujo mínimo (como válvulas de derivación o de recirculación automática).
• Arranque de válvula abierta-arranque ≠ arranque de válvula de salida completa-arranque: el grado de apertura preestablecido debe coincidir con el caudal nominal para evitar sobrecarga y cavitación. ● Los sellos de empaque no se pueden reemplazar directamente con sellos mecánicos; se deben realizar cálculos de deflexión del rotor (L³/D⁴) y se debe evaluar el impacto dinámico de los cambios en la estructura de soporte.
• La rotación inversa debe manejarse con precaución; no es necesaria a menos que sea absolutamente necesaria; si es necesario, se deben realizar controles de resistencia específicos y diseños anti-aflojamiento.
• El agua purificada industrial no es adecuada como medio de refrigeración para bombas de alta-temperatura; se recomienda agua descalcificada o vapor, y se debe reforzar la gestión y el mantenimiento de la calidad del agua.

 

Sólo abandonando la mentalidad de selección aislada de "supremacía de parámetros" y estableciendo un marco de toma de decisiones científica-de "adaptación del sistema, coincidencia de condiciones operativas y compensaciones del ciclo de vida completo-se pueden evitar fundamentalmente los conceptos erróneos-mencionados anteriormente y lograr un funcionamiento eficiente, estable y-de larga duración-de los sistemas de bombas centrífugas.