Consideraciones simples que ayudan a reducir vibraciones e interpretar sus orígenes.
Si hay un tema que divide las aguas entre especialistas y el común de los mortales es justamente el de las vibraciones.
La razón es que se trata de un tema complicado, tanto es así que se utilizan las herramientas más sofisticadas del análisis matemático y los profesionales que se especializan en este tema, deben hacer cursos con diversos niveles y habilitaciones.
Pero ¿Esto nos deja afuera de usar esta herramienta para mejorar la vida útil de nuestras bombas centrífugas? Claro que no, y el objetivo de esta nota es acercar una serie de consideraciones simples que ayudan a reducir vibraciones e interpretar sus orígenes.
PREVENCIÓN DE LAS VIBRACIONES EN BOMBAS CENTRÍFUGAS
Trabajar sobre la prevención de las vibraciones no requiere de análisis complicados. Podemos dividir las causas de vibraciones en mecánicas, que normalmente serán un problema a resolver en el mantenimiento; y en hidráulicas, que tiene que ver con el modo de operación.
Causas mecánicas:
- Componentes rotativos desbalanceados.
- Eje torcido.
- Bomba y motor desalineados.
- Esfuerzos de cañerías.
- Masa de la fundación insuficiente.
- Contacto entre piezas rotantes y estacionarias.
- Rodamientos desgastados o flojos.
- Tornillos de anclaje flojos.
- Vibraciones armónicas de equipos vecinos.
Causas hidráulicas:
- Operar lejos del punto de máxima eficiencia (BEP).
- Vaporización del líquido.
- Flujo turbulento.
- Recirculación.
- Operar la bomba cerca de la velocidad crítica.
Y las acciones preventivas son:
- Hacer balancear el elemento rotante cada vez que se haga mantenimiento. Es un trabajo rápido y en general barato.
- Hacer los controles de rutina de rectitud del eje y excentricidad antes del montaje.
- Controlar la alineación cada vez que se desmonta una de las máquinas, conductora o conducida.
- Controlar que las cañerías no hagan esfuerzos sobre las bridas. Esto provoca desalineación y otros problemas.
- La masa de la fundación debe ser entre 5 y 10 veces la del equipo que soporta.
- Una vez montado el eje en el soporte, controlar rectitud y excentricidad, además de juegos radial y axial.
- Controlar que no haya roces en la bomba, debe girar libremente.
- La fundación debe ser independiente de la loza del piso, debe haber un huelgo que se rellena con resinas o brea.
- Operar lejos del punto de máxima eficiencia (BEP) produce esfuerzos extra sobre el eje, recirculaciones internas y puede producir cavitación. En cada caso será necesario analizar la manera de llevar a la bomba al punto óptimo de su curva.
- La vaporización que se produce por cavitación genera cargas irregulares y de gran magnitud sobre la bomba, además de daños sobre las partes hidráulicas. Es necesario verificar que la Altura Neta Positiva de Aspiración (ANPA) sea suficiente para la bomba.
- El flujo turbulento al llegar a la bomba produce vibraciones, es posible evitarlo con un buen diseño de cañerías y accesorios. Es necesario seguir las recomendaciones del Hydraulic Institute.
- La recirculación también genera vibraciones hidráulicas, puede ocurrir por trabajar muy a la izquierda del punto de máxima eficiencia en ciertos tipos de bomba, o por desgaste de anillos de desgaste.
- En cierto tipo de bombas de velocidad variable y eje flexible, es necesario conocer las velocidades críticas para operar lejos de ellas o pasarlas lo más rápidamente posible. Las bombas verticales y las multietapas son de especial cuidado.
Ahora bien, si llegamos tarde para la prevención es probable que tengamos que hacer un análisis de falla, para lo cual deberemos hacer consideraciones teóricas que nos permitan asociar determinadas lecturas a probables causas de falla.
¿QUÉ ES UNA VIBRACIÓN?
Vamos a considerar el sistema vibratorio más simple que existe. Una masa colgada de un soporte por medio de un resorte. Tiramos hacia arriba o debajo de esta masa y ya tenemos un sistema vibratorio con todas las magnitudes que nos interesa analizar.
Conceptualmente esto es lo mismo que ocurre dentro de una bomba centrífuga.
MAGNITUDES QUE SE DESPRENDEN AL ANALIZAR LA VIBRACIÓN
Desplazamiento: La masa se desplaza hacia arriba y abajo una determinada distancia.
Velocidad: Esa distancia la recorre en un determinado tiempo, por tanto tiene una determinada velocidad.
Aceleración: la velocidad no es siempre la misma pudiendo ascender o descender, cuando variamos la velocidad tenemos una aceleración o desaceleración.
Frecuencia: como es un fenómeno que se repite, decimos que es cíclico. La cantidad de ciclos que se producen en el tiempo es lo que se llama frecuencia.
Los equipos que miden y/o analizan vibraciones nos permiten seleccionar la variable que vamos a utilizar.
Por razones de sensibilidad, conviene seleccionar la variable de acuerdo con la frecuencia a la que ocurre lo que queremos observar, según muestra el gráfico siguiente.
- Para bajas frecuencias conviene medir desplazamiento
- Para altas frecuencias conviene medir aceleración
- Para tener una idea general en todas las frecuencias, conviene medir velocidad.
Las causas de falla más usuales en bombas centrífugas se manifiestan en un espectro medio de frecuencias, por eso conviene usar velocidades.
Hay frecuencias que son naturales de cada cuerpo. Si golpeamos un caño con un martillo hará un sonido determinado que corresponde a una frecuencia, que está determinada por la masa del caño y su elasticidad, y es su frecuencia de oscilación natural.
Si un cuerpo es sometido a una vibración cuya frecuencia sea igual o próxima a la de oscilación natural, lo estamos haciendo oscilar en la frecuencia que “naturalmente” le resulta fácil hacerlo.
La consecuencia es que las oscilaciones van a ser de una magnitud muy importante y las deformaciones pueden llegar a ser roturas.
¿QUÉ NOS INDICA LA PRESENCIA DE VIBRACIONES?
Que hay algo que está aplicando fuerzas en forma sistemática sobre nuestra bomba centrífuga.
En palabras muy simples, es como su hubiera alguien pegándole con un martillo a la bomba, siempre en el mismo lugar, con una intensidad de golpe parecida, y sin cansarse nunca.
Esa sería una vibración, pero puede haber varios efectos simultáneos que se pueden sumar o superponer. Entonces sería como si tuviéramos varias personas pegando martillazos en distintos lugares y con frecuencias diferentes.
Si la magnitud de todas estas fuerzas es significativa, probablemente vayamos camino a una falla.
Hay dos cosas que necesitamos saber:
1-¿Cuándo la magnitud de las vibraciones es preocupante?
2-¿Cómo hacer para identificar la causa raíz y evitar la falla?
Para ambas será necesario un equipo capaz de medir y analizar vibraciones.
Nos indicará el valor global de la magnitud a medir, que para el caso de las bombas centrífugas casi siempre será velocidad; y nos dará un espectro de vibraciones asignando una magnitud a cada pico de frecuencia que se produzca.
Entonces, teniendo el valor global de velocidad ya podemos saber si debemos preocuparnos o no. Para eso hay normas y criterios que definen un máximo admitido en función del tamaño del equipo. Ver tabla al final de esta Nota.
Si estamos por debajo de esos valores, podemos despreocuparnos hasta la próxima medición. Pero si el valor es considerable, debemos averiguar qué está pasando.
Cada causa de vibración está normalmente asociada a un fenómeno determinado, que se manifiesta en una frecuencia típica.
Si pudiéramos aislar la intensidad de cada frecuencia en particular, podemos evaluar si es importante o no, identificar la posible causa y trabajar sobre ella.Pero las vibraciones se producen todas al mismo tiempo.
Para eso existe la transformada rápida de Fourier, que es una función matemática que convierte a una función determinada, como la lectura global de vibraciones en otra cosa más fácil de analizar.
Concretamente lo que hace es separarnos a cada frecuencia de vibración y asignarle una amplitud, quedando de este modo fácil de analizar.
El equipo analizador de vibraciones hace justamente este trabajo, y nos entrega un gráfico de intensidades o amplitudes en función de la frecuencia, y con eso trabajamos nosotros.
Para eso tenemos que saber asociar cada frecuencia a una causa específica. Cada tipo de máquina tiene frecuencias típicas diferentes.
Antes de analizar debemos hacer las mediciones, y para esto es necesario respetar los puntos asignados. Lo normal es tomar en ambos cojinetes, tanto en el plano radial como en el axial.
La Norma API 610 indica que el fabricante debe dejar indicados los puntos de medición y establece cómo hacerlo.
Pero más que una medición, debemos establecer un plan de mediciones periódico porque tomar un estado nos daría solamente una foto del estado del equipo, pero si tenemos una medición por mes, tenemos una película del comportamiento del equipo.
La Tabla 2 (adjunta al final de esta Nota) indica las causas más comunes y las frecuencias en las que se manifiestan.
Una última recomendación: no tomar esta tabla como si fuera un texto bíblico. Es fácil llegar a una conclusión errónea basando exclusivamente en los espectros de vibraciones. Hay que mantener la mente abierta y tomar en cuenta otras fuentes de información.
Autor: Ing Ricardo Cifuente – Consultor
Titular de BEP Consultora, con más de 25 años de experiencia en equipos de bombeo y movimiento de fluidos. Sus actividades se han desarrollado en empresas de primera línea como Hidrosur, Flowserve, John Crane y Ruhrpumpen. Actualmente realiza trabajos de consultoría, asesoramiento, cálculos, análisis de fallas. Entre otros servicios destinados a industrias químicas, petroquímicas y petroleras.
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Publicado en Versión papel Edición Nº 61 Año 11 – Febrero/Marzo 2014.
Registro de propiedad intelectual realizado y vigente.
La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723.
TABLA 1
TABLA 2
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