Quienes reparan o mantienen equipos deben deducir cuales fueron las causas que llevaron a un desperfecto. La adecuada comprensión de las marcas y huellas es lo que nos permite encontrar la causa raíz de la falla. Aquí el Ing. Cifuente nos trae un claro ejemplo de marcas creadas por cavitación en un impulsor.
CASO DE ESTUDIO
La cavitación clásica por vaporización es un fenómeno que se produce porque al ingresar el líquido en el impulsor y recibir una brusca aceleración, su presión se reduce también bruscamente.
Si la presión absoluta del líquido es menor que la presión de vapor, comienza la vaporización. Pero a medida que las pequeñas burbujas de vapor evolucionan por el impulsor y la presión aumenta, las burbujas de vapor se condensan bruscamente con una implosión que genera el famoso ruido a “canto rodado”. Esas implosiones son tan fuertes que terminan literalmente “arrancando” granos de material del impulsor y dejando ese aspecto de “viruela”, más conocido como “pitting”.
Este es un fenómeno que se observa en la zona contigua al ojo del impulsor y en ambas caras de los álabes, la cóncava y la convexa. Si la zona con “viruela” se observa solamente en una de las caras de los álabes, estamos ante la presencia de un problema que se manifiesta como cavitación clásica, pero con algunas particularidades.
FIG 1 – En Naranja se marca la parte convexa de los álabes y en violeta la parte cóncava. La zona celeste es donde se produce la cavitación.
Vayamos al caso de estudio.
Si observamos las fotos de este impulsor fallado vamos a ver varios problemas, como en todo Análisis de Causa Raíz, hay evidencias que nos conducen a la causa raíz de falla y otras que simplemente nos distraen de nuestro análisis.
Observando el impulsor se relevan los siguientes detalles:
- Anillos de desgaste muy gastados.
- Marcas de flujo intenso a través de los orificios de balanceo.
- “Viruela” en la cara convexa de los álabes.
- Superficie NORMAL en la cara cóncava de los álabes.
- Socavón pasante
Para no extender la nota, aclaro que no hay problemas de corrosión ni de erosión, la metalurgia de la bomba es adecuada para el servicio.
Separando la paja del trigo, vamos a desestimar las dos primeras evidencias porque responden a otro problema. El desgaste de los anillos es un proceso normal que en este caso se dejó continuar más de lo debido. Como consecuencia lógica de una exagerada luz de anillos en la zona posterior del impulsor, la caja del sello se presurizó casi a presión de descarga y consecuentemente el caudal a través de los orificios de balanceo se incrementó también. Esto afecta el balanceo de cargas axiales del impulsor acortando la vida útil de los cojinetes axiales. También puede acortar la vida útil del sello mecánico. Se resuelve cambiando los anillos de desgaste.
Para entender lo que resta es necesario hacer un análisis vectorial en la zona del ojo del impulsor (No se asuste, es más sencillo de lo que parece).
Las velocidades se representan como vectores (vector: es una línea cuyo tamaño nos indica una magnitud y su inclinación una dirección), cuando tenemos más de una velocidad afectando al mismo objeto debemos hacer una suma vectorial de velocidades.
El líquido viene viajando por la cañería de succión, lo hace con una velocidad que está directamente relacionada con el caudal. A mayor caudal, mayor velocidad de ingreso y viceversa. La dirección de esta velocidad dependiente del caudal es paralela al eje de la bomba hasta el momento en que entra al impulsor, en este punto hace un giro de 90° y pasa a ser una velocidad radial, que va desde el centro del impulsor hacia su exterior.
A su vez, cuando el líquido ingresa al impulsor, se encuentra con algo (los álabes) que está girando a una velocidad angular determinada, lo que en el diámetro del ojo se convierte en una velocidad tangencial que es perpendicular a la radial.
La suma de ambos vectores, velocidad radial + velocidad tangencial, nos da la velocidad resultante del líquido respecto del impulsor en el momento del ingreso al álabe. Esa velocidad resultante (R) tiene un ángulo determinado. La componente tangencial va a ser fija si se mantiene la velocidad de accionamiento (rpm que rota la bomba), pero la componente radial dependerá del caudal al que se esté operando, a mayor caudal mayor será la velocidad radial y a menor caudal menor será dicha componente. Eso afecta el ángulo del vector velocidad resultante, y tiene sus consecuencias.
FIG 2 – Análisis vectorial
Las bombas se diseñan para trabajar en su punto de máxima eficiencia, para un determinado caudal una altura (habitualmente ubicado en el tercio central de la curva de rendimiento). El ángulo de entrada y de salida del álabe tiene directa relación con las condiciones de operación, mediante el conocido triángulo de velocidades, pero nosotros vamos a hacer un análisis mucho más simple.
Consideremos tres condiciones de operación:
- Operación en punto de máxima eficiencia
- Operación a mucho caudal
- Operación a caudal bajo
- En la primera condición el vector velocidad de ingreso tiene el mismo ángulo que el álabe y por lo tanto no se producen turbulencias. El líquido evoluciona por ambas caras del álabe sin dificultades. En caso de producirse cavitación esta será pareja en ambas caras del álabe.
A – Operación en zona de mayor eficiencia.
- En la segunda condición el vector Resultante (velocidad de ingreso), está más abierto que el álabe como consecuencia de tener una mayor componente (Vr) radial, recordemos que a mayor caudal mayor velocidad radial. Esta diferencia de ángulos produce un despegue de la vena líquida respecto de la cara convexa del álabe, dando lugar a turbulencias. Las turbulencias son incrementos bruscos de velocidad, que también generan descensos de presión. El líquido se vaporiza y luego implota, produciendo el efecto “viruela”, pero solamente sobre la cara convexa del álabe.
B – Punto de operación en zona de mayor Caudal (Q)
C. En la tercera condición el vector Resultante (velocidad de ingreso), está más cerrado que el álabe, y esto es porque el caudal es muy bajo, en la curva nos ubicamos lejos de la zona de máxima eficiencia, muy a la izquierda. Ahora el despegue se produce en la cara cóncava del álabe y deja como evidencia el efecto “viruela” sobre la misma.
Punto de operación en zona de menor Caudal (Q)
Resumiendo lo anterior:
- Si el pitting aparece en la zona convexa de los álabes, entonces la bomba trabajó con un caudal muy alto, en la curva nos ubicamos lejos de la zona de máxima eficiencia, en este caso muy a la derecha.
- Si el pitting se observa sobre la cara cóncava de los álabes, la bomba trabajó con un caudal muy bajo. Esto es muy a la izquierda de la curva.
- Si se observa pitting sobre ambas caras de lo álabes es probable que sea cavitación por vaporización, que puede producirse en cualquier punto de operación, si el NPSH disponible es inferior al NPSH requerido.
Esta erosión es de hecho un tipo de cavitación, ya que se produce por la abrupta baja en la presión a la que queda expuesto el fluido en esa zona del impulsor, pero el origen de esa merma en la presión es originada por la turbulencia, sin que en ello tenga que ver la relación de ANPA disponible y ANPA requerido situación más habitual que causa cavitación. Esto mismo sucede aun trabajando con los valores correctos en cuanto a ANPA, muy similar a la cavitación que se produce en la hélice de los barcos.
Volviendo nuevamente a nuestro caso de estudio, las caras convexas de todos los álabes se observan de la misma forma, y el socavón es consecuencia de haber operado en esta condición por mucho tiempo.
Ahora podemos concluir que la causa raíz de falla fue haber operado la bomba a caudales por encima del punto de máxima eficiencia, lo que se corrige restringiendo el caudal mediante una válvula. Así de simple.
Otra conclusión lógica es que si los operadores hubiesen sabido en qué punto operar la bomba, este impulsor que cuesta varios miles de dólares, todavía estaría dando vueltas.
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.
Más información en BepConsultora
Publicado en Versión papel Edición Nº 64 Año 11 – Agosto / Septiembre 2014.
Registro de propiedad intelectual realizado y vigente.
La reproducción parcial o total está penada por ley Nº11.723.
MÁS INFORMACIÓN
Recuerden que está disponible nuestro CONSULTORIO TÉCNICO gratuito de la revista, directamente enviando un correo electrónico a consultorio@guiadebombas.com o ya sea ingresando en nuestra web www.guiadebombas.com en la sección contacto y desde el formulario hacernos llegar su consulta.
CAPACITACIONES M3h
Este como tantos otros temas técnicos son desarrollados en las capacitaciones que brinda M3h, manteniendo un lenguaje claro y sencillo, de manera de que todos puedan incorporar los conceptos y los vean aplicados a su propio trabajo y responsabilidades.
Consulte por grupos cerrados (In Company) capacitacion@guiadebombas.com o al (+54 11 – 47760940).
Puede descargar esta nota desde aquí
AR