Cómo lograr el desempeño óptimo
de las bombas centrífugas

Con frecuencia las bombas centrífugas de proceso deben funcionar en condiciones operativas severas y de mucha tensión; Mediante el incremento de la presión se puede lograr una mejor confiabilidad de la bomba, menor mantenimiento y menor consumo de energía. Como resultado, se incrementa la probabilidad de su falla prematura – con lo que aumenta el riesgo de incurrir en costos considerables y en pérdida de producción debido al tiempo de inactividad.

La búsqueda para identificar e implementar soluciones de alivio viables aparece como primera prioridad. Evaluar las prácticas de mantenimiento y reparación de bombas –prestando especial atención a los rodamientos, lubricación y sellos– puede constituir una herramienta crucial para alcanzar mayores niveles de confiabilidad y mayor vida de servicio de las bombas. Utilizar rodamientos, lubricantes y sistemas de sellado adecuados favorece economías y eficiencias y, cuando se combinan con un enfoque proactivo de monitoreo de condición, contribuye a prolongar la vida de servicio de las bombas y a minimizar la necesidad de su reemplazo o reacondicionamiento inoportunos.

Selección de los rodamientos
Los rodamientos de las bombas centrífugas soportan las cargas hidráulicas que se producen sobre el impulsor, la masa del impulsor y el eje, y también debido a los acoplamientos y sistemas conductores.
 
Además, mantienen las deflexiones axiales y radiales del eje dentro de límites aceptables para el impulsor y el sello del eje.
 
Existen variadas condiciones que continuamente ponen a prueba los rodamientos de muchas bombas centrífugas. Los rodamientos con frecuencia están expuestos a cargas axiales elevadas, lubricación marginal y altas temperaturas de operación y vibraciones, en tanto los rodamientos intentan minimizar la fricción que, si no se controla, puede provocar pérdida de potencia, generación excesiva de calor, mayor ruido o desgaste y falla temprana de los rodamientos.
 
Las condiciones mencionadas pueden impactar en forma dramática en la vida de servicio y en la confiabilidad de los rodamientos y a su vez, en las bombas. Por lo tanto, primero y principal, se deben evaluar los rodamientos (tipos, diseños y disposiciones) de acuerdo con el entorno operativo que se anticipe para ellos. Están disponibles los rodamientos adecuados para satisfacer aún las condiciones operativas más difíciles. Por ejemplo, los rodamientos de bolas de contacto angular (que soportan cargas axiales creadas por las fuerzas hidráulicas de la bomba) e incluyen varias versiones que se adecuan a distintas aplicaciones.

Rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular 40º
Estos son los rodamientos axiales más populares para bombas API en servicio actualmente, y por lo general se utilizan en bombas centrífugas de velocidad moderada en las que se pueden esperar cargas axiales elevadas.
 
Los distintos diseños con robustas jaulas de bronce mecanizadas son adecuados para aplicaciones en las que las cargas axiales varían mucho durante la operación y es probable que existan períodos de deslizamiento de los elementos rodantes. Estos rodamientos resistirán también las fuerzas vibratorias destructivas en caso de que se produzca cavitación. Normalmente se montan en par, en disposiciones espalda con espalda para acomodar las cargas axiales inversas y proporcionar el soporte adecuado al eje, y así contribuir a prolongar la vida mecánica y del sello.
 
Se debe prestar particular atención al juego interno. Cuando están montados y a temperatura de operación, los rodamientos deben tener suficiente juego interno residual para operar en frío, pero no tanto como para provocar el deslizamiento del rodamiento inactivo.

Rodamientos de dos hileras de bolas con contacto angular

Figura 1. Rodamientos de dos hileras de bolas con contacto angular

El tipo de la Figura 1se utiliza mucho como rodamiento axial primario en las bombas centrífugas ANSI y en algunas bombas API más antiguas. Los tipos más efectivos presentan diseño Conrad, tolerancias de precisión ABEC-3, ángulo de contacto de 30º por hilera, jaulas de una sola pieza de acero prensado con tratamiento térmico y múltiples opciones de sellado. Debido a que externamente sus ángulos de contacto divergen, los rodamientos exhiben mayor rigidez y mayor resistencia a la desalineación. Como con los rodamientos de una hilera de bolas con contacto angular apareados, las condiciones de operación indican si es necesario un juego radial interno normal o mayor que el normal (C3).
 
Las variaciones de diseño son cada vez más populares. Los ejemplos incluyen ángulos de contacto más pronunciados (40º) para una mayor capacidad axial, jaulas de bronce mecanizadas que ofrecen un desempeño robusto en condiciones de servicio pesado y lubricación deficiente, menores juegos axiales internos para posibilitar carga compartida entre las dos hileras de bolas y menor posibilidad de deslizamiento en el conjunto de bolas inactivo, además de tolerancias ABEC-3 (P6) para contribuir a un mejor control de la condición de montaje del rodamiento así como a su operación más uniforme.

Conjuntos especiales de rodamientos de bolas con contacto angular
Para bombas con cargas axiales mínimas, por lo general son suficientes los rodamientos con contacto angular de 15º apareados. Sin embargo, para las condiciones de cargas axiales elevadas, se deben utilizar conjuntos apareados de rodamientos de bolas de contacto angular de 40º y 15º de alto rendimiento para proporcionar mayor robustez, al hacer que los elementos rodantes sean menos susceptibles de deslizarse en el rodamiento inactivo. Estos diseños se orientan a las bombas centrífugas que operan en sentido único, o solo lo invierten en forma periódica.
 
El beneficio primario de estos conjuntos es que el rodamiento de 15º está diseñado con juego interno considerablemente menor que el rodamiento de 40º, haciéndolo menos susceptible a las fuerzas centrífugas y giroscópicas que causan el deslizamiento o movimiento de los elementos rodantes, en tanto proporcionan rigidez axial adicional para mantener la integridad del eje y de los sellos.
 
Conjuntos de rodamientos de bolas de contacto angular con aro interior partido: Estos, al aparear un rodamiento de una hilera de bolas de contacto angular de 40º con un rodamiento de bolas de contacto angular con aro interior partido o uno de cuatro puntos de contacto, están diseñados para acomodar cargas axiales en cualquier dirección. Esta disposición se usa comúnmente en bombas verticales para manejar la carga axial primaria, pero también se puede utilizar en disposiciones horizontales, siempre que la carga sea tal que el rodamiento con aro interior partido no soporte carga radial por sí mismo.
 
Puesto que dos rodamientos actuando en tándem comparten la carga axial, esta disposición ofrece una capacidad de transporte de carga axial sumamente elevada. La carga axial reversa se puede acomodar en el lado posterior del rodamiento con aro interior partido. Estos conjuntos de dos rodamientos se comportan como conjuntos “triplex”, con la ventaja adicional de ahorrar espacio y costos.

Suministro de lubricación
La lubricación apropiada de los rodamientos de bombas es esencial para un servicio confiable; la lubricación inadecuada causa más del 30% de las fallas de rodamientos, según algunos estudios. Los buenos lubricantes proporcionan principalmente una película separadora entre los elementos rodantes, los caminos de rodadura y las jaulas de un rodamiento, para evitar el contacto metal-metal y la fricción indeseada que de otro modo generaría calor excesivo que a su vez podría causar desgaste, fatiga del metal y la potencial fusión de las superficies de contacto del rodamiento. La lubricación adecuada de los rodamientos también inhibe el desgaste y la corrosión, y contribuye a proteger contra el daño por contaminación.
 
Los métodos comunes para la lubricación efectiva de los rodamientos de bombas incluyen:

  • Grasa. Fácil de aplicar, la grasa se puede retener dentro del soporte del rodamiento y proporciona protección de sellado extra. Puede ser necesaria la relubricación para combatir la vida corta de la grasa, según las velocidades rotacionales y las temperaturas de operación. Cuando las condiciones operativas lo permiten, los rodamientos "engrasados de por vida", que eliminan los requerimientos de relubricación y las tareas de mantenimiento asociadas, pueden constituir una alternativa atractiva.
  • Baño de aceite. Esta opción establece un nivel de aceite en el centro de la parte inferior del elemento rodante del rodamiento y representa, entre los métodos de lubricación, la línea de base comparativa de fricción del rodamiento. A lo largo del tiempo se pueden obtener mejores resultados utilizando un engrasador de nivel constante.
  • Anillo de lubricación. En este método, desde el eje horizontal se sumerge un anillo en un baño de aceite colocado debajo de los rodamientos. La rotación del eje y del anillo arroja aceite proveniente del baño sobre los rodamientos. El menor volumen de aceite en el rodamiento reduce la fricción viscosa en el sistema de rodamientos para permitir mayores velocidades axiales y mejor disipación del calor.
  • Niebla de aceite y aire-aceite. Aquí, el aceite es atomizado y llevado al rodamiento por una corriente de aire. Entre todos los enfoques de lubricación de rodamientos de bombas, este es el que genera la menor cantidad de fricción (permitiendo que la velocidad rotacional se base en el diseño del rodamiento y no en las limitaciones de lubricación) y crea una presión positiva dentro del soporte del rodamiento (rechazando los contaminantes invasivos).

Con independencia del método de lubricación, el lubricante siempre se debe especificar según las exigencias sobre los ejes y la resistencia a los contaminantes sólidos, presión, temperaturas, cargas y ataque químico. En los casos en que las bombas sean de difícil acceso, se pueden integrar sistemas totalmente automáticos para permitir un suministro oportuno, adecuado y efectivo.

Sellado del sistema
Los sellos de rodamientos de las bombas centrífugas cumplen cuatro tareas cruciales: Retienen los lubricantes o líquidos, excluyen los contaminantes, separan los fluidos y limitan la presión. Por lo tanto, el trabajo de los sellos es exactamente a su medida. Los contaminantes sólidos, según el tamaño, dureza y fragilidad de la partícula, producirán hendiduras o desgaste sobre las superficies del rodamiento; el agua afectará la eficiencia del lubricante; y la contaminación del lubricante puede reducir la vida del rodamiento en forma dramática.
 
Cuando falla un sello, la contaminación se puede infiltrar en el área del rodamiento, pasar al lubricante y luego al rodamiento. Además, la pérdida de lubricante del rodamiento puede originar el funcionamiento en seco, que en última instancia puede ocasionar su falla.
 
La selección del sello para los rodamientos de bombas centrífugas depende de las exigencias específicas y de las condiciones operativas de la aplicación. Se debe tener en cuenta, sin embargo, que el rodamiento y la disposición de obturación representan un sistema integrado.
 
Los sellos radiales dinámicos son por lo general la mejor selección para las bombas centrífugas. Estos sellos crean la barrera entre superficies en movimiento relativo (por lo general, una fija mientras otra rota).
 
Típicamente, los sellos radiales incluyen:

  • Carcasa de acero o de elastómero. Unida al material de obturación, permite que se mantenga el necesario ajuste de interferencia del sello en el orificio del soporte (además de facilitar la instalación adecuada); y
  • Labio de sellado de elastómero. Por lo general instalado contra el eje, proporciona sellado dinámico y estático contra el eje y provee un borde de sellado (mediante prensado, corte o rectificado). La mayoría de los labios de sellado son de una formulación de caucho de nitrilo.

No obstante, están disponibles materiales para uso específico con combustibles, fluidos industriales y lubricantes muy compuestos.
 
En última instancia, la selección de sellos se debe basar en una revisión exhaustiva de los parámetros de la aplicación y de los factores ambientales. En las aplicaciones de bombas, por ejemplo, los sellos están expuestos a diferenciales de presión relativamente constantes, lo que hace que los sellos de presión sean la opción preferida (porque la cavidad está presurizada).
 
Por su diseño y los entornos operativos severos, generalmente la vida de los sellos es mucho menor que la de los componentes que protegen. Por lo tanto, se debe descartar el hábito común pero incorrecto de planificar el reemplazo de los sellos solamente según los intervalos que se establecen para otros componentes, como ser los rodamientos. Muchas fallas de rodamientos se pueden evitar si los sellos se reemplazan apenas se detectan los primeros signos de desgaste o pérdida.
 
Para tener idea de cuánto deberían durar los sellos, considerar la cantidad de contaminación que manejará el sello, la repetición de los ciclos, la velocidad y la temperatura. Por supuesto, la contaminación no es la única causa de las fallas prematuras de estos elementos; otras pueden ser:

  • Selección deficiente,
  • Instalación inadecuada que produce pérdidas,
  • Cambio de lubricante, que provoca reacciones adversas en los materiales de sellado comunes.

Para evitar los problemas se debe instituir un programa riguroso de inspección y reemplazo de sellos.
 
No se tiene que reemplazar un sello que falla con otro del mismo diseño de manera automática. Por ejemplo, si un análisis de aceite demuestra ingreso de contaminantes mayor que el anticipado, puede ser hora de actualizar la totalidad de la disposición de obturación (quizás utilizando un material químicamente más resistente, o agregando elementos para reforzar el sistema de sellado). En casos de desgaste excesivo, puede ser momento de cambiar a un diseño de sello laberíntico desprovisto de contacto.

Monitoreo de condición de la bomba
Utilizar un enfoque más proactivo con respecto al mantenimiento de bombas es importante para potenciar el tiempo productivo. Por ello, no sorprende que exista mayor interés en el monitoreo de condición, que implica la medición y el análisis regular de los parámetros físicos clave tales como vibraciones y temperatura, y permite la detección de problemas en el sistema de la bomba antes de que provoquen tiempo de inactividad no planificado, altos costos de reparación o reemplazo, y pérdida de productividad.
 
Las vibraciones, temperatura y otros parámetros se pueden evaluar e informar con instrumentos básicos. Las herramientas más avanzadas incluyen sistemas de vigilancia y software en línea que pueden proporcionar datos en tiempo real para su revisión, y promover la acción correctiva más oportuna en caso de ser necesaria.
 
Muchos problemas se manifestarán como vibraciones, que, en forma amplia, son consideradas el mejor parámetro operativo para evaluar la condición motor-bomba. Las vibraciones pueden detectar problemas como desequilibrio, desalineación, inestabilidad de la película lubricante en el rodamiento, deterioro de los rodamientos de rodillos, resonancia estructural y cimientos débiles.
 
Las mediciones de vibraciones son rápidas y considerablemente no intrusivas, sin alterar la operación de las bombas. Además, los estándares de la industria identifican niveles de vibraciones para tipos específicos de máquinas.
 
Un incremento significativo de la "vibración general" (la suma de todas las vibraciones dentro del rango de frecuencia del instrumento), comparado con un valor de línea de base, señala un problema inminente, y permite que se lo aborde antes de que se produzca la falla del equipo.
 
Para manejar la captura de datos existe una amplia gama de dispositivos de avanzada tecnología, que comprenden desde herramientas manuales de monitoreo de vibraciones, como los Vibration Pens, de bajo costo, y medidores de vibración general, hasta los colectores de datos más sofisticados e instrumentos asociados, que combinan el tamaño compacto con la capacidad de almacenamiento de datos (Figura 2).

Figura 2. El instrumento proporciona técnicas de ensayo y análisis además de registro de datos.

El monitoreo regular de la temperatura también puede proporcionar indicios sobre las condiciones del sistema. Es un indicador útil de la condición mecánica o de la carga aplicada a un componente específico, como ser un rodamiento axial. Por ejemplo, al fallar un rodamiento axial la fricción hace que su temperatura se eleve. Los sensores de temperatura o termocuplas instalados en el soporte de un rodamiento, que miden los cambios de temperatura dentro del rodamiento o en el lubricante, pueden enviar una señal cuando comienzan a aparecer los problemas, permitiendo así planificar las acciones de mantenimiento apropiadas.
 
La caja de herramientas tecnológicas para el monitoreo de condición incluye también sistemas de vigilancia en línea, que monitorean las bombas en forma constante independientemente de su ubicación. Dicha tecnología puede capturar datos en forma continua o con una frecuencia predeterminada, a partir de sensores permanentes, y luego enviar los resultados a una computadora anfitrión para los análisis posteriores.