Comprender las bombas de motor enlatado
Por supuesto, se han escrito volúmenes sobre por qué fallan las bombas. Además, no es exagerado afirmar que, cuando la bomba se incendia como resultado de tales fallas, generalmente se trata de un sello mecánico (Fig. 1).
Los sellos mecánicos a menudo fallan como consecuencia de daños previos en los cojinetes. En algunos casos, los fabricantes de sellos suministran productos con espacios reducidos entre la periferia de las piezas giratorias del sello y el diámetro (diámetro interior) de las piezas estacionarias del sello. Creemos que los usuarios deben especificar sellos para productos de hidrocarburos para cumplir con los estándares API (American Petroleum Industry). También creemos que las desviaciones de las especificaciones del usuario o las pautas aplicables (como API-682) deben informarse al comprador.
Sin embargo, existen otras formas de evitar fallas en los sellos. Una de ellas sería especificar, en su caso, las bombas centrífugas de motor encapsulado. También llamadas bombas “herméticamente selladas”, no incorporan sellos mecánicos.
Historia de las motobombas enlatadas En la Fig. 2 se muestra una sección transversal de una bomba de motor encapsulado. El desarrollo de estas bombas centrífugas está estrechamente relacionado con la expansión de la tecnología de generación de energía nuclear. A principios de la década de 1950, las consideraciones de seguridad llevaron al desarrollo de bucles operativos herméticamente sellados. Fue entonces cuando el principio de diseño del motor enlatado— conocido desde 1914—Encontrado aplicación práctica.
Poco tiempo después, la industria química reconoció las ventajas de estas bombas. De hecho, la demanda adicional creó una base económica generalizada para la fabricación de bombas de motor enlatado.
En la década de 1960, las bombas de motor enlatado habían evolucionado hasta el punto de la estandarización. El aumento de la población y el aumento de los niveles de vida tanto en los países industrializados como en los países en desarrollo requerían tecnologías innovadoras para resolver los exigentes y cada vez más urgentes problemas de protección del medio ambiente. Cada vez más, las bombas de motor enlatadas se convirtieron en parte de la respuesta.
Reconocemos fácilmente que, en las últimas tres décadas, se ha avanzado mucho en el campo del sellado mecánico de ejes. Sin embargo, desde mediados de la década de 1970, las consideraciones ambientales, la consolidación de la industria y la automatización de procesos se han vuelto cada vez más importantes. Es en este contexto—en una amplia gama de tareas de movimiento fluido—que los tipos más tradicionales de sellado brindan una seguridad inadecuada o presentan problemas de contaminación y pérdidas que ya no se pueden tolerar.
En algunos casos, el costo de los sistemas de monitoreo y soporte de sellos es desproporcionado para el éxito potencial. Es justo señalar la existencia de servicios que simplemente no se pueden realizar con bombas centrífugas “abiertas” o selladas convencionalmente. El transporte absolutamente hermético de fluidos utilizando bombas centrífugas solo es posible cuando el par aplicado al rotor de la bomba se genera externamente. Para satisfacer este requisito, se necesita un sistema de estator externo rígido que utilice electroimanes o imanes permanentes. En algunas industrias, las bombas selladas convencionalmente pueden poner en peligro la vida humana y los bienes físicos. Por lo tanto, las bombas selladas tradicionalmente no siempre son la "mejor tecnología disponible". En consecuencia, siempre que el estado de la técnica haga factible esta protección, los medios empleados deben estar alineados con los resultados obtenidos.
Por lo tanto, teniendo en cuenta las limitaciones de las bombas de “diseño abierto” (aquellas con empaquetadura o sellos mecánicos del eje) que pueden contribuir a la contaminación del aire y del agua, debemos esforzarnos por familiarizarnos a fondo con la tecnología más avanzada de accionamiento hermético. técnicas para bombas centrífugas. Los hechos pueden sorprendernos.
Diseño y descripción funcional Como máquinas extremadamente respetuosas con el medio ambiente, las bombas “herméticas” de motor encapsulado ahora se utilizan mucho en Europa y Japón. Mientras avanzamos en los Estados Unidos, es necesario recuperar el terreno perdido en nuestra búsqueda de competitividad. Dicho esto, donde sea necesario mover fluidos peligrosos, tóxicos, contaminantes, costosos, cáusticos, potencialmente explosivos, de alta o baja temperatura, las bombas de motor enlatado merecen una consideración muy cercana.
El motor encapsulado combina la hidráulica bien entendida de las bombas centrífugas con el motor de inducción trifásico igualmente probado. La sección hidráulica está directamente conectada al motor de accionamiento. Se inserta un manguito en forma de tubería o "lata" en el espacio con puente magnético entre el rotor y el estator. La “lata” separa de forma absoluta y hermética la cámara del rotor del entorno de bombeo del fluido a presión. En otras palabras, la "lata" es el límite entre el rotor de la bomba envuelto en líquido y la cámara del estator no humedecida (Fig. 2). La “lata” separa así el motor en dos áreas funcionales; representa el elemento de sellado hermético del conjunto de la bomba. En esencia, el par requerido para la rotación del eje se transfiere a través de la lata, que consta de un material no magnético, por medios electromagnéticos. Este tipo de transmisión no requiere una abertura del eje a través de la carcasa que contiene fluido (generalmente presurizada); por lo tanto, no hay necesidad de juntas dinámicas o sellos mecánicos. Las juntas estáticas necesarias generalmente no presentan problemas pero, en casos especiales, pueden ser reemplazadas por conexiones soldadas.
Las bombas de motor encapsulado, por lo tanto, son unidades de bomba totalmente herméticas. La sección de la bomba puede tener un diseño de una o varias etapas. El impulsor de la bomba (o impulsores en bombas multietapa) está montado en el extremo saliente de un eje compartido de bomba y motor. Los parámetros de rendimiento de estas bombas ahora corresponden a las estipulaciones de sus principales áreas de aplicación:las industrias química y de refinación. En la actualidad (2008), el límite superior de potencia está en torno a los 600 kW. Para aproximarse lo más posible a los límites dimensionales y relacionados con el rendimiento de un gran número de bombas centrífugas estándar (DIN 24256 o, respectivamente, ISO 2858 utilizadas en la industria química), muchos miles de bombas de motor encapsulado en servicio hoy en día están disponibles con el sistema hidráulico estándar de esta gama de bombas. Las dimensiones externas idénticas de las bombas centrífugas “tradicionales” y herméticas DIN e ISO permiten una conversión rápida de bombas convencionales a herméticas. No hace falta decir que esto permite reducir los requisitos de inventario de piezas de repuesto de cualquier instalación moderna.
Hay, sin embargo, ventajas adicionales sustanciales. Estas ventajas, así como la impresionante eficiencia y las estadísticas MTBF de las bombas herméticamente selladas que cumplen con API, se analizan en la siguiente sección de la barra lateral, en coautoría con George Dierssen, de IndustryUptime.
Como consultores de confiabilidad de equipos, podemos ver claramente al menos cinco (y más probablemente 10) beneficios definibles de las bombas de motor enlatado sobre las bombas API-610 tradicionales. Estos beneficios pertenecen a una o más categorías que, en última instancia, se traducen en un servicio seguro, confiable, de bajo mantenimiento, de bajo costo de instalación y compatible con el medio ambiente. Por enumerar algunos beneficios:
Contención secundaria positiva, sin fugas incontroladas a la atmósfera (incluso con rodamientos defectuosos)
Sin sello mecánico
Sin alineación (se aplica a las actividades de instalación y mantenimiento)
Sin lubricación (sin aceite)
Sin base ni lechada
Actualmente, cada una de las cinco refinerías en el Área de la Bahía de San Francisco tiene una o más bombas de motor enlatado en operación altamente satisfactoria. Si bien representan desde casi cero hasta quizás el 2 % de la población de bombas, ahora creemos que las bombas de motor enlatado (CMP) son probablemente aplicables al 50 % de las bombas en un sitio de refinería típico. Hay, por supuesto, restricciones (es decir, choque térmico, funcionamiento en seco, lodos, etc.), que, en la mayoría de los casos, pueden manejarse mediante controles de ingeniería. Sin embargo, parece que los CMP son la opción ideal para muchos servicios de HP (procesamiento de hidrocarburos). Esto es así especialmente porque las plantas de hoy en día tienen altas expectativas con respecto al tiempo de actividad de la planta y la seguridad operativa. Aunque estas expectativas se reflejan en un estándar sólido:API-685—la escasa representación de CMP en las plantas de EE. UU. es desconcertante.
Salvo cualquier matemática inusual, uno de los coautores (de esta sección de la barra lateral) se sorprendió al descubrir que el tiempo medio promedio entre reparaciones (MTBR) para los CMP—teniendo en cuenta cada uno de los muchos miles fabricados por dos grandes fabricantes separados—es de 7,5 años. Esto nos lleva a preguntarnos cómo refinar los datos de la industria en general. Nuestro entendimiento es que el 80-90% de las plantas japonesas usan CMP (¡un fabricante aparentemente envía 1700 bombas por mes!) y el 60-70% de las plantas europeas usan bombas de accionamiento magnético o CMP. Por lo tanto, dimos seguimiento a la pregunta. Nuestra evaluación y aportes sustanciales de un respetado fabricante de CMP se pueden resumir en una serie de puntos importantes.
Un exitoso fabricante europeo tiene experiencia con entradas de potencia CMP de 700 hp y más. Estos se ofrecen en muchas configuraciones diferentes, con o sin enfriadores, con o sin bucles de lubricación de cojinetes separados, con una o dos (¡o más!) etapas, etc. Las limitaciones de espacio nos permitirán mostrar solo uno de estos (Fig. 3) . Además, ahora los CMP suelen alcanzar presiones de fluido bastante altas. Aunque independiente, un fabricante alemán utiliza tecnología de bomba suiza para la hidráulica del impulsor. Estelas separadas (limpias) lubrican los cojinetes de manguito instalados típicamente en los CMP de esta empresa.
En los EE. UU., la industria todavía tiene dificultades para abandonar la mala práctica de instalar tuberías mal ajustadas en las máquinas de fluidos. Si bien originalmente se pensó que un CMP podría ser un poco más vulnerable que una bomba centrífuga API-610, este ya no es el caso para la gran mayoría de los CMP. En todos los casos conocidos por un experto, las bombas de motor encapsulado (CMP) se diseñaron para cargas de boquilla permisibles significativamente más altas que las bombas API-610 equivalentes. El fabricante europeo de CMP está en condiciones de ofrecer cargas de boquilla permitidas de tres a cuatro veces las cargas máximas permitidas de API-610 (recuerde que no hay problemas de alineación con las CMP). El empernado de bridas suele ser el factor limitante aquí.
Recordamos que hace décadas (y en tamaños cercanos a los 1000 hp), las bombas de proceso verticales equipadas con placas base que flotan sobre la base de la bomba se convirtieron en la norma en las mejores instalaciones de su clase. Asimismo, el fabricante europeo recomienda que las placas de base CMP (en realidad, las placas base) no se anclen, sino que se dejen flotar con la tubería. Las suelas flotantes ofrecen ahorros significativos en costos de tuberías. ¡En varios proyectos recientes de alta presión, los ahorros en tuberías igualaron el costo de las bombas! Aún así, hasta el día de hoy, algunos compradores insisten en que se suministren placas base.
Hace años, algunas ubicaciones de HPI (industria de procesamiento de hidrocarburos) se enfrentaron a preocupaciones sindicales: el problema en ese momento era si un CMP era un dispositivo eléctrico o una bomba. El experto en CMP mencionó que, si bien esto podría ser un problema, su recomendación actual es devolver las unidades CMP a un centro de reparación altamente experimentado en Luisiana para cualquier reparación necesaria. Creemos que este enfoque tiene sentido en vista de la disponibilidad limitada de personal calificado de mantenimiento de campo y de talleres mecánicos en muchas plantas.
También hicimos la observación de que, con demasiada frecuencia, los ingenieros solo escuchan a los vendedores de bombas tradicionales: “No puedo cometer un error si hago exactamente lo que hizo mi antiguo jefe. ¡Siempre fue seguro y ahora es vicepresidente de ingeniería!”. El gerente nacional de ventas de un destacado fabricante de bombas de motor enlatado estuvo de acuerdo y dijo que todavía hay mucha renuencia real a probar lo que se percibe como "nueva tecnología", aunque, por supuesto, los CMP se consideran una tecnología madura.
Tal vez, ya menudo de manera bastante errónea, se asume que las CMP consumen más energía que las bombas tradicionales. Un experto europeo en CMP refutó esta creencia incorrecta. Señaló que, en más de 30 años de aplicación de CMP, ¡nunca había visto que una de estas unidades consumiera más energía que la bomba que reemplazó! Si bien alguna vez supuso que esto se debía a que se reemplazaron bombas desgastadas o se encontraron mejores selecciones (ajustes de curvas), ahora cree que las unidades originales eran demasiado optimistas sobre su eficiencia publicada y nunca incluyeron muchas pérdidas, como las atribuibles a acoplamientos y sellos.
Un especialista en bombas relató su experiencia con un fabricante de bombas convencionales que siempre probaba sus unidades con sellos de labios en lugar de empaques trenzados o sellos mecánicos. Hace algunos años, este experto se enteró de una empresa que hizo saber que evaluaría las cotizaciones (ofertas recibidas) en función de los kW de entrada. Como resultado, la potencia “garantizada” subió casi un 10% por encima de las curvas publicadas por algunos postores. El experto aconseja a las autoridades de especificaciones de los usuarios que soliciten un valor de kW de entrada para el equipo ofrecido. Señaló que los principales fabricantes de CPM estarían encantados de cumplir, ya que, por supuesto, suministran tanto la bomba como el motor.
El usuario/comprador promedio está decepcionado de no poder enviar basura a través de los cojinetes y los componentes de espacio libre cerrado. Por supuesto, el proveedor realmente debe educar al usuario sobre las limitaciones del equipo y preguntar repetidamente sobre las propiedades del fluido y la corriente del proceso. Muchas fallas que en el pasado se atribuyeron a "sólidos" o "funcionamiento en seco" en realidad se iniciaron por flasheo interno del fluido. Eso puede deberse a la falta de un buen programa de balance de calor en el equipo o simplemente a la ignorancia del proveedor. Aún más importante, a menudo ha habido un análisis de fallas o un seguimiento insuficientes por parte del fabricante para determinar la verdadera causa raíz de una falla. Un factor interesante es el aumento máximo de calor; ocurre en un CMP después del apagado debido al calor latente en el motor. Esta preocupación siempre se puede abordar con el tamaño adecuado del motor, purgar el motor después de apagarlo u otros métodos, siempre que el comprador y un fabricante informado cooperen. Lo que es una preocupación para algunos no es un problema para otros.
Considere que es responsabilidad del fabricante hacer muchas preguntas y que tanto el usuario como el fabricante brinden respuestas sólidas. Continúe con las preguntas sobre el aumento de temperatura máximo permitido (a corto plazo) del fluido bombeado. Las respuestas a tales preguntas son fáciles de obtener. Si un usuario inteligente sabe lo que está bombeando y describe con precisión los fluidos de su proceso, el hecho de que esté a punto de comprar un CMP es de importancia secundaria.
Hace décadas, la superioridad de los CMP se describió en la presentación conjunta de Hoechst-Celanese de Kenneth Fischer en uno de los simposios internacionales de la Universidad Texas A&M. Los procedimientos de estas reuniones están fácilmente disponibles y las ediciones anteriores abordaron muchas inquietudes de los usuarios y proporcionaron algunas estadísticas de fallas, etc.
Con demasiada frecuencia, el comprador deja las decisiones al contratista de diseño y luego alienta a estas empresas a comprar en gran medida sobre la base del costo y el cronograma. El contratista luego compra una bomba convencional al mejor postor. Un usuario centrado en la confiabilidad debe intervenir y asumir cierta responsabilidad por la orientación y la dirección que necesitan los contratistas de diseño y el personal puramente orientado a las compras. Los estudios sólidos del costo del ciclo de vida son mejores que las opiniones preconcebidas o desactualizadas.
Además, y lamentablemente, los CMP pueden haber recibido una mala reputación cuando ciertos vendedores sobrevendieron sus méritos en el pasado. Si bien los méritos de las bombas de motor enlatadas son indiscutibles, no hay nada que no pueda ser mal etiquetado, malinterpretado, calumniado o destruido. No hay excepciones para esta regla.