mantenimiento predictivo de bombas
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MANTENIMIENTO PREDICTIVO DE BOMBAS
Antonio Ordóñez Guerrero Universidad de Sevilla – Escuela Universitaria Politécnica
c/ Virgen de África nº 7 41011 SEVILLA (ESPAÑA)
Profesor Titular E.U. del Departamento de Ingeniería Mecánica y de los Materiales.
Director del Master en Mantenimiento Industrial y Técnicas de Diagnóstico de la Universidad de Sevilla. Director del Master en Ingeniería y Gestión del Mantenimiento de la Universidad de Sevilla.
Vicepresidente de INGEMAN (Asociación para el Desarrollo de la Ingeniería de Mantenimiento). Email: [email protected]
www.us.es/mmindustrial
www.ingeman.net
Introducción:
En todas las instalaciones que tienen por objetivo la captación, abastecimiento, distribución y recogida de aguas, las bombas hacen las veces del corazón en nuestro sistema sanguíneo, se encargan de hacerla fluir a las distintas estaciones de tratamiento, en aquellos casos en los que la gravedad o las condiciones naturales no nos lo permita. Es pues obvio la importancia de mantener en las mejores condiciones de funcionamiento estos equipos, que después de los motores eléctricos son, sin duda alguna, las máquinas más habituales en cualquier planta industrial y responsables de un consumo energético muy significativo. Su criticidad les hace susceptibles de ser mantenidas con tecnologías predictivas, que nos permitirán conocer el estado o condición de las mismas sin necesidad de intervenir en ellas, ni de pararlas para realizarles una revisión. El hecho de ser equipos rotativos hace que el análisis de vibraciones sea una de las técnicas que mejor resultado puede darnos, aunque ello no va en detrimento de la aplicación de otras, como puede ser la termografía, los ensayos no destructivos (ultrasonidos, partículas magnéticas, líquidos penetrantes, etc.), tribología (análisis de partículas en el lubricante, etc.) o el análisis espectral de intensidades de corriente en el motor que alimenta a la bomba. La opción del mantenimiento
predictivo:
Tradicionalmente se han considerado dos tipos de mantenimiento: Correctivo y preventivo, muchos autores siguen considerándolos como las únicas actuaciones de mantenimiento. Recientemente se están implantando otras tecnologías de mejora de mantenimiento como TPM, RCM, mantenimiento
proactivo, etc. y que constituyen lo que se conoce como ingeniería de mantenimiento. Inicialmente situaremos las actividades de mantenimiento predictivo dentro de estas técnicas de ingeniería de mantenimiento, para después evaluarlas dentro de las operaciones de mantenimiento preventivas. Técnicas de ingeniería de mantenimiento: � Técnicas para el diseño y desarrollo del sistema de
información del mantenimiento. o Sistemas de GMAO (Gestión del
Mantenimiento Asistido por Ordenador). o Tecnologías para el conocimiento de la
condición de los equipos (Técnicas de mantenimiento predictivo).
� Técnicas de soporte al desarrollo habitual de las
funciones del ingeniero de mantenimiento. o Técnicas para el diseño de mantenimiento
y su mejora continua. � Métodos para el análisis de fallos,
de la fiabilidad y del riesgo en la operación de un sistema. (FMEA, FMECA, HAZOPS, Árboles de fallo, etc.).
� Mantenimiento basado en la fiabilidad (RCM Reliability centred Maintenance).
� Mantenimiento Productivo Total (TPM Total Productive Maintenance)
� Métodos específicos de gestión de recursos de mantenimiento.
o Técnicas para la optimización de las políticas de mantenimiento.
� Técnicas para el análisis y la preparación de datos.
� Modelos para la optimización del mantenimiento.
Debido a su amplia difusión e implantación
comentaré brevemente dos de ellas RCM y TPM:
� RCM: Método usado para determinar las necesidades de mantenimiento de cualquier tipo de activo físico en su entorno de operación (Moubray, 97). Para considerar un proceso RCM se siguen siete pasos básicos:
o Identificación del equipo a analizar. o Determinación de sus funciones. o Determinación de lo que constituirá
un fallo en esas funciones. o Identificación de las causas de esos
fallos funcionales. o Identificación de los efectos de esos
fallos. o Usando la lógica RCM, seleccionar la
táctica de mantenimiento adecuada. o Documentar el programa de
mantenimiento, retroalimentándolo con la experiencia.
� TPM: Es un método para la realización de
mantenimiento productivo mediante la colaboración de todos los empleados a través de actividades en pequeños grupos (Nakajima, 89). Se incluyen cinco objetivos en el mismo:
o Mejora de la eficacia de los equipos, usando técnicas de mantenimiento preventivo que permitan conocer la condición o estado del mismo.
o Desarrollo de un sistema de mantenimiento productivo para la vida del equipo, incluyendo preventivo y proactivo o mejorativo para mejorar su mantenibilidad en la fase de operación del equipo.
o Involucración de todos los departamentos.
o Involucración de todos los empleados. o Promoción del TPM con herramientas
de gestión de la motivación. Como podemos ver en ambas técnicas el
mantenimiento predictivo constituye una herramienta fundamental, no sólo desde el punto de vista de aporte de información sino también como método de optimización de proceso.
Volviendo a las operaciones básicas de
mantenimiento correctivas y preventivas, evaluamos a continuación las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas:
� Mantenimiento correctivo:
o No hay mantenimiento, solo se repara. o Inversión inicial nula. o Gastos elevados por paradas
inesperadas.
o Gastos elevados por la necesidad de un alto número de piezas de repuesto en almacén.
o Los fallos suelen ser catastróficos, con una reparación muy costosa.
o Aumento del riesgo de accidentes. o Incertidumbre total ante el
conocimiento del estado de los equipos.
Mantenimiento preventivo:
o Está basado en la sustitución de componentes en función de periodos de tiempo u horas de operación.
o Dificultad de la determinación de estos periodos de tiempo, que normalmente se evalúan por análisis estadísticos del tiempo medio entre fallos.
o Se interviene en máquinas que funcionan correctamente, “porque le toca”. En muchos casos sustituimos componentes que están en buen estado.
o Siempre es necesario parar la máquina para realizar una actividad preventiva.
o La máquina puede perder su “equilibrio de funcionamiento” después de la intervención.
o No conocemos el estado del equipo, hasta que no intervenimos en él y aún así podemos no ver daños ocultos en determinados componentes.
o Tiene un alto coste como consecuencia de las reiteradas intervenciones (mano de obra y periodos improductivos), además del alto consumo de repuestos.
o En muchos casos los resultados de actuaciones preventivas basadas en el tiempo de operación son intervenciones innecesarias y fallos catastróficos.
Mantenimiento predictivo:
o Es parte del mantenimiento preventivo, pero en este caso las intervenciones en las máquinas se realizan cuando hay evidencia de deterioro de algún componente o de mal funcionamiento del sistema.
o Consiste en la monitorización de la condición mecánica, rendimiento de la operación y otros indicadores de proceso en máquinas y líneas de producción para asegurar el mayor intervalo de tiempo entre reparaciones y minimizar el número y coste de las paradas ocasionadas por los fallos en las máquinas.
o Con él conocemos el estado de nuestros equipos y del proceso en todo instante.
o Eliminamos prácticamente todas las averías.
o Incrementamos los periodos entre paradas.
o Cuando realizamos una intervención conocemos el problema, reduciendo el tiempo de la misma.
o Podemos determinar la causa de fallos crónicos.
o Reducimos el número de piezas en almacén, ya que estas se abastecerán una vez detectado el problema, el cual puede identificarse con antelación al fallo.
o Incrementamos la seguridad. o Podemos obtener bonificaciones en
las pólizas de seguro de nuestros equipos.
o Mejoramos el proceso productivo. o Reducimos los consumos energéticos
innecesarios, eliminando vibraciones no deseadas, ocasionadas por defectos en el funcionamiento de las máquinas, desequilibrios, desalineaciones, etc.
o La rentabilidad del mismo es a medio y largo plazo.
o Es necesaria una alta inversión inicial en tecnología y formación del personal.
Lo normal es que convivan los tres tipos de
mantenimiento antes mencionados, aún en empresas en las que la cultura del correctivo está históricamente arraigada, se usa algún tipo de preventivo en lubricación y ajustes.
Es difícil evaluar el beneficio económico de la
implantación de sistemas de mantenimiento predictivo y plasmarlo con cifras concretas, ya que ello es motivo de un estudio exhaustivo por parte de la ingeniería de mantenimiento, que requiere un tiempo del que normalmente no se dispone. El indicador más extendido el “retorno de la inversión” ROI, que es una razón que relaciona el ingreso generado por un centro de inversión a los recursos (o base de activos) usados para generar ese ingreso: ROI = Ingreso (ahorro) / Inversión.
En el sector de servicios se suele valorar en torno a 10,5 el ROI de la implantación de estos sistemas, aunque como ya hemos comentado es difícilmente valorable los ahorros en mano de obra, en repuestos, en incremento de seguridad, aumento de vida de las máquinas, etc.
El análisis de vibraciones como
técnica predictiva:
El análisis de vibraciones es la técnica de
mantenimiento predictivo más ampliamente utilizada, y esto es debido a que con ella podemos detectar una gama más amplia de defectos y de problemas en máquinas y procesos. Tiene una aplicación prioritaria en las máquinas rotativas y las bombas son una de las
máquinas más susceptibles de ser controladas por análisis vibracional.
A continuación trataremos de responder a las
siguientes cuestiones: � ¿Cuál es el proceso de análisis de vibraciones? � ¿Cómo medimos y evaluamos la vibración? � ¿Dónde tomamos las medidas? � ¿Qué información podemos obtener del análisis
de vibraciones? � ¿Hay una normativa aplicable? � ¿Cómo establecemos los niveles de alerta y de
fallo?
Proceso de análisis de vibraciones: El proceso de análisis de vibraciones consiste en captar la vibración originada en la máquina con un sensor, obteniendo una señal temporal para posteriormente procesarla en el dominio de la frecuencia e identificar su origen.
Fijamos el sensor en la máquina.
NCDT - BOMBA CENTRIFUGA
59BOM-L15 -MV1 MOTOR VERTICAL NO ACOPLADO
Route Waveform
30-nov-05 12:06:21
RMS = 1.41
CARGA = 100.0
RPM = 2971.
RPS = 49.52
PK(+) = 4.02
PK(-) = 4.05
CRESTF= 2.86
0 20 40 60 80 100
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Time in mSecs
Velocity in mm/Sec
Time:
Ampl:
9.180
-.07073
Obtenemos una señal temporal (onda compleja).
NCDT - BOMBA CENTRIFUGA
59BOM-L15 -MV1 MOTOR VERTICAL NO ACOPLADO
Route Spectrum
30-nov-05 12:06:21
OVERALL= 1.34 V-DG
RMS = 1.34
CARGA = 100.0
RPM = 2971.
RPS = 49.52
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Frequency in Orders
RMS Velocity in mm/Sec
Ordr:
Freq: Spec:
12.62
625.00 .00206
Pasamos al dominio de la frecuencia (espectro) mediante el algoritmo de la transformada rápida de Fourier (FFT), y en él podemos identificar las fuentes de vibración.
El análisis espectral es la base de la diagnosis por vibraciones, cada componente, cada defecto, cada daño asociado a algún componente genera una vibración a una frecuencia determinada, el analista de vibraciones debe saber asociar la vibración medida con el comportamiento del equipo, pudiendo identificar daños por las frecuencias excitadas y severidad de los mismos por las amplitudes alcanzadas. Quizás sea esta última parte, conocer la severidad del daño, el problema más complejo a resolver ya que cada máquina se comporta de forma distinta, siendo difícil establecer niveles de alerta generales para los diferentes grupos de estudio. El análisis de forma de onda, el estudio de fases (adelanto o retardo de una señal con respecto de otra) y el análisis orbital son otras de las técnicas que se usan frecuentemente en la diagnosis de máquinas por análisis vibracional. Como medimos y evaluamos la
vibración.
Para medir la vibración en las máquinas usamos sensores conocidos como transductores que transforman la vibración mecánica en una señal eléctrica analógica para ser procesada. La característica principal de estos sensores es que sean precisos en las amplitudes y frecuencias captadas, además de tener repetitibilidad, dos señales de la misma amplitud deben tener la misma salida en tensión. Pueden ser de desplazamiento, velocidad o aceleración, siendo estos últimos los más comúnmente usados. Cada uno de ellos tienen sus ventajas e inconvenientes, aunque los velocímetros se usan cada vez menos debido a la facilidad de integración de la señal en los software de análisis de vibraciones.
Dependiendo de los defectos que queramos analizar nos interesará estudiar el espectro de vibración en desplazamiento (bajas frecuencias), velocidad (frecuencias medias) o aceleración (altas frecuencias); siendo ésta una de las razones de selección de un tipo de sensor u otro. Los conceptos de alta, media o
baja frecuencia están relacionados con la velocidad de operación de la máquina, así si hablamos en ordenes o lo que es lo mismo el número de veces la frecuencia de giro fundamental (1x), consideraremos bajas frecuencias hasta un orden de aproximadamente 10x, medias frecuencias entre 10 y 20x y altas frecuencias ordenes superiores. Los defectos en bombas que podemos identificar y asociar a cada uno de los rangos frecuenciales mencionados son los siguientes:
� Bajas frecuencias: Problemas de desequilibrios, desalineaciones, holguras, deformaciones de ejes, excentricidades, resonancias estructurales, excentricidades rotoestatóricas en motores,
frecuencias de paso de alabes y problemas de cojinetes de deslizamiento.
� Medias frecuencias: Frecuencias de daños en rodamientos, fundamentalmente.
� Altas frecuencias: Problemas en transmisiones con engranajes, problemas en barras de motores eléctricos, cavitaciones y resonancias de componentes mecánicos
Para evaluar la vibración debemos indicar tres datos:
� Cantidad, valor numérico de la misma. � Unidades, de velocidad, aceleración o
desplazamiento, dependiendo de que estemos midiendo y de acuerdo con el sistema métrico o ingles (por ejemplo velocidad en mm/s o inch/s). Normalmente las aceleraciones se miden en g´s (número de veces la aceleración de la gravedad).
� Como estamos midiendo: o Valores promedio (AVG). o Valores eficaces (RMS). o Valores pico (P). o Valores Pico-Pico (PP).
Pudiéndose pasar de forma sencilla de una a otra.
Lo normal es medir velocidades y aceleraciones en valores eficaces (RMS) y los desplazamientos en valores pico o pico-pico. ¿Dónde medimos? Los sensores de desplazamiento se suelen colocar dos, dispuestos ±45º con respecto al plano vertical que pasa por el eje, su finalidad es la de poder realizar un análisis orbital del desplazamiento del eje en su alojamiento.
Los demás sensores se colocan lo más cerca posible del apoyo de los ejes, soportes de rodamientos, buscando los puntos de medida de mayor rigidez de la
CBC - BOMBA VERTICAL 2- C/VF
BOMBA 2 -M1H MOTOR SUPERIOR HORIZONTAL
Route ACorr(Wf)
27-feb-02 12:59:38
RMS = .6800
CARGA = 100.0
RPM = 985.
RPS = 16.41
PK(+) = .9777
PK(-) = .9719
CRESTF= 1.44
0 30 60 90 120 150 180
-1.0
-0.5
0
0.5
1.0
Time in mSecs
Correlation Factor
Pico-Pico
RMS Pico
máquina y evitando las medidas en chapas o planchas esbeltas que puedan generar ruido en el espectro de vibración además de una falta de transmisibilidad de la misma. Debe medirse en tres direcciones perpendiculares: vertical, horizontal y axial, esta última
principalmente en el lado acoplado de la máquina. Análisis en frecuencia. El análisis espectral nos va a permitir encontrar daños y defectos que son el origen de vibración de nuestras bombas. En general este tipo de máquinas no es complejo en su análisis, ya que constan del motor eléctrico, el acoplamiento y el cuerpo de la bomba, siendo el accionamiento, normalmente, directo sin transmisiones de engranajes o de correas. Es importante antes de comenzar a realizar un análisis de vibraciones conocer que tipo de problemas podemos encontrar. En las bombas estos pueden ser: Problemas eléctricos en el motor de accionamiento (excentricidad estática o dinámica del rotor, problemas de barras, problemas de fases, perdidas de bobinas del estator), problemas hidráulicos (desequilibrio hidráulico, cavitaciones, resonancias acústicas, inestabilidad hidráulica) y los problemas de origen mecánico (desequilibrio, desalineación, daños en acoplamiento, holguras, frecuencia de paso de vano, rodamientos, cojinetes, resonancias). En general cada una de los daños antes mencionados generan una vibración a una frecuencia que podemos relacionar con la frecuencia de giro de la máquina o frecuencia fundamental y que designaremos como 1x, así una vibración producida a una frecuencia doble de la fundamental estará en el 2x. Sin pretender hacer un estudio exhaustivo de diagnosis de máquinas mostraremos a continuación una tabla en la que recogeremos estos fallos y el rango de frecuencias en los que se producen y por tanto donde los podemos localizar y después mostraremos algunos espectros típicos de alguno de ellos. Frecuencia en Hz o en ordenes
Causa
0 a 10 Hz
Recirculación en la bomba, holgura inadecuada entre los alabes y el cuerpo de la bomba, desplazamiento axial del rotor.
3 a 15 Hz Vibración en las conducciones excitadas
por pulsos de presión. 0.05x/0.25x Problemas de flujo. 0,1x a 0,4x Autoscilación.
0,4x a 0,5x Inestabilidad dinámica en los cojinetes. Remolino de aceite (oil whirl) y latigazo de aceite (oil whip).
0,7x/0,85x
Inestabilidad hidráulica originada por un mal diseño en la geometría de la impulsión de la bomba. A veces la frecuencia natural del rotor se encuentra en este rango pudiendo originar resonancia.
1x Muchos defectos pueden estar asociados a esta frecuencia, siendo el más común el desequilibrio mecánico o hidráulico.
2x Desalineación. Holgura interna en componentes. Deformación de eje.
2x,3x,4x,… Holguras.
Zx (siendo Z el número de alabes
del impulsor)
Frecuencia de paso de alabes, es inherente a la vibración en bombas, su incremento y aparición de armónicos de la misma puede indicar rotura u obstrucción de un alabe o también su excentricidad.
5x a 20x Frecuencias de rodamientos.
6x a 12x Frecuencias originadas por los variadores de frecuencia.
1kHz/20kHz Cavitación. Frecuencias
no relacionadas
con el 1x
Posibles resonancias originadas por la vibración en máquinas vecinas.
100 Hz Excentricidad rotoestaorica. La diagnosis en base al análisis de frecuencia no es tan sencilla como pueda parecer al ver la tabla anterior, muchos síntomas son comunes a diversos defectos y no siempre se conocen todos los componentes y características técnicas de los equipos que analizamos. Para tener certeza en un diagnóstico es necesario utilizar técnicas adicionales como son el estudio de los parámetros de onda, la modulación de las frecuencias dominantes, el estudio de fases, etc. A continuación mostramos algunos espectros de defectos antes indicados:
ROUTE WAVEFORM
11-oct-01 10:17:31
RMS = 28.68
PK(+) = 43.43
PK(-) = 39.29
CRESTF= 1.51
0 50 100 150 200 250 300 350
-60
-40
-20
0
20
40
60
Time in mSecs
Velocity in mm/Sec
CBC - BOMBA VERTICAL 2- C/VF
BOMBA 2 -M1H MOTOR SUPERIOR HORIZONTAL
ROUTE SPECTRUM
11-oct-01 10:17:31
OVERALL= 28.84 V-DG
RMS = 28.66
CARGA = 100.0
RPM = 1002.
RPS = 16.70
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
5
10
15
20
25
30
3540
Frequency in Orders
RMS Velocity in mm/Sec
1.00
Ordr:
Freq: Spec:
.988
16.50 28.38
El espectro mostrado corresponde a una bomba vertical, siendo el punto de medida en el motor en dirección radial y más alejado del cuerpo de la bomba. La forma de onda mostrada es una senoidal pura, indicando que prácticamente toda la vibración está producida a la frecuencia fundamental (1x). Además las
amplitudes mayores se obtienen en las direcciones radiales, contribuyendo todo ello a pensar que se trata de un problema de desequilibrio mecánico o hidráulico, ya que el síntoma es de libro. No obstante había algo que nos hizo sospechar que el problema no era tan simple: La inestabilidad de la vibración y su direccionalidad, síntomas asociados a problemas de resonancias estructurales. Se realizaron test de impacto sobre el cuerpo de las bombas con objeto de determinar las frecuencias naturales de las misma y encontramos que ésta era muy próxima a la velocidad de operación de la máquina, comprobando de esta forma que el problema era otro: Resonancia.
En un test de impacto se excita la estructura de la máquina, con ésta parada, y se recoge la respuesta en frecuencia de la misma acotando la frecuencia sospechosa, obteniéndose una gráfica como la anterior en la que se excita la frecuencia natural del sistema. La cavitación es otro problema frecuente en bombas, originado normalmente por unas deficientes condiciones en la aspiración de las mismas (colmatación de filtros, presión de aspiración baja, etc). La vibración y el sonido producidos por una bomba que cavita son inconfundibles, así como el efecto sobre los alabes del impulsor. El espectro muestra una banda ancha de gran energía a alta frecuencia, por encima de la frecuencia de paso de alabes, así como impactos en la forma de onda.
ROUTE WAVEFORM
30-nov-05 12:02:56
RMS = 9.45
PK(+) = 34.82
PK(-) = 43.04
CRESTF= 4.55
0 20 40 60 80 100
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
Time in mSecs
Acceleration in G-s
NCDT - BOMBA CENTRIFUGA
62BOM-L15 -BH BOMBA HORIZONTAL
ROUTE SPECTRUM
30-nov-05 12:02:56
OVERALL= 6.87 V-DG
RMS = 8.57
CARGA = 100.0
RPM = 2929.
RPS = 48.81
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Frequency in Orders
RMS Acceleration in G-s
Ordr:
Freq: Spec:
6.146
300.00 .06030
El sonido también es característico, similar a una molienda de piedras y el daño en los alabes es su destrucción con perdidas importantes de material.
La desalineación es otro problema habitual en las bombas y su espectro es clásico:
PFQ - BOMBA CENTRIFUGA
64BOM-D11 -MA3 MOTOR AXIAL ACOPLADO10X
Route Spectrum
30-nov-05 12:23:25
OVERALL= 3.27 V-DG
RMS = 3.26
CARGA = 100.0
RPM = 2967.
RPS = 49.44
0 3 6 9 12
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
Frequency in Orders
RMS Velocity in mm/Sec
Ordr:
Freq: Spec:
1.000
49.44 .229
1x
2x
3x
Debido a que las velocidades de operación de las bombas suelen ser de 1500 rmp o de 3000 rpm hay que tener cuidado de no confundir segundos armónicos de la velocidad de giro con la frecuencia de 100 Hz, que implicaría un problema eléctrico y no una holgura o una desalineación. Con una buena resolución espectral, definida como el cociente entre la frecuencia máxima del espectro y el número de líneas empleado, podemos distinguir estas dos frecuencias, ya que un motor no gira a la velocidad de sincronismo sino a la diferencia entre ésta y la frecuencia de deslizamiento; es decir que un motor cuya nominal fuese de 3000 rpm (50 Hz) girará a 2934 rpm (48,9 Hz), si su frecuencia de deslizamiento es de 66 rpm. De esta forma el orden 2x corresponde con 97,8 Hz y el problema de excentricidad se da a 100 Hz. En el siguiente espectro se muestran estos dos problemas:
PFQ - BAJO CUBAS
44BOM-D11 -MV4 Motor-Vertical-Acoplado 10x
Route Spectrum
30-nov-05 10:45:19
OVERALL= 3.01 V-DG
RMS = 3.00
CARGA = 100.0
RPM = 2934.
RPS = 48.90
0 100 200 300 400 500
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
Frequency in Hz
RMS Velocity in mm/Sec
Freq:
Ordr: Spec:
49.06
1.003 1.761
1x
2x
3x
100 Hz
Las holguras han sido una de las justificaciones de los “overhaul” o revisiones completas en las bombas, Igor Karassik, uno de los mejores conocedores de estas
0.0 6000.0000CPM 0.0
0.00150
RMSG's
Spectrum of I31 - A (Ch B)
G's: 0.00140CPM: 945.0000
07/05/0107:20:23JOB ID: CARAMBOLO
máquinas, ante la pregunta de cuando una bomba debía ser intervenida respondía que el overhaul de la misma se justificaba cuando las holguras internas eran dos veces las del valor de diseño, o bien cuando el rendimiento se había reducido alrededor del 4%. En un análisis espectral las holguras tienen una firma característica, como múltiples armónicos de la velocidad de giro.
BV1 - Bomba de Vacio 2
BV2 -H21 HORIZONT L. NO POLEA LOBULO2 10X
Route Spectrum
03-ene-05 11:38:03
OVERALL= 3.66 V-DG
RMS = 3.65
LOAD = 100.0
RPM = 1938.
RPS = 32.30
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
Frequency in Hz
RMS Velocity in mm/Sec
Freq:
Ordr: Spec:
21.53
.667 1.327
Pudiéndose determinar la severidad de la misma por distintos síntomas como la aparición de de medios armónicos y el incremento del ruido de fondo. Por último y dada la importancia que presentan, consideraremos los posibles fallos en rodamientos. Estos constan de cuatro componentes: Elementos rodantes, pista exterior, pista interior y jaula o separador; cada uno de los cuales presenta una frecuencia de fallo: BSF, BPFO, BPFI y FTF respectivamente, las cuales se pueden determinar conociendo la geometría del rodamiento: Donde:
• Bd es el diámetro del elemento rodante. • Pd es el diámetro primitivo. • Nb es el número de elementos rodantes. • α es el ángulo de contacto. • rpm son las vueltas del eje en el que está
calado el rodamiento. Además el deterioro de un rodamiento presenta cuatro fases fácilmente distinguibles en el análisis espectral, siendo aconsejable la sustitución del mismo cuando se presenta la tercera fase, en la cual se supone que le resta menos del 5% de vida
Los siguientes son espectros reales de la tercera y cuarta fase:
Finalmente indicar la importancia de los gráficos de tendencias, tanto de valores globales de vibración como de amplitudes en determinadas bandas asociadas a defectos concretos, para conocer la evolución y el estado de las bombas:
NCDT - BOMBA CENTRIFUGA
59BOM-L15 -BV BOMBA VERTICAL
Trend Display
of
Overall Value
-- Baseline --
Value: 2.004
Date: 26-feb-02
0 400 800 1200 1600
0
1
2
3
4
5
6
Days: 26-feb-02 To 30-nov-05
RMS Velocity in mm/Sec
ALERT
FAULT
Date:
Time: Ampl:
30-nov-05
12:07:30 .885
( )
xrpmP
BFTF
xrpmP
BNBPFI
xrpmP
BNBPFO
xrpmP
B
B
PBSF
d
d
d
db
d
db
d
d
d
d
−=
+=
−=
−=
α
α
α
α
cos12
1
cos12
cos12
cos12
2
2
CFN 002.2 -V31 24000 RPM 12000221 10-20 KHZ
Route Spectrum
12-mar-01 11:31:57
(Filtr- HP 500 Hz)
OVERALL= 7.30 V-DG
RMS = 26.60
CARGA = 100.0
RPM = 23857.
RPS = 397.61
0 5000 10000 15000 20000
0
1
2
3
4
5
6
Frequency in Hz
RMS Acceleration in G-s
CFN 003.4 -VSH 3000 RPM HERRAMIENTA 22103738
Route Spectrum
12-sep-05 10:33:37
OVERALL= .1054 A-DG
RMS = .1049
CARGA = 100.0
RPM = 3001.
RPS = 50.01
0 1000 2000 3000 4000
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
Frequency in Hz
RMS Acceleration in G-s
Freq:
Ordr: Spec:
684.27
13.68 .02869
>SNF CABEZAL2
D=BPFI
D D D D D
Notar la importancia del establecimiento de los niveles de alarma y de alerta. Normativa. Existen diversas normas que pretenden dar valores admisibles de vibración en diferentes equipos: ISO 2372, ISO 3945, ambas han sido actualizadas en la ISO 10816, que es la que actualmente se considera al evaluar el estado de las máquinas. La norma consta de seis partes, de las cuales la concerniente a bombas es la tercera y que reproducimos en la siguiente tabla:
Clase de
soporte Límite
de zona Desplazamiento
rms (µm) Velocidad
rms (mm/s)
A/B 18 2,3
B/C 36 4,5 Rígido
C/D 56 7,1
A/B 28 3,5
B/C 56 7,1 Flexible
C/D 90 11,0 Grupo 3: Bombas con impulsores multipaletas y propulsores separados (flujo axial, centrífugo o mixto) con potencias superiores a 15 kw. Clase de
soporte Límite
de zona Desplazamiento
rms (µm) Velocidad
rms (mm/s) A/B 11 1,4
B/C 22 2,8 Rígido
C/D 36 4,5
A/B 18 2,3
B/C 36 4,5 Flexible
C/D 56 7,1 Grupo 4: Bombas con impulsores multipaletas y propulsores integrados (flujo axial, centrífugo o mixto) con potencias superiores a 15 kw Las condiciones de soporte están determinadas por la relación entre la flexibilidad de la máquina y los cimientos. Si la frecuencia natural más baja de la máquina combinada y el sistema soporte en la dirección de la medición es más alta que su propia frecuencia de excitación (esto es en la mayoría de los casos la frecuencia rotacional) por al menos un 25%, entonces el sistema soporte puede ser considerado rígido en esa dirección. Todos los otros sistemas soporte pueden ser considerados flexibles. Y las zonas de evaluación: Zona A.- Vibraciones de máquinas recién puestas en servio. Zona B.- Vibraciones de máquinas consideradas aceptables para un funcionamiento sin restricciones a largo plazo. Zona C.- Vibraciones de máquinas consideradas insatisfactorias para un funcionamiento continúo a largo plazo. Generalmente, la máquina puede estar
funcionando por un periodo limitado de tiempo en estas condiciones, hasta que se presente una oportunidad adecuada para una acción de remedio. Zona D.- Vibraciones de máquinas consideradas suficientemente severas para causar daño a la máquina. Recordar que los valores de vibración a los que hace referencia son valores globales en rms. Existen otros estandares como API 610, el “Europump and Hydraulics Institute”, especificaciones del Gobierno de Canada, etc. A continuación mostramos los valores dados por “Technical Associates of Charlotte” en función de su experiencia en estos equipos: Bombas
centrifugas Bueno Aceptable
Alarma 1
Alarma 2
Vertical 3.6 a 6 m.
de alto 5.8 5.8-8.9 8.9 13.46
Vertical 2.5 a 3.6 m. de alto
4.9 4.9-7.6 7.6 11.67
Vertical 1.5 a 2.5 m de alto
4.0 4.0-6.2 6.2 9.42
Vertical 0.0 a 1.5 m de alto
3.6 3.6-5.3 5.3 8.08
Horizontal de
propósito general
3.6 3.6-5.3 5.3 8.08
Horizontal de
pistones 2.6 2.6-4.4 4.4 6.73
Valores en mm/s RMS. A pesar de las normas y recomendaciones publicadas en relación con los valores máximos admisibles de vibración, es aconsejable trabajar en lo que se conoce como “personalización de máquinas”, estableciendo y ajustando continuamente los niveles de alerta y fallo de nuestros equipos en base a los históricos de vibración obtenidos. La alarma 1 se determina sumando al nivel promedio, normalmente, tres veces la desviación estandar y la alarma 2 incrementando la 1 en un 50%. Bandas y niveles de alarma: Hasta ahora hemos visto valores de alerta globales, pero ya conocemos que cada banda de frecuencia está asociada a un determinado defecto, es pues posible establecer niveles de alerta por bandas que nos permitirán conocer no solo que el equipo está en alerta sino también porque lo está.
Technical Associates of Charlotte, recomienda seis bandas de análisis para bombas centrifugas con rodamientos y cojinetes de deslizamiento: Así para bombas centrífugas con un número conocido de alabes y rodamientos. Establecer la frecuencia máxima (Fmax) en 40x, para velocidades de 1000 a 1500 rpm, en 50x para rpms entre 500 y 999. El valor de la Alarma General (AG) , puede tomarse de la tabla anterior o de una norma al uso.
Ancho de banda Alarma Descripción
1%Fmax/1.2x 90% AG Subsincrona y
1x 1.2x/2.2x 30% AG Desalineación
2.2x/FPA-1.2x 35% AG Holguras y
frecuencias de rodamientos
FPA-1.2x/FPA+1.2x
60% AG Frecuencia de paso de alabes
FPA+1.2x/50%Fmax 35% AG
Primeros armónicos de rodamientos y
de PA
50%Fmax/100%Fmax 20% AG
Altos armónicos de rodamientos y frecuencias
propias. Para bombas centrífugas con un número desconocido de alabes y rodamientos.
Ancho de banda Alarma Descripción
1%Fmax/1.2x 90% AG Subsincrona y
1x 1.2x/2.2x 30% AG Desalineación
2.2x/3.2 x 25% AG Holguras y
frecuencias de rodamientos
3.2x/6.8x 60% AG Posible
frecuencia de paso de alabes
6.8x/50%Fmax 30% AG
Primeros armónicos de
rodamientos y de PA
50%Fmax/100%Fmax 20% AG
Altos armónicos de rodamientos y
frecuencias propias.
Para bombas centrífugas con un número conocido de alabes y cojinetes de deslizamiento. Establecer la frecuencia máxima (Fmax) en 20x o 1.2FPA, la que sea mayor. Ancho de banda Alarma Descripción
1%Fmax/0.8x 20% AG Oil whirl/oil
whip 0.8x/1.8x 90% AG Desequilibrio
1.8x/3.8x 40% AG Desalineación 3.8x/FPA-1.2x 30% AG Holguras
FPA-1.2x/ FPA+1.2x
70% AG Frecuencia de paso de alabes
FPA+1.2x
/100%Fmax 30% AG
Armónicos de la FPA
Para bombas centrífugas con un número desconocido de alabes y cojinetes de deslizamiento. Establecer la frecuencia máxima (Fmax) en 20x. Ancho de banda Alarma Descripción
1%Fmax/0.8x 20% AG Oil whirl/oil
whip 0.8x/1.8x 90% AG Desequilibrio 1.8x/3.8x 40% AG Desalineación
3.8x/7.2x 70% AG Holguras y posible FPA
7.2x/9.8x 25% AG Armónicos de la
frecuencia de paso de alabes
9.8x/100%Fmax 35% AG Armónicos de la
FPA En cualquier caso estas tablas no dejan de ser orientativas y volvemos a insistir en la necesidad de trabajar con cada máquina en particular, en mayor medida cuando ésta es crítica. Además la mayoría de los softwares de análisis permiten configurar hasta doce bandas de análisis, ampliando notablemente la posibilidad de concretar defectos y sus alarmas. Estos límites deben de irse ajustando a medida que el equipo va sufriendo su envejecimiento y posibles cambios en las condiciones de operación. A continuación se muestra un análisis por bandas del espectro de una bomba centrífuga, en el que se aplica lo que acabamos de comentar.
Superponiendo el espectro obtenido:
Velocidad mm/s RMS
Frecuencia en ordenes
Alarma general según ISO 10816 – 5mm/s
1,2x 0
90% AG (4,5)
D
esaline
ación
30% AG (1,5)
Holguras y
frecuencias de rodami
entos
3,2x 6,8x 2,2x
25% AG (1,25)
60% AG (3)
30% AG (1,5)
20% AG (1)
Armónicos de rodami
entos y paso de
alabes.
Altos
armónicos de
rodamient
os y frecuencias propias.
50% Fmáx 40x (100%
Fmáx)
Frecuencia de
paso de alab
es
Turbu
lencia
s y de
sequili
brio
Obtenemos el siguiente informe: Otra posibilidad es el análisis estadístico, después de un determinado número de medidas. De esta forma conseguimos personalizar las alarmas en las máquinas según el histórico de su comportamiento.
Hay diversas formas de aplicarlo, pero en la actualidad la mayoría de los software de vibraciones contemplan la opción del análisis estadístico del histórico de la máquina, permitiéndonos de forma fácil aplicarlo.
Costes relativos al mantenimiento y
vibración.
Buscarello, basándose en una larga experiencia y en el estudio realizado durante 12 meses en 36 bombas similares, estableció un coste anual aproximado de mantenimiento de las bombas en función de su velocidad y de los niveles de vibración de las mismas:
Velocidad de la bomba
Nivel de vibración mm/s
RMS
Coste anual aproximado de mantenimiento
(USD$) 1800 rpm Menos de 0.7 Menos de 8000$ 1800 rpm Más de 1.8 12000 $ 1800 rpm Más de 2.5 22000 $ 3600 rpm Menos de 0.7 6000 $ 3600 rpm Más de 4.4 40000 $
John S. Mitchell, se estima un coste de 350$/año por CV de potencia instalado debido a vibración innecesaria. Es claro que la vibración consume energía y ésta es tomada de la fuente de potencia de nuestros equipos con la consiguiente disminución de rendimiento, toda aquella vibración no deseada es perjudicial no solo por el consumo energético (importante) que conlleva sino porque favorece la aparición de daños en componentes por fatiga, sobrecargas, desgastes, daños superficiales, etc. El control de la vibración es necesario para optimizar la fiabilidad de nuestros sistemas, no solo como mejora de rendimientos y ahorro energético sino desde el punto de vista de la ingeniería de mantenimiento como fuente de información del estado y condición de los equipos. Bibliografía:
INTRODUCTION TO MACHINERY ANALYSIS AND MONITORING Autor: JOHN S. MITCHELL Editorial: PENNWELL PUBLISHING COMPANY ISBN: 0-87814-401-3 PREDICTIVE MAINTENANCE OF PUMPS USING CONDITION MONITORING Autor: RAY S BEEBE Editorial: ELSEVIVER ISBN: 1856174085 TÉCNICAS PARA EL MANTENIMIENTO Y DIAGNOSTICO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS. Autores: FERNÁNDEZ CABANAS, GARCÍA MELERO, A. ORCAJO... Editorial: MARCOMBO ISBN:84-267-1166-9 PROVEN METHOD FOR SPECIFYING BOTH SPECTRAL ALARM BANDS AS WELL AS NARROWBAND ALARM ENVELOPES USING TODAY´S CONDITION MONITORING SOFTWARE SYSTEMS
Velocidad mm/s RMS
Frecuencia en ordenes
Alarma general según ISO 10816 – 5mm/s
1,2x 0
90% AG (4,5)
Des
alineac
ión
30% AG (1,5)
Holguras y
frecuencias de rodami
entos
3,2x 6,8x 2,2x
25% AG (1,25)
Frecuencia de
paso de alab
es
60% AG (3)
30% AG (1,5)
20% AG (1)
Armóni
cos de rodamientos y
paso de
alabes.
Altos armónicos
de
rodamientos y
frecuencia
s propias.
50% Fmáx 40x (100% Fmáx)
PFQ - BOMBA CENTRIFUGA
64BOM-D11 -MA3 MOTOR AXIAL ACOPLADO10X
0 3 6 9
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
1x
2x
3x
MAQUINA ID - [RED-01 ] CLASSIFICATION - [REDUCTOR ] POINT ID - [GA2]
0 80 160 240 320 400
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
2.8
3.2
Frequency in Orders
RMS Acceleration in G-s
1: Maximum
2: Minimum
3: Mean
4: Mean+Sig
Análisis estadístico por bandas
Turbu
lencia
s y de
sequili
brio
Normal Altos armónicos de rodamientos y
frecuencias propias.
20% AG(1mm/s)
60000-120000
50%Fmax/100%Fmax
6
Normal Primeros armónicos de rodamientos y de
PA
30% AG(1.5mm/s
)
20400-60000
6.8x/50%Fmax
5
Normal Posible frecuencia de paso de alabes
60% AG(3mm/s)
9600-20400 3.2x/6.8x 4
Alerta Holguras y frecuencias de rodamientos
25% AG(1.25mm/
s)
6600-9600 2.2x/3.2 x 3
Alerta Desalineación 30% AG(1,5mm/s
)
3.600-6.600 1.2x/2.2x 2
Normal Subsincrona y 1x 90% AG(4.5mm/s
)
0-3600 0-1.2x 1
Estado Descripción Alarma
General 5
mm/s
De rpm a
rpm
Ancho de
banda
Ban
da
Bomba a 3000 rpm, Fmáx=40x
Autor: JAMES E. BERRY TECHNICAL ASSOCIATES OF CHARLOTTE, PC
MACHINERY VIBRATION Autor: VICTOR WOWK Editorial: McGRAW HILL ISBN: 0-07-071936-5 AN INTRODUCTION TO PREDICTIVE MAINTENANCE Autor: R. KEITH MOBLEY Editorial: BUTTERWORTH HEINEMANN ISBN: 0-7506-7531-4 Norma ISO 10816 Documentación de diversas Fuentes del MASTER EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL Y TÉCNICAS DE DIAGNÓSTICO DE LA UNIVERSIDAD DE SEVILLA. ROLLING BEARING DAMAGE FAG BEARINGS CORPORATION PUBL. Nº WL82 102/2 ED