Monitoreo del estado de bombas y motores

Las bombas y los motores son algunos de los equipos más importantes de una planta. Suelen formar parte integral del proceso y se utilizan ampliamente en diversas industrias para trasvasar líquidos, aumentar la presión o hacer circular fluidos dentro de los diferentes pasos productivos. Desempeñan un papel crucial en numerosos procesos, como la producción de petróleo y gas, procesos petroquímicos, el suministro y tratamiento aguas potables y residuales, los sistemas de refrigeración y muchos más.

Las bombas mueven líquidos de una zona a otra acelerando el líquido mediante fuerzas centrífugas en las bombas centrífugas, o agarrando una cierta cantidad de líquido y empujándolo físicamente hacia donde tiene que ir en las bombas de desplazamiento positivo, ambas accionadas normalmente por motores. Las bombas de desplazamiento positivo se dividen a su vez en bombas alternativas y bombas rotativas.

Un adecuado mantenimiento de bombas y motores ayuda a prolongar la vida útil, y evita hacer lento un proceso que, en última instancia, afectan a la producción tanto en calidad como en cantidad. Dando prioridad a la supervisión de condiciones mecánicas de estos equipos, condiciones que se reflejan en condiciones de vibraciones y temperaturas de bombas y motores, se puede esperar ver una diferencia notable en el desempeño de sus activos rotativos y alternativos. La supervisión de cambios significativos en las vibraciones y/o temperatura le permite tomar medidas correctivas antes de que se produzca una degradación grave de la máquina.

El mantenimiento de bombas y motores se reduce a identificar e interpretar las fuerzas que influyen en ellos. La fiabilidad del equipo depende de cómo las distintas partes de la bomba y el motor trabajan juntas para funcionar con éxito. Si la bomba experimenta problemas como rodamientos desgastados, desalineación del eje, cavitación de la bomba u otros defectos, repercutirá en los niveles de vibración del motor y en el funcionamiento normal de la bomba. La supervisión de las vibraciones establece un punto de referencia para los operarios y técnicos y les ayuda a comprender cuándo comienza un problema, de modo que pueda abordarse lo antes posible. En lugar de reaccionar ante un percance, pueden controlar proactivamente la situación antes de que esta tenga la oportunidad de desarrollarse más.

Aunque pocos discutirían la importancia de la supervisión del estado de bombas y motores, especialmente si se tiene en cuenta el coste de las paradas operativas, la realidad es que estas máquinas rara vez reciben la misma atención que otras más críticas de la planta. Sin embargo, a pesar del amplio uso de bombas y motores, y de la supervisión a menudo limitada, estas máquinas no son en absoluto inmunes a los fallos. Veremos cómo aplicar las mejores prácticas para el monitoreo de estado y por qué tiene sentido invertir en estrategias de monitoreo.

Estrategias de mantenimiento

El desempeño de una maquinaria está directamente relacionado con el tiempo de servicio, la confiabilidad y producción de acuerdo con sus especificaciones. El monitoreo de vibraciones es la alerta más temprana para saber cuándo una máquina comienza a funcionar inadecuadamente. No espere a que un fallo pare el proceso. Permita que su cuerpo de mantenimiento y producción trabajen coordinadamente para hacer las reparaciones de forma tranquila y segura.

1. Funcionamiento hasta el fallo (el peor): Esta es la forma más cara de operar: hacer funcionar la máquina hasta que falle y luego reemplazarla o repararla.

2. Mantenimiento preventivo (bueno): Las máquinas se reparan periódicamente (horas de operación), independientemente de su estado. A menudo, las reparaciones preventivas pueden ser más perjudiciales para la máquina que si se la dejara sola: esta es la segunda forma más cara de operar.

3. Mantenimiento predictivo (mejor): Las reparaciones de las máquinas se realizan en función de su estado. Utilizando tecnologías predictivas como el monitoreo de vibraciones, las imágenes térmicas y el análisis de la lubricación, los operarios pueden reducir drásticamente los costes de mantenimiento. La clave es que los operadores necesitan una inversión consistente en el monitoreo permanente de vibraciones integrada con el sistema de control existente (PLCs, SCADA, RTUs, y más).

4. Mantenimiento proactivo (el mejor): Las reparaciones de la máquina se realizan en función de la condición, basándose en tecnologías predictivas como el monitoreo de vibraciones, las imágenes térmicas y el análisis de lubricación. Estas herramientas combinan el monitoreo continuo de vibraciones con la correlación de datos con los parámetros de proceso de la planta: presión, caudal, nivel de potencia, capacidad, etc. Esta es la forma más económica de operar, pero tiene el mayor coste inicial de puesta en marcha.

Las ventajas de monitoreo de vibraciones es ofrecer a los operarios la máxima información posible sobre sus máquinas. Los fallos mecánicos rara vez se producen intempestivamente. Normalmente hay docenas de señales antes de que una planta deba parar una máquina, pero estas señales no siempre son perceptibles si no se dispone de los equipos de monitoreo adecuados. La relación Costo/Beneficio de un sistema o equipo de monitoreo y su sistema de evaluación de datos es altamente rentable. La facilidad de hacer sistemas escalonados permite ver los resultados y ahorros que pagan rápidamente las inversiones que se hagan.

Métodos de recolección de datos

La mejor forma de monitorear una máquina es disponer de sensores de vibración XY en cada rodamiento, monitoreo del empuje y un disparador de fase; sin embargo, esta cantidad de monitoreo no suele ser práctica teniendo en cuenta el retorno potencial de la inversión que proporcionaría el sistema de monitoreo si pudiera ahorrar un día de inactividad en un periodo de tres años. Utilicemos una central eléctrica como ejemplo.

Ejemplo de central eléctrica de gas de ciclo combinado de 150 megavatios
Para que la central eléctrica funcione, los equipos deben estar en buen estado. Por ejemplo, la turbina de gas, la turbina de vapor, sus generadores asociados, la bomba de alimentación, las bombas de condensado, el sistema de refrigeración, etc., todos deben estar en condiciones de funcionar antes de que puedan comenzar las operaciones.

El margen de 1 megavatio-hora (MW-hora) de electricidad es de un mínimo de 45 USD / MW-hora, vendido a clientes mayoristas (se trata de una tarifa de 0,045 USD por kW-hora). Por tanto, una hora de inactividad no programada equivale a un coste de oportunidad perdido de 6750 dólares (150 MW-hora x 1 hora x 45 dólares/MW-hora = 6750 dólares). Un día de inactividad no programada supone un coste de oportunidad perdida de 162.000 dólares al día (6760 dólares/hora x 24 horas = 162.000 dólares). Valor para el cliente = Coste de reparación + Tiempo de inactividad no programado = + 162.000 $ al día como mínimo.

Nota: Los componentes de la central de ciclo combinado pueden ser redundantes o, si no están disponibles, pueden reducir la capacidad de la central. Esto se aplica a las bombas de condensado, las bombas de agua de refrigeración, los ventiladores de las torres de refrigeración, etc., lo que significa que tienen un menor impacto financiero en la planta. Por ejemplo, supongamos que, si una bomba de agua de circulación está fuera de servicio, la capacidad de la planta se reduce en un 20%. Eso significaría que el valor para el cliente es el 20% de los valores calculados anteriormente o 32.400 $ al día (162.000 $/día x 20% = 32.400 $).

En este caso, es posible que la bomba de agua circulante no justifique un sistema completo de monitoreo de vibraciones, pero puede permitirse fácilmente el uso de transmisores de velocidad XY en cada cojinete, el monitoreo del empuje del transmisor y el monitoreo de la velocidad, con todas las señales de salida dirigidas al sistema de control.

En otras palabras, la turbina de gas, la turbina de vapor, sus generadores asociados y la bomba de alimentación pueden justificar fácilmente un conjunto completo de sensores de vibración (por ejemplo, vibración de cojinetes XY, supervisión del empuje (trust) y un marcador de fase de una vuelta, junto con un sistema de protección de la maquinaria), con plena integración en la red de información de la planta, dado que el ahorro por el mero hecho de evitar un día de inactividad en un período de tres años justifica el gasto. Mientras que las bombas de condensado, las bombas de agua circulante y los ventiladores de las torres de refrigeración justificarían un sistema menor que utilice el sistema de control como sistema de parada, dado el mismo criterio de ahorro de un día de inactividad en un periodo de tres años.  Se ven a menudo, clientes que utilizan uno o dos transmisores de vibración, integrados al Sistema de Control apropiado y a la Red de Información de la Planta debido al cálculo del retorno de la inversión.

Las soluciones de sensores son ahora tan versátiles que las centrales eléctricas pueden utilizarlas fácilmente incluso en las zonas más apartadas. Esto permite a los ingenieros y técnicos obtener la flexibilidad que necesitan sin tener que ponerse en peligro para realizar su trabajo.

Monitoreo del estado de la maquinaria

La implantación de un sistema de monitoreo de bombas y motores puede ser sencilla, pero requiere experiencia para configurar el sistema y garantizar un monitoreo adecuado. Se ha comprobado que el uso de promedios estadísticos es eficaz a la hora de establecer valores de alerta y parada. Con el tiempo, cuando una máquina está sometida a una carga y velocidad constantes, hemos comprobado que la variación del nivel de vibración sigue una distribución normal. En otras palabras, la variación de la vibración se distribuye uniformemente a cada lado del valor medio. Dado que la vibración suele ofrecer una distribución normal, el valor medio y la desviación estándar tienen ahora significado. Se puede utilizar la desviación estándar para establecer los niveles de alerta y peligro utilizando la teoría de control estándar. Los niveles de alarma pueden establecerse utilizando dos desviaciones estándar de la media para las alarmas de alerta, tanto por exceso como por defecto, y utilizando tres desviaciones estándar de la media para las alarmas de peligro. Tres desviaciones estándar de la media, o promedio, significa que el nivel de vibración ha cambiado lo suficiente como para justificar una investigación.

Las bombas y los motores plantean algunos problemas específicos a la hora de recopilar datos precisos. Por ejemplo, la alineación de la válvula de la bomba tendrá un impacto en el rendimiento de la bomba debido al flujo a través de la máquina. Si la válvula de aspiración está cerrada, la máquina experimentará una pérdida de caudal, lo que podría hacer que el nivel de vibración disminuyera, debido a la falta de fuerza en las paletas del impulsor (no hay acción de agua cortada entre las paletas y el estrecho espacio en la salida del difusor). La condición de ausencia de flujo a través de la máquina provocará una falta de refrigeración, lo que podría causar el fallo de la bomba. La alarma de bajo alerta, mencionada anteriormente, debería ser capaz de avisarle de esta situación de mala alineación de la válvula. Otro caso es, cuando una bomba pierde Carga Neta Positiva de Succión (NPSH) se espera que los niveles de vibración suban, debido a la cavitación que resulta cuando las burbujas de vapor colapsan. La cavitación produce ruido de banda ancha, que puede excitar numerosas frecuencias resonantes que se encuentran dentro de la bomba y su estructura asociada.

Consejos para optimizar el mantenimiento de las máquinas

No puede prescindir de una instalación, lubricación, alineación, equilibrado y supervisión adecuados de sus bombas y motores. Si intenta evitar cualquiera de estas prácticas recomendadas, sus bombas y motores fallarán prematuramente. Si una bomba y un motor son una parte clave de su proceso (o incluso si interactúan con componentes clave de su proceso), invertir en un sistema de control de vibraciones le ahorrará dinero.

Piense en el costo de una sola avería, no sólo en términos de costos directos de reparación o sustitución, sino también en la producción perdida que no podrá recuperar. Ese ahorro de un día de inactividad equivale a dinero.

En AREC, creemos que, si podemos ahorrarle un día de tiempo de inactividad en un período de tres años, eso justifica el coste del sistema de control de vibraciones empleado. El rendimiento de la inversión es un cálculo clave para determinar la cantidad de supervisión que debe emplear en una combinación de bomba y motor.