¿Cuáles son las causas de las vibraciones en las bombas? Las vibraciones excesivas en las bombas pueden reducir el rendimiento, aumentar los costes de mantenimiento e incluso provocar averías completas.
En esta entrada del blog, exploraremos los principales factores que contribuyen a la vibración de las bombas y le proporcionaremos ideas prácticas para identificar y abordar estos problemas con eficacia.
Causas mecánicas de las vibraciones de las bombas
1. Desequilibrio del rotor
Desequilibrio estático y dinámico
El desequilibrio del rotor, causa habitual de vibraciones excesivas en las bombas centrífugas, puede clasificarse como estático o dinámico.
El desequilibrio estático se produce cuando el centro de masa se desplaza del eje de rotación, haciendo que el rotor experimente una fuerza neta.
El desequilibrio dinámico, en cambio, se produce cuando el eje principal de inercia no está alineado con el eje de rotación, lo que da lugar a un par neto.
Causas y efectos de las vibraciones
Factores como la falta de uniformidad del material, las tolerancias de fabricación y el desgaste desigual contribuyen al desequilibrio del rotor.
Un rotor desequilibrado genera vibraciones no deseadas, lo que provoca un aumento de las cargas en los rodamientos, una reducción de la vida útil de las juntas y posibles daños estructurales.
La frecuencia de vibración suele coincidir con la velocidad de funcionamiento de la bomba, con una amplitud proporcional al grado de desequilibrio.
Cómo solucionar
Para mitigar los efectos del desequilibrio del rotor, se emplean diversas técnicas de equilibrado. El equilibrado en un solo plano es adecuado para rotores cortos y rígidos, mientras que el equilibrado en dos planos es necesario para rotores más largos y flexibles.
2. Eje doblado
Cómo induce vibraciones un eje doblado
Un eje doblado introduce una asimetría geométrica que hace que el rotor se tambalee durante la rotación. Este bamboleo genera una vibración a la frecuencia de rotación del eje, a menudo acompañada de armónicos.
La gravedad de la vibración depende del grado de desviación del eje y de la velocidad de funcionamiento del rotor.
Métodos para detectar y cuantificar la excentricidad del eje
La excentricidad del eje, una medida de la desviación del eje respecto a una línea recta, puede detectarse utilizando relojes comparadores o herramientas de alineación láser. Estos instrumentos miden el desplazamiento radial del eje en varios puntos, lo que permite cuantificar la gravedad de la curvatura.
Consideraciones sobre el enderezamiento y la sustitución de ejes
Si se identifica un eje doblado, deben tomarse medidas correctoras. Para pequeñas curvaturas, pueden emplearse técnicas de enderezamiento del eje, como el enderezamiento en frío o por calor.
Sin embargo, si la curvatura es grave o el eje se ha sometido a múltiples intentos de enderezamiento, a menudo es necesario sustituirlo para garantizar un funcionamiento fiable de la bomba y evitar daños mayores a los componentes asociados.
3. Desequilibrio del impulsor
Causas del desequilibrio del impulsor
El desequilibrio del impulsor puede deberse a varios factores, como la erosión, la corrosión y la suciedad.
La erosión se produce cuando las partículas abrasivas del fluido bombeado desgastan el material del impulsor de forma desigual.
La corrosión, causada por reacciones químicas entre el impulsor y el fluido bombeado, puede provocar una pérdida de material no uniforme.
El ensuciamiento, la acumulación de residuos en las superficies del impulsor, también contribuye al desequilibrio.
Efectos sobre las vibraciones y el rendimiento de las bombas
Un impulsor desequilibrado genera vibraciones a la velocidad de funcionamiento de la bomba y sus múltiplos. Estas vibraciones pueden causar un desgaste excesivo de los cojinetes, fallos en las juntas y daños en los acoplamientos.
Además, el desequilibrio del impulsor puede reducir el rendimiento de la bomba, aumentar el consumo de energía y disminuir el caudal, ya que el rendimiento hidráulico del impulsor se ve comprometido.
Técnicas de equilibrado y recorte del impulsor
Para corregir el desequilibrio del impulsor, puede realizarse un equilibrado in situ o un recorte del impulsor.
El equilibrado in situ consiste en añadir o eliminar material del impulsor mientras está instalado en la bomba, utilizando herramientas y técnicas especializadas.
Por otro lado, el recorte del impulsor requiere desmontar el impulsor y mecanizar sus superficies para restablecer el equilibrio.
4. Cuestiones de rodamiento
Tipos de fallos de los rodamientos y sus características vibratorias
Entre los modos de fallo más comunes se encuentran los defectos del anillo de rodadura interior, los defectos del anillo de rodadura exterior, los defectos de las bolas o rodillos y los fallos de la jaula.
Estos defectos generan vibraciones a frecuencias de fallo específicas, que están relacionadas con la geometría y la velocidad de rotación del rodamiento.
El análisis del espectro de vibraciones puede ayudar a identificar el tipo y la gravedad del fallo del rodamiento.
Causas de los fallos de los rodamientos
Los fallos de los rodamientos pueden deberse a múltiples causas, como una lubricación inadecuada, la sobrecarga y la desalineación.
Una lubricación inadecuada provoca un aumento de la fricción y de la generación de calor, acelerando el desgaste.
La sobrecarga, causada por fuerzas radiales o axiales excesivas, puede provocar un fallo prematuro por fatiga.
La desalineación, ya sea angular o paralela, induce tensiones adicionales en los rodamientos, reduciendo su vida útil.
Estrategias de mantenimiento y control del estado de los rodamientos
La lubricación regular, utilizando lubricantes y cantidades adecuadas, ayuda a reducir la fricción y a disipar el calor.
Las técnicas de monitorización del estado, como el análisis de vibraciones, la monitorización de la temperatura y el análisis del aceite, proporcionan información sobre el estado del rodamiento.
5. Desalineación del eje
Tipos de desalineación
La desalineación del eje puede clasificarse en tres tipos: angular, paralela y combinada.
La desalineación angular se produce cuando los ejes forman un ángulo entre sí, mientras que la paralela se produce cuando los ejes están desplazados pero permanecen paralelos. La desalineación combinada es una combinación de desalineación angular y paralela, y es el tipo más común que se encuentra sobre el terreno.
Efectos sobre las vibraciones y el desgaste de los acoplamientos
Los ejes desalineados generan vibraciones en el acoplamiento, con frecuencias que suelen ser múltiplos de la velocidad de rotación del eje.
Estas vibraciones pueden acelerar el desgaste de los componentes del acoplamiento y provocar un fallo prematuro.
Además, la desalineación puede inducir cargas radiales y axiales excesivas en los rodamientos, reduciendo su vida útil y aumentando el riesgo de fallo catastrófico.
Técnicas de alineación y tolerancias
Para corregir la desalineación del eje, se emplean diversas técnicas de alineación, como la alineación láser, el método del reloj comparador inverso y el método de la galga de espesores.
La alineación láser es la técnica más precisa y eficaz, ya que utiliza rayos láser para medir y ajustar las posiciones relativas de los ejes.
Causas hidráulicas de la vibración de las bombas
1. Cavitación
Explicación de la cavitación y sus causas
La cavitación es un fenómeno que se produce cuando la presión local de un líquido cae por debajo de su presión de vapor, provocando la formación de burbujas de vapor. En las bombas centrífugas, la cavitación suele producirse en la entrada del impulsor, donde el fluido experimenta una rápida caída de presión.
Factores como una altura neta positiva de aspiración (NPSH) insuficiente, una temperatura elevada del fluido y unas tuberías de aspiración restringidas contribuyen a la aparición de la cavitación.
Efectos sobre las vibraciones, el ruido y los daños en las bombas
La cavitación puede tener graves consecuencias en el rendimiento y la longevidad de las bombas. A medida que las burbujas de vapor se colapsan, generan ondas de choque de alta intensidad que provocan un aumento de los niveles de vibración y ruido. Este proceso, conocido como erosión por cavitación, puede causar daños importantes en el impulsor, la voluta y otros componentes de la bomba.
La cavitación también reduce el rendimiento de la bomba y puede provocar su avería total si no se controla.
Requisitos de NPSH y estrategias de prevención de la cavitación
Para evitar la cavitación, es crucial asegurarse de que el NPSH disponible (NPSHA) supere siempre el NPSH requerido (NPSHR) especificado por el fabricante de la bomba.
Esto puede lograrse mediante un diseño adecuado del sistema, incluyendo el tamaño adecuado de las tuberías de aspiración, minimizando las pérdidas en la línea de aspiración y manteniendo una presión de aspiración suficiente.
El funcionamiento de la bomba cerca de su punto de máximo rendimiento (BEP) y la selección de una bomba con una velocidad específica de aspiración (Nss) adecuada también ayudan a reducir el riesgo de cavitación.
2. Pulsación de flujo
Causas de las pulsaciones de flujo
Las pulsaciones de caudal en las bombas centrífugas pueden deberse a varios factores, como el funcionamiento cerca del cabezal de cierre o la resonancia del sistema.
Cuando una bomba funciona cerca de su altura de cierre, el caudal se vuelve inestable, lo que provoca fluctuaciones de presión y pulsaciones.
La resonancia del sistema se produce cuando la frecuencia de pulsación coincide con la frecuencia natural del sistema de tuberías, lo que amplifica las vibraciones y puede causar graves daños.
Efectos sobre las vibraciones y la estabilidad del sistema
La pulsación del caudal puede afectar significativamente a los niveles de vibración y a la estabilidad general del sistema de bombeo.
El flujo oscilante induce fuerzas alternas en los componentes de la bomba y las tuberías, lo que provoca un aumento de las vibraciones y los esfuerzos.
En casos extremos, las pulsaciones de flujo pueden provocar la rotura de tuberías, daños en los equipos y tiempos de inactividad no programados.
También puede interferir en el control del proceso y la calidad del producto, sobre todo en aplicaciones sensibles.
Amortiguación de pulsaciones y consideraciones sobre el diseño del sistema
Para mitigar los efectos de las pulsaciones del flujo, se pueden emplear diversas técnicas de amortiguación de pulsaciones.
Esto incluye la instalación de amortiguadores de pulsaciones, como acumuladores de vejiga o diafragma, en la línea de descarga para absorber las fluctuaciones de presión. Un diseño adecuado de las tuberías, con atención a los soportes, anclajes y flexibilidad de las mismas, puede ayudar a reducir el riesgo de resonancia del sistema.
Además, el funcionamiento de la bomba lejos del cabezal de cierre y la garantía de un NPSH adecuado pueden minimizar las inestabilidades del caudal.
3. Funcionamiento Off-BEP
Punto de máxima eficiencia (PME) y curvas de rendimiento de las bombas
El punto de máximo rendimiento (BEP) es el caudal al que una bomba centrífuga funciona con el máximo rendimiento. Las curvas de rendimiento de la bomba, que representan la altura, la potencia y el rendimiento en función del caudal, proporcionan información valiosa sobre las características de funcionamiento de la bomba.
El funcionamiento de una bomba a su BEP o cerca de él garantiza un rendimiento óptimo, minimiza el consumo de energía y reduce el riesgo de problemas mecánicos.
Consecuencias de operar al margen de las MPE
El funcionamiento de una bomba a una distancia significativa de su BEP puede tener efectos perjudiciales sobre los niveles de vibración y la vida útil de la bomba.
A caudales inferiores al BEP, la bomba experimenta mayores cargas radiales, lo que provoca una mayor deflexión del eje y desgaste de los cojinetes.
A caudales superiores al BEP, la bomba puede sufrir cavitación, ruido excesivo y vibraciones.
El funcionamiento prolongado fuera del BEP puede provocar el fallo prematuro de los cojinetes, daños en las juntas y desgaste del impulsor.
Importancia de la selección adecuada de la bomba y del diseño del sistema
La bomba debe seleccionarse para que funcione cerca de su BEP en condiciones normales de funcionamiento, teniendo en cuenta factores como el caudal, la altura y las propiedades del fluido.
El sistema debe diseñarse para minimizar las pérdidas de presión y garantizar unas condiciones de flujo estables.
La supervisión periódica del rendimiento de la bomba y de los niveles de vibración puede ayudar a detectar un funcionamiento fuera de BEP y a tomar medidas correctivas.
En conclusión
Las vibraciones de las bombas pueden deberse a diversos factores, como cavitación, desalineación, desequilibrio y problemas mecánicos. Identificar y abordar la causa raíz es crucial para mantener el rendimiento y la longevidad de la bomba.
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