Prediccion Para El Reemplazo de Bombas

18 Rev. INGENIERA UC. Vol. 10, No 2, Agosto 2003

Prediccin para el reemplazamiento de bombas

Luis E. Valls, Leonard Espaa, Carlos Serrato Centro de Investigaciones de Materiales, Facultad de Ingeniera, Universidad de Carabobo,

Valencia, Venezuela, E-mail: [email protected]

Resumen

En la actualidad las bombas centrfugas se encuentran en cualquier empresa independientemente de su razn social, y en muchas de stas son equipos crticos de algn proceso. Siendo el impulsor de una bomba centrfuga parte fundamental de sta y de su funcionamiento, conocer el comportamiento de ste a travs de su vida til es como conocer el comportamiento de la misma bomba. En el presente trabajo se realiz el estudio del desgaste en el impulsor de una bomba centrfuga marca KSB, modelo ETA 32-200. Dicho estudio se bas en un ensayo que represent todas las caractersticas que posee un sistema de bombeo en el que dicha bomba puede ser empleada, con una variante que permiti acelerar el desgaste en el impulsor, mezclando agua con arena al 5% en peso. Con esto y un monitoreo continuo el ensayo arroj dos resultados muy importantes. La curva caracterstica que mues-tra la relacin entre el caudal y la altura en relacin al desgaste, posee una tendencia a la baja. El factor de utiliza-cin se comporta de manera lineal y responde a la siguiente ecuacin: .

Palabras clave: Desgaste, bomba centrfuga, factor de utilizacin, impulsor, vida til.

Pump replacement predictions

Abstract

At the present time centrifugal pumps can be found in any company independently of the company main ob-jective, and often these pumps are key equipments of some process. The impeller is known as a fundamental part in the centrifugal pump operation, and to know its useful life performance is also knowing the pump behavior. In this work, a study of the impeller wear of a centrifugal pump KSB, model ETA-32-200, was realized. This study was based on a test considering all the features in a pumping system, with an additional feature (mixing water with sand 5% in weight) that allowed us to accelerate the impeller wear. With this situation and a continuous checking, the test yielded two very important results. The characteristic curve that shows the relationship between the flow and the height in relation to the wear describes a drop tendency. The impellers utilization factor behaves linearly and responds to the following equation: .

Key words: Wear, centrifugal pump, used factor, impeller, useful life.

1. INTRODUCCIN

Durante toda la historia de la humanidad el hom-bre siempre ha tenido la necesidad de saber cundo y porqu van a suceder ciertos eventos, esto con el pro-psito de poder estar preparado y poder planificar las acciones para controlar lo que se debe hacer antes, durante y despus de que sucedan dichos eventos. Hoy en da la situacin sigue siendo la misma, tanto a nivel del hogar como industrial.

All la importancia de conocer en que momento

van a fallar equipos fsicos, en este caso, conocer el momento en que va a fallar el impulsor de una bomba centrfuga sera de mucha utilidad para cualquier usua-rio de stas, debido al papel tan fundamental que jue-gan estos equipos en diversos procesos industriales.

El desgaste es un fenmeno inevitable, que se presenta en todos los equipos que poseen movimiento.

REVISTA INGENIERA UC. Vol. 10, No 2, 18-25, 2003

52 10FU T=

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Rev. INGENIERA UC. Vol. 10, No 2, Agosto 2003 19

Valls, Espaa y Serrato

Desde el ser humano hasta cualquier arreglo de piezas que trabajen en conjunto formando una mquina, va a existir desgaste, en ms o menos proporcin en algu-nas piezas pero siempre afectando directamente tanto la eficiencia como la funcionalidad del equipo, debi-do a esto el desgaste se convierte en un parmetro de estudio muy importante e interesante [1].

Por esto, estudiar el desarrollo del desgaste en el impulsor de una bomba a travs de su vida til sera de gran utilidad tanto para los fabricantes como para los usuarios de stas, ya que como consecuencia de este estudio se podra suministrar informacin til en relacin a cmo, dnde y de qu manera afecta el des-gaste de dicho elemento a la funcionalidad de la bom-ba centrfuga [2]. Ahora bien, el estudio del desgaste en el impulsor de una bomba centrfuga, implicara la parada de la bomba para realizar observaciones visua-les adems de las mediciones que son necesarias rea-lizar para poder llevar un registro de dicho desgaste [3].

Como es sabido, para una empresa donde se utili-cen bombas centrfugas, no es factible el hecho de sacar de operacin una bomba para realizar observa-ciones y mediciones de algn elemento que la com-ponga, ya que normalmente dichas empresas utilizan las bombas para procesos crticos y adems que este tipo de investigaciones no forma parte de su razn social. Por otro lado, las empresas que fabrican las bombas centrfugas no tienen estimado un presupues-to para la realizacin de este tipo de investigaciones. Debido a esto, se hizo necesaria la realizacin de un banco de pruebas que permitir el trabajo de una bomba centrfuga Marca KSB Modelo ETA 32-200 en condiciones normales, para de esta manera realizar un ensayo que consistiera en monitorear las variables y operaciones del sistema, mientras va ocurriendo el desgaste en el impulsor, as como la forma en que progresa el desgaste en dicho componente.

2. METODOLOGA

Debido a su gran importancia, el conocer con cer-teza el factor de utilizacin del impulsor de una bom-ba centrfuga se convierte en un adelanto bastante significativo, al disminuir los niveles de incertidum-bre en cuanto a la vida remanente del componente, lo que traera como consecuencia una disminucin favo-rable en los costos de mantenimiento [4].

Ahora, para comprobar las condiciones reales de trabajo, tanto funcionales como dimensinales del impulsor de una bomba centrfuga en funcin del des-gaste durante su vida til, se hace necesario el diseo de un ensayo (banco de prueba), que permita monito-rear las variables involucradas en el proceso de des-gaste de dicho componente. Como todo proceso de desgaste este est directamente relacionado con la vida til del componente y a su vez con el factor de utilizacin del impulsor.

Cuando se hace referencia a las variables involu-cradas en el proceso de desgaste, es bueno hacer una clasificacin de estas en dos grupos llamados: varia-bles causas y variables consecuencias. Las variables causas se van a definir como aquellas encargadas en producir el desgaste o que ayudan a que este se pro-duzca, por otro lado las variables consecuencias son aquellas que estn afectadas por el hecho de que ocu-rra el desgaste.

Por lo tanto, las variables causantes del desgaste no son ms que la velocidad de rotacin de la bomba, el fluido y las propiedades de dicho fluido, por otro lado las variables consecuencias son los valores de caudal y disponibilidad requeridos por el usuario para algn determinado proceso. A lo que se quiere llegar a travs de este trabajo es relacionar estos dos tipos de variables para as determinar el factor de utiliza-cin del impulsor de la bomba centrfuga en estudio.

Sin duda alguna que el proceso de desgaste del impulsor en condiciones normales de trabajo sera un tanto complicado monitorearlo porque habra que trasladarse al sitio donde est el equipo, colocar una serie de instrumentos para conocer las condiciones de las variables involucradas, as mismo se tendra que hacer con un equipo totalmente nuevo para determi-nar el comportamiento durante toda su vida til de trabajo. Lo antes expuesto es parte del porqu se hace necesario el diseo de prueba, adems es necesario el diseo de un procedimiento que permita llevar a cabo dicho proceso de desgaste en un espacio fsico donde se puedan instalar los equipos de bombeo y trabajen bajo condiciones reales, pudiendo ser monitoreados desde el momento en que comienzan a trabajar hasta el final de su vida, de esta manera se obtendran regu-larmente datos reales de trabajo para luego establecer las conclusiones pertinentes.





Para determinar el factor de utilizacin real del impul-sor de una bomba centrfuga se realizar inicialmente el diseo de un banco de prueba para bombas centr-fugas, el cual consta de dos (2) bombas centrfugas con las mismas caractersticas, las cuales se pondrn en funcionamiento individualmente en un circuito cerrado de succin y descarga, como se ve en la Figu-ra 1, con las mismas condiciones en cuanto al requeri-miento del sistema se refiere, ya que el diseo del banco de prueba contemplar el mismo tipo de tubera tanto en la succin como en la descarga, el mismo nmero de accesorios y la misma altura de elevacin en ambos casos, pero diferentes caractersticas del fluido a manejar en cada una de ellas [5]. Una bomba va a manejar agua limpia y la otra bomba va a mane-jar agua con una concentracin especfica de arena (mezcla).

Figura 1. Diagrama de montaje del banco de pruebas de bombas centrfugas.

Las bombas a utilizar en este ensayo son dos equi-pos marca KSB, modelo ETA 32-200, los cuales fue-ron seleccionados luego de realizar un anlisis entre un gran nmero de bombas con la colaboracin de la empresa KSB venezolana, ya que dichos equipos es-tn diseados para manejar fluidos no viscosos y son usados por un gran nmero de empresas en diversos

procesos, adems de tener un rango de utilidad bas-tante alto por las caractersticas que poseen [6], [7].

Inicialmente, se determinarn las condiciones de trabajo de ambas bombas por medio de la construc-cin de sus curvas caractersticas y una vez terminado el ensayo se comprueban las posibles tendencias que tengan dichas curvas de funcionamiento luego del desgaste del impulsor.

Seguidamente, el impulsor de la bomba A, (ver Figura 1), se desmontar, se medir su valor de masa as como tambin sus dimensiones fsicas con la fina-lidad de tener datos para realizar comparaciones entre los valores obtenidos durante los periodos de inspec-cin a fin de que el ensayo refleje el comportamiento de dichos valores a lo largo de toda la vida til del componente. Se proceder a ensamblar el impulsor de la bomba A, segn las especificaciones y los procedi-mientos del fabricante para continuar nuevamente con el ensayo.

Se le dar inicio al ensayo y despus de pasado un nuevo perodo de tiempo, se detendr dicho ensayo para proceder a desarmar nuevamente la bomba A y as determinar los valores dimensionales y de masa anteriormente mencionados. Esta operacin se realiza-r con una cierta regularidad acortando el tiempo en-tre desarmes a medida que el ensayo se va llevando a cabo ya que los cambios en las variables se harn ms notorios (Ver Figuras 2 y 3).

Figura 2. Tiempo de reparacin vs. factor de utilizacin del impulsor de la bomba.

Hrs

TR

FU 100 %





Figura 3. Tiempo de uso vs. factor de utilizacin del impulsor de la bomba.

Seguidamente se proceder a vaciar toda la infor-

macin en una base de datos a desarrollar y con esto se llegar las conclusiones respectivas acerca del comportamiento del desgaste del impulsor en este tipo de bombas centrfugas y de cmo se puede predecir el comportamiento de dicho componente.

3. RESULTADOS Y DISCUSIN

Lo que caracteriza una bomba centrfuga son sus

curvas de funcionamiento, las cuales son suministra-das por el fabricante al momento de adquirirse el equipo. Como cumplimiento de uno de los objetivos especficos de este trabajo, se realiz el levantamiento de las curvas de funcionamiento cada sesenta (60) horas aproximadamente para llevar un historial de lo que sucedi con el estado funcional de la bomba (Figura 4).

Es importante mencionar que el procedimiento para obtener las curvas que aqu se muestran fue el siguiente:

1. Se levant la curva inicial de la bomba A (prueba), antes de comenzar el ensayo.

2. Se levantaron las curvas caractersticas de la

bomba A cada vez que fall la carcasa lo cual sucedi aproximadamente cada sesenta (60) horas.

3. Las curvas levantadas se realizaron con

carcasas nuevas y sellos nuevos, de manera de aislar el efecto que produce el desgaste de estos dos componentes en dichas curvas.

En la Figura 4 se puede observar el comporta-miento de la curva de funcionamiento caudal vs. altu-ra. Dicho comportamiento tiene una tendencia hacia la baja, lo cual era de esperarse, debido al desgaste pre-sente en el impulsor.

Figura 4. Curva de funcionamiento de la bomba centrifuga,

caudal vs. altura.

Otro de los objetivos de este trabajo es el de cono-cer el comportamiento del desgaste del impulsor de la bomba centrfuga en estudio a travs del tiempo, para de esta manera asociar dicho desgaste con cada una de las curvas caractersticas realizadas a lo largo del en-sayo, por esto se realizaron mediciones de las dimen-siones fsicas del impulsor y de esta manera conocer como varan.

Ahora bien, es importante conocer las dimensio-nes del impulsor para el momento en que dicho im-pulsor no debe seguir en funcionamiento, ya que ais-lndolo del resto de los componentes de la bomba, este ofrece una eficiencia muy por debajo de la efi-ciencia para la cual fue diseado. Un ejemplo de los datos tomados cada vez que se realizaron mediciones de las dimensiones fsicas del impulsor se encuentran en las Figuras 7, 8, 9, 10,11 y 12.

FU

TU

100 %

Altura

Q

H

m3/s

m





Figura 5. A vs. Tiempo. A: ancho total del impulsor.

Figura 6. C vs. Tiempo. C: espesor de la tapa anterior del impulsor.

Figura 7. D vs. Tiempo. D: espesor de la tapa posterior del impulsor.

Tal y como est especificado, los valores de A, C

y D, se refieren al ancho total del impulsor, al espesor de la tapa anterior del impulsor y al espesor de la tapa posterior del impulsor respectivamente, estos valores, sumados a los valores de dimetro interno del ojo del impulsor (Do Int) y dimetro externo del ojo del im-pulsor (Do Ext), forman los valores ms resaltantes al momento de evaluar las caractersticas fsicas de di-cho componente. El comportamiento de estos valores se puede observar en las Figuras 5, 6, 7, 8 y 9.

Figura 8. Do Ext vs. Tiempo.

Es notable el cambio sufrido por los tres valores mostrados en las Figuras 5, 6, 7 y (que son A, C y D respectivamente) ya que los mismos guardan una si-militud en la velocidad de desgaste a medida que es-tos fueron ocurriendo. Por otra parte, los valores de Do Ext y Do Int mostrados en las Figuras 8 y 9,

Di

met

ro e

xter

no im

puls

or

A

Tiempo

Tendencia terica

Tendencia prctica

Tendencia terica

Tendencia prctica

C

Horas

Tendencia terica

Tendencia prctica

D

Tiempo

Tendencia terica

Tendencia prctica

Horas

H

mm

mm

mm

mm

H

H

H





guardan entre s una gran similitud en relacin a la velocidad en que se fueron generando pero que por el contrario, en relacin con los primeros tres valores (A, C y D) poseen una diferencia palpable que permite afirmar que los valores de dimetro interior y exterior del ojo del impulsor son valores crticos en cuanto al desgaste que ocurre en el impulsor de la bomba cen-trfuga en estudio.

Figura 9. Do Int vs. tiempo.

Los valores expresados en la Figura 10 de (w, x, y, z) son los valores de profundidad que existen entre la periferia del dimetro del impulsor y el labe a lo largo de este.

Figura 10. Profundidad de la zona de acceso a los alabes.

Figura 11. Estado del perfil de los alabes.

En la Figura 11, se puede observar el desgaste que ocurri en las zonas de los labes anteriormente men-cionadas, una lnea representa la parte superior del labe en su estado inicial, por otra parte la otra lnea muestra el estado de los alabes despus de doscientas (200) horas de trabajo bajo las condiciones del ensa-yo.

De igual manera para representar de forma ms clara la prdida de material que ocurri en el impulsor se realiz la grfica mostrada en la Figura 12, que muestra la relacin entre la prdida de peso y el tiem-po de trabajo que tuvo el impulsor, la prdida final fue de 132,4 gramos despus de doscientas (200) horas, lo que implica una prdida de peso del 5% respecto a su peso original (2632,2 gramos).

Figura 12. Perdida de peso a travs del impulsor.

Tendencia terica

Tendencia prctica D

im

etro

inte

rno

impu

lsor

Tiempo

Profundidad Alabe

Alabe original

Alabe desgastado

Tendencia terica

Tendencia prctica

Gra

mos

Tiempo

mm

H

H



Prediccin para el reemplazamiento de bombas Ahora bien, estas grficas muestran el comporta-

miento de las dimensiones del impulsor, donde el des-gaste, es aproximadamente proporcional al tiempo, por ello es posible aproximarlas a una recta, lo que es de mucha utilidad para conocer el estado del impulsor en determinado momento.

4. DETERMINACIN DEL FACTOR DE UTILIZACIN

Luego de culminado el ensayo y con los resultados

obtenidos se puede decir que debido a que el desgaste en el impulsor de la bomba en estudio tuvo un compor-tamiento lineal, de pendiente constante, la razn de desgaste tambin presenta un valor constante. Dicho valor se obtiene mediante la siguiente ecuacin:

(4.1)

donde: d: desgaste medido en gramos perdidos [gr]. t: tiempo en el que ocurri el desgaste [H]. r: razn de desgaste [gr/H].

Dicha relacin se obtiene de la grfica mostrada en la Figura 12. Para las condiciones del ensayo se puede obtener una razn de desgaste con los siguientes valo-res: donde: 132,4 gramos representan la prdida final des-pus de doscientas (200) horas.

Ahora bien, para determinar la velocidad del des-gaste del impulsor en estudio trabajando bajo condicio-nes normales (agua limpia) se utiliza una relacin de la nica variable que diferencia el ensayo de dichas con-diciones como lo es la concentracin de mezcla con la que trabaj la bomba en estudio. Dichas concentracio-nes se relacionan de la siguiente manera para as obte-ner la razn del desgaste a la condicin de concentra-cin con la que se este trabajando:

(4.2) % real = concentracin de arena real de trabajo.

% ensayo = concentracin de arena en el ensayo. Debido a que la concentracin de arena en el agua

en condiciones normales de trabajo es de aproximada-mente 0,02% y utilizando la ecuacin anterior se tiene que:

Ahora bien, con la informacin anteriormente su-ministrada y debido a que el comportamiento del des-gaste a una concentracin especfica es lineal, la taza de desgaste se puede determinar de la siguiente forma.

(4.3)

donde: r % = taza de desgaste a una concentracin especfica. % = concentracin a la que se desea conocer la veloci-dad de desgaste.

5. CLCULO DEL FACTOR DE UTILIZACIN

El factor de utilizacin se determina basndose en

la siguiente ecuacin:

(5.1)

Siendo: TR = Tiempo real. TT = Tiempo total.

Donde el tiempo real es el tiempo de trabajo y el tiempo total es el tiempo total de vida del impulsor. Ahora bien para determinar el tiempo total de vida del impulsor se tom una relacin entre el tiempo de vida del impulsor en el ensayo y la concentracin de arena en el agua, tanto del ensayo como de las condiciones normales de trabajo de la bomba centrfuga en estudio. En el ensayo se determin que para las condiciones de concentracin de 5% en peso, el impulsor tiene una vida til de doscientas (200) horas, por lo tanto, para una condicin de trabajo normal de 0,02% se obtiene una relacin de tiempo total de vida de cincuenta mil (50000) horas.

drt

=


( )132,4 0,662 /

200ENSAYOgr gr H

h= =

( ) ( )%

%REAL ENSAYOrealr r

ensayo=

( )0,02 0,662 / 0,002468 /

5REALgr Hr gr H= =

% % 0,1324 /r gr H=

TRFUTT

=





De manera que es posible generar una relacin entre la concentracin y la vida til del componente la cual se muestra en la siguiente ecuacin:

(5.2)

Por ltimo, el factor de utilizacin queda expresa-

do de la siguiente manera:

(5.3)

Con esta relacin se puede determinar el factor de utilizacin del impulsor de la bomba centrfuga mar-ca: KBS, modelo: ETA 32-200 para un momento da-do, simplemente con sustituir TR por el tiempo de trabajo de dicho impulsor. Lo que permite a la empre-sa fabricante de estos equipos establecer un factor de utilizacin mximo, de manera de poder ofrecer una garanta ms amplia del impulsor en estudio.

6. CONCLUSIONES

El factor de utilizacin real del impulsor de la

bomba est en funcin del tiempo de uso y responde a la ecuacin:

(6.1)

La vida til del impulsor en estudio se relaciona con la concentracin de partculas en suspensin de la siguiente manera:

(6.2)

La razn de desgaste del impulsor en estudio se relaciona con la concentracin de partculas en sus-pensin de acuerdo a:

(6.3)

La empresa fabricante de los equipos de bombeo en estudio puede ofrecer una mayor garanta del im-pulsor de la bomba centrfuga.

El desgaste en el impulsor de la bomba, represen-tado por la prdida de material posee un comporta-miento lineal y descendiente.

La taza de desgaste del impulsor de la bomba, en condiciones normales de trabajo es de

0,002648 gr/H.

La curva caracterstica que muestra la relacin entre Caudal y Altura de la bomba, posee una tenden-cia hacia la baja.

La holgura entre el impulsor y la carcasa en el rea del ojo de succin aumenta de manera proporcio-nal por efecto del desgaste.

7. BIBLIOGRAFA

[1] Neumann, B. The Interaction Between Geometry and Performance of a Centrifugal Pump. Page- bros. LTD, New York. Ao 1991. [2] Tyler, Hicks. Bombas su Seleccin y Aplicacin. Editorial Continental S.A. 19na Edicin. Mxico 1985. [3] Karassik, Igor y Carter, Roy. Bombas Centrfu-

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[4] Avallone, E. y Baumeister III, T. Manual del Ingeniero Mecnico. Editorial Mc. Graw Hill. 9na Edicin. Mxico, 1992. [5] Mills, Anthony S. Transferencia de Calor. Editorial McGraw/Hill. Colombia.1999. [6] Hydraulic Institute. Hydraulic Institute Standards 12 Edicin U.S.A 1969. [7] Kenneth, McNaughton . Bombas Seleccin, uso

y mantenimiento. Editorial McGraw Hill. Mxico. 1992.

1% 1000VU =

52 1050000

TRFU TR= =

52 10FU T=

1% 1000VU =

% % 0,1324 /r gr H=



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