Bombas Magnéticas, una solución efectiva para unos de los mayores costos en mantenimiento en bombas centrifugas

Universidad Católica de Santa María Turbomaquinas y máquinas de expulsión

Bombas Magnéticas, una solución efectiva para unos de los mayores costos en mantenimiento en bombas centrifugas

Juan Pablo Bustamante Villanueva

Universidad Católica de Santa María, [email protected]

RESUMEN:

Casi cualquier proceso industrial emplea máquinas con partes rotatorias, esto significa que un amplio número de aplicaciones de varios grados de complejidad requieren un rotor que atraviesa una carcasa mientras se mantiene la presión interna, considerando además que a través de los años los costos debido a fugas de fluido por bombas centrifugas se ha ido incrementado a niveles alarmantes, a pesar de que los avances tecnológicos en los últimos años han logrado reducir al mínimo dichas fugas y lograr reducir los costos operativos y de mantenimiento , no garantizan un 100 % de efectividad y estanqueidad en el sistema.

A su vez en ciertas industrias ,como la petroquímica y manipulación de fluidos peligrosos entre otras, contemplan un grado muy estricto sobre el tema de fugas de fluidos al exterior , considerado como un cero contundente en lo que a fugas se refiere, de ese modo nace la necesidad de realizar el siguiente trabajo de revisión bibliográfica donde se estudia todos los aspectos , llámese constructivo , aplicativo y funcional de las bombas centrifugas de acoplamiento magnético, se hará una comparación entre uno de los sellos convencionales más efectivos :el sellado dinámico, y las bombas magnéticas para observar las ventajas y desventajas de cada uno de ellos , para así poder realizar una correcta selección de bombas centrifugas , no solo desde el aspecto del diseño de sistema de bombeo si no de saber controlar aspectos complementarios , como el tema de salud y medio ambiente que se verían afectados si se presenta una fuga de un fluido peligroso.

Palabras clave: acople magnético, sello dinámico, sellado en bombas centrifugas.

ABSTRACTAlmost any industrial process used machines with rotating parts, this means that a large number of applications of various degrees of complexity, require a rotor that crosses a housing while the internal pressure is maintained, considering that over the years due to leakage costs fluid by centrifugal pumps has been increased to alarming levels, despite technological advances in recent years have managed to minimize the leakage and achieve lower operating and maintenance costs not guarantee 100% effectiveness and sealing in the system.

Turn on certain industries such as petrochemicals and handling of hazardous fluids including, provide a very strict degree on the subject of fluid leaks abroad, considered a resounding zero as far as leaks are concerned, thus born the need to perform the following work of literature review where explores all aspects, be it constructive and practical application of centrifugal pumps magnetic coupling, will compare one of the most effective conventional seals: the dynamic sealing, and magnetic bombs to observe the advantages and disadvantages of each, in order to make a correct selection of centrifugal pumps, not only from the aspect of designing pumping system if not able to control complementarities, as the theme of health and environment that would be affected if a leak of a hazardous fluid is presented.

Keywords: magnetic coupling, dynamic seal, seal centrifugal pumps.

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1. INTRODUCCION

Una de las tareas más habituales en el mantenimiento de bombas centrífugas consiste en limitar dentro de un rango aceptable las fugas de líquido bombeado producidas entre la carcasa de la bomba y el eje de accionamiento del impulsor. Este límite o grado de aceptación será distinto para cada aplicación en concreto y así usaremos un método de sellado del eje u otro. En el presente documento se mostrara uno de los métodos de sellado de ejes más eficientes que podemos encontrar en las bombas centrífugas, el sellado dinámico, se trataran sus ventajas e inconvenientes y el mantenimiento asociado a ellos. Con esta información avanzaremos en el conocimiento de este tipo de equipos y, al final, estaremos en mejores condiciones a la hora de la elaboración de un plan de mantenimiento completo sobre los mismos.

La transformación de la energía mecánica en energía interna del líquido, en forma de velocidad y/o presión, se consigue gracias a la rotación de un impulsor dentro de la carcasa de la bomba. Esta rotación se produce mediante un eje sobre el que va montado el impulsor y que atraviesa la carcasa de la bomba para apoyarlo sobre rodamientos y poder acoplarlo a la fuente de energía mecánica, ya sea un motor eléctrico, de explosión, turbina, etc. El punto en el cual el eje atraviesa la carcasa de la bomba debe ser sellado para evitar, primero las fugas del líquido bombeado y segundo la entrada de aire cuando la zona del cierre se encuentre en presión negativa. Es evidente, por tanto, que el sellado del eje es de vital importancia para un funcionamiento seguro de la bomba y para asegurar la protección del medio ambiente y la salud misma de los operarios.

En general son tres los tipos de sello que habitualmente podemos encontrar en bombas centrifugas: sello de tipo radial o empaquetadura, sello de tipo axial, más conocido como cierre mecánico y, por último y el que será tratado aquí: el cierre dinámico.

CIERRE DINÁMICO

Está muy extendido igualmente el uso de bombas centrífugas equipadas con el llamado cierre dinámico. A diferencia de las bombas tradicionales, donde el sellado del eje se consigue generalmente por fricción, en este caso la bomba dispone de un pequeño rodete expulsor instalado detrás de la tapa de la carcasa.

Figura 1: Bomba detenida

Cuando se bombea el líquido, éste tiende a salir a lo largo del eje, sin embargo el expulsor lo evita bombeándolo de nuevo hacia la tapa de la carcasa. Cuando la bomba está parada, el líquido presiona un disco flexible de teflón contra un casquillo evitándose así cualquier posibilidad de fuga. Los cierres dinámicos no presentan fugas y prácticamente no necesitan un mantenimiento más allá de cambiar el disco flexible cuando empieza a aparecer fuga de líquido con la bomba parada. No necesitan ningún aporte externo del líquido de sellado, lo que simplifica la operación de la bomba. El empleo de los cierres dinámicos elimina los problemas de fugas intermitentes o continuas que aparecen en los cierres mecánicos en puestas en marcha de

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nuevas plantas. Es habitual que una misma bomba centrífuga pueda ser modificada para cambiar el tipo de sellado de empaquetadura a cierre mecánico o a cierre dinámico, el fabricante suele diseñar la bomba para facilitar el cambio.

Figura 2: Bomba en movimiento

Acoplamiento magnético

Es un sistema de transmisión de potencia de un motor de accionamiento a un eje valiéndose de fuerzas magnéticas. Dicha fuerzas se logran mediante un par de juegos de imanes permanentes.

Figura 3: Estructura del sistema

En la Fig. 3 se muestra esquemáticamente una bomba de acople magnético. Se utilizan dos juegos de imanes permanentes. Uno de ellos está solidariamente unido al eje de mando y se denomina imán conductor, su contraparte es el imán conducido y es solidario al impulsor de la bomba. Lo que ocurre sencillamente es que las fuerzas magnéticas de atracción y repulsión que existen entre ambos imanes son lo suficientemente fuertes como para transmitir la potencia del motor al impulsor de la bomba.

Consideremos dos importantes preguntas:

¿Existe diferencia entre la velocidad de rotación de ambos imanes? (resbalamiento)

Por tratarse de imanes permanentes, no existe ni puede existir velocidad relativa entre ambos juegos de imanes. La posición relativa de los imanes no varía mientras el conjunto rota, de manera que la velocidad de rotación del impulsor de la bomba es exactamente la misma que la del motor que la acciona.

IMAN CONDUCTOR

IMAN CONDUCIDO

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¿En el caso en que la potencia a transmitir sea mayor que la capacidad de los imanes, ¿se produce un resbalamiento entre el giro de los imanes conductor y conducido?

En caso de superarse dicha capacidad de transmitir torque, los imanes se desacoplan. El imán conductor unido al motor continúa girando pero el imán conducido queda en reposo.

Resulta útil imaginar al acople magnético como un acople mecánico convencional tipo perno y buje, con goma, láminas, etc. En caso de que se supere la potencia que puede transmitir el acople, el elemento de transmisión se rompe, interrumpiendo el giro del eje conducido. En el caso del acople magnético lo que se “rompe” es el vínculo magnético entre ambos juegos de imanes pero el resultado es el mismo, el impulsor de la bomba deja de girar.

La analogía concluye al pensar en volver a poner en servicio el acople. Mientras que en acoplamiento mecánico habrá que reemplazar una pieza, en el caso del acople magnético, al detener el motor los imanes se vuelvan a alinear según lo indicado en la posición REPOSO y el acoplamiento magnético está listo para volver a transmitir potencia.

PRINCIPIO DE OPERACIÓN:

Aunque su funcionamiento y características son muy similares a una bomba centrifuga convencional, el diseño de una bomba magnética tiene dos magnetos de gran calidad y fuerza: Un magneto conductor (externo) montado en el eje del motor y un magneto conducido (interno) dentro de la bomba. La magneto interna, totalmente encapsulado está conectado al impulsor de la bomba. Cuando el magneto externo rota, el magneto interno es acoplado en forma magnética y hace girar el impulsor a la misma velocidad que el motor. Este simple diseño permite manejar en forma segura productos químicos corrosivos o contaminantes ya que no existen costosos sellos mecánicos dinámicos o empaques que puedan perder o que deban cambiarse.

Los magnetos están separados por una cámara de contención o carcasa trasera que está herméticamente sellada por un o-ring estático, como puede verse en la figura 4

Magnetos de alta calidad: Los magnetos son el corazón de este tipo de bombas y es por eso que estas bombas utilizan magnetos de Samarium-Cobalto que ofrecen un bajo coeficiente de pérdida y una mejor resistencia a los ataques químicos que los magnetos comunes de neodimio, Hierro, Boro.

Figura 4: Estructura Interna

Principales Ventajas y aplicaciones de las Bombas de Acople Magnético

La principal ventaja reside en el modo mismo de transmitir potencia: no se requiere de un eje pasante, esto hace que la carcasa de la bomba solo tenga orificios para el pasaje de líquido, no siendo necesario contar con

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un orificio atravesado por el eje de la bomba al que luego hay que sellar de algún modo para controlar las pérdidas de fluido (Ver Figura 5)

Figura 5: Sistema Convencional

Estudios estadísticos indican que la principal causa de falla y salida de servicio de bombas es la empaquetadura o el sellos mecánico; La bomba de acople magnético es hermética, sin pérdidas, ni emisiones pues simplemente no existe la posibilidad de que las mismas se produzcan, teniendo en cuenta esta característica fundamental, las aplicaciones preferidas para las bombas de acople magnético serán todas aquellas en las que se desee bombear líquidos sin pérdidas. Algunas de estas son:

FLUIDOS CORROSIVOS: es la aplicación principal, ya que las pérdidas de corrosivos son siempre un problema. Combinando el acople magnético con materiales compatibles a los distintos fluidos (PPN, PVDF, ETFE, PFA, Acero Inoxidable, cerámica, carburo de Silicio, etc) hace que sea posible manejar con gran seguridad casi todos los productos químicos en toda concentración y temperatura que se encuentre habitualmente en la industria.

FLUIDOS TOXICOS, INFLAMABLES, CONTAMINANTES, ALTA TEMPERATURA: Aun cuando no exista corrosión, hay una amplia variedad de fluidos en los que se requiere evitar las pérdidas y emisiones gaseosas, las bombas de acople magnético son la primera elección.

El acople magnético hace que, a diferencia de las bombas convencionales, los esfuerzos axiales y radiales generados por el impulsor de la bomba sean absorbidos dentro de la bomba y no se transmitan por el eje a rodamientos. De este modo la construcción monoblock, o sea acoplar la bomba directamente a un motor bridado prescindiendo del acople mecánico entre eje de bomba y motor, resulta muy conveniente facilitando el montaje, eliminando tareas de alineación, reduciendo espacio ocupado por el equipo y sin transmitir ningún esfuerzo a los rodamientos del motor. La gran mayoría de las bombas de acople magnético instaladas en la industria son del tipo monoblock aun para potencias importantes.

Tipos de Bombas de Acople Magnético

Si bien el acoplamiento magnético se emplea mayoritariamente en bombas centrífugas, es usado en diversos tipos de bombas:

SELLO MECANICO

ACOPLE MECANICO

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Centrífugas horizontales y verticales Autocebantes A turbina Desplazamiento positivo tipo segmento oscilante A paletas

Estos tipos de bombas se combinan con una gran variedad de materiales de construcción tanto metálicos como plásticos para dar una amplia respuesta a todos los requerimientos.

PRECAUCIONES DE USO

Las bombas de acople magnético tienen algunas “contraindicaciones” que deben ser prevenidas para obtener el máximo provecho de un equipo.

SOLIDOS: puede afirmarse en general que las bombas de acople magnético son para “líquidos limpios”

TRABAJO EN SECO: Observando la figura 4 se ve que hay un flujo de circulación de caudal interno cuya misión es lubricar y disipar el calor generado por la fricción entre bujes y ejes. Por este motivo hay que tomar precauciones para evitar que se produzca esta condición y toda otra que aumente indebidamente la temperatura en el interior de la bomba.

SISTEMA DE NO CONTACTO:

A través del diseño con avanzada ingeniería y la filosofía de mejora continua, Se ha desarrollado bombas de acople magnético que pueden funcionar sin líquido (en seco). La tecnología de “no contacto” y el sistema de dispersión de calor utilizado en dichas bombas son la última innovación dentro de una serie de innovaciones orientadas específicamente para ofrecer una operación en vacío. A través del control de la posición del ensamble interno con poderosos magnetos, el ensamble del magneto interno no entra en contacto con el aro trasero dentro de la bomba. Esto previene la generación de calor focalizada y una eventual deformación de las partes no metálicas.

Las bombas pueden operar en vacío hasta por una hora en forma repetitiva sin sufrir daños internos, equipadas con cojinete de carbón de alta densidad

PROTECCIÓN DE BOMBAS DE ACOPLE MAGNÉTICO

¿Por qué es necesario proteger una bomba centrífuga?

Como la mayoría de los equipos rotativos, todas las bombas centrífugas son diseñadas para funcionar dentro de un rango determinado. La Fig. 1 representa las curvas típicas de Altura Caudal (H-Q) y Potencia-Caudal (P-Q) de cualquier bomba centrífuga.

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A partir del Punto de Funcionamiento, el punto de trabajo puede moverse a “la derecha” aumentando el caudal y reduciendo la altura o hacia “la izquierda” disminuyendo el caudal y aumentando la altura hasta obtener caudal 0.00 y valor máximo de la altura. Este punto de trabajo se denomina de Válvula de Descarga Cerrada.

Los Caudales Mínimo y Máximo son valores de caudal que definen un rango de funcionamiento seguro. Dicho de otro modo, el Punto de Funcionamiento de la bomba debe ubicarse en algún punto de la curva H-Q entre el caudal Mínimo y el Máximo. Es lo que se denomina Rango de Funcionamiento Seguro.

Cuando la bomba funciona dentro del Rango de Funcionamiento Seguro se evitan los siguientes inconvenientes:

CAUDAL MENOR A CAUDAL MINIMO CAUDAL MAYOR A CAUDAL MÁXIMO

Funcionamiento en Seco (sin líquido en el

interior de la bomba)Cavitación Severa

Válvula de Succión Cerrada Alimentación insuficiente

Desacoplamiento Excesivos Empujes axiales

Excesivos Empujes axiales y Radiales Excesivos Empujes Radiales

Caudal insuficiente para disipar calor generado

Variación en el fluido: aumento de Viscosidad

CavitaciónVariación en el fluido: aumento de la

Densidad

Es muy común encontrar combinaciones de varios de estos elementos al trabajar fuera del rango seguro.

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Proteger una bomba centrífuga es asegurarse de que funcione dentro del Rango de Funcionamiento Seguro.

Protección de bombas de Acople Magnético

Las ventajas principales de una bomba de acople magnético: HERMETICIDAD y RESISTENCIA A LA CORROSIÓN, justifican que deba prestarse debida atención a su protección, a fin de lograr una prolongada vida útil de la misma. Por otra parte su diseño y principio de funcionamiento las hace más sensibles para trabajar fuera del Rango de Funcionamiento Seguro dado que utilizan el fluido a bombear para lubricación interna y los esfuerzos mecánicos son absorbidos por los elementos en contacto con el líquido.

Para ello, Sundyne ha desarrollado un dispositivo electrónico que se instala en el tablero de comando y que permite luego de ajustar los valores a las condiciones de servicio, proteger eficazmente la bomba. A diferencia de controles de nivel, medidores de flujo, presostatos, etc. NO existen en este caso elementos en contacto con ellíquido a bombear, lo que simplifica enormemente la tarea al trabajar con líquidos corrosivos.

El principio de funcionamiento del Protector se basa en la curva de Potencia-Caudal (P-Q) (ver Fig.). Dicha curva es aproximadamente proporcional al caudal. Registra un valor mínimo a Válvula de Descarga Cerrada (Q=0.0, H= max) y su valor máximo acompaña el máximo caudal y la mínima altura. Obsérvese que cuando la bomba entrega la máxima altura (presión de descarga) el consumo de potencia es mínimo, contrariamente a lo habitual de asociar máxima presión con máxima potencia consumida.

Basado en este comportamiento de la potencia consumida por una bomba respecto al caudal que entrega, el protector es un dispositivo que mide instantáneamente la potencia consumida (similar a un Watímetro). Dicho valor de potencia se compara también instantáneamente con dos valores de potencia Mínima y Máxima de Corte previamente fijados.

Mientras el valor de potencia medido sea mayor que el Mínimo y menor que el Máximo, el Protector interpreta que los valores de Caudal asociados a la potencia están dentro del Rango de Funcionamiento Seguro manteniendo el contacto de alimentación eléctrica del motor cerrado. En cambio, si el valor de la potencia medido es menor a la Potencia (Caudal) Mínima o es mayor a la Potencia (Caudal) Máxima, el Protector asume que la bomba está

PROTECCION ACOPLE MAGNETICO REV 01.doc Página 3 de 3

Funcionando fuera del Rango de Funcionamiento Seguro, interrumpiéndose el suministro de energía al motor (contacto abierto) y sacando de servicio la bomba evitando así ponerla en riesgo.

Regulación del Protector

Este artículo no pretende reemplazar el Manual de Instrucciones del Monitor de Potencia Modelo PM. Sin embargo daremos una guía de los pasos a seguir para regular un Protector en el campo la que debe ser complementada con la lectura cuidadosa y completa de los Manuales tanto de la bomba como del Protector

1. Asegúrese de que la bomba ha sido correctamente instalada

2. Verifique el correcto cebado de la bomba

3. Ajuste el Máximo valor de potencia en el Protector al valor de potencia de chapa del motor

4. Proceda a la puesta en marcha de la bomba siguiendo el procedimiento indicado por el fabricante.

5. Una vez que se establecieron las condiciones de servicio, proceda a abrir la válvula de descarga hasta alcanzar el caudal máximo para la aplicación. Recuerde que la bomba no debe trabajar fuera del rango de la curva por existir riesgo severo de cavitación.

6. Una vez alcanzado ese punto, reduzca lentamente el valor de potencia en el protector hasta que alcance al valor consumido. Verifique que luego de trascurrido el Tiempo de retardo por Alta Potencia el motor se desconecte. (No más de 5 segundos)

7. Ponga nuevamente en marcha la bomba según lo establecido en 4.

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8. Una vez que se establecieron las condiciones de servicio, proceda a abrir la válvula de descarga hasta alcanzar el caudal mínimo permitido. Recuerde que la bomba no debe trabajar por debajo del caudal mínimo establecido por el fabricante.

9. Aumente lentamente el valor de potencia en el protector hasta que alcance al valor consumido en ese punto. Verifique que luego de trascurrido el Tiempo de retardo por Baja Potencia el motor se desconecte. (No más de 10/15 segundos)

10. Ponga nuevamente en marcha la bomba y verifique el funcionamiento en el Punto de Trabajo

Por supuesto que el protector es apto para cumplir esta función en toda bomba centrífuga, sea de acople magnético o no.

Por cualquier consulta o inquietud, no dude en consultarnos en www.drotec.com.ar

BIBLIOGRAFIA:

http://www.tecniflow.com/fichastecnicas/iwaki/iwaki1.pdf http://cdigital.uv.mx/bitstream/123456789/29524/1/CadenaVelazquez.pdf http://www.jabsco.es/industria.pdf http://www.gouldspumps.com/ittgp/medialibrary/goulds/website/Literature/Brochures/Product

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