IDENTIFICACION DE CAUSA-RAIZ EN FALLAS TIPICAS DE COMPRESORES CENTRIFUGOS MANUEL MARIN PDVSA INGENIERIA Y PROYECTOS Maracaibo, Venezuela Presentado en XIV Convención Internacional de Gas de la Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo 10 - 12, 2000 Caracas, Venezuela
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IDENTIFICACION DE CAUSA-RAIZ EN FALLAS TIPICAS DE COMPRESORES CENTRIFUGOS
MANUEL MARIN PDVSA INGENIERIA Y PROYECTOS
Maracaibo, Venezuela
Presentado en XIV Convención Internacional de Gas de la
Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo 10 - 12, 2000 Caracas, Venezuela
ASPECTOS OPERATIVOS Y OPTIMIZACION EN COMPRESION DE GAS
AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 2
IDENTIFICACION DE CAUSA-RAIZ EN FALLAS TIPICAS DE COMPRESORES CENTRIFUGOS
POR
Ing., M.S., MANUEL MARIN Ingeniería de Instalaciones.
Ingeniería y Proyectos Occidente. PDVSA
ABSTRACTO
Dentro de las actividades más importantes realizadas por nuestra industria petrolera
están las relacionadas con la compresión de gas de la cual depende la recuperación
secundaria de crudo y/o levantamiento artificial y el consumo interno/externo de gas
como combustible. El manejo del gas se hace principalmente a través de
compresores centrífugos de gran capacidad responsables de elevar la presión a
niveles que alcanzan las 5000 lppcm en algunos casos.
Debido a las exigencias de producción, estos compresores centrífugos están
sometidos a trabajo continuo y condiciones de operación extremas por lo que el
seguimiento a su comportamiento es imprescindible a fin de prevenir fallas que
pudieran afectar su disponibilidad y reducir su vida útil.
Según la experiencia operacional en la Unidad de Producción Occidente, las fallas de
mayor recurrencia son: inestabilidad rotodinámica, desplazamiento axial y alto
consumo de aceite.
El presente trabajo muestra las experiencias obtenidas en cuatro fallas que resumen
las indicadas anteriormente, haciendo énfasis en el análisis de los parámetros que
intervienen en el proceso de compresión y las condiciones observadas durante las
fallas, así como la recopilación de evidencias durante el desensamblaje del rotor que
permitieron identificar la causa-raíz de las fallas y generar recomendaciones para
evitar su recurrencia.
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INTRODUCCION
PDVSA Producción Occidente cuenta con 129 trenes de compresión de gas para
recuperación secundaria de crudo y/o levantamiento artificial y consumo
interno/externo de gas como combustible. Cada una de estas plantas posee dos
compresores, uno de baja presión y otro de alta presión, con el objeto de lograr
presiones de hasta 5000 lppcm. en algunos casos y un flujo volumétrico de 5576
MMPCED de gas natural.
Por estar sometidos a condiciones de operación extremas durante las 24 horas, y a
pesar de los programas de mantenimiento preventivo/predictivo aplicados, y los
modernos sistemas de control y protección que poseen, los compresores centrífugos
son susceptibles a fallar. Gracias a las experiencias acumuladas por el personal
operador/mantenedor de dichas plantas, la tasa de remoción se ha podido reducir,
sin embargo existen fallas, tales como, inestabilidad rotodinámica, desplazamiento
axial y alto consumo de aceite, las cuales, aun afectan la disponibilidad de dichas
plantas.
En la gráfica se muestra una distribución aproximada de las causas de remoción
correspondiente a los últimos 5 años en la Unidad de Producción Occidente.
Alto desplazamiento axial (30 %)
Alto consumo de aceite (15 %)
Vibración-Otros (10 %) Inestabilidad
rotodinámica (35 %)
Ineficiencia (10 %)
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La inestabilidad rotodinámica, específicamente la aparición de vibraciones sub-
sincrónicas, es un fenómeno que puede tener diversidad de causas: roce en sellos
interetapas, trabamiento o excesiva excentricidad en sello de aceite flotante, fricción
interna en partes rotativas, fuerzas aerodinámicas por interferencia/desalineación de
componentes a la descarga de los impulsores y entrada de líquido. Como caso
especial, se menciona la presencia de líquido en el compresor, diseñado
específicamente para el manejo de fluidos en estado gaseoso, el cual puede provenir
de los sistemas de post-lubricación, los cuales inyectan aceite a cojinetes y sellos
durante las paradas, ó a través de los sistemas de depuradores, ocurriendo en
ocasiones que parte de estos líquidos logran pasar hacia el lado interno del
compresor, inundándolo y provocando, al no ser drenados, alta vibración y ruido al
momento de arranque.
Alto desplazamiento axial es otro tipo de falla que produce grandes daños debido a
las magnitudes de las fuerzas que intervienen para ocasionarlo, y que usualmente
son el resultado de desequilibrios en el proceso de compresión.
El alto consumo de aceite se presenta al fallar los sellos de aceite, bien sea por
desgaste normal en servicio, daños inducidos durante el ensamblaje o degradación
del material antifricción por agentes químicos en el aceite o gas.
Estas tres causas de paro o remoción ocurridas en los compresores centrífugos,
serán analizadas separadamente, haciendo énfasis en la metodología utilizada para
el estudio de dichas fallas, factores que influyeron en la provocación de dichas fallas
y las medidas recomendadas para evitar su recurrencia.
A. INESTABILIDAD ROTODINAMICA
Generalmente la vibración en un sistema rotor-cojinete es producida por el
desbalance de las masas del rotor al girar o la desalineación del mismo, sin embargo
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existen otras causas de inestabilidad rotodinámica. A continuación se presenta una
lista de fuentes generadoras de inestabilidad rotódinamica:
- Cojinetes de deslizamiento (latigazo de aceite)
- Sellos del tipo aros flotantes con película de aceite.
- Fricción interna en partes rotativas.
- Fuerzas aerodinámicas por interferencia/desalineación de componentes a la
descarga de los impulsores.
- Líquidos atrapados en las cavidades del rotor.
- Sellos laberintos.
El resultado de la combinación de altas velocidades, altas presiones y elevadas
cargas de trabajo, ha incrementado la tendencia de los compresores a exhibir
problemas de inestabilidad, llamados por quienes analizan estos problemas como
vibraciones subsincrónicas, por presentarse a frecuencias menores a la velocidad de
operación, y no poderse resolver con el simple proceso de balanceo del rotor.
Por ser varias las causas que producen las vibraciones subsincrónicas, a veces
resulta difícil lograr la eliminación de dicha perturbación, siendo en ciertas ocasiones
necesario, operar las máquinas bajo estricto monitoreo, sin poder eliminar por
completo la inestabilidad.
Normalmente la aparición de la vibración subsincrónica no puede ser observada
directamente en el panel de control, ya que, se requiere de un analizador de espectro
para ser examinada, aunque puede ser percibida por los operadores al notar un
incremento en el valor total de vibración detectado por los sensores de vibración.
Cuando la vibración alcanza valores extremos puede estar acompañado de fuertes
ruidos, lo que es indicativo de severos roces internos, siendo inminente el paro del
equipo para su revisión. Durante el análisis de este tipo de falla es importante revisar
los espectros generados antes de ocurrir el paro. Un estudio detallado del espectro
de vibración que incluya análisis de la amplitud, frecuencia, ángulo de fase, órbitas,
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gráfico de cascada y tendencia de vibración serán de gran soporte para diagnosticar
finalmente la causa-raíz de la falla. En estudios realizados por especialistas se han
definido ciertas características que acompañan cada fuente de generación de
vibración subsincrónica, algunos de estas características son señaladas en la
bibliografía (1), (2) y (3). La Fig. 1 muestra una señal captada al momento de
presentarse la vibración sub-sincronica. Se puede observar como la señal (2) se
encuentra localizada a ½ de la velocidad de giro del rotor y con una amplitud mayor
que la señal (1).
FIGURA 1.- Espectro de vibración con señal subsincronica.
Los daños ocasionados por este tipo de vibración pueden ser de tal magnitud,
llegando hasta la destrucción total del rotor y partes estáticas como sellos, cojinetes y
diafragmas. En la Fig. 2 muestra los daños observados en un compresor que sufrió
los efectos de este tipo de fallas, requiriendo su completa reparación. Durante el
análisis de esta falla se pudo concluir que ciertas desviaciones en las holguras
diametrales entre los cabezales porta-cartuchos de sellos y los diafragmas del barril,
producían excentricidades del conjunto rotor-barril-cojinetes-sellos generando