Solución de problemas de bombas centrífugas: flujo bajo o sin descarga

1. Descripción del problema y alcance

Esta guía de diagnóstico está diseñada para ingenieros y técnicos de servicio que encuentran bombas centrífugas que presentan una reducción significativa en el flujo volumétrico o una falta total de descarga. Los problemas de suministro de fluidos se encuentran entre las fallas más comunes de las bombas centrífugas en entornos industriales, lo que puede provocar paradas de producción, daños a los equipos y pérdidas financieras importantes. Los diagnósticos eficaces y oportunos son fundamentales para minimizar el tiempo de inactividad.

1.1. Definición de síntomas

• Flujo bajo: La bomba está funcionando, pero el caudal es inferior al nominal o esperado.
• Sin cebado: La bomba está funcionando, pero no se suministra ningún líquido o la presión de salida permanece cercana a la presión de succión.
• Incremento del nivel de ruido y vibraciones: Especialmente característico de la cavitación.
• Sobrecalentamiento de la bomba o del motor: Puede indicar un aumento de carga o fricción.
• Reducción de la presión de descarga: La presión generada por la bomba es insuficiente para superar la resistencia del sistema.

1.2. Campo de aplicación

Este manual cubre bombas centrífugas utilizadas en una amplia gama de aplicaciones industriales que incluyen:

• Abastecimiento y drenaje de agua (EN 1092-1, EN ISO 9906)
• Industria química y petroquímica (API 610, ISO 13709)
• Industria alimentaria (cumplimiento de normas higiénicas)
• Energía
• Sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC)

Clasificación de averías:

• Crítico: Falta total de inyección, lo que provoca la parada inmediata del proceso productivo.
• Primario: Flujo bajo que afecta significativamente la productividad o la calidad del producto, causando potencialmente daños al equipo.
• Menor: Una pequeña disminución en el flujo que no afecta críticamente el proceso, pero indica la etapa inicial del desarrollo de un mal funcionamiento.

2. Medidas de seguridad

ANTES DE INICIAR CUALQUIER TRABAJO DE DIAGNÓSTICO O REPARACIÓN EN EL EQUIPO DE BOMBEO, SE DEBE GARANTIZAR LA TOTAL SEGURIDAD DEL PERSONAL Y DEL EQUIPO. EL NO SEGUIR ESTAS PRECAUCIONES PODRÍA RESULTAR EN LESIONES GRAVES O LA MUERTE.

• Bloqueo/Etiquetado (LOTO): Antes de cualquier intervención en la bomba o sus sistemas relacionados, es SEGURO de realizar un procedimiento de Bloqueo/Etiquetado de acuerdo con las normas internas de la empresa y los requisitos de DSTU EN 1032. Desconecte todas las fuentes de energía (eléctrica, neumática, hidráulica) e instale dispositivos y etiquetas de bloqueo. Verifique que no haya voltaje.
• Energía residual: Asegúrese de que toda la energía residual (por ejemplo, presión en las tuberías, energía potencial de almacenamiento, líquidos calientes) se descargue o desvíe de forma segura. Abra las válvulas de drenaje y despresurice el sistema.
• Equipo de protección personal (EPI): Utilice siempre el EPI adecuado: gafas de seguridad, guantes, casco, calzado de seguridad, ropa protectora. Cuando trabaje con líquidos agresivos o calientes: EPI especializado adicional.
• Superficies calientes: Las bombas y motores pueden alcanzar altas temperaturas. Tenga cuidado para evitar quemaduras.
• Peligro químico: Cuando trabaje con líquidos químicamente activos, siga todos los protocolos de seguridad asociados con estas sustancias (MSDS/hojas de datos de seguridad SDS). Proporcione una ventilación adecuada.
• Confirmación de que no hay movimiento: Después de apagar la alimentación, asegúrese de que todas las piezas móviles se hayan detenido y no puedan arrancar accidentalmente.
• Trabajos en altura: Al realizar trabajos en altura, seguir las normas de seguridad, utilizar sistemas de seguridad.

3. Herramientas de diagnóstico necesarias

Para realizar diagnósticos eficaces, se requiere el siguiente conjunto de herramientas que cumplan con los estándares de la industria.

4. Lista de verificación de evaluación inicial

Antes de iniciar un diagnóstico detallado, realice los siguientes pasos. Esto le permitirá recopilar información importante que le ayudará a reducir las posibles causas del mal funcionamiento.

5. Algoritmo de diagnóstico sistemático

Utilice este algoritmo paso a paso para identificar sistemáticamente la causa raíz del flujo bajo o sin impulso.

1. Comprobación de las condiciones básicas de la bomba
   1. SI la bomba no arranca o el motor no gira:
      • Compruebe la fuente de alimentación del motor (voltaje, frecuencia).
      • Verifique el funcionamiento del motor de arranque, relés e interruptores.
      • Causa probable: Fallo eléctrico o atasco mecánico.
   2. SI la bomba arranca pero no hay flujo ni presión:
      1. Vaya al paso 2.
2. Evaluación de la presencia de líquido y aire en el sistema
   1. SI no hay líquido en la carcasa de la bomba (no llena):
      • Verifique el nivel de líquido en el tanque de succión.
      • Verifique la válvula de succión (¿completamente abierta?).
      • Vuelva a llenar la bomba y la línea de succión.
      • Causa probable: Llenado (cebado) insuficiente o falta de líquido.
   2. SI hay señales de un tapón de aire o succión de aire:
      • Observe las secciones claras y escuche silbidos.
      • Verifique todas las conexiones en la línea de succión para detectar fugas.
      • Verifique los sellos del empaque de la bomba.
      • Intente eliminar el aire a través de las válvulas de ventilación.
      • Causa probable: Atasco de aire o succión de aire.
   3. SI la bomba está cebada y no hay señales de aire:
      1. Vaya al paso 3.
3. Medición de la presión de succión y descarga
   1. Uso de manómetros y vacuómetros (Capítulo 3):
      • Mida la presión en la entrada (P_vsm) y salida (P_nagn) de la bomba.
   2. IF P_vsm es muy bajo (cerca del vacío o muy por debajo del NPSHa nominal) y hay ruido/vibración de cavitación:
      • Causa probable: Cavitación debido a problemas de succión (alta resistencia hidráulica, bajo nivel de fluido, alta temperatura del fluido).
      • Verificar filtros, diámetro del tubo de succión, altura de succión.
      • Vaya a Análisis de causa raíz: cavitación.
   3. IF P_nagn es muy bajo, pero P_vsm es normal y no hay signos de cavitación:
      • Causa probable: Problemas con el impulsor (desgaste, daño, obstrucción) o dirección de rotación incorrecta.
      • Comprobar el sentido de giro del motor (ver marcado).
      • Apague la bomba, realice el procedimiento LOTO, realice una inspección visual del impulsor (usando un endoscopio o desmontándolo).
      • Vaya a Análisis de causa raíz: Desgaste del impulsor.
   4. IF P_nagn y P_vsm parecen normales para la válvula de inyección cerrada, pero no hay flujo con la válvula abierta:
      • Causa probable: Resistencia excesiva en el sistema de inyección (tuberías obstruidas, válvulas cerradas, característica del sistema calculada incorrectamente).
      • Verifique todas las válvulas de la línea de inyección, filtros e intercambiadores de calor.
      • Vaya a Análisis de causa raíz: Análisis de características del sistema.
4. Análisis de vibración y ruido
   1. Uso del analizador de vibraciones (Capítulo 3):
      • Mida el nivel de vibración en la carcasa de la bomba y los cojinetes.
      • Compare los valores con los valores permitidos según ISO 10816 (para la clase de equipo).
      • Norma: Velocidad de vibración ≤ 4,5 mm/s (RMS) para bombas industriales.
      • Alarma: Velocidad de vibración > 7,1 mm/s (RMS).
   2. SI alto nivel de vibración con ruidos característicos de "crack" o "grava":
      • Causa probable: Cavitación.
      • Verifique el NPSHa (cabezal de succión disponible).
      • Vaya a Análisis de causa raíz: cavitación.
   3. SI la vibración es alta, pero sin ruidos de cavitación característicos:
      • Causa probable: Desequilibrio del impulsor (después del desgaste) o desalineación de los centros del eje.
      • Verificar el estado del impulsor y del embrague.
      • Vaya a Análisis de causa raíz: Desgaste del impulsor.

6. Matriz de causa de mal funcionamiento

Esta matriz proporciona un resumen de los síntomas, las causas más probables, las pruebas de diagnóstico necesarias y los resultados esperados.

7. Análisis de las causas fundamentales de cada mal funcionamiento.

7.1. Cavitación

La esencia del problema: La cavitación ocurre cuando la presión del fluido en la entrada del impulsor cae por debajo de la presión de los vapores saturados del fluido a una temperatura determinada. Esto conduce a la formación y posterior colapso de burbujas de vapor, lo que provoca intensas ondas de choque. Estas ondas de choque de alta energía (hasta 1500 MPa) dañan la superficie del impulsor y la carcasa, provocando picaduras.

Razones:

• Cabezal de succión disponible insuficiente (NPSHa): NPSHa < NPSHr (requerimientos de la bomba). Esto puede deberse a:
  • Altura de succión dinámica demasiado alta (la bomba está colocada demasiado arriba del nivel del líquido).
  • Alta resistencia de la línea de succión (tubos largos, muchas curvas, filtros obstruidos, diámetro de tubería demasiado pequeño).
  • Alta temperatura del líquido, que aumenta la presión de los vapores saturados.
  • Baja presión atmosférica (para sistemas abiertos).
  • Bajo nivel de líquido en el tanque de succión.
• Flujo excesivo: la bomba está funcionando muy a la derecha del punto de rendimiento óptimo (BEP), lo que provoca que la presión de entrada del impulsor caiga.

Confirmación: Un ruido característico similar al movimiento de la grava en la bomba, vibración (picos en el rango de 0,5 a 2 kHz), una disminución en el rendimiento y la presión y, con el tiempo, signos claros de picaduras en las palas del impulsor.

Consecuencias: Desgaste rápido del impulsor y otras piezas internas, aumento de ruido y vibración, reducción de la eficiencia y el rendimiento de la bomba, posible destrucción de sellos y cojinetes.

7.2. Desgaste del impulsor o de la carcasa

La esencia del problema: El desgaste del impulsor (impulsor) o de las superficies internas de la carcasa (por ejemplo, sellos de separación) conduce a un aumento en los flujos internos de fluido desde el lado de descarga al lado de succión. Esto reduce la eficiencia de la bomba, reduciendo la presión generada y, como resultado, el caudal volumétrico.

Razones:

• Partículas abrasivas en el líquido: Bombear líquidos con partículas sólidas en suspensión (arena, lodos) provoca desgaste erosivo.
• Corrosión química: Los líquidos agresivos corroen el material del impulsor y la carcasa.
• Cavitación: Como se describió anteriormente, la cavitación es una de las principales causas de daño mecánico.
• Envejecimiento del material: Desgaste natural del material con el paso del tiempo.
• Material incorrecto: Uso de un material que no es adecuado para el líquido bombeado o las condiciones de operación.

Confirmación: Inspección visual del impulsor (irregularidades, reducción del espesor de las palas, baches, bordes romos), aumento de las holguras en las juntas de los huecos (medido con galga de espesores). Reducción de la presión de inyección a revoluciones nominales.

Consecuencias: Reducción significativa de la eficiencia, aumento del consumo de energía para realizar el mismo trabajo, aumento de la vibración y el ruido, necesidad de sustitución más frecuente de componentes.

7.3. Esclusa de aire (Esclusa de aire)

La esencia del problema: Las bombas centrífugas no son capaces de bombear gases. Si se acumula un volumen significativo de aire o gas en la carcasa de la bomba o en la línea de succión, el impulsor comienza a girar en el aire/gas sin crear suficiente vacío para aspirar el líquido. Esto da como resultado un flujo nulo o muy bajo.

Razones:

• Cebado insuficiente de la bomba: Antes de arrancar, la bomba y la línea de succión no estaban completamente llenas de líquido.
• Succión de aire: Fugas en la línea de succión (conexiones con fugas, grietas, sellos del eje dañados, conexiones de bridas sueltas).
• Nivel bajo de líquido del depósito: El puerto de succión queda expuesto y la bomba comienza a aspirar aire.
• Desgasificación de líquidos: Los líquidos altamente volátiles o aquellos que se calientan pueden desgasificarse en la línea de succión.

Confirmación: Bomba funcionando, motor consumiendo poca corriente, presión de succión cercana a la atmosférica (o incluso positiva), presión de descarga muy baja o nula. A menudo se escucha un ruido característico de trabajo en el aire o gorgoteo.

Consecuencias: Falta de suministro, posible sobrecalentamiento de la bomba por falta de refrigeración líquida, daños en los sellos mecánicos.

7.4. Problemas de succión (aparte de cavitación y esclusa de aire)

Esencia del problema: Incluso sin cavitación o esclusa de aire, los problemas en la línea de succión pueden reducir significativamente el rendimiento de la bomba al restringir el flujo de fluido al impulsor.

Razones:

• Filtro/colador de succión obstruido: La acumulación de partículas extrañas provoca una caída excesiva de presión en la entrada de la bomba.
• Válvula de succión cerrada o parcialmente cerrada: Restringe el flujo de fluido.
• Línea de aspiración mal diseñada: Diámetro de la tubería demasiado pequeño, curvaturas excesivas, cambios bruscos de dirección, línea demasiado larga que provoca grandes pérdidas por fricción.
• Altura de succión: Altura de succión estática excesiva.

Confirmación: Baja presión de succión (el vacuómetro muestra alto vacío) con nivel de fluido normal en el tanque, que mejora cuando se limpia el filtro o se abre la válvula. Ausencia de ruidos característicos de cavitación.

Consecuencias: Rendimiento reducido, aumento de la carga de la bomba, posible cavitación con mayor deterioro.

7.5. Análisis de la curva del sistema

La esencia del problema: La bomba funciona en la intersección de su curva característica y la característica del sistema de la tubería. Si la resistencia del sistema (característica del sistema) aumenta significativamente, el punto de funcionamiento de la bomba se desplaza hacia la izquierda en la curva característica, lo que provoca una disminución del caudal, incluso si la bomba está en perfecto estado de funcionamiento.

Razones:

• Aumento de la presión estática:Aumento de la altura a la que se debe suministrar el líquido.
• Aumento de las pérdidas por fricción: Obstrucción de tuberías con depósitos, corrosión o crecimientos; uso de tuberías con un diámetro menor al calculado; agregar nuevos accesorios o equipos (intercambiadores de calor, filtros) a la línea de inyección sin volver a calcular.
• Válvula de descarga parcialmente cerrada u obstruida: Aumenta la resistencia hidráulica.
• Aumento de la presión de salida: Cambio en las condiciones en el lado receptor del sistema.

Confirmación: La bomba produce una presión de descarga alta (a menudo superior a la nominal) pero un flujo bajo. El motor consume más corriente (si la bomba funciona muy a la izquierda de BEP). Inspección de toda la línea de inyección. Cálculo de las características reales del sistema basándose en los parámetros de presión y flujo medidos.

Consecuencias: Reducción del rendimiento del sistema, aumento del consumo de energía, posible sobrecarga del motor, sobrecalentamiento del líquido (si la bomba está en modo de recirculación).

8. Procedimientos de solución de problemas paso a paso

Después de identificar la causa raíz utilizando las secciones anteriores, siga los pasos a continuación para solucionar el problema.

8.1. Eliminación de cavitación

PRECAUCIÓN: Los trabajos de modificación del sistema hidráulico pueden requerir parada y LOTO.

1. Aumentar el NPSHa disponible:
   • Revisar el nivel de líquido: Aumentar el nivel de líquido en el tanque de succión si está bajo.
   • Limpieza de filtros/rejillas: Limpie o reemplace los filtros y rejillas obstruidos en la línea de succión.
   • Reducción de pérdidas por fricción: Verifique el estado interno de la línea de succión para detectar depósitos. Considere reemplazar tuberías con un diámetro mayor o reducir la cantidad de accesorios y codos.
   • Caída de temperatura del líquido: si el líquido se bombea a alta temperatura, considere enfriarlo.
   • Reducción de la velocidad de la bomba: Si es posible, reduzca la velocidad de la bomba con un convertidor de frecuencia para cambiar el punto de funcionamiento en la curva NPSHr.
   • Compruebe la altura de succión: Si es posible, baje la bomba más cerca del nivel del líquido o instale un tanque de soporte.
2. Verificación de presión: Después de las acciones correctivas, vuelva a medir las presiones de succión y descarga. Por ejemplo, NPSHa > NPSHr (entre 0,5 y 1,0 m).
3. Control de vibraciones y ruidos: Arrancar la bomba y comprobar la vibración (los indicadores de velocidad de vibración deben estar dentro de los límites de la norma ISO 10816, ≤ 4,5 mm/s) y la ausencia de ruidos característicos de cavitación.

8.2. Eliminación del desgaste del impulsor o de la carcasa.

PRECAUCIÓN: Requiere la extracción completa de LOTO y bomba.

1. Desmontaje e inspección visual:
   • Realice el procedimiento LOTO, drene el líquido y retire la bomba.
   • Inspeccione el impulsor, la carcasa y los sellos de las ranuras en busca de desgaste, erosión, corrosión, grietas y objetos extraños.
   • Mida los sellos de separación. Los espacios libres permitidos deben cumplir con la documentación técnica del fabricante. Por lo general, para las bombas de tamaño mediano, un aumento en la holgura de 0,2 a 0,3 mm ya reduce significativamente la eficiencia.
2. Reemplazo de componentes:
   • Reemplace los impulsores desgastados, los sellos de separación, la carcasa o sus revestimientos. Utilice únicamente repuestos originales o análogos certificados que cumplan con los requisitos de DSTU e ISO en términos de material y dimensiones.
   • Al reemplazar el impulsor, asegúrese de un equilibrio adecuado (equilibrio dinámico según ISO 1940-1, clase G6.3 o G2.5) para evitar vibraciones.
3. Alineación del eje: Después del reemplazo y montaje, ASEGÚRESE de alinear con precisión los ejes de la bomba y del motor (use un dispositivo de alineación láser). Desalineación permitida: desviación radial hasta 0,05 mm, desviación angular hasta 0,01 mm/100 mm.
4. Prueba de funcionamiento: Arranque la bomba, verifique la presión, el flujo, la vibración y la temperatura.

8.3. Eliminación del atasco de tráfico aéreo.

PRECAUCIÓN: Asegúrese de que el sistema esté despresurizado antes de abrir las válvulas de ventilación.

1. Cebando la bomba:
   • Detenga la bomba, realice LOTO.
   • Abra la válvula de ventilación (si está presente) en la parte superior de la carcasa de la bomba y llene lentamente la bomba con líquido hasta que comience a salir líquido sin burbujas de aire.
   • Cierre la válvula de ventilación.
   • Asegúrese de que la línea de succión también esté completamente llena.
2. Inspeccione si hay fugas de aire:
   • Inspeccione toda la línea de succión, incluidas las conexiones bridadas, las conexiones roscadas y las empaquetaduras del eje.
   • Utilice una solución jabonosa u otro detector de fugas para localizar fugas. Elimine las fugas: apriete los sujetadores, reemplace los sellos, juntas o retenes de aceite.
   • Para los prensaestopas, asegúrese de que haya un goteo pequeño y constante de líquido (1-2 gotas por minuto) para lubricación y enfriamiento, lo que también evita que se aspire aire.
3. Elevación del nivel de líquido: Asegúrese de que el nivel mínimo de líquido en el tanque de succión esté siempre por encima del puerto de succión.
4. Prueba de funcionamiento: Arranque la bomba, compruebe el flujo y la presión.

8.4. Resolviendo problemas de succión

PRECAUCIÓN: Requiere LOTO de sistema completo y drenaje de las secciones de tubería.

1. Limpieza del tracto de admisión:
   • Realizar LOTO, drenar el sistema.
   • Limpie o reemplace filtros de succión, rejillas y trampas de lodo obstruidos.
   • Verifique el estado interno de la tubería de succión en busca de depósitos u objetos extraños.
2. Revisión de la válvula: Asegúrese de que la válvula de succión esté completamente abierta y funcione correctamente. Elimine cualquier obstrucción mecánica o mal funcionamiento de la válvula.
3. Evaluación de la configuración de la tubería: Si el problema es constante y no está relacionado con la obstrucción, puede ser necesario revisar el diseño de la línea de succión: reducir el número de curvas, aumentar el diámetro de la tubería, minimizar la longitud. (Cumplimiento de la norma ISO 9905).
4. Prueba de funcionamiento: Arranque la bomba, verifique la presión de succión (el vacuómetro debe mostrar menos vacío) y el flujo.

8.5. Ajuste de las características del sistema.

PRECAUCIÓN: Los cambios en las tuberías pueden afectar el sistema hidráulico de todo el sistema.

1. Análisis de resistencia del sistema:
   • Determine qué componentes en la línea de descarga están creando una resistencia excesiva (filtros obstruidos, intercambiadores de calor, válvulas parcialmente cerradas).
   • Limpiar o reemplazar elementos obstruidos. Abra completamente las válvulas de cierre de descarga.
2. Cambio de configuración:
   • Considerar aumentar el diámetro de las tuberías de descarga, reduciendo el número de accesorios o codos para reducir las pérdidas por fricción.
   • Si la carga estática ha aumentado significativamente (por ejemplo, un cambio en la ruta de la tubería o en el punto de descarga), puede ser necesario reconsiderar la selección de la bomba o agregar una bomba adicional.
3. Uso de un variador de frecuencia (VFD): si la bomba está funcionando a una velocidad fija, la instalación de un VFD permitirá que la bomba ajuste su velocidad de rotación para operar en el punto óptimo para las características cambiantes del sistema, proporcionando el flujo deseado y los ahorros de energía.
4. Prueba de funcionamiento y verificación: Arranque la bomba, mida el flujo y la presión. Asegúrese de que el punto de trabajo de la bomba cumpla con los requisitos del proceso y esté cerca de la zona BEP.

9. Medidas preventivas

La implementación de medidas preventivas efectivas es clave para evitar fallas repetidas y extender la vida útil de los equipos de bombeo.

10. Repuestos y componentes

Para reparaciones rápidas y eficientes, es importante tener repuestos críticos disponibles.

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11. Enlaces

• DSTU EN ISO 9906: Bombas centrífugas. Pruebas de aceptación hidráulica. Clases de precisión 1, 2 y 3.
• DSTU EN ISO 10816-3: Vibración mecánica. Evaluación de vibraciones de máquinas en piezas estacionarias mediante mediciones. Parte 3. Máquinas industriales de potencia nominal superior a 15 kW y velocidad nominal de 120 rpm a 15.000 rpm en las condiciones de funcionamiento en obra.
• ISO 1940-1: Vibración. Requisitos para equilibrar rotores en estado rígido.
• API 610 / ISO 13709: Bombas centrífugas para la industria petrolera, petroquímica y de gas.
• Manuales de operación y mantenimiento de fabricantes de bombas (p. ej. Grundfos, KSB, Wilo, Sulzer).
• UkrSEPRO: Certificación de producto en Ucrania.