14.- Acoplamiento

Los acoplamientos son los elementos mecánicos que se utilizan para transmitir la potencia entre el componente accionador y la bomba, uniendo sus ejes, adicionalmente por su diseño absorbe la desalineación que se produce entre el equipo impulsor y la bomba centrífuga.

En esta sección no se describirá en detalle cada uno de los diseños de acoplamiento, disponibles en el mercado porque escapan a los objetivos del libro, sin embargo, se describirán los diseños más usados actualmente en la Industria Petrolera.

El acoplamiento de una bomba es un componente olvidado y realmente poco tratado, dejando toda la responsabilidad de su selección al fabricante de la bomba o a la empresa que ensamble el paquete de equipos.

Para servicios que requieren potencia por debajo de 186 kW (250 HP) y cuando las bombas son accionadas por motores eléctricos en servicios básicos, la selección de los acoplamientos no es realmente crítica.

Cundo las bombas centrífugas son accionadas por motores eléctricos los factores de servicio para la selección de acoplamientos son de 1,3 a 1,5, para servicios especiales como el de alimentación de calderas o servicios de crudo o hidrocarburos calientes se deben usar factores de servicio entre 1,7 y 2,0 o mayores.

Es importante definir en la hoja de datos y en las especificaciones, en el renglón correspondiente a los acoplamientos, si se desea la utilización de espaciadores para facilitar el desmontaje de los sellos mecánicos y cojinetes, sin necesidad de mover el motor o la bomba. Estos espaciadores aumentan la capacidad del acoplamiento para absorber los esfuerzos generados por la desalineación.

Las bombas fabricadas bajo la norma API 610/ISO 13709 11ava Edición, tienen una sección dedicada a los acoplamientos y guarda acoplamientos, la sección 7.2. “Copling and guards”.

En esta sección se indica que el acoplamiento y el guarda acople deben ser suministrados y montados por el fabricante del grupo de bombeo. Todos los acoplamientos deben poseer espaciadores con una longitud de al menos 125 mm (5 pulgadas) de longitud, con elementos flexibles resistentes a la corrosión. El diseño debe permitir la retención del espaciador en caso de una falla de los elementos flexibles.

Ellos recomiendan que los cubos de los acoplamientos sean fabricados en acero además de que tienen que ser asegurados con chavetas a los ejes. El dimensionamiento de la capacidad del acoplamiento debe ser para la máxima potencia del equipo impulsor incluyendo el factor de servicio.

La norma API 610 establece que para ejes con diámetros mayores a 60 mm (2,5 pulgadas) y si es necesario remover los cubos de los acoplamientos para hacer mantenimiento a los sellos y cojinetes, es recomendable que el montaje de los cubos sea en un eje cónico, con una conicidad de 60 mm/m (0,75 pulgadas/pie). La norma da libertad para que si es especificado se pueden usar acoplamientos montados hidráulicamente.

Indica también que todos los acoplamientos deben tener guarda-acoples removibles y que al ser removidos no causen desmontaje parcial de la bomba o accesorios. Para evitar accidentes o heridas al personal por las partes móviles los guarda acoples deben ser cerrados y construidos con la suficiente rigidez para evitar contacto con las partes en movimiento en condiciones de carga.

Según el API 610 los guarda-acoples deben ser fabricados de láminas sólidas de acero, latón o compuestos no metálicos, con una puerta o ventana para inspección, la norma prohíbe la utilización de los guarda-acoples hechos con maya o perforados.

La figura 14-1 muestra la fotografía de un acoplamiento flexible mostrando las partes principales que son los cubos que lo unen a los ejes, los espaciadores que facilitan el mantenimiento, los elementos flexibles que absorben la desalineación y los pernos que unen el conjunto de partes.

La norma ASME B73.1 no hace ninguna mención a los acoplamientos, sin embargo, de forma general es conveniente indicar que los guarda-acoples deben ser solicitado cuando se especifica una bomba, ya que es necesario por razones de seguridad.

Es conveniente también que se especifique el material óptimo del guarda-acoples, para potencias medias y altas debe ser de acero, diseñado para estar fijo al “skid” de la bomba mediante tornillos y con compuerta de inspección. Los guarda-acoples fabricados con láminas de aluminio o en fundición de aluminio son aceptados cuando se requieran guarda-acoples antichispa.

Figura N° 14-1.- Fotografía de un acoplamiento mostrando sus partes.
Figura N° 14-1.- Fotografía de un acoplamiento mostrando sus partes.
Fuente: http://www.delzer.com/rex/2024.pdf

En las bombas verticales se utilizan los acoplamientos rígidos ajustables axialmente. Este acoplamiento debe ser más rígido que flexible para transmitir la carga axial generada por la bomba, adicionalmente deben ser ajustables axialmente para posicionar adecuadamente los impulsores en los tazones de la bomba.

Los acoplamientos más usados en la actualidad en las bombas centrífugas son los acoplamientos de engranaje, los de resortes de agarre continuo, los elastoméricos los de láminas metálicas y los acoplamientos de diafragma.

La figura N° 14-2 muestra un cuadro comparativo con tres de los tipos de acoplamientos más utilizados los acoplamientos elastoméricos, los de láminas y los acoplamientos dentados.

El cuadro comparativo contrasta parámetros como la rigidez torsional, tamaño relativo, comportamiento ante las temperaturas, mantenimiento, velocidad, necesidad de lubricación, etc. Es de destacar en esta figura que los acoplamientos secos de láminas metálicas presentan muchas más ventajas que otros tipos de acoplamientos en servicios industriales, sin embargo, en la práctica su precio más es mayor que el de los acoplamientos elastoméricos, ellos son aplicados principalmente en bombas centrífugas de mediana y alta energía.

Figura N° 14-2.- Cuadro comparativo entre los diferentes diseños de acoplamientos.
Figura N° 14-2.- Cuadro comparativo entre los diferentes diseños de acoplamientos.
Fuente: Manual Básico de Bombas, por José Acosta, 1995

Una referencia excelente para la verificación del tipo de acoplamiento a instalar en una bomba es el diagrama presentado en la figura N° 14-3, la cual fue tomada de los manuales de referencia de las guías de tribología de Michael Neal. El diagrama combina la relación Potencia/Velocidad (P/RPM), es decir torque con la velocidad de la máquina en la cual el acoplamiento está o será instalado. En el eje vertical tenemos el Torque y en el eje horizontal la velocidad del equipo da como resultado una serie de áreas que establecen los límites de trabajo de los diferentes diseños de acoplamiento.

El diagrama establece tres áreas de trabajo un Área General designada como “General Engineering” (equipos pequeños y de baja potencia), un Área de Flexibilidad en Torsión designada como “Flexible in Torsión” (equipos de mediana energía) y un Área de Alta Potencia y Velocidad designada como “High Power and Speed” (equipos de alta potencia).

Por ejemplo, si se tiene una bomba centrífuga accionada por un motor eléctrico de 745 kW (1.000 HP) que gira a una velocidad de 3.600 RPM, el torque resultante es 0,28 HP/RPM, cuando se entra al diagrama de la figura 14-3 el servicio queda en la Área de Alta Potencia y Velocidad (High Power and Speed), resultando viable en esta aplicación el uso de acoplamientos flexible de láminas, acoplamientos flexibles de diafragma y acoplamientos de engranajes.

A continuación, se hace una descripción breve de los principales diseños de acoplamientos usados en las bombas centrífugas aplicadas en servicios de la Industria Petrolera, como los acoplamientos de engranajes, acoplamientos de rejilla de agarre continuo, acoplamientos elastoméricos y acoplamientos de discos metálicos.

Figura N° 14-3.- Diagrama que referencial que define los límites de rendimiento para los diseños comerciales de acoplamientos.
Figura N° 14-3.- Diagrama que referencial que define los límites de rendimiento para los diseños comerciales de acoplamientos.
Fuente:Triboloby Handbook, 3ra edition, Mike Neal

Para las bombas de baja y mediana energía, donde no se aplican acoplamientos fijados hidráulicamente, la interferencia recomendada entre el eje de la bomba y el cubo del acoplamiento debe estar en el orden de 7,6 a 12,7 μm (0,0003 a 0,0005 pulgadas), aplicando esto para la mayoría de las bombas de uso general que giran a velocidades hasta 3.600 RPM. En equipos de alta energía la interferencia puede llegar hasta 63,5 μm (0,0025 pulgadas) por cada pulgada de diametro del eje, donde es instalado el acoplamiento, cuando se usan dispositivos hidráulicos para la instalación y desmontaje del acoplamiento.

Acerca del autor de este libro:

José Miguel Acosta Pérez

José Miguel Acosta Pérez, es Ingeniero Mecánico egresado de la Universidad Simón Bolívar (USB) (Venezuela-1982); Especialista en Equipos Rotativos, Universidad Simón Bolívar (USB) (Venezuela-1990), Especialista en Gerencia de Proyectos, Universidad Católica Andrés Bello (UCAB) (Venezuela-2001), Especialista en Equipos para Producción de Petróleo On and Offshore, Universidade de Iguazu (UNIG) (Brasil-2010). 

E-mail de contacto: jose.acosta_pumpbook.com.br

CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN

1.1.- ¿Qué es una Bomba?
1.2.- ¿Qué son las Bombas Centrífugas?

CAPÍTULO 2
PARTES DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

2.1.- Impulsores
2.2.- Eje
2.3.- Carcasa
2.4.- Anillos de Desgaste
2.5.- Cojinetes
2.6.- Sellos Mecánicos

CAPÍTULO 3
¿CÓMO LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS TRANSMITEN LA ENERGÍA A LOS FLUIDOS?

3.1.- Cabezal Total de una Bomba Centrífuga
3.2.- Sistemas Asociados a las Bombas y sus Características
3.3.- Potencia y Eficiencia en las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 4
CURVAS DE RENDIMIENTO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

4.1.- Forma de la Curva de Rendimiento
4.2.- Diseño Hidráulico de las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 5
CEBADO DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

5.1.- Cebado Manual con Válvula de Pie
5.2.- Cebado con Tanque de Cámara Simple
5.3.- Cebado por Succión Positiva
5.4.- Cebado con Eyectores
5.5.- Cebado con Bombas de Vacío

CAPÍTULO 6
CARACTERÍSTICAS DE SUCCIÓN DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA

6.1.- Como se Determina el NPSHA
6.2.- Como se Determina el NPSHR
6.3.- Como Mejorar el NPSHA de un Sistema de Bombeo
6.4.- Fenómeno de Cavitación

CAPÍTULO 7
OPERACIÓN CON LÍQUIDOS VISCOSOS

CAPÍTULO 8
FLUJO MÍNIMO

8.1.- Flujo Mínimo Térmico
8.2.- Flujo Mínimo Continuo

CAPÍTULO 9
LEYES DE AFINIDAD

9.1.- Aplicación de las Leyes de Afinidad
9.2.- Ajustes en los Impulsores Luego del Corte

CAPÍTULO 10
OPERACIÓN CON MÁS DE UNA BOMBA

10.1.- Bombas Operando en Paralelo
10.2.- Bombas Operando en Serie

CAPÍTULO 11
PARTES Y SISTEMAS ACCESORIOS PARA LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

CAPÍTULO 12
COJINETES

12.1.- Cojinetes Radiales
12.2.- Cojinetes de Empuje

CAPÍTULO 13
LUBRICACIÓN

13.1.- Tipos de Lubricación
13.2.- Lubricación con Grasa
13.3.- Lubricación con Aceite

CAPÍTULO 14
ACOPLAMIENTO

14.1.- Acoplamientos de Engranajes
14.2.- Acoplamientos de Rejilla de Agarre Continuo
14.3.- Acoplamientos Elastoméricos
14.4.- Acoplamiento Flexible de Láminas Metálicas

CAPÍTULO 15
SELLADO DEL EJE

15.1.- Caja de Sellos
15.2.- Empaquetaduras
15.3.- Sellos Mecánicos

CAPÍTULO 16
MATERIALES DE FABRICACIÓN

16.1.- Materiales de Acuerdo con el ASME B73.1
16.2.- Materiales de Acuerdo con el API 610
16.3.- Otras Consideraciones

CAPÍTULO 17
INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

17.1.- Control por Regulación de Flujo
17.2.- Control por Recirculación
17.3.- Control por Variación de Velocidad
17.4.- Otras Consideraciones para el Control de Flujo

CAPÍTULO 18
MOTORES ELÉCTRICOS

CAPÍTULO 19
VIBRACIÓN MECÁNICA EN BOMBAS CENTRÍFUGAS

19.1.- Como se Miden las Vibraciones y Como son Interpretadas
19.2.- Que Dicen el Asme B73.1 Y el API 610 Sobre Vibración
19.3.- Causas de las Vibraciones en las Bombas Centrífugas

CAPÍTULO 20
PRINCIPALES TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS

20.1.- Bomba de Succión Frontal
20.2.- Bomba Vertical en Línea
20.3.- Bombas Horizontales Multietapas
20.4.- Bomba Doble Succión Axialmente Partida, Entre Cojinetes
20.5.- Bomba Vertical Tipo Turbina

CAPÍTULO 21
CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS

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