Taller ACR-P
Aprende el Análisis Causa Raíz

2.4.- Anillos de Desgaste

Su función primaria es actuar como restricción para minimizar el deslizamiento de fluidos entre las áreas de alta presión y baja presión en el interior de las bombas centrífugas. Adicionalmente son usados como elementos sacrificables, los cuales son reemplazados cuando se desgastan y se aplican por igual a la carcasa y a los impulsores.

La figura Nº 2-28 muestra el diagrama de bombas sin anillos y con anillos en la carcasa y el impulsor.

Figura N° 2-28.- Diagrama de bombas sin anillos y con anillos de desgaste.
Figura N° 2-28.- Diagrama de bombas sin anillos y con anillos de desgaste.
Fuente: Casing and Impeller. . .A Working Couple, by Ross Mackay, JUNE 2003 www.pump-zone.com.

Las bombas fabricadas bajo la especificación ASME B73.1, no poseen anillos de desgaste, debido a que esta norma no lo exige, básicamente para simplificar el diseño, para mejorar la economía en la construcción del equipo y porque acomoda impulsores completamente abiertos y semi-abiertos, donde no es posible instalar anillos de desgaste, tanto desde el punto de vista práctico como físico. Por la estreches de las holguras estos anillos están sometidos a erosión y por lo cual se diseñan para que sean reemplazables de forma de garantizar la restitución de las holguras de rodaje a bajo costo y sin necesidad de realizar trabajos mayores.

En las bombas centrífugas es necesario mantener estrechas holguras de rodaje entre la carcasa y el cubo del impulsor, entre la carcasa y el pistón de balance, etc. Se requieren estas holguras tan ajustadas con la finalidad de mantener un buen nivel de Eficiencia en la bomba, controlando la fuga o deslizamiento de fluido desde las zonas de alta presión. Como es sabido en el interior de la bomba existe un gradiente de presiones debido a que la succión de la bomba está a una presión menor que la presión en la zona de descarga, lo que genera un movimiento de fluidos desde la zona de descarga (alta presión) a la zona de succión (baja presión).

La figura Nº 2-29 muestra el diagrama de una bomba centrífuga indicando los puntos de fuga de fluidos de la zona de alta presión.

Allí se observa indicado por las flechas como el fluido se desplaza de las zonas de alta presión hacia la zona de baja presión desde la descarga hacia el área externa del impulsor, por los anillos de desgate y por los agujeros de balance hidráulico del impulsor.

Figura N° 2-29.- Diagrama de bomba indicando fugas de fluidos de la zona de alta presión hacia la zona de baja presión.
Figura N° 2-29.- Diagrama de bomba indicando fugas de fluidos de la zona de alta presión hacia la zona de baja presión.
Fuente: www.pump-zone.com

Las bombas fabricadas por el estándar API 610/ISO 13709 deben tener superficies de desgaste tanto en el impulsor como en la carcasa, las cuales pueden ser integrales al impulsor o reemplazables. Una buena práctica general es la de solicitar en las bombas centrífugas con potencias por arriba de 37 KW (50 HP), anillos de desgaste reemplazables con las holguras y sistemas de fijación recomendados por el estándar API 610/ISO 13079, así ellas no sean fabricadas usando como referencia la norma API y siempre que la configuración del impulsor lo permita.

Como regla del dedo gordo, se pueden aplicar en los anillos de desgaste las holguras del API 610/ISO 13709 como sigue: la holgura de rodaje mínima debe ser de 0,25 mm (0,010 pulgadas) para un diámetro del anillo de hasta 5,08 cm de diámetro (dos pulgadas), aumentando en 25mm (0,001 pulgadas) cada 1,27 cm (0,500 pulgada) adicional de diámetro hasta llegar a 12,57 cm (cinco pulgadas) de diámetro del anillo.

Desde 12,57 cm (cinco pulgadas) hasta 66 cm (26,00 pulgadas) se debe incrementar 25mm (0,001 pulgadas) por cada pulgada de diámetro adicional. Como consideración especial para materiales con tendencia al atascamiento (agarrotamiento) o para temperaturas sobre los 260 °C (500 °F) se deben sumar 127mm (0,005 pulgadas) al valor obtenido.

La figura Nº 2-30 muestra un anillo de desgaste montado en el ojo de succión de impulsor API 610/ISO 13709, completamente cerrado y fijado mediante tornillos prisioneros.

Los métodos de fijación de los anillos a las carcasas y a los impulsores varían de acuerdo con la necesidad y complejidad del equipo. Estos anillos pueden ser fijados mediante pasadores, por soldadura, mediante tornillos prisioneros, mediante apriete, etc.

Figura N° 2-30.- Anillo de desgaste instalado en el ojo del impulsor.
Figura N° 2-30.- Anillo de desgaste instalado en el ojo del impulsor.
Fuente: Fotografiado por el autor.

Los fabricantes en oportunidades ofertan sus holguras estándar de fábrica logrando de esta manera mejoras en la Eficiencia, pero a riesgo de tener fallas por atascamiento o roce en servicios severos y en bombas de mediana y alta energía. Las holguras recomendadas por la norma API 610/ISO 13709 son conservadoras para garantizar el buen funcionamiento en cualquier situación operacional.

Otro punto para destacar es que los anillos de desgaste de los impulsores y de la carcasa deben tener una diferencia de dureza de por lo menos 50 “Brinnell”, cuando se usan materiales con tendencia al agarrotamiento, o atascamiento por roce. Esto para evitar la soldadura de los anillos del lado dinámico y del lado estático cuando estos hagan contacto durante el funcionamiento.

Se pueden exceptuar del uso de anillos de desgaste a bombas centrífugas pequeñas, donde la instalación del anillo sea impráctica por las dimensiones de la bomba misma, en bombas de procesos o en bombas de muy alta velocidad, sobre 5.500 RPM, donde la fractura de uno de estos anillos puede inducir una falla catastrófica.

Para servicios con de fluidos abrasivos o con contaminantes se aplican anillos de desgaste con lavado de agua o lavado con productos limpios. A las bombas para manejo de contaminantes se le agregan conexiones en los anillos de desgaste por donde se le inyecta continuamente líquido de lavado a una presión mayor a la observada en el área del anillo para evitar la entrada de partículas en las holguras de rodaje.

La figura N° 2-31 muestra un diagrama de anillos de desgaste planos reemplazables fijados con tornillos prisioneros a una bomba centrífuga.

Figura N° 2-31.- Diagrama de anillos de desgaste planos.
Figura N° 2-31.- Diagrama de anillos de desgaste planos.
Fuente: Pump Hand Book-Igor J. Karassik, Joseph P. Messina, Paul Cooper, Charles C. Heald-McGraw Hill-Third Edition-2001.

El incremento de las holguras de rodaje impacta en el rendimiento de las bombas centrífugas y en su desempeño mecánico. El efecto de este incremento está relacionado con la Velocidad Específica de la bomba (Ns), para el rango de Velocidad Específica más usado en la Industria Petrolera (entre 1.500 y 3.000) un incremento de las holguras en 2x (el doble de lo especificado) reduce la Eficiencia del equipo en el orden del 2%.

El Cabezal de Descarga de la bomba (H) puede verse afectado en mayor magnitud llegando a reducirse hasta en un 3%. Para Velocidades Específicas (Ns) mayores a 3.500 los efectos en la Eficiencia y en el Cabezal son más significativos. El mayor efecto es observado en el consumo de potencia que puede superar el 6% y el NPSHR por la bomba que puede llegar a incrementarse hasta en un 100%, en el BEP.

Existe una gran variedad de diseños de anillos de desgaste, los más usados y sencillos son los anillos de desgaste planos, pero también se fabrican tipo L, en forma de laberinto, etc. La figura N° 2-32 muestra el diagrama de anillos de desgaste del tipo L, que adicionalmente a mantener las holguras de rodaje, dirige el fluido hacia el interior de la bomba.

Figura N° 2-32.- Diagrama de anillos de desgaste tipo L.
Figura N° 2-32.- Diagrama de anillos de desgaste tipo L.
Fuente: Pump Hand Book-Igor J. Karassik, Joseph P. Messina, Paul Cooper, Charles C. Heald-McGraw Hill-Third Edition-2001.

Otro elemento o variable que es afectado por el incremento de las holguras de rodaje es el empuje axial de la bomba. El empuje axial se incrementa variando el efecto con la Velocidad Específica(NS) del equipo. Adicionalmente si el diferencial de presiones es alto, entre las zonas de baja y alta presión, se producen vibraciones mecánicas de baja frecuencia que inducen pulsaciones y causan daños importantes en los impulsores.

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