El análisis de condiciones en equipos reciprocantes representa un reto interesante para la operación y el mantenimiento; y con mayor responsabilidad para el ingeniero CBM; debido a la complejidad de estos equipos, en cuento a su conformación interna, los diversos sistemas que lo conforman y la variabilidad operacional con que pueden operar; es por ello que, en gran medida, la efectividad en los diagnósticos depende de la correcta integración de las diferentes técnicas del mantenimiento predictivo. Es imperativo saber los tipos de fallas que se pueden detectar con cada técnica aplicada o cuales y como se deben integrar diferentes técnicas para poder detectar otros tipos de fallas.

Las técnicas del mantenimiento predictivo más importantes en cuanto a aplicabilidad para el diagnostico de condiciones en equipos reciprocantes son:

• Análisis de vibraciones.
• Análisis de aceite.
• Termografía.

Aunque no está definida como una técnica del mantenimiento predictivo; el análisis de rendimiento es una herramienta importante para el diagnóstico de condiciones en motores de combustión interna (en los casos que cuente con las facilidades para realizar registros de presión) y en compresores reciprocantes.

A pesar de que el análisis de vibraciones integrado al análisis de rendimiento y el análisis de aceite constituyen las técnicas principales para el diagnóstico de condiciones en equipos reciprocantes; no todo los tipos de fallas que se pueden dar en este tipo de equipos son detectables o fácilmente detectables con el uso e integración de las técnicas mencionadas; he aquí donde la técnica de termografía infrarroja integrada al monitoreo de condiciones de equipos reciprocantes, proporciona soporte adicional e incrementa los tipos de condiciones detectables y diagnosticables.

La termografía Infrarroja conceptualmente está definida como: “la técnica de producir una imagen visible a partir de radiación infrarroja invisible (para el ojo humano) emitida por objetos de acuerdo con su temperatura superficial. La energía que las máquinas emiten desde su superficie viaja en forma de ondas electromagnéticas a la velocidad de la luz; esta energía es directamente proporcional a su temperatura, lo cual implica que, a mayor calor, mayor cantidad de energía emitida. La cámara termografía es la herramienta que realiza esta transformación”.

Si bien es cierto que, la termografía infrarroja está catalogada como una de las principales técnicas del mantenimiento predictivo; también es cierto que el desarrollo y aplicabilidad de esta ha tenido mayor afinidad en el área eléctrica sobre el área mecánica, y más aún en equipos reciprocantes. Es por ello que lograr integrar esta técnica, de manera efectiva, constituye un desafío interesante que en gran medida depende del conocimiento sobre la constitución de cada sistema del equipo, del contexto operativo y de cómo se manifiestan los mecanismos de falla.

Como profesional en el análisis / diagnóstico de condiciones de equipos reciprocantes, el desarrollo del presente artículo tiene como finalidad dar a conocer, con los soportes técnicos pertinentes, cómo realizar la integración de la termografía infrarroja en el diagnóstico de condiciones de compresores reciprocantes; siendo de los diagnósticos más representativos, la detección de falla por fuga de gas a través de caja de empaquetadura de los cilindros compresores.

Funcionamiento del sistema de la caja de empaquetadura

Para tener una mejor comprensión de cómo se realiza el diagnóstico de fuga de gas a través de la caja de empaquetadura mediante la aplicación de la termografía infrarroja; es imperativo conocer cómo funciona este sistema, es por ello que a continuación se describirá de forma resumida.

La caja de empaquetadura se instala entre el cilindro y la pieza distanciadora. Contiene varios juegos de anillos que sellan entre el vástago del pistón y la superficie de las copas de la empaquetadura para evitar el pase de gas del cilindro hacia la pieza distanciadora.

El anillo rompe-presión reduce primero la presión del gas proveniente del cilindro. La presión remanente fuerza el flujo de gas hacia la copa 2 de la empaquetadura y las fuerzas generadas por este activan los anillos y el sello que estos deben realizar alrededor del vástago de pistón y contra la superficie de la copa siguiente para disminuir aún más la presión de Gas. Cada copa de la empaquetadura y juego de anillos a continuación reduce el flujo de gas que sale de la caja de empaquetadura hacia la línea de venteo / drenaje de esta.

“La caja de empaquetadura no sella totalmente el flujo de gas, sino que reduce considerablemente el flujo y la presión de este. En normal que se genere un mínimo venteo de gas (<2 scfm para compresores Ariel) a baja presión”.

Existen varios tipos de fugas provenientes de la caja de empaquetadura, estas se distinguen de acuerdo con el elemento origen donde se da la condición y el direccionamiento del gas, como se aprecia en la Figura 4; además del efecto que este causa como mecanismo de falla. A continuación, mencionamos los tipos de fuga:

1. Fuga por la junta de la caja de empaquetadura: El gas que fuga se desplaza a través de las copas y sale hacia la sección del distanciador donde se ubica la brida de la caja de la empaquetadura; Presurizando esa sección del distanciador y generando mayor volumen de venteo por el “cuello de cisne” o venteo superior.
   
2. Fuga entre copa / copa de la caja de empaquetadura: Se manifiesta de la misma manera expuesta en el tipo de fuga 1.
   
3. Fuga por anillos de la caja de empaquetadura: El gas que fuga se desplaza hacia la línea de venteo inferior de la empaquetadura, conectada en la cara frontal de la brida, el cual sale por la parte inferior del distanciador; ocasionando incremento de la temperatura de la línea de venteo, por el incremento del flujo de gas por esta sección.

Los tipos de fuga 1 y 2 son fácilmente detectables debido a que estas se manifiestan mediante el incremento considerable del caudal de gas que se desaloja de la pieza distanciadora a través del venteo superior (Figura 5), en ocasiones dispuesto a la atmosfera y en otras canalizado a través de un sistema cerrado que va a la tubería de venteo de la unidad. En el tipo de fuga 3 es un poco más compleja de detectar la anomalía o mecanismo de falla que genera la condición de fuga; es aquí donde la técnica de termografía infrarroja tiene su utilidad y aplicabilidad.

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Criterios para el diagnóstico de fuga en la caja de empaquetadura en cilindro de compresor reciprocante

A continuación, se presentan los criterios para el diagnóstico de fuga de caja de empaquetadura en cilindros compresores mediante el uso de la termografía infrarroja.

1. Registro del termograma: El registro del termograma debe realizarse enfocando el venteo inferior de la empaquetadura, ubicado en la parte inferior de la pieza distanciadora; además dentro del termograma también se debe apreciar la boquilla de descarga del cilindro, con el fin de apreciar tanto la temperatura del tubing de venteo inferior como la temperatura de descarga del cilindro.

2. Fundamento para el diagnóstico: El fundamento para el diagnóstico se basa en la temperatura de funcionamiento del venteo inferior de la caja de empaquetadura; y esta se compara con la temperatura de descarga del cilindro.

En condiciones normales de funcionamiento la temperatura de venteo de la empaquetadura es menor que la temperatura de descarga del cilindro al cual pertenece la empaquetadura (Tve < Tdc), como se puede apreciar en la Figura 7. Cuando existe una condición de fuga (Tipo 3), el gas que fuga desde los anillos de la empaquetadura genera incremento de la temperatura del venteo inferior de esta, haciéndose mayor que la temperatura de descarga del cilindro (Tvp > Tdc) como se puede apreciar en la Figura 8; esto es un indicio de que existe una condición del tipo de fuga ya descrito.

Tve: Temperatura de Venteo Empaquetadura.
Tdc: Temperatura de Descarga del Cilindro.

3. Criticidad de la condición: La condición se hace más crítica en la medida que se incrementa la temperatura de venteo inferior de la empaquetadura y se hace cada vez mayor que la temperatura de la boquilla de descarga del cilindro; siendo considerada una condición de alerta un delta de 20 °F y una condición de parada un delta de 30 °F, como se aprecia en la Figura 8; esto establecido para compresores Ariel ER-56-07, sin embargo, esta referencia ha sido aplicada de manera satisfactoria en compresores de otras marcas.

4. Efectividad del Diagnóstico: Con base en los criterios para la aplicación de la técnica y a los datos evidenciados en el termograma de la Figura 8; se realiza la recomendación de reemplazo de caja de empaquetadura (considerada en estado crítico) y la verificación de estado de componentes internos de la caja de empaquetadura desmontada. En la Figura 9 se evidencia la afectación de la integridad en anillos de una de las copas de la caja de empaquetadura; con ello se corrobora la efectividad del diagnóstico y la validez de los criterios para la implementación de la técnica.

Conclusiones y recomendaciones

• La aplicación de los criterios para el diagnóstico de fuga en caja de empaquetadura en cilindros de compresores reciprocantes, mediante la aplicación de la termografía, es un método efectivo para la detección de este tipo de fallas.

• La aplicación de la técnica permite realizar un diagnóstico oportuno, sin afectar la continuidad operacional del equipo, es decir, no se requiere sacar de servicio, ni realizar una inspección intrusiva para diagnosticar este tipo de fallas.

• En condiciones de funcionamiento normal, la temperatura de venteo de la empaquetadura del cilindro debe ser menor a la temperatura de descarga del cilindro.

• La fuga de gas por la empaquetadura afecta la eficiencia volumétrica del cilindro y puede llegar a afectar la viscosidad del aceite al ingresar el gas al carter del compresor y entrar en contacto con el aceite.

• Mediante una rutina de monitoreo por termografía el operador puede realizar un diagnóstico temprano de una condición fuga en la caja de empaquetadura de los cilindros en un compresor reciprocante.

• La fuga de gas por la empaquetadura afecta la eficiencia volumétrica del cilindro y puede llegar a afectar la viscosidad del aceite al ingresar el gas al carter del compresor y entrar en contacto con el aceite.

• Mediante una rutina de monitoreo por termografía el operador puede realizar un diagnóstico temprano de una condición fuga en la caja de empaquetadura de los cilindros en un compresor reciprocante.

Autor: Odlanier José Mendoza Mayorga
Ingeniero Mecánico.
Especialista en el Análisis / Diagnostico de Condiciones de Equipos Reciprocantes.
Correo: odlaniermendoza@gmail.com
LinkedIn: https://www.linkedin.com/in/odlanier-jos%C3%A9-mendoza-mayorga-73a22423/