Ventajas y desventajas de usar cojinetes magnéticos activos vs cojinetes de aire/gas vs cojinetes de aceite lubricante en la turbomaquinaria

Sinopsis

Este artículo trata de las diferentes opciones disponibles para las turbomáquinas con respecto al uso de los cojinetes radiales y axiales en turbomaquinaria, en particular respecto a los cojinetes son los que mantienen la separación entre el rotor en movimiento respecto a la sección fija o estática que es la carcasa del equipo. En este caso, nos referimos a los que son del tipo lubricados con aceite a presion, los que mantienen la separación mediante la aplicación de un gas o de aire a presión a fin de evitar la fricción y roce entre el rotor y carcasa, y los cojinetes del tipo activo magnético, ya en aplicaciones cada vez mas criticas en la industria pesada a nivel mundial. Aquí veremos las ventajas y desventajas en el uso de estos, los limites en el diseño, selección y el desarrollo de su ingeniería aplicada a turbomáquinas, los cuestionamientos asociados del porque usarlos, cuando usarlos, donde aplicarlos, cual aplicar, que tipo de consideraciones aplicar, y como usarlos en cada caso. Se resumen los pasos criticos a seguir para su uso a través de los métodos, procedimientos, acciones especificas, que estudios considerar, que tipo de mitigaciones aplican, y que recomendaciones seguir en los usos en la industria global en general.

1. Cojinetes Magnéticos Activos (AMBs)

Ventajas:

• Operación sin contacto: Los AMBs eliminan el contacto físico, minimizando el desgaste y reduciendo el riesgo de fallas causadas por fricción.

• Alta fiabilidad: Los AMBs proporcionan un control preciso sobre la posición del rotor, reduciendo las posibilidades de desalineación y fallas relacionadas con la vibración.

• Mayor seguridad: Los AMBs ofrecen capacidades de control avanzado del monitoreo de las condiciones, permitiendo la detección temprana de fallos y previniendo fallas catastróficas.

• Mejora en la eficiencia: La ausencia de fricción reduce las pérdidas de energía, lo que lleva a una mayor eficiencia del sistema en general.

• Beneficios ambientales: Los AMBs eliminan la necesidad de aceite lubricante, reduciendo el riesgo de fugas de aceite y contaminación ambiental.

Desventajas:

• Complejidad: Los AMBs requieren sistemas de control sofisticados y alimentación electrónica, aumentando la complejidad y el costo del sistema.

• Sensibilidad a interrupciones del suministro de energía: Los AMBs dependen de un suministro eléctrico continuo, y las interrupciones de energía pueden provocar una pérdida repentina de soporte del rotor.

• Especialización específica: La instalación, mantenimiento y resolución de problemas de los AMBs pueden requerir conocimientos y habilidades especializadas.

2. Cojinetes de Aire/Gas

Ventajas:

• Operación sin contacto: Los cojinetes de aire/gas eliminan el contacto mecánico, reduciendo el desgaste y el riesgo de fallas asociadas con la fricción.

• Capacidad de alta velocidad: Los cojinetes de aire/gas pueden soportar operaciones de alta velocidad, lo que los hace adecuados para aplicaciones de turbomaquinaria.

• Sistema de lubricación simplificado: Los cojinetes de aire/gas no requieren sistemas de lubricación complejos, reduciendo las necesidades de mantenimiento.

• Efecto de enfriamiento: El flujo de aire comprimido o gas puede proporcionar enfriamiento al rotor, ayudando a controlar el aumento de temperatura.

Desventajas:

• Capacidad de carga limitada: Los cojinetes de aire/gas pueden tener una capacidad de carga menor en comparación con otros tipos de cojinetes, lo que limita su idoneidad para ciertas aplicaciones.

• Sensibilidad a la contaminación: Los cojinetes de aire/gas son sensibles a la contaminación por partículas, lo que requiere un control cuidadoso del entorno operativo.

• Precisión reducida: En comparación con los AMBs, los cojinetes de aire/gas pueden ofrecer una menor precisión en el control de posición del rotor.

3. Cojinetes de aceite lubricante

Ventajas:

• Tecnología probada: Los cojinetes de aceite lubricante tienen una larga historia de aplicación exitosa en turbomaquinaria y compresores centrífugos.

• Capacidad de carga: Los cojinetes de aceite lubricante pueden manejar cargas más altas y acomodar mayores claros (holgura).

• Tolerancia a los contaminantes: Los cojinetes de aceite lubricante pueden resistir ciertos niveles de contaminación por aceite, sin efectos adversos inmediatos.

• Rentabilidad: Los sistemas de cojinetes de aceite lubricante son generalmente menos costosos de implementar y mantener.

Desventajas:

• Fricción y desgaste: Los cojinetes de aceite lubricante dependen de una película lubricante, lo que los hace susceptibles al desgaste y requiere análisis y mantenimiento regulares del aceite.

• Fugas de aceite y preocupaciones ambientales: La presencia de aceite lubricante aumenta el riesgo de fugas y de contaminación ambiental si no se gestiona adecuadamente.

• Requisitos de mantenimiento: Los cojinetes de aceite lubricante requieren mantenimiento regular, incluidos cambios de aceite, filtración y monitoreo de la calidad del aceite.

Es importante tener en cuenta que la selección de un sistema de cojinetes debe considerar los requisitos específicos de la aplicación, las condiciones de operación, las limitaciones presupuestarias y las estrategias de mitigación de riesgos.

Cada tipo de cojinete tiene su propio conjunto de ventajas y desventajas. Colaborar con ingenieros experimentados y considerar una evaluación integral de riesgos puede ayudar a tomar una decisión informada que priorice la confiabilidad, la disponibilidad y la seguridad mientras se minimizan los riesgos críticos y ambientales y las fallas en las industrias de petróleo y gas.

Límites en ingeniería y diseño para diferentes tipos de cojinetes

Al aplicar cojinetes magnéticos activos (AMBs), cojinetes de aire/gas y cojinetes de aceite lubricante en compresores centrífugos y en turbomaquinaria para mejorar la fiabilidad, disponibilidad y seguridad, evitando riesgos críticos y ambientales y fallas en las industrias de generación de potencia, petroquímica, petróleo y gas, se deben considerar ciertos límites en ingeniería y diseño. Estos límites incluyen:

1. Cojinetes magnéticos activos (AMBs)

• Fiabilidad del suministro de energía: Los AMBs requieren un suministro de energía continuo y confiable. Cualquier interrupción o fallo en el suministro de energía puede provocar una pérdida inmediata de soporte del rotor, potencialmente causando una falla catastrófica.

• Complejidad del sistema de control: El diseño e implementación del sistema de control para AMBs involucran electrónica y software sofisticados. Se requieren experiencia adecuada y recursos de mantenimiento para garantizar el funcionamiento y rendimiento adecuados del sistema de control.

• Costo: El costo de capital o inversion inicial de instalar AMBs puede ser más alto en comparación con otros tipos de cojinetes, por lo que es esencial evaluar la viabilidad económica y los beneficios de usar AMBs en cada aplicación específica.

2. Cojinetes de Aire/Gas

• Sensibilidad a la contaminación: Los cojinetes de aire/gas son susceptibles a la contaminación por partículas, lo que puede afectar su rendimiento y vida útil. El entorno operativo debe controlarse cuidadosamente para evitar la contaminación que podría comprometer la operación del cojinete.

• Capacidad de carga: Los cojinetes de aire/gas pueden tener limitaciones en la capacidad de carga, lo que los hace menos adecuados para aplicaciones con cargas axiales o radiales elevadas.

• Precisión y estabilidad: Lograr alta precisión y estabilidad en la posición del rotor puede ser desafiante con cojinetes de aire/gas, especialmente a velocidades más bajas. Se necesitan consideraciones de diseño para garantizar suficiente precisión y estabilidad para la aplicación específica.

3. Cojinetes de aceite lubricante

• Fricción y desgaste: Los cojinetes de aceite lubricante dependen de una película lubricante para reducir la fricción y el desgaste. Sin embargo, con el tiempo, puede ocurrir desgaste y la película lubricante puede degradarse, requiriendo mantenimiento regular y monitoreo para prevenir fallas.

• Fugas de aceite: La presencia de aceite lubricante aumenta el riesgo de fugas, lo que puede resultar en contaminación ambiental y peligros para la seguridad. Se necesitan medidas de diseño adecuadas y prácticas de mantenimiento para prevenir fugas de aceite.

• Control de temperatura: Los cojinetes de aceite lubricante requieren un control efectivo de la temperatura para prevenir el sobrecalentamiento, especialmente en aplicaciones de alta velocidad. Los sistemas de enfriamiento y el monitoreo de la temperatura del aceite son esenciales para mantener una operación confiable y segura.

Al implementar estos tipos de cojinetes en plantas existentes o en nuevos proyectos, es crucial considerar los requisitos específicos de la aplicación, las condiciones operativas y las estrategias de mitigación de riesgos. Realizar evaluaciones de riesgos exhaustivas, involucrar a ingenieros experimentados y adherirse a estándares de la industria y mejores prácticas ayudarán a superar los límites y garantizar el diseño y la ingeniería apropiados de estos cojinetes para mejorar la fiabilidad, disponibilidad y seguridad, mientras se minimizan los riesgos críticos y ambientales y las fallas en la industria.

Por qué, cuándo, dónde, qué, cuál y cómo usar los diferentes tipos de cojinetes

1. ¿Por qué utilizar y aplicar estos tipos de cojinetes?

• Mejora de la fiabilidad: Estos tipos de cojinetes ofrecen varias ventajas, como la reducción de la fricción, el desgaste y la vibración, lo que conduce a una mayor fiabilidad y una vida útil más larga del equipo.

• Aumento de la disponibilidad: Al minimizar las fallas y los requisitos de mantenimiento, estos cojinetes pueden aumentar el tiempo de actividad y la disponibilidad del equipo, lo que resulta en una mayor productividad general de la planta.

• Garantizar la seguridad: La selección y diseño adecuados de cojinetes contribuyen a una operación segura y estable del equipo, reduciendo el riesgo de accidentes y peligros para la seguridad.

• Mitigar riesgos y fallas: Cada tipo de cojinete tiene características y beneficios específicos que ayudan a mitigar riesgos críticos, como son las fugas de aceite, interrupciones de energía y problemas de contaminación.

2. ¿Cuándo utilizar y aplicar cada tipo de cojinete?

• Cojinetes Magnéticos Activos (AMBs): Considera utilizar AMBs cuando se requiera alta precisión, control y monitoreo de condiciones, y cuando se requiera de forma crucial minimizar el desgaste mecánico y la fricción.

• Cojinetes de Aire/Gas: Elige cojinetes de aire/gas para aplicaciones que requieran altas velocidades, baja fricción y sistemas de lubricación simplificados, como la turbomaquinaria de alta velocidad.

• Cojinetes de Aceite Lubricante: Selecciona cojinetes de aceite lubricante para aplicaciones con cargas moderadas, velocidades más bajas y donde la tecnología haya sido probada, y donde la capacidad de carga y la rentabilidad sean prioridades.

3. ¿Dónde utilizar y aplicar cada tipo de cojinete?

• Plantas existente: Evalúa la viabilidad y los beneficios de adaptar o actualizar compresores centrífugos o turbomaquinaria existente con el tipo de cojinete deseado según los objetivos y requisitos específicos.

• Nuevos proyectos: Durante la fase de diseño e ingeniería de nuevos proyectos, considera cuidadosamente los requisitos de aplicación, las condiciones de operación y los objetivos del proyecto para determinar el tipo de cojinete más adecuado.

4. ¿Cuáles son las consideraciones al seleccionar un tipo de cojinete?

• Requisitos de aplicación: Evalúa los requisitos específicos del compresor o turbomaquinaria, incluida la capacidad de carga, el rango de velocidad, la precisión y la estabilidad.

• Factores ambientales: Considera la presencia de gases corrosivos o peligrosos, el potencial de fugas de aceite o la sensibilidad a contaminantes en el entorno operativo.

• Consideraciones de seguridad: Evalúa las implicaciones de seguridad de cada tipo de cojinete, como el riesgo de fallas catastróficas, interrupciones de energía o peligros ambientales.

5. ¿Qué tipo de cojinete elegir?

La selección depende de factores como son la velocidad, capacidad de carga, precisión, requisitos de mantenimiento, disponibilidad de energía, costo y consideraciones específicas de la aplicación. Colabora con ingenieros o técnicos experimentados, fabricantes de cojinetes y consultores para evaluar los requisitos específicos y tomar una decisión informada.

6. ¿Cómo utilizar y aplicar cada tipo de cojinete de manera efectiva?

• Diseño e ingeniería: Asegúrate de que el sistema de cojinete se integre correctamente en el diseño general del compresor o turbomaquinaria, considerando factores como dinámica del rotor, gestión térmica y sistemas de control.

• Instalación y puesta en marcha: Sigue las pautas del fabricante y las mejores prácticas durante el proceso de instalación y de puesta en marcha para garantizar una alineación, balanceo y calibración adecuados.

• Mantenimiento y monitoreo: Implementa un programa de mantenimiento integral que incluya inspecciones regulares, lubricación, monitoreo de condiciones y técnicas de mantenimiento predictivo.

Al considerar cuidadosamente los aspectos de por qué, cuándo, dónde, qué, cuál y cómo utilizar y aplicar estos tipos de cojinetes, puedes optimizar la fiabilidad, disponibilidad y seguridad mientras se minimizan los riesgos críticos y ambientales y las fallas en la industria, ya sea en plantas existentes o para nuevos proyectos. La colaboración con expertos y el cumplimiento de estándares y mejores prácticas de la industria desempeñan un papel crucial en la implementación exitosa.

Procedimientos, acciones, estudios, mitigación, recomendaciones para el uso de diferentes tipos de cojinetes

1. Procedimientos y acciones

• a. Evaluación integral de riesgos: Realizar una evaluación exhaustiva de riesgos para identificar posibles modos de fallo, riesgos críticos y preocupaciones ambientales asociadas con los tipos de cojinetes y aplicaciones específicas.

• b. Análisis específico de la aplicación: Realizar un análisis detallado de los requisitos del sistema, incluida la capacidad de carga, rango de velocidad, precisión, temperatura y condiciones ambientales.

• c. Selección de cojinetes: Evaluar las ventajas, desventajas y limitaciones de cada tipo de cojinete frente a los requisitos de la aplicación identificados para determinar la opción más adecuada.

• d. Diseño de ingeniería: Asegurar que el sistema de cojinetes esté integrado adecuadamente en el diseño general, considerando factores como la dinámica del rotor, la gestión térmica y los sistemas de control.

• e. Instalación y puesta en marcha: Seguir las directrices del fabricante y las mejores prácticas según las normas aplicables para la instalación adecuada, alineación, balanceo y calibración del sistema de los cojinetes.

• f. Mantenimiento y monitoreo: Implementar un programa de mantenimiento proactivo que incluya inspecciones regulares, lubricación, monitoreo de condiciones y técnicas de mantenimiento predictivo.

• g. Formación y expertise: Proporcionar formación para operadores, personal de mantenimiento e ingenieros involucrados en la instalación, operación y mantenimiento del sistema de cojinetes elegido.

2. Estudios y mitigación

• a. Análisis de Modos y Efectos de Falla (FMEA): Realizar estudios FMEA para identificar posibles modos de fallo, sus efectos en el rendimiento del sistema y estrategias de mitigación.

• b. Estudios de detección y diagnóstico de fallas: Desarrollar o utilizar técnicas avanzadas de monitoreo de condiciones para detectar y diagnosticar problemas potenciales en tiempo real, permitiendo una intervención oportuna y acciones preventivas.

• c. Control de contaminación: Implementar medidas efectivas de control de contaminación, como sistemas de filtración, para mitigar el riesgo de que los contaminantes afecten adversamente el rendimiento del cojinete y la fiabilidad del sistema.

• d. Gestión de la temperatura: Desarrollar sistemas de refrigeración adecuados y mecanismos de monitoreo para controlar la temperatura del cojinete y prevenir el sobrecalentamiento.

• e. Redundancia y sistemas de respaldo: Considerar la implementación de sistemas redundantes o soluciones de respaldo para garantizar la operación continua en caso de fallo del cojinete o interrupciones de energía.

• f. Protección ambiental: Implementar medidas para prevenir fugas de aceite, controlar emisiones y minimizar el impacto ambiental de los sistemas de cojinetes, especialmente en entornos sensibles o regulados.

3. Recomendaciones

• a. Enfoque colaborativo: Colaborar con fabricantes de cojinetes, expertos de la industria y consultores para beneficiarse de su experiencia y obtener ideas sobre las mejores prácticas para la selección, instalación, operación y mantenimiento de cojinetes.

• b. Cumplimiento con normativas: Adherirse a las normas de la industria, directrices y regulaciones relevantes para el diseño, instalación y seguridad de cojinetes para garantizar el cumplimiento y mitigar riesgos.

• c. Mejora continua: Fomentar una cultura de mejora continua mediante el monitoreo del rendimiento del sistema, recopilación de experiencias e implementación de lecciones aprendidas para optimizar el uso y rendimiento de los cojinetes con el tiempo.

• d. Documentación y gestión del conocimiento: Mantener una documentación completa de los procedimientos relacionados con los cojinetes, registros de mantenimiento y lecciones aprendidas para facilitar la transferencia de conocimientos, solución de problemas y toma de decisiones en el futuro.

Siguiendo estos procedimientos, acciones, estudios, mitigaciones y recomendaciones, se puede mejorar la fiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad de compresores centrífugos y turbomaquinaria, al tiempo que se reducen los riesgos críticos y ambientales y las fallas tanto en plantas existentes como en nuevos proyectos dentro de la industria.

Luis Alberto Martinez Llaurado

Ingeniero Mecánico, Especialista en Equipos Rotativos.