Mejora en la Confiabilidad de las Turbomáquinas Monitorización Multiparámetro

El monitoreo del estado de la máquina es un proceso de verificación del estado de la maquinaria durante su etapa de explotación, que consiste en la adquisición de datos, el procesamiento de los mismos y la comparación con tendencias y líneas de base.

Monitoreo de turbomáquinas en una era de datos intensivos

Las turbomáquinas (bombas, turbinas hidráulicas y ventiladores) son máquinas rotativas muy importantes y son utilizadas en diversas industrias, que van desde industrias que hacen tratamiento de agua, industrias del petróleo y gas hasta industrias que hacen procesamiento de alimentos, la industria química y farmacéutica, etc.

A pesar de su función crucial, las turbomáquinas suelen ser una fuente de ineficiencia, paradas imprevistas y costos de mantenimiento debido a problemas de proceso no detectados oportunamente o un funcionamiento y/o operación incorrecta.

Tradicionalmente, el análisis de vibraciones ha sido el método principal para evaluar el estado de las bombas, centrándose en fallas mecánicas como desbalanceo, desalineación y desgaste de los rodamientos. Sin embargo, un enfoque basado únicamente en la vibración a menudo pasa por alto problemas clave debido a varias limitaciones:

• Muchas fallas están relacionadas con el proceso, por ejemplo, cavitación, obstrucción en línea de succión, funcionamiento fuera del punto óptimo de eficiencia, etc., donde la vibración es un síntoma secundario.

• Las condiciones de operación dinámicas (velocidad y cargas variables) provocan cambios en las condiciones de referencia, lo que dificulta el diagnóstico sin un contexto adicional.

Qué es la monitorización del estado de la máquina (CBM)

El monitoreo del estado de la máquina es un proceso de verificación del estado de la maquinaria durante su etapa de explotación. Consiste en la adquisición de datos, el procesamiento de los mismos y la comparación de datos con tendencias, línea de base y datos representativos de máquinas similares.

Condition Based Maintenance (CBM) es un enfoque de gestión de mantenimiento que se centra en la supervisión y análisis de las condiciones de los equipos para determinar el momento adecuado para llevar a cabo la intervención del mismo para su mantenimiento. Por otro lado, se cuenta con la norma ISO 17359 que establece una guía exhaustiva sobre los procesos y las mejores prácticas a seguir para garantizar una implementación exitosa del CBM.

La detección multiparamétrica aborda la vacancia que se presenta en la técnica de vibraciones de baja y alta frecuencia con mediciones como la temperatura, el flujo magnético y los datos del proceso. Esto proporciona una visión más completa del estado de la bomba y permite:

• Detección de fallos mecánicos y de proceso.

• Visibilidad de la velocidad, la carga, la presión y el caudal para contextualizar la vibración.

• Toma de decisiones más racional y fiable en cuanto a confiabilidad y mantenimiento.

La monitorización multiparámetro va más allá del análisis tradicional de vibraciones, proporcionando el contexto operativo necesario para actuar con seguridad.

Por qué es necesaria una visión más amplia del estado de las bombas

Los datos de vibración por sí solos rara vez ofrecen una visión completa, especialmente cuando las condiciones del proceso fluctúan. La monitorización multiparamétrica cubre esta deficiencia al integrar la temperatura, la presión y el flujo magnético para una mayor claridad en el diagnóstico.

El seguimiento del estado operativo es una de sus mayores ventajas. Por ejemplo, en bombas con variadores de frecuencia (VFD), los cambios de velocidad afectan directamente a la vibración. Sin conocer la velocidad de funcionamiento, la identificación de las frecuencias de fallo se torna difícil. La estimación de la velocidad mediante el flujo magnético mejora drásticamente el análisis de vibraciones.

Los datos multiparamétricos también ayudan a detectar problemas como el funcionamiento en seco, el bloqueo en succión o el aumento de la temperatura del sello, problemas que no siempre se manifiestan en la vibración de forma temprana. Estas sutiles señales relacionadas con el proceso pueden detectarse mediante cambios de temperatura o presión antes de que se produzca la falla.

Finalmente, la combinación de señales mecánicas y de proceso facilita un mejor análisis de la causa raíz y una acción correctiva más específica. Esto se traduce en decisiones más inteligentes sobre lubricación, equilibrio de carga e intervalos de servicio, lo que resulta en un programa de confiabilidad más proactivo y basado en datos.

La Tabla 1, que aparece en la página siguiente, resume cómo los diferentes parámetros ayudan a detectar los modos de fallo comunes de las bombas.

Tabla 1. Parámetros monitoreados y condiciones de falla detectadas en la bomba

Los siguientes casos prácticos destacan cómo la monitorización multiparamétrica de bombas proporciona un contexto valioso para interpretar el comportamiento de la máquina. Al combinar flujos de datos como vibración, temperatura y flujo magnético, estos ejemplos muestran cómo se detectaron problemas iniciales, o se descartaron falsas alarmas, que la vibración por sí sola podría haber pasado por alto.

Pasos para el monitoreo del estado de la máquina

Para implementar con éxito un programa de monitoreo de máquinas, es esencial seguir un código de aceptación mundial como lo es, por ejemplo, la norma ISO 17359, acoplado a un enfoque bien estructurado como el que se explicita a continuación.

1. Configuración del registro de equipos.

2. Evaluación del estado de la maquinaria y su criticidad para el funcionamiento de la instalación.

3. Identificación de la técnica adecuada de monitoreo de la condición de la máquina para cada uno de los activos disponibles.

4. Selección de tecnologías disponibles en el mercado.

5. Montaje del sistema de monitoreo continuo o monitoreo de condición.

6. Recopilación e interpretación de datos.

7. Determinación de tareas de mantenimiento.

PASO 1: Configuración del registro de equipos

Este paso tiene como objetivo crear un registro de todos los activos de las instalaciones de producción. El registro suele incluir:

• Dibujos de proceso.

• Diagramas de cableado.

• Detalles exactos de cada máquina (tipo, velocidad, acoplamiento, potencia, etc.).

• Posición de activos para encontrarlos fácilmente.

• Número de identificación único.

PASO 2: Evaluación del estado de la maquinaria y su importancia para la operación de la instalación

Se deben obtener datos históricos (registros) de fallas de activos, análisis de MTBF (tiempo medio entre fallas) y MTTR (tiempo medio de reparación), costos promedio de reparación y reemplazo, costo de tiempo de inactividad, riesgo de daño secundario. Esto permitirá identificar y seleccionar las técnicas y tecnologías adecuadas para el control del estado de la máquina.

PASO 3: Identificación de la técnica apropiada de monitoreo del estado de la máquina para cada uno de los activos disponibles

Existen varias técnicas de supervisión del estado de la máquina que se utilizan para evaluar su condición. Las que se emplean con más frecuencia son:

Monitoreo de temperatura

Se ha adoptado para la evaluación del estado de la máquina durante las últimas décadas. Hay varios métodos de monitoreo de temperatura, que van desde los pasivos sin contacto (mediante cámaras IR) hasta los basados en sensores activos (con termopares y RTD).

El escaneo IR puede brindar una buena descripción general de las máquinas o la electrónica de control e indicar problemas de sobrecalentamiento. La medición por contacto es muy útil para la detección temprana de problemas relacionados con la lubricación, aunque no tanto para detectar daños físicos como grietas y desconchados en los rodamientos.

Monitoreo de vibraciones

Es un método muy antiguo y el más utilizado para evaluar el estado de la máquina. Nos ayuda a detectar la falla y comprender su causa raíz. Los acelerómetros se utilizan para controlar los cambios de amplitud en un amplio rango de frecuencias, y este monitoreo permite comprender fenómenos como desalineación, desequilibrio, flojedad, problemas con los dientes de los engranajes o desgaste de los rodamientos antes de fallar.

Emisión acústica

Los sensores de emisión acústica se están utilizando cada vez más para el monitoreo basado en condiciones, debido a sus ventajas para la detección temprana de fallas. Sin embargo, no son adecuados para instalaciones de monitoreo permanente, por sus altos requisitos de almacenamiento de datos al operar en alta frecuencia (unos pocos kHz a MHz) y por sus precios más elevados frente a otras soluciones disponibles en el mercado. También resulta difícil identificar la fuente de los sonidos que miden los sensores.

Prueba de ultrasonido

Es una tecnología muy rentable que se utiliza especialmente para responder a la pregunta inicial de si una máquina está en buen estado o no. Los detectores de ultrasonido normalmente miden ondas de presión sonora en el rango de frecuencia entre 30 kHz y 40 kHz.

Las ondas de presión se miden utilizando un sensor resonante que transforma las ondas en una pequeña carga eléctrica. Normalmente se utiliza de la mano de técnicas de monitorización de vibraciones, ya que los técnicos suelen recurrir al ultrasonido para filtrar las máquinas buenas de las malas y luego realizar un análisis de vibración en profundidad del equipo defectuoso, con el fin de encontrar la causa raíz de los problemas.

Análisis de aceite

Normalmente se realiza en laboratorios mediante pruebas químicas para determinar el estado del aceite. Actualmente existen sensores de tribología para el control permanente de la calidad del aceite, cuyos resultados indican si se debe cambiar el lubricante.

Esta tecnología se utiliza muy raramente para evaluar el estado del activo y se centra más en determinar el estado del lubricante (viscosidad, basicidad, etc.). Sin embargo, el nivel de aceite y el seguimiento de su calidad son muy importantes para evitar reparaciones costosas.

PASO 4: Selección de tecnologías disponibles en el mercado

Como se ha visto hasta ahora, existe una amplia gama de técnicas disponibles para el monitoreo del estado de la máquina. La mejor estrategia de todo técnico de mantenimiento sería utilizar una combinación de todas ellas para obtener los mejores resultados. Sin embargo, debido a las limitaciones de tiempo y presupuesto, los diagnósticos de vibración en combinación con las mediciones de temperatura han demostrado ser los más efectivos hasta ahora.

PASO 5: Instalación de los sensores de monitoreo de condición

La instalación de los sensores de monitoreo de condición es vital para su desempeño. Lo más probable es que un montaje incorrecto proporcione datos que se relacionen no solo con un cambio en las condiciones, sino también con la inestabilidad del sensor en sí, por lo que esos datos dejan de ser confiables.

Existen varios métodos de montaje diferentes:

• Montaje con cera. Es muy conveniente, pero no se recomienda utilizar este método para montar acelerómetros. La inconsistencia en el espesor y el efecto amortiguador (baja rigidez) de la cera hacen que los resultados sean poco fiables a frecuencias más altas.

• Montaje adhesivo. Muy apropiado cuando el montaje con espárragos no es práctico, o incluso no es posible porque no se permite la perforación.

• Montaje magnético. Apropiado para resolución de problemas o mediciones periódicas. Los adaptadores de montaje magnéticos se utilizan para unir acelerómetros al material ferromagnético.

• Montaje con espárrago. Muy apropiado para el monitoreo de vibraciones permanente y de alta frecuencia.

Los sensores de vibración deben montarse en lugares que aseguren la medición del movimiento vertical, horizontal y axial:

• Para detectar problemas de desbalance y rodamientos, es necesario tomar medidas horizontales. En este caso, los sensores deben montarse lo más cerca posible de los cojinetes del motor y de la bomba.

• Para detectar holguras y problemas con la rigidez estructural o la base, es necesario realizar una medición vertical con sensores colocados cerca del motor y los cojinetes del extremo de transmisión de la bomba.

• Para detectar una desalineación entre el motor y la carga, es necesario realizar mediciones axiales, con los sensores colocados cerca del motor y los cojinetes del extremo de transmisión de la bomba.

Los acelerómetros deben montarse lo más cerca posible de la fuente de vibración que se mide. Es recomendable el montaje en una superficie limpia, lisa, plana y sin rayar, a través de un orificio perforado y roscado, para obtener una posición estable del sensor, especialmente cuando se miden vibraciones de alta frecuencia. Debe asegurarse que el tornillo no sea más largo que el orificio roscado, y que no quede espacio (huelgo) entre el sensor y el objeto medido.

En caso de que no se permita taladrar en la maquinaria, se puede utilizar pegamento con propiedades metálicas, lo cual asegura una buena transmisión de las vibraciones.

PASO 6: Recopilación e interpretación de datos

Las máquinas nos hablan: se comunican a través de señales de vibración generadas mientras la máquina está en funcionamiento. Por lo tanto, es esencial comprender la vibración para poder evaluar el estado de la máquina. Pero ¿cómo se hace eso?

Para traducir las señales de vibración a un lenguaje legible por humanos, se utilizan herramientas de diagnóstico de vibraciones compuestas por tres partes principales: sensores, hardware de adquisición de datos y software de monitoreo de condición.

Sensores

Los sensores son dispositivos conectados al punto de medición cuyo propósito es detectar eventos o cambios de fenómenos físicos y traducirlos a valores eléctricos proporcionales. Se utilizan diferentes sensores en el monitoreo de condiciones, y van desde transductores de desplazamiento, acelerómetros, transductores de pulso de choque y transductores de velocidad.

Cada uno se ajusta al propósito para el que ha sido desarrollado. La principal diferencia es la precisión que ofrecen en un rango de frecuencia específico:

• Los transductores de desplazamiento son muy buenos en el rango de frecuencia de 0 Hz a 200 Hz.

• Los transductores de velocidad son perfectos para frecuencias de rango medio, desde 2 Hz hasta 1 kHz.

• Los acelerómetros son los mejores en el rango de 5 Hz a 20 kHz.

Además de la precisión y el rango de frecuencia, también hay varios otros factores a considerar al seleccionar el transductor, como:

• Rango de temperatura.

• Peso.

• Tamaño.

• Gama dinámica.

• Sensibilidad.

• Precio.

• Aislamiento.

• Posibilidades de montaje.

• IP, protección de entrada.

• Conexión inalámbrica o cableada.

Para elegir el correcto, se debe comprender bien lo que se va a medir. Para medir el desplazamiento de señales estacionarias (DC) o de muy baja frecuencia se utilizan sensores de desplazamiento denominados sondas de proximidad de corrientes parásitas. Estos sensores detectan la falta de homogeneidad del material metálico al captar cambios en un campo magnético generado por una bobina de referencia, y se utilizan para mediciones de desplazamiento sin contacto, montados por lo general de forma permanente en la máquina.

Los sensores más utilizados para medir la vibración son los acelerómetros, de los cuales existen varios tipos. Los más empleados son:

• MEMS capacitivos.

• FBA (acelerómetros de equilibrio de fuerza).

• Acelerómetros piezoeléctricos (acelerómetros IEPE).

Los acelerómetros pueden ser inalámbricos o cableados. Los inalámbricos son muy fáciles de montar, ya que no requieren cables, pero no son del todo apropiados cuando se necesitan mediciones dinámicas (alta velocidad) en tiempo real, debido a las limitaciones de duración de la batería.

Hardware de adquisición de datos

El propósito del hardware de adquisición de datos es convertir señales eléctricas analógicas en digitales. Los elementos clave de un sistema de adquisición de datos son el acondicionamiento de señal, los convertidores de analógico a digital y la interfaz de computadora.

Acondicionamiento de señal. Es la parte del circuito de la unidad de adquisición de datos que prepara la señal analógica proveniente del sensor para que esté lista para ser adquirida por el ADC. El circuito de acondicionamiento transforma la señal amplificándola, filtrándola, atenuándola y, posiblemente, aislándola.

Convertidores de analógico a digital (ADC). Son circuitos integrados que transforman la señal analógica del circuito de acondicionamiento en digital, antes de enviarla a la computadora para su posterior cálculo. Las principales características de un convertidor ADC son la resolución y la frecuencia de muestreo.

Interfaz de computadora o bus. Es una interfaz de comunicación entre la unidad de adquisición de datos y la computadora. Hay varias opciones disponibles en el mercado, incluyendo PCI, USB, Ethernet y Wi-Fi, además de las cuales se pueden implementar diferentes protocolos como TCP/IP, EtherCAT o ProfiNet. La selección de la interfaz depende principalmente de la tasa de datos requerida, la distribución espacial de los dispositivos y el ambiente de trabajo, ya sea de laboratorio o industrial.

Al igual que con los acelerómetros, también hay muchos sistemas de adquisición de datos en el mercado, compuestos por hardware y software, y existen grandes diferencias entre ellos, especialmente al profundizar en su principio de funcionamiento, confiabilidad, características del software, repetibilidad de las mediciones, método de uso (portátil o permanente en línea), y si el sistema es distribuido o centralizado.

PASO 7: Determinación de las tareas de mantenimiento

Cuando se tienen todos los datos disponibles, para tomar las medidas de mantenimiento adecuadas es necesario interpretar la aceleración, el desplazamiento, la temperatura y demás datos recopilados mediante las herramientas de software descritas anteriormente.

Hay dos formas de hacerlo: de manera manual con un ingeniero de mantenimiento predictivo calificado (PdM), empleado o subcontratado de empresas que ofrecen ese servicio, o mediante interpretación automática de datos con soluciones de software de mantenimiento predictivo disponibles en el mercado.

Ambas opciones tienen sus ventajas e inconvenientes. Los PdM calificados suelen ser costosos y dedican mucho tiempo a analizar los datos, pero una vez que conocen la máquina en detalle pueden predecir de manera muy confiable su falla y establecer las tareas de mantenimiento programadas con mucha anticipación.

Por otro lado, las soluciones de software de mantenimiento predictivo son mucho menos costosas, aunque también menos confiables. Existen demasiados tipos diferentes de equipos, operando en entornos y condiciones distintas, por lo que resulta imposible establecer una línea de base única para todos ellos y fijar umbrales únicos de alarma.

Hoy en día, la mejor solución probablemente sea una combinación de interpretación automática, utilizada para maquinaria no crítica, e interpretación manual para maquinaria crítica.

Tabla 2. Características del software y fallas típicas de la máquina

Software de monitoreo de condición

El software de monitoreo de condición se puede construir expresamente para monitorear el estado de máquinas específicas, o se puede reconfigurar y, por lo tanto, resultar apropiado para aplicaciones de diagnóstico de maquinaria compleja.

El software puede ser muy básico y fácil de usar, ofreciendo solo algunos valores estadísticos generales. En otros casos, puede tener todas las características necesarias para analizar los datos brutos obtenidos de los dispositivos de adquisición, además de almacenamiento de datos históricos a largo plazo y posibilidades de visualización de tendencias, lo que permite a los usuarios detectar todas las posibles fallas de la máquina.

Las mejores soluciones de software también ofrecen conectividad directa y transferencia de datos a sistemas de control distribuidos de terceros, a través de diferentes protocolos disponibles. Existen diferencias entre los proveedores de software de monitoreo de condición también en términos de acceso a los datos, que puede estar basado en computadora con acceso local o en software basado en web para monitoreo remoto.

Caso práctico 1: Uso del flujo magnético para prevenir falsas alarmas

La monitorización multiparámetro resultó valiosa en este caso, ayudando a una planta de tratamiento de agua a evitar una falsa alarma en una bomba vertical. Un aumento repentino de la vibración fue inicialmente motivo de preocupación, pero los datos complementarios del flujo magnético proporcionaron el contexto operativo necesario para interpretar correctamente el evento.

La detección del flujo magnético es especialmente eficaz para las bombas accionadas por motor, ya que ofrece información en tiempo real sobre:

• Velocidad de funcionamiento (rpm).

• Variaciones de carga.

• Eventos de arranque y parada.

En este caso, un cambio en la demanda del proceso provocó que una bomba de un sistema de tres bombas alcanzara su velocidad máxima. Como era de esperar, el aumento de velocidad provocó un aumento correspondiente en los niveles de vibración (Figura 2). Sin contexto adicional, esto podría haber dado lugar a una inspección innecesaria.

Caso práctico 2: Cómo la temperatura reveló un problema oculto en la bomba

En una planta de fabricación farmacéutica se monitorizaba un conjunto de motor, caja de engranajes y bomba como parte de un programa de mantenimiento predictivo. Si bien los niveles de vibración se mantuvieron estables durante todo el período, se observó un aumento gradual y constante de la temperatura de cojinetes en el extremo opuesto a la transmisión de la bomba.

Al no observarse cambios en los datos de vibración, los analistas sospecharon un problema no mecánico y recomendaron revisar las condiciones de funcionamiento y verificar, como primer paso, la calidad del lubricante de la caja de engranajes.

Tras la inspección, el equipo de mantenimiento optó por reemplazar la unidad por una de repuesto, y todos los parámetros monitorizados, incluyendo la vibración y la temperatura de los cojinetes, volvieron a la normalidad. Si bien no se identificó de forma concluyente la causa raíz del aumento de temperatura, este ejemplo destaca la relevancia de monitorizar múltiples parámetros: si el equipo se hubiera basado únicamente en la vibración, las primeras señales del problema podrían haber pasado desapercibidas. En este caso, el monitor de temperatura aportó la información que permitió una investigación y una resolución oportunas.

En sistemas de bombeo, donde las condiciones de caudal, carga y proceso pueden variar de manera apreciable, basarse únicamente en datos de vibración deja con frecuencia importantes preguntas sin respuesta. La detección multiparámetro, que combina datos como flujo magnético, temperatura, presión y corriente del motor, aporta el contexto necesario para explicar por qué cambia la vibración, qué modos de fallo pueden estar desarrollándose, qué componentes se ven afectados y si se trata de un rodamiento, un sello, un impulsor o un eje.

Como se ilustra en los ejemplos reales, la integración de múltiples flujos de datos permite a los equipos de confiabilidad distinguir mejor entre cambios operativos normales y verdaderos problemas mecánicos o hidráulicos. Este enfoque holístico mejora la precisión del diagnóstico, reduce las falsas alarmas y, en última instancia, permite tomar decisiones de mantenimiento más proactivas, confiables y eficaces.

Conclusión

Las eficiencias de los equipos mecánicos se pueden aumentar mediante el uso de soluciones adecuadas de monitoreo de la condición de la máquina.

Esa elección depende de la criticidad del activo, el costo de reemplazo o falla, las posibilidades de acceso a los activos, el costo de monitoreo y la tasa de progresión de fallas esperada.

Normalmente, los sistemas portátiles de bajo costo se utilizan para activos no críticos, con bajos costos de reemplazo y tasas de progresión de fallas lentas. Sin embargo, los grandes avances tecnológicos de los últimos tiempos han permitido que las soluciones de monitorización permanente sean muy rentables, y debido a la disminución de costos y la mayor confiabilidad y eficiencia del trabajo, cada vez más industrias optan por soluciones permanentes.

Referencias bibliográficas

• Shrivastava, A. (s.f.). Petasense. 860 Hillview Ct, #150, Milpitas, CA 95035, USA.

• ISO 17359:2018, Condition monitoring and diagnostics of machines. General guidelines.