2.2 Bases teóricas
2.2.14 PARÁMETROS DE SELECCIÓN EN BOMBAS CENTRIFUGAS
“Si se comparan con la mayoría de equipos de procesos, las bombas para lodos ofrecen un diseño poco complicado. A pesar de la simplicidad del diseño, existen pocas máquinas en la industria pesada que funcionen en unas condiciones tan severas. Las bombas
para lodos y sus sistemas son elementos fundamentales de todos los procesos húmedos. Funcionar el 100% del tiempo de trabajo en condiciones cambiantes de caudal, contenido de sólidos, etc.
requiere que el diseño mecánico sea fiable en todos los aspectos”
(Metso Minerals Industries Inc., 2012).
Componentes básicos de las bombas para lodos:
Impulsor
El impulsor es un transductor de energía. En otras palabras, la función del impulsor giratorio es transferir energía cinética a la masa de lodo para acelerar su movimiento. Parte de esta energía cinética se convierte en energía de presión antes de dejar la rueda. En las bombas de pulpa, parte de una conversión hidráulica se logra mediante función especial del solido de pulpa, que transfiere energía a través de la resistencia hidráulica. Equipos hidráulicos específicos para procesos húmedos como clasificadores, decantadores o separadores usan estas resistencias. (Metso Minerals Industries Inc., 2012 pág. 5.18).
Diseño de Paletas:
Paletas externas: También llamadas álabes, son paletas cortas ubicadas por fuera de la cubierta del impulsor;
contribuyen al sellado de la bomba y a su eficacia.
Paletas internas: Se trata de las paletas principales y son las que bombean el lodo.
Según (Metso Minerals Industries Inc., 2012) se debe tener en consideración que:
A mayor número de paletas se incrementará la eficacia.
Por lo tanto, en la medida de lo posible se debe utilizar el número máximo de paletas posible, a excepción de las bombas periféricas.
Para que el impulsor ofrezca una óptima resistencia al desgaste dependerá de factores como el grosor de paleta requerido y el tamaño de las partículas a admitir.
En la práctica, el número máximo de paletas es de cinco utilizado en impulsores metálicos con un diámetro mayor de 300 mm y de caucho con un diámetro mayor de 500 mm.
Con diámetros menores, la relación entre el área de la paleta y el área del impulsor es crítica ya que generará una fricción excesiva, por lo que, el rendimiento comienza a disminuir y se pueden producir bloqueos. (pág. 5.19) Diseño del Impulsor:
Tabla 2.2. Diseño del impulsor en Bombas de Lodo DISEÑO DEL
IMPULSOR DESCRIPCIÓN LIMITACIONES
CERRADOS
Los impulsores cerrados son más eficaces que los abiertos por la reducción de fugas por encima de las paletas.
La eficacia se ve menos afectada por el desgaste.
El impulsor cerrado tiende a atascarse de manera natural con partículas gruesas.
Este fenómeno es más crítico con impulsores más pequeños.
SEMIABIERTOS
Se utilizan para evitar las limitaciones que presenta el diseño cerrado y depende del diámetro del impulsor, del tamaño o estructura de los sólidos, de la presencia de aire, del grado de viscosidad, etc.
La eficacia es ligeramente
inferior a la de los impulsores
cerrados.
VORTEX/CAUDAL INDUCIDO
Se usan cuando el bloqueo del impulsor es crítico o cuando las partículas son frágiles.
El impulsor se encuentra dentro de la carcasa, es decir está en contacto con un volumen limitado del caudal entrante, lo que se traduce en una suave admisión de todo y una gran capacidad para admitir grandes sólidos.
La eficacia es notablemente más baja que la de los impulsores
cerrados e incluso los semi-abiertos.
Fuente: (Metso Minerals Industries Inc., 2012)
Según (Metso Minerals Industries Inc., 2012) se debe tener en consideración que:
Los impulsores cerrados se utilizan para maximizar la eficiencia lodo granular grueso y maximizar la vida util del rodamiento. Siempre verifique el tamaño máximo de solidos que está soportando.
Los impulsores abiertos se utilizan mayormente con lodos muy viscosos, con burbujas de aire y cuando se prevén problemas de bloqueo.
Los impulsores vortex/caudal inducido se usa con sólidos grandes y blandos, materiales fibrosos y partículas frágiles de alta viscosidad con burbujas de aire.
Para trabajos con materiales altamente abrasivos usamos grandes impulsores que ofrecen una larga vida útil y una eficacia razonables.
Para trabajos con materiales abrasivos dónde el desgaste no es la principal, la opción más económica y con mejor eficacia
a) Carcasa.
Una de las funciones de la carcasa es recolectar el flujo alrededor de toda la circunferencia del impulsor, convertirlo al patrón de flujo deseado y enviarlo a la salida de la bomba. Una función importante es reducir la velocidad del flujo y convertir su energía cinética en energía de presión (Metso Minerals Industries Inc., 2012 pág. 5.23).
DISEÑO DE LA CARCASA:
Carcasa maciza: generalmente presentes en bombas de metal duro. Representa el diseño más económico en relación a su fabricación y no existe necesidad de dividir la voluta en dos mitades.”
Carcasa partida: Una bomba con carcasa partida son mucho más caras, sin embargo, favorece el intercambio de piezas, particularmente en bombas revestidas de caucho de grandes dimensiones.
b) Sellos.
La función básica del sello del eje es simplemente tapar el agujero por donde se introduce el eje en la carcasa, restringiendo así cualquier fuga (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
TIPOS DE SELLOS
Sello de empaquetadura (prensaestopas)
Es un sello de contacto radial, que consiste en un anillo de material especial, montado sobre una carcasa cilíndrica y presionando axialmente por una brida o el protector de la bomba. (Mecantech, 2011)
Sello mecánico
Consta de dos anillos que establecen contacto axial a través de sus caras anulares, uno fijo e otro integrado en el giratorio. Este contacto ocurre en una superficie de eje maquinada con precisión para una excelente planitud y acabado superficial. Si el sello mecánico no se enfría, la fricción entre las superficies de sellado generara calor y dañara la superficie. Esto lo convierte en una buena opción para bombas sumergibles. (Mecantech, 2011)
Sello dinámico
El sello dinámico es hermético y el disco flexible solo necesita ser reemplazado cuando el fluido comienza a fluir cuando la bomba se detiene. No requieren un suministro de fluido de sellado externo para simplificar el funcionamiento de la bomba. (Mecantech, 2011)
c) Ejes y rodamientos.
Ejes de las bombas y el factor SFF
El factor de flexibilidad del eje (SFF) depende del diámetro del eje en el sello del eje D (mm), a la longitud del voladizo (desde el rodamiento del extremo húmedo a la línea central del impulsor) L (mm) y se define como L3/D4. (Metso Minerals Industries Inc., 2012 pág. 8.45).
Donde:
Bombas horizontales para lodos SFF = 0,2 a 0,75.
Bombas para líquidos limpios SFF = 1 a 5.
1. Factores básicos sobre los rodamientos
Vida útil L10
Según (Metso Minerals Industries Inc., 2012) se tiene que:
La vida útil de los rodamientos se calcula con el método ISO 281.
La vida útil calculada es la vida L10. Éste es el número de horas en la cual se espera que falle el 10% de los rodamientos en funcionamiento en estas condiciones.
La vida útil media es aproximadamente cuatro veces la vida útil L10.
La mayoría de las bombas para lodos se dimensionan para una vida L10 mínima de 40.000 horas (es decir, una vida media de 160.000 horas).
Es importante tener en consideración que los rodamientos fallarán mucho antes si se contaminan con el lodo. (pág. 8.46)
Configuraciones de rodamientos
Cargas radiales
Para los servicios que requieren un flujo bajo y una gran elevación, como el llenado y la presurización del filtro, la alta carga radial del impulsor utiliza una configuración de doble cojinete en el extremo húmedo para lograr una vida Lio de 40.000 horas, es decir el fallo del 10% de los rodamientos en 40.000 horas.
(Metso Minerals Industries Inc., 2012).
Cargas axiales
En los servicios en los que cada bomba sigue inmediatamente a ¡a otra, como las bombas en serie de etapas múltiples, la gran altura de succión a partir de la segunda etapa produce cargas axiales elevadas. Es posible que se requiera una configuración de cojinete doble de extremo seco para cumplir con los requisitos mínimos de vida útil del cojinete (Metso Minerals Industries Inc., 2012 pág.
8.46).
Selección de rodamientos
Para la selección de los rodamientos se pueden utilizar cualquiera de estas dos configuraciones:
Primera configuración:
“Con un rodamiento en el extremo húmedo para compensar las fuerzas radiales y un rodamiento en el extremo del accionamiento para las fuerzas axiales y radiales”. (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
Segunda configuración:
“Usando rodamientos de rodillos cónicos (estándar, del tipo de producción en masa) en ambas posiciones para compensar las cargas axiales y radiales” (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
d) Accionamiento de las bombas para lodos
Selección de los motores
Según (Metso Minerals Industries Inc., 2012) se debe tener en consideración que:
El accionamiento más común es el motor de inducción tipo jaula de ardilla que es económico, fiable y comercial.
En la práctica, el dimensionamiento de motores para bombas debe tener un factor de servicio mínimo un 15% superior a la potencia absorbida calculada.
Con los accionamientos de correa en V es normal seleccionar motores de cuatro polos, ya que ofrecen la configuración más económica. (pág. 9.50)
Accionamiento de velocidad fija (Transmisión de correa en V)
El diámetro del impulsor de la bomba de lodo no se puede cambiar fácilmente, por lo que se debe cambiar la velocidad
para cambiar la eficiencia. Esto generalmente se hace usando un motor de correa trapezoidal. Siempre que la tensión de la correa sea correcta, los actuadores de correa trapezoidales modernos ofrecen una alta fiabilidad y una vida media de 40.000 horas con una pérdida de potencia inferior al 2%.
(Metso Minerals Industries Inc., 2012 pág. 9.51).
Generalmente, la relación máxima de velocidad para los accionamientos con correas en V es:
5:1 con motores de 1500 rpm
4:1 con motores de 1800 rpm.
Limitaciones:
“Cuando la velocidad de bombeo es demasiado baja (bombas de dragado) o cuando la potencia es demasiada alta, las correas en V no son convenientes.
En estos casos deben usarse cajas de engranajes o correas dentadas” (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
“Los accionamientos de correas dentadas se utilizan cada vez más, ya que ofrecen la flexibilidad dinámica de un accionamiento con correas en V además de una tensión más baja” (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
Accionamientos de velocidad variable
“Para ciertas aplicaciones (condiciones de caudal variables, tuberías muy largas, etc.) deben usarse accionamientos de velocidad variable”. (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
“Con los accionamientos de velocidad variable el flujo de una bomba centrífuga puede controlarse con precisión vinculando la velocidad a un caudalímetro.
Los cambios en la concentración o el tamaño de
partícula influirán así en menor medida en el caudal”
(Metso Minerals Industries Inc., 2012)
“Si cualquier línea de tuberías empieza a bloquearse, la velocidad aumentará para mantener una velocidad de caudal constante ayudando a evitar el bloqueo”.
(Metso Minerals Industries Inc., 2012) 2.2.15 Protección contra el desgaste en bombas de lodo
a) Abrasión
“Existen tres tipos principales de abrasión: Machaqueo, Trituración y Baja tensión. En las bombas para lodos se produce principalmente abrasión por baja tensión y trituración. El grado de abrasión depende del tamaño y dureza de las partículas” (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
Cabe resaltar que la abrasión en este tipo de bombas se produce particularmente en dos zonas:
1. Entre el impulsor y la entrada estacionaria.
2. Entre el casquillo del eje y la empaquetadura estacionaria.
b) Erosión
Este es el principal tipo de desgaste al que están sometidas las bombas para lodos. Esto se debe a que las partículas del iodo golpean la superficie del material en diferentes ángulos. El desgaste está fuertemente influenciado por la velocidad de funcionamiento de la bomba. La corrosión se minimiza, por lo general se mantiene en el punto de máxima eficiencia (BEP) y se incrementa tanto con caudales bajos como altos. (Metso Minerals Industries Inc., 2012 pág. 6.28).
Existen tres tipos principales de erosión:
1. Lecho deslizante
2. Impacto en ángulo bajo 3. Impacto en ángulo alto
Efecto de la erosión en los componentes de la bomba Impulsor
Cuando el flujo gira 90°, el impulsor está sujeto a desgaste por impacto (ángulo fuerte y ángulo débil) principalmente en el ojo y en la cubierta del lado de los prensaestopas. Y también se encuentra en el borde frontal de la paleta. El lecho resbaladizo y el Impacto de ángulo bajo se produce a lo largo de las palas entre las cubiertas del impulsor. (Metso Minerals Industries Inc., 2012 pág. 6.29).
Revestimientos laterales (forro de admisión y tapa trasera)
“Los revestimientos laterales están sujetos al efecto del lecho deslizante y la abrasión por machaqueo y trituración” (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
Voluta
“La voluta está sujeta a un desgaste por impacto en el pico. El desgaste por el efecto del lecho deslizante y por los impactos de bajo ángulo se produce en el resto de la voluta” (Metso Minerals Industries Inc., 2012).
c) Opciones de protección
Según (Metso Minerals Industries Inc., 2012), se recomiendan las siguientes alternativas:
1. Impulsor y carcasa en metal duro, en varias aleaciones de hierro blanco y acero.
2. Impulsor de elastómeros y carcasa protegida con revestimientos de elastómeros. Los elastómeros suelen ser cauchos de distintas calidades o poliuretano.
3. Combinación de impulsor en metal duro y carcasas revestidas de elastómeros.
d) Selección de materiales
Según (Metso Minerals Industries Inc., 2012) hay dos estrategias para determinar la resistencia al desgaste, pues debe buscarse un equilibrio entre la resistencia al desgaste y su costo:
El material de desgaste tiene que ser duro para resistir la acción cortante del choque de los sólidos.
El material de desgaste tiene que ser elástico para poder absorber los golpes y rebotes de las partículas. (pág. 6.31)
e) Parámetros de selección
Según (Metso Minerals Industries Inc., 2012) la selección de piezas de desgaste se basa normalmente en los siguientes parámetros:
Tamaño de los sólidos (gravedad específica, forma y dureza)
Temperatura del lodo
Productos químicos y pH
Velocidad del impulsor (pág. 6.31)
Cabe resaltar que los materiales de desgaste dominantes en las bombas para lodos son el metal duro y los elastómeros blandos.
Tabla 2.3. Clasificación de las bombas de acuerdo al tamaño de partícula de los sólidos
Fuente: (Metso Minerals Industries Inc., 2012)
2.3 Bases conceptuales.
2.3.1 Parámetros de operación
“Es una variable o factor que debe ser considerado a la hora de analizar, criticar y hacer juicios de una situación; A partir de un parámetro, una cierta circunstancia puede comprenderse o ubicarse en perspectiva” (Wikipedia, 2016)
2.3.2 Bomba de lodo
Una bomba de lodo es un dispositivo de pistón embolo diseñado para distribuir fluido de perforación a alta presión hasta 7500 psi, por la sarta de perforación (Wikipedia, 2016)
2.3.3 Vibración
Es la propagación de ondas elásticas produciendo deformaciones y tensiones sobre un medio continuo. En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como un movimiento repetitivo alrededor de una posición de equilibrio. (Wikipedia, 2016)
2.3.4 Mantenimiento
Son todas las acciones que tienen como objetivo preservar una maquinaria o restaurarlo a un estado en el cual pueda llevar a cabo alguna función requerida (Wikipedia, 2016).
2.3.5 Productividad
La productividad es la relación entre la cantidad producida a través de un sistema de producción y los recursos utilizados para lograr esa producción; consiste en una comparación de costos, permitiendo identificar posibles factores, etapas y procesos (Wikipedia, 2016).
2.3.6 Caudal
Es la cantidad de líquido, volumen o flujo volumétrico que pasa a través de una sección (área) de una tubería en una unidad de tiempo (Wikipedia, 2016).
2.3.7 Potencia hidráulica
La potencia hidráulica es Pb - p* g *Q * hb, donde p es la densidad del fluido, g es la aceleración de la gravedad, Q es el caudal y hb es la altura dinámica de la bomba (Wikipedia, 2016).
2.3.8 Rendimiento
Se define como la relación entre el trabajo útil realizado por una máquina en un periodo de tiempo determinado y el trabajo total asignados la máquina durante ese período (Wikipedia, 2016).
2.3.9 NPSH
Es la Altura Neta Positiva de Aspiración y se define como la diferencia entre la presión del líquido en el eje del impulsor y la presión de vapor del líquido a la temperatura de la bomba. (Wikipedia, 2016).
2.3.10 Porta rodamientos
Llamado también portarodaje, es un elemento mecánico que sostiene un cojinete, un elemento que sirve como apoyo a un eje y sobre el cual éste gira (Wikipedia, 2016).
2.4 Hipótesis.
La presente investigación no llega a tener hipótesis por ser del tipo básico, nivel descriptivo.
2.5 Operacionalización de las variables.
El presente trabajo de investigación se compone de una variable independiente que es el diagnóstico de los parámetros de operación en bombas de lodo y la variable dependiente la vibración excesiva en bombas de lodo y con delimitación en la Compañía Minera Antamina S.A.
2.5.1 Variable Independiente.
VI: Diagnóstico de los parámetros de operación en bombas de lodo.
Viene a representar la variable que será manipulada por el investigador a lo largo del estudio, ya que quedará a decisión del investigador que parámetros de operación considerar para el diagnóstico respectivo.
Se refiere al estudio, análisis y evaluación de cada parámetro de operación en las bombas de lodo para poder determinar las condiciones hidráulicas y de operación que, y de esa manera poder detectar las causas que provocan la vibración excesiva en las mismas.
Debido a que la variable independiente no solo involucra a un parámetro, esta contará con dimensiones hidráulicas y eléctricas como:
Caudal (l/min)
Altura útil (m)
Perdidas (m)
Potencia (kW)
Rendimiento (%)
Consumo de energia (KW-h)
2.5.2 Variable Dependiente.
VD: Mitigación de vibración excesiva.
Representa el efecto (resultado) de la manipulación de la variable independiente, ya que al realizar el diagnóstico respectivo de los parámetros de operación se logrará reducir y/o mitigar la vibración excesiva en las bombas de lodo.
Una vibración mecánica puede describirse como el movimiento de un cuerpo sólido alrededor de una posición de equilibrio, sin que se produzca desplazamiento "neto" del mismo.
Es la variable que se pretende reducir y/o eliminar mediante un correcto diagnóstico de los parámetros de operación en bombas de lodo.
Sus principales dimensiones son:
Vibración/aceleración (m/s2)
Vibración/frecuencia (Hz)
2.5.3 Operacionalización de variables:
(Tamayo y Tamayo, 2004) define a la operacionalización de variables como: “El proceso en el cual es necesario determinar los parámetros de medición a partir de los cuales se establecerá la relación de variables enunciadas por la hipótesis, para lo cual es necesario tener en cuenta la definición nominal (Variable a medir) y la definición operacional (dimensiones, indicadores, índices, etc.)”.
Tabla 2.4. Operacionalización de la variable independiente
Variable independiente: Diagnóstico de los parámetros de operación en bombas de lodo.
Definición conceptual Dimensión Indicador Es el correcto diagnóstico de
los parámetros de operación en bombas Warman (de lodo) de la COMPAÑÍA MINERA ANTAMINA S.A., teniendo en cuenta principalmente la medición de flujo para poder estimar los puntos de operación actual del sistema de bombeo. Así también, se consideraron los datos reológicos y características de las líneas succión / descarga para poder realizar los cálculos hidráulicos correspondientes.
Hidráulica
Caudal (l/min) Altura útil (m) Perdidas (m) Potencia (kW) Rendimiento (%)
Eléctrica
Consumo de energía (KW-h)
Fuente: Elaboración propia
Tabla 2.5. Operacionalización de la variable dependiente Variable dependiente: Mitigación de vibración excesiva.
Definición conceptual Dimensión Indicador Es la reducción o
completa eliminación del problema de vibración excesiva presentadas en las bombas Warman de lodo, o comúnmente llamadas bombas de pulpa de la COMPAÑÍA MINERA ANTAMINA S.A.
Hidráulica Presión de sellado (psi) Flujo de sellado (l/min)
Mecánica Vibración/aceleración (m/s2) Vibración/frecuencia (Hz)
CAPÍTULO III
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN 3.1 Método de investigación.
“El método inductivo de una investigación científica, es un conjunto de técnicas y métodos que son usados para sacar conclusiones generales acerca de una población u objeto de estudio usando datos de una muestra tomada de ella” (Freeman, 1990, pág. 126)
Se utilizó el método INDUCTIVO ya que se observaron y registraron datos reales de la medición de flujo, condiciones hidráulicas y de operación, así como un correcto diagnóstico de los parámetros de operación como casos particulares, para que puedan contribuir en la mitigación del problema de vibración excesiva en las bombas de lodo como caso general, de la Compañía Minera Antamina S.A.
3.2 Tipo de investigación.
“La investigación básica es también conocida como investigación teórica, pura o fundamental; Está destinada a aportar un cuerpo organizado de conocimientos científicos y no produce necesariamente resultados de utilidad prácticas inmediatas. Se preocupa por recoger información de la