Jennifer Cardillo habla sobre cómo garantizar la confiabilidad de las bombas en el servicio abrasivo

Mantener y mejorar la confiabilidad de las bombas utilizadas para transportar medios abrasivos puede representar un desafío considerable, especialmente en aplicaciones de alta energía. Optimizar el rendimiento y minimizar el tiempo de inactividad son altas prioridades en la industria del petróleo y el gas, objetivos que se pueden lograr planificando el mantenimiento e introduciendo tecnología de materiales moderna en los activos existentes.

Las refinerías y las instalaciones de petróleo y gas, tanto en tierra como en alta mar, utilizan bombas de alta energía en numerosas aplicaciones para entregar productos a altos caudales y alturas. Cada aplicación tiene sus propios desafíos, especialmente aquellos que involucran materiales que causan erosión, corrosión o abrasión. Las bombas responsables de entregar estos materiales están bajo constante ataque y su diseño afecta directamente su durabilidad y eficiencia.

Afrontar los desafíos

Las bombas de alta energía, por definición, utilizan grandes motores eléctricos para impulsarlas, y estos pueden contribuir con una proporción significativa de los costos de energía para su operación. Mejorar la eficiencia en tan solo un punto porcentual puede generar ahorros sustanciales. Sin embargo, estos beneficios palidecen en comparación con los ingresos que se pueden perder si la producción tiene que detenerse debido a una parada no planificada de la bomba.

Claramente, la redundancia de bombas está integrada en el diseño de estas instalaciones de producción, lo que permite mantener los activos sin afectar la producción. Sin embargo, la frecuencia de estas ventanas de mantenimiento debe mantenerse al mínimo para optimizar los costos de funcionamiento.

Las condiciones de funcionamiento adversas pueden provocar un desgaste y una erosión excesivos, que deben solucionarse con frecuencia, a veces cada pocos meses. Estas reparaciones repetitivas pueden llevar a los operadores a revisar el diseño de la bomba y comparar los costos de mantenimiento con los de un nuevo activo que podría ofrecer mayor confiabilidad y eficiencia.

Evaluación de costos

Los gastos de capital y el tiempo de inactividad asociados con la instalación de nuevos activos de bombas que pueden tener diferentes requisitos de cimentación y tuberías pueden estancar los esfuerzos para mejorar la disponibilidad de los equipos. Sin embargo, existe un punto medio que se debe considerar cuando los diseños existentes se evalúan y actualizan para mejorar la durabilidad y al mismo tiempo reducir los costos de mantenimiento. Mejor aún, esta opción será considerablemente menos costosa que invertir en un nuevo activo, que puede no estar tan bien diseñado.

Ejemplo de estudio de caso

Una refinería estaba experimentando un desgaste acelerado de su bomba de chorro de corte de coque, lo que incurría en costes importantes con un tiempo medio entre fallos (MTBF) de seis a diez meses. La aplicación requería una bomba que pudiera entregar una altura diferencial alta y manejar fluidos variados que tuvieran un contenido significativo de finos abrasivos.

Pump specifications were the following: design: 8-stage barrel diffuser (BB5); speed: 4,200rpm; flow: approx. 1,200gpm (273m3/hr); and discharge pressure: >4,000 psig (275 barg).

La bomba estaba funcionando con agua de descoquización, que se compone principalmente de aguas residuales de otras operaciones de refinería. Normalmente, el agua podría contener finos de coque a 2500 ppm y medios corrosivos residuales como sulfuro de hidrógeno.

El funcionamiento frecuente de la bomba a caudales bajos había provocado daños en la recirculación de succión/descarga. Después de aproximadamente seis meses de operación, una pérdida de material del cojinete de empuje hizo que el rotor se desplazara hacia las almohadillas de empuje, lo que provocó altas temperaturas en los cojinetes. Inspecciones adicionales encontraron:

Paleta de entrada del impulsor erosionada debido a condiciones de flujo subóptimas

Abrasión de alta velocidad en la entrada del difusor.

Erosión por corrosión en las caras laterales del anillo de desgaste.

Erosión severa del eje en los canales del impulsor

Pérdida significativa de material en las superficies de rodadura.

Los espacios libres eran un 300 % mayores que en el diseño original.

Las opciones para mejorar esta situación incluyen reemplazar la bomba con un nuevo producto que utilice materiales de mayor calidad, reemplazar los componentes dañados de manera similar o implementar algunos cambios de diseño mecánico y reparar las piezas dañadas usando un material de recubrimiento que mejorará la durabilidad. . De estas tres, la última es la solución más rentable a medio y largo plazo.

Soluciones a largo plazo

El análisis de la causa raíz es esencial si se quieren mejorar situaciones como ésta. A menos que haya un defecto en los materiales originales, reemplazar piezas iguales dará como resultado el mismo resultado. Al comprender la causa del problema, es posible ofrecer una solución a largo plazo.

En este caso, las holguras del impulsor aumentaron debido a la naturaleza abrasiva del medio, lo que provocó el desgaste del cuerpo de la bomba. Además, las esquinas afiladas y los altos ángulos de incidencia de las trayectorias de flujo del medio provocaron que las partículas abrasivas desgastaran el material base.

La primera mejora provino del rediseño de los anillos de empuje para reducir los ángulos de incidencia y eliminar las esquinas afiladas. Además, se añadieron radios a las piezas de desgaste.

Sin embargo, se puede lograr una mayor durabilidad mediante la adición de recubrimientos especializados, que pueden mejorar el rendimiento y la confiabilidad, siempre que sean aplicados por centros de servicio que tengan conocimiento y comprensión expertos. Para aplicaciones diseñadas para mejorar la resistencia al desgaste y la corrosión, se utilizan comúnmente recubrimientos de combustible de oxígeno de alta velocidad (HVOF).

Unión perfecta

Los diferentes recubrimientos tienen propiedades de unión ligeramente variadas con diferentes sustratos, por lo que es esencial comprender las condiciones necesarias para lograr una unión perfecta. La unión de recubrimientos es uno de los aspectos más críticos de su éxito en el servicio. Como tal, debería estar en el centro de atención durante todos los procesos asociados con el recubrimiento.

En cada proyecto de renovación, establecer las especificaciones del proceso es esencial para el éxito y la durabilidad del revestimiento a largo plazo. Esto implica detallar el equipo aprobado y los parámetros del proceso, así como las propiedades requeridas para la aceptación del recubrimiento, como su resistencia a la tracción, características de microestructura, dureza y valores de rugosidad superficial.

Al inspeccionar la microestructura y las propiedades mecánicas del recubrimiento, es posible verificar que se aplicó según las especificaciones requeridas y que proporcionará todos los beneficios esperados en operación.

Recubrimientos de precisión

Volviendo a la bomba de ejemplo, HVOF es un proceso de línea de visión y, para optimizar la precisión de la aplicación, los recubrimientos se aplicaron utilizando un brazo robótico equipado con un equipo de pulverización térmica automatizado. Las superficies externas y, en la medida de lo posible, internas del impulsor se trataron con un revestimiento de bomba resistente a la erosión, mientras que al orificio del eje se le aplicó un revestimiento antiexcoriación.

Para restaurar el eje de la bomba a sus dimensiones originales, se reconstruyó utilizando el proceso de recubrimiento HVOF. Luego se pulió la superficie del revestimiento hasta alcanzar las dimensiones originales antes de volver a montarlo.

La bomba reacondicionada se reinstaló y se monitoreó cuidadosamente para determinar el aumento del MTBF. De hecho, la bomba continuó funcionando durante dos años completos antes de que se volviera a inspeccionar por desgaste. Al reutilizar las piezas originales de la bomba y mejorar sus características de desgaste con recubrimientos mejorados y componentes mejor adaptados a los requisitos de la aplicación, los espacios libres en el casquillo de alta presión fueron de solo 0.002 pulgadas (0,05 mm) sobredimensionado después de dos años de servicio.

En el mismo plazo, si el operador hubiera seguido utilizando piezas de repuesto, el cartucho se habría cambiado dos veces en este momento. En cambio, la refinería había logrado un ahorro significativo en los costos de mantenimiento, además de minimizar el tiempo de inactividad, al optar por actualizar las piezas con un recubrimiento más duradero y mejorar el diseño mecánico de algunas de las piezas.

Existen muchas aplicaciones de bombeo en el sector del petróleo y el gas que involucran fluidos que contienen medios abrasivos. A menos que las bombas estén diseñadas y construidas para soportar estas condiciones desafiantes, la confiabilidad de este equipo puede verse sustancialmente afectada. Los cambios en los parámetros de proceso y las aplicaciones pueden hacer que los equipos heredados se vean afectados negativamente y, sin la intervención de un especialista o un reemplazo completo, los costos de mantenimiento pueden aumentar dramáticamente.

Las bombas de alta energía representan una inversión considerable y se espera que brinden un servicio eficiente y confiable, incluso en entornos desafiantes. Al trabajar con un socio que tiene la experiencia y las instalaciones de un fabricante de equipos originales (OEM), los operadores pueden beneficiarse de una amplia reserva de conocimientos. La evaluación experimentada junto con el análisis de diseño experto permiten aplicar mejoras en la durabilidad y confiabilidad a las bombas de alta energía. Estas soluciones rentables representan una oportunidad ideal para extender la vida útil y minimizar los costos operativos.