Analisis Motores y Compresores Reciprocantes

Técnicas Básicas de análisis de motores & Compresores Reciprocantes

Objetivos de este curso 

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En este curso se ilustra el comportamiento de los motores y los compresores usando datos obtenidos de máquinas en funcionamiento. Los datos recolectados que se muestran han sido hecho por analistas en su día a día del programa de mantenimiento predictivo. Se ilustran fallas que suceden en equipos Reciprocantes y las técnicas para detectarlas.

Pequeño resumen del curso

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Programas de análisis Caracterización de los motores y los l os compresores  –  –

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Secuencia de eventos  –  –  –

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Tipos de datos Ubicación de los puntos de prueba. Motores de 2 tiempos Motores de 4 tiempos Compresores

Análisis de las fallas en los motores Análisis de las fallas en los compresores.

PROGRAMAS DE ANÁLISIS Objetivos  Tipos de análisis  Procesos de análisis 

Programas de análisis Objetivos de los programas de análisis  Eliminar el mantenimiento innecesario y costoso  Reducir costos de mantenimiento  Aumentar la disponibilidad de las máquinas  Reducir tiempo de parada  Mejorar el desempeño de los equipos.  Reducir emisiones 

Incrementar la seguridad de los equipos y del personal

“No se puede mejorar lo que no se mide ”

Programas de análisis Tipos de análisis de las máquinas  Análisis del mantenimiento Identificar fallas incipientes de tal forma que se pueda transformar el mantenimiento correctivo en mantenimiento programado.  – Ayudar a evitar las fallas en servicio  – La meta es reducir los costos de mantenimiento  –

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Análisis de desempeño  –  –  –  –

Caracterizar el potencial operativo del motor/compresor Eficiencia Consumo de combustible Potencia

– Entrega de potencia final.

Programas de análisis El proceso de análisis  Adquirir información de la máquina  Centralizarse en la información concerniente a medidas de desempeño y condición.  Organizar e imprimir la información  Investigar y analizar la condición y desempeño.  Reportar lo encontrado  Tomar acciones 

Realizar seguimiento de las acciones.

CARACTERIZACIÓN DE LOS MOTORES Y LOS COMPRESORES Tipos de datos  Ubicación de los puntos de prueba 

Caracterización de los motores y los compresores Tipos de datos especiales  Proceso de datos Hablar sobre el proceso  – Ejemplos: presión y temperatura de succión.  – 

Dato de fase-marcada Datos referenciados al volante  – Ejemplo: datos de presión versus tiempo.  –

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Datos No-fase La muestra es, solamente, una función del tiempo  – Ejemplo: datos de aceleración de un rodamiento de un turbocargador  –

Caracterización de los motores y los compresores Medida de la posición del volante 

Uno por grado  –  –  –

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Encoder del eje 360 pulsos por revolución La mejor precisión

Uno por vuelta del volante Los picos magnéticos, activos u ópticos son comunes  – 1 pulso por revolución  – Usualmente permanece montado  –

Caracterización de los motores y los compresores Ejemplo de la presión de fase  – marcada (PT) 

Presión en la cabeza y en el final del compresor trazadas en el cilindro de un compresor

Caracterización de los motores y los compresores Movimiento libre, datos no faseados 

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Los datos son tomados independientemente de la posición del cigüeñal Que se obtiene:

Niveles de vibración totales  – El espectro muestra los componentes de la frecuencia Aplicaciones comunes  – Vibraciones estructurales  – Soportes, fundaciones  – Turbo cargadores  – Bombas de aceite y de agua  – Pulsaciones de presión  –

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Caracterización de los motores y los compresores Ejemplo de datos de movimiento libre, no faseado espectro Espectro tomado de la carcasa de un motor cerca de los tornillos de anclaje. Mils pico – pico, final de la bomba de aceite, dirección horizontal. Velocidad del motor 323 RPM

Datos Del Motor

Caracterización de los motores y los compresores Típico motor de 2 tiempos PT/VT

Caracterización de los motores y los compresores Típico motor de 4 tiempos PT/VT

Datos del Compresor

Caracterización de los motores y los compresores Modelo de un compresor típico HE

SECUENCIA DE EVENTOS   

Motor de 2 tiempos, de ignición por chispa Motor de 4 tiempos, de ignición por chispa Compresores Reciprocantes de doble acción

Entendiendo las fallas en las máquinas 

Para reconocer las fallas en los compresores y los motores, debemos conocer como se comportan en condiciones normales Los eventos mecánicos que usted espera ver suceden?  – Parecen ser normales estos eventos?  –

Cuando suceden?  Cuál es su magnitud relativa?  Se ven iguales a como se veían antes?  Se ven similares a las de la siguiente máquina? 

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Cual es el desempeño de la máquina?

SECUENCIA DE EVENTOS PARA UN MOTOR DE 2 TIEMPOS Presión versus ángulo del cigüeñal (PT)  Presión – Volumen (PV)  Vibración versus ángulo del cigüeñal 

Secuencia de eventos para un motor de 2 tiempos PT: inicio del ciclo   

La ignición a ocurrido El viaje frontal de la llama ha empezado La mezcla de aire y combustible es sobrecalentada

Secuencia de eventos para un motor de 2 tiempos PT: combustión     

La llama viaja a través de la cámara El calor es liberado, la presión aumenta La temperatura en la llama frontal es de 3500ºF El pico ocurre entre los 10 – 15 grados ATDC La velocidad de propagación es critica  – Muy rápido, detonación  – Muy bajo, fuego suave

Secuencia de eventos para un motor de 2 tiempos PT: potencia   

La combustión se completa La presión hace que el pistón baje Como el volumen incrementa, la presión decrece

Secuencia de eventos para un motor de 2 tiempos PT: expansión   

El pistón destapa el puerto de salida La presión cae más rápidamente En este punto la temperatura es de 800ºF

Secuencia de eventos para un motor de 2 tiempos PT: succión de aire 

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El puerto de succión es descubierto Presión en el cilindro 1.03  Delta elevado en la temperatura de descarga. Temperatura elevada en la parte superior de la válvula  Punta de descarga redondeada en la PV  La capacidad final de los cilindros cae  Las líneas de expansión y compresión en PT y PV están por debajo de la teórica  Fuga en la válvula de descarga Patrones de vibración del gas pasante cuando la presión diferencial a lo largo de la válvula es alta. El  patrón de vibración de la fuga es más alto en la válvula que presenta fuga Balance de flujo > 0.97  Proporción n para LogP – LogV < 0.98  Punta de descarga redondeada en la PV  La presión de succión incrementa  Delta anormal de la temperatura de descarga y en la parte superior de la válvula. Expansión a través de la  válvula de descarga puede disminuir la parte superior de la válvula y la temperatura de descarga La capacidad final del cilindro disminuye  Las líneas de expansión y compresión en PT y PV están por encima de la teórica 

Fugas de presión Fugas severas en los anillos Fuga en empaquetaduras Todas las fugas en las empaquetaduras son de mínima cuantía. Fuga excesiva es muy similar a la  fuga en la válvula de succión Patrones de fuga en las válvulas CE. Se recomienda mover el censor más cerca de la  empaquetadura para confirmar La temperatura de las empaquetaduras aumenta.  Las líneas de expansión y compresión en PT y PV están por debajo de la teórica  Los patrones de vibración del gas pasante cerca de la parte terminal del cigüeñal cuando la presión  en esta parte es mayor que la atmosférica Balance de flujo > 1.05  Proporción n para LogP – LogV > 1.03  Fuga en el anillo Patrones de vibración del gas pasante en todas las válvulas cuando la presión diferencial a lo largo  del anillo es alta El balance de flujo generalmente aumenta  La presión de succión aumenta y la presión de descarga disminuye  Aumento en el delta de temperatura de descarga  Las líneas de expansión y de descarga en PT y PV no se rigen por la ley general de los gases  ideales: PVn=constante

FALLAS EN LOS COMPRESORES

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Dinámica de las válvulas

Dinámica de las válvulas Algunas causas de las fallas en las válvulas          

Desgaste mecánico y fatiga Materiales extraños en el gas Accionamiento anormal de los elementos de las válvulas Excesivo levantamiento de la válvula para la aplicación Apertura y cierre múltiple Cierre abrupto Resonancia y pulsaciones de presión Gases corrosivos Líquidos en el gas Depósitos en los elementos de sellado y resortes

Dinámica de las válvulas Técnicas para el análisis 

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Comparar los patrones de vibración y observar las diferencias  – Revisar el historial  – Revisar válvulas similares El evento de apertura de la válvula es usualmente más demorado que el de cierre El cierre de la válvula es por lo general silencioso. El elemento de sello es bajado en el asiento por el resorte y la velocidad del gas cae cerca de TDC y BDC Monitorear las perdidas de la válvula hasta que esta represente un desperdicio de energía

Dinámica de las válvulas Cierre abrupto (slamming)…llevándolo a la fuga

Dinámica de las válvulas Eventos múltiples de abertura

Dinámica de las válvulas Ondulación (Flutter)

Dinámica de las válvulas Resumen del análisis Difícil apertura, Difícil cierre, Cierre tardío, Resortes rotos  Puede ser generado por restricción en el sello. La restricción se presenta cuando las fuerzas requeridas para iniciar el movimiento son mayores que las requeridas para mantenerlo  Si el cierre abrupto (slamming) se presenta en el cierre y apertura, es casi seguro que los resortes son demasiado livianos o que se han desgastado o que están rotos debido al excesivo ciclaje  Las válvulas muy elevadas pueden tomar más tiempo para cerrarse.  La pulsación puede causar que la presión diferencial incremente repentinamente generando un cierre duro Cierre temprano  Tensión excesiva en el resorte  La pulsación puede causar que la presión diferencial decrezca repentinamente y esto haga que la válvula se cierre rápidamente

Dinámica de las válvulas Resumen del análisis (cont.) Ondulación (Flutter) Ocurre cuando el plato de la válvula oscila ente el sello y la guarda. Esto ocurre por que el flujo  de gas a través de la válvula es insuficiente para levantar el plato de la guarda. En el patrón de vibración, se puede ver múltiples impactos de cierre y apertura Oscilaciones muy duras usualmente indican que el resorte es muy rígido. Oscilaciones muy  suaves usualmente indican que el levantamiento es muy grande. La ondulación de la válvula se puede presentar si hay una excesiva pulsación en las líneas de succión o de descarga Para corregir el problema, reduzca el levantamiento de la válvula y/o la tensión del resorte;  minimice la pulsación de la presión Aperturas múltiples Si el levantamiento de la válvula es muy grande la velocidad del gas no será la suficiente para  mantener la válvula abierta. Por lo tanto la válvula se abrirá y cerrará varias veces. Para corregir ese problema, reduzca el levantamiento de la válvula para incrementar la caída de presión a través de la válvula Las pulsaciones pueden causar que la presión diferencial a lo largo del anillo aumente o  disminuya hasta el punto en que las válvula se cierran y se reabren Resortes pesados pueden causar que la válvula se cierre rápido. La presión en el cilindro puede  reabrir la válvula tarde en la carrera

Dinámica de las válvulas Resumen del análisis (cont.) Perdidas excesivas  Las perdidas por las válvulas y los pasajes calculados del PV no deben ser superiores a 10%  Patrones de vibración del gas pasante cuado la válvula esta abierta debido a la alta velocidad  Levantamiento de la válvula o área de flujo insuficiente  Algunos de los elementos de sellado en la válvula se pueden atorar reduciendo el área efectiva de flujo  Las curvas PT y PV aparecen redondeadas durante la fase de descarga o succión Vibraciones mecánicas  Las vibraciones mecánicas que se generan durante la succión o descarga pueden ser causadas cuando los platos se atascan o las guías están desgastadas

FALLAS DEL COMPRESOR 

Perdidas

Perdidas en los compresores Cálculo de la potencia 

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Se necesita hacer un trabajo para transportar gas a lo largo de una tubería Ese trabajo es el área contenida en la gráfica PV La rata de trabajo hecho es la potencia Si dibujamos la curva PV como presión (psi) vs volumen (% de carrera), podemos usar:

 IHP 

PLAN  33000

de donde: P: L: A: N:

área contenida por la curva longitud de la carrera área del pistón ciclos por minuto (RPM)

Perdidas en los compresores Caída de la presión 

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La potencia real consumida para comprimir el gas es siempre de alguna manera mayor que la calculada teóricamente (IHP) Las principales diferencias en la potencia se deben a las caidas de presión a medida que el gas fluye por la tubería de succión, las válvulas de succión, válvulas de descarga y tubería de descarga Para reducir esas perdidas, la presión del cilindro debe caer por debajo de la presión de succión durante la carrera efectiva de succión y aumentar por encima de la presión de descarga durante la carrera efectiva de descarga

Perdidas en los compresores No – perdidas de IHP

Perdidas en los compresores IHP total

Perdidas en los compresores Magnitud de las perdidas

Los factores que afectan la magnitud de las perdidas son:  Diseño de la válvula  Presión de succión y de descarga  Temperatura de succión y de descarga  Velocidad del compresor  Composición del gas  Diseño de la tubería de succión y descarga  Diseño de los pasajes del compresor

Pulsación 

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Ondas de presión causadas por la succión y la descarga en los finales del compresor. Puede cuasar vibraciones en las tuberías La vibración puede ser extrema si la pulsación coincide con:  –  –

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La frecuencia de la resonancia acústica en la tubería La frecuencia natural de la tubería

Afecta el desarrollo del compresor  –  –  –

Cuando las válvula abren y cierran Eficiencia volumétrica (capacidad) HP consumido moviendo el gas

Pulsación Trazado de la presión en la tobera

Pulsación Potencia total HE

Pulsación No – perdidas de potencia HE

Pulsación Perdidas totales

Pulsación Perdidas en los pasajes y en la válvula

Pulsación Efecto en la HP

Potencia Costos de las pérdidas de potencia

CARGA EN LAS BARRA DEL COMPRESOR 

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¿Porque debemos tener cuidado con las cargas en las barras? ¿Cuales son las fuerzas que actuan sobre las barras?

Barras del compresor 

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Las barras del pistón del compresor llevan toda la fuerza que se aplica al gas Los fabricantes de las barras especifican cuales son los valores de las cargas permisibles Dependiendo del material de la barra, la barra puede llevar un exceso de 200000 Lbf El pasador debe soportar esas fuerzas Cargas inapropiadas en la barra puede causar: Desgaste excesivo en los bujes del pin y crucetas  – Falla en los bujes de cruceta  – Esfuerzos mecánicos en el pistón, tuerca del pistón y otras cargas en los componentes de los cojinetes  –

Barras del compresor Fuerzas  

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Fuerza del gas – ejercida por la presión en ambos lados del pistón Fuerza inicial – ejercida por la masa y la aceleración de los componentes reciprocantes Fuerza total = fuerza del gas + fuerza inercial Las barras del compresor deben alternarse de tensión a compresión en cada ciclo. Esto es importante para la lubricación de cada uno de los componente API 618 (junio de 1995) dice: “…la duración de la inversión no debe ser menor a los 15 grados del  ángulo del cigüeñal, y la magnitud del pico de la carga  combinada de inversión debe ser por lo menos el 3% de la  carga combinada real en la dirección opuesta.” 

Barras del compresor Fuerzas del gas

Barras del compresor Fuerza del gas

Barras del compresor Fuerza inercial 

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Fuerza inercial = (masa de los componentes) * (aceleración instantánea) Diferentes desplazamientos del pistón (gráfica superior) con respecto al tiempo la cual se deriva para obtener la velocidad (gráfica del medio), luego la diferenciación de la velocidad con respecto al tiempo nos da la aceleración (gráfica inferior) La carga inercial de la barra toma la forma de la gráfica de aceleración Las fuerzas inerciales son significativas en:  – Pistones de masas grandes  – Compresores de alta velocidad  – Proporción de servicio de baja compresión

Barras del compresor Fuerza inercial

Barras del compresor Carga total de la barra

Barras del compresor Solo tensión

Barras del compresor Solo compresión

Barras del compresor Golpe en el pin de la cruceta

Barras del compresor Carga excesiva

Barras del compresor Golpe de Cruceta

Barras del compresor Resumen del análisis La carga en la barra esta por encima del límite El pin de cruceta , el pistón, las uniones y la barra son esforzadas por encima  del límite especificado por el constructor Ajustar la carga en el compresor  Cambiar las líneas de presión  Insuficiente carga de inversión el la barra API 618 (junio de 1995) dice:  

“…la duración de la inversión no debe ser menor a los 15 grados del ángulo del  cigüeñal, y la magnitud del pico de la carga combinada de inversión debe ser   por lo menos el 3% de la carga combinada real en la dirección opuesta.” 

Las válvulas de succión descargadas en el lado CE pueden llevarnos a perdida del cambio de carga (rod reversal) Ajustar la carga en el compresor  Golpe en la inversión Revise las vibraciones de baja frecuencia. Busque por golpes cuando la carga  de la barra cambia de tensión a compresión y viceversa 

MOVIMIENTOS DE LA BARRA DEL COMPRESOR Cuál e s el movimiento de la barra?  Como se mide este movimiento?  Herramientas de análisis 

Movimiento de la barra del compresor Por que esto es importante? 

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Idealmente, las barras solo tendrán movimiento traslación reciprocante El movimiento es más complejo debido a:  – Alineación imperfecta  – Flexibilidad en la barra El análisis del movimiento es usualmente usado para identificar:  – Problemas de alineación en el cilindro  – Desgaste de la banda de anillos (rider band)  – Desgaste de los cilindros  – Desgaste de los shims de la cruceta

Movimiento de la barra del compresor Desgaste de la barra (rod run out) del cilindro y su historia (a 240 grados)

Movimiento de la barra del compresor Desgaste de la barra (Rod run out)

Movimiento de la barra del compresor Resumen del análisis Observación

Características típicas

Tendencia del movimiento sobre la caída del tiempo

Revisar por señales en la banda y desgaste lineal  Examinar las gráficas PV y LogP – LogV para ver posibles fugas en el anillo

Los sensores superiores e

inferiores siguen una “W” de 0 360°

Los sensores superiores e inferiores siguen una “V” de 0-

360°

Los sensores superiores e inferiores forman una “V” invertida de 0-360°

Patrones para los sensores superiores e inferiores separadas en la grafica de desgaste de la barra. La parte superior cae y la inferior sube

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Los sensores muestra que la caída de la barra de be estar 90 y 270 grados pareciendo alcanzar TDC y BDC. El tipo más común de desgaste lineal tiene forma de barril, más en el centro que en la parte terminal  La camisa es descubierto, donde el mayor desgaste ocurre en la parte terminal  Revisar si existe excesivo desgaste de las empaquetaduras  Revisar el alineamiento del cilindro  La camisa está descubierto, donde el mayor desgaste ocurre en la parte terminal HE.  Revisar si existe excesivo desgaste de las empaquetaduras  Revisar el alineamiento del cilindro  La barra esta desgastada donde la separación ocurre. Si esto esta alrededor de BDC, revisar la barra por desgaste cerca de la empaquetadura 

FALLAS EN EL COMPRESOR 

Cojinetes de bancada y biela

Rodamientos principales y del cigüeñal Mediciones 

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Es muy difícil obtener datos certeros de los cojinetes principales y del cigüeñal – el camino de transmisión no es grande En algunos niveles de análisis son posibles siempre y cuando la unidad se mantenga en movimiento:  – Usar un lector de vibraciones de baja frecuencia que pueda detectar golpes  – Medida de la carcasa donde halla un camino de transmisión al cojinete

Fundación Tendencia de la vibración de la carcasa: tornillos de anclaje rotos

FALLAS EN COMPRESORES

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Vibraciones en tuberias y carcazas

Fundacion Tendencia de vibracion: Pernos de anclaje rotos

Fundación Espectro: Vibración Normal en una carcaza