Curso Análisis Dinámico Para Jefes de Turno y Supervisores Capi

5/20/2018 Curso An lisis Din mico Para Jefes de Turno y Supervisores Capi

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CURSO ANLISIS DINMICO PARA JEFES DE

TURNO Y SUPERVISORES

Subdireccin de Generacin, 2012

INTRODUCCIN

La vibracin es un fenmeno inherente al funcionamiento de la maquinaria y equipos

usados en la generacin de electricidad, tanto maquinaria rotatoria turbinas, bombas,

ventiladores- como otros equipos que no girancambiadores de calor, en el rea trmica o

transformadores, en el rea elctrica. En este curso nos vamos a enfocar a la

turbomaquinaria, al equipo rotatorio.

Lo primero que hay que entender y asumir al ocuparse de la vibracin delas mquinas, es

que sta siempre est presente y que es necesario medir y reducir su intensidad, dado que

puede alcanzar niveles destructivos.

Pero no solamente se trata de evitar que el valor de la vibracin sea de nivel tal que dae las

mquinas, tambin es conveniente aprovechar la existencia del fenmeno para diagnosticar

el estado mecnico, la salud de los equipos. Esto ltimo es de particular importancia ya que

cada causa de vibracin tiene caractersticas singulares que se pueden identificar desde el

momento en que su intensidad no causa daos, lo que podra conocerse como falla en

estado incipiente.

CAUSAS Y MANIFESTACIONES DE LA VIBRACIN

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1Ver esta lista de causas que aqu desarrollamos, en:Irwin& Graf, Industrial Noise and Vibration Control,

Prentice Hall, New Jersey, 1979.

Las causas de la vibracin son siempre defectos indeseables, que si se les permite

manifestarse sin corregirlos, pueden llevar a daos en los equipos; la vibracin, que es un

movimiento cclico no deseado, ocurre porque hay una fuerza presente, interna o externa,

que excita los componentes de las mquinas. La amplitud de la vibracin es directamente

proporcional a la causa originaria, e inversamente proporcional, o restringida por la masa,

la rigidez y el amortiguamiento de los sistemas involucrados. Por otra parte, una mismacausa de vibracin y condiciones de restriccin similares, producen amplitudes de vibracin

diferentes conforme la frecuencia de giro de la mquina se acerque o se aleje de las

frecuencias naturales de vibracin de la mquina y sus partes asociadas.



CURSO ANLISIS DINMICO PARA J EFES DE TURNO Y SUPERVISORES

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Desbalance

La causa ms importante de vibracin es por mucho, el desbalance de los rotores de las

mquinas, mismo que se puede definir como la falta de coincidencia del centro de masa del

rotor y su centro de giro2

Figura 1. Modelo de rotor desbalanceado, llamado de

J effcott

De esta forma, la existencia del desbalance de masa en un rotor, hace que el giro de este

deje de ser un movimiento de rotacin puro, y que se convierta en un movimiento ms

complejo, conocido como orbitacin,cuya amplitud es directamente proporcional a la

fuerza centrfuga e inversamente proporcional con la rigidez del sistema rotor-apoyos. Esta

orbitacin del rotor, tambin llamada vibracin de rotor o de flecha, es la primera

manifestacin de la causa llamada desbalance.

La deformacin cclica de los apoyos causada por esta fuerza tambin cclica, es lo que se

conoce como vibracin de las carcasas o partes fijas de la mquina. Esta es una segunda

manifestacin de la causa desbalance. La frecuencia de esta vibracin es la misma que el

giro del rotor; su amplitud, es como ya se dijo, proporcional a la magnitud del desbalance e

inversamente proporcional a la rigidez del sistema.

. El desbalance se manifiesta como una fuerza centrfuga que

genera una deformacin elstica en el rotor, lo que a su vez hace que este ejerza una fuerza

cclica, sncrona con el giro, sobre los apoyos de este, lo que a su vez, tambin deforma, de

manera elstica, el sistema de soporte de dicho rotor. Ver Figura 1.

El desbalance es por s mismo una causa de vibraciones dainas, que acortan la vida de los

componentes de la turbomaquinaria, es por tanto de suma importancia que desde el

principio de la operacin se logren buenas condiciones de balanceo y consecuentemente

2Ver:http://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_unbalance.
http://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_unbalancehttp://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_unbalancehttp://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_unbalancehttp://en.wikipedia.org/wiki/Rotating_unbalance




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niveles bajos de vibracin, lo que asegurar periodos de operacin largos, sin necesidad de

paros de correccin de fallas.

Desalineamiento

El desalineamiento de rotores entre s y de rotores con sus carcasas, es otra de las causas

ms frecuentes de vibracin de las turbomquinas. Hay dos formas bsicas de

desalineamiento: Paralelo, fuera de lnea, como se muestra en la Figura 2 y No paralelo, o

en ngulo, como tambin se muestra. El desalineamiento siempre se manifiesta como una

pre-carga unidireccional sobre el rotor, misma que tiene la tendencia a generar vibraciones

con frecuencia igual al doble del giro de la mquina. Si la precarga del desalineamiento se

contrarresta con otras pre-cargas, entonces este tambin puede generar sntomas idnticos al

desbalance, al menos por la vibracin de frecuencia igual a la de giro y/o vibraciones de las

llamadas de latigazo de aceite, oilwhip, de las que hablaremos ms adelante.




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Figura 2. Desalineamientos tpicos: a Par alelo. b En ngulo.

Las condiciones del desalineamiento pueden variar con las condiciones de operacin y

carga de la mquina en cuestin, razn por la cual se puede hablar de desalineamiento en

caliente, o en fro. Hay varias causas de desalineamiento, adems de las inherentes a los

acoplamientos, estas pueden ser cargas previas de tuberas, los arreglos de las

cimentaciones y las distorsiones trmicas de las carcasas, de las que tambin se hablar ms

adelante.

De igual forma que en el desbalance, en el que la fuerza centrfuga provoca deformacin a

los rotores y por tanto movimientos diferentes a la pura rotacin, el desalineamiento

provoca deformaciones y movimientos adicionales al giro, mismos que tambin ocasionan

cargas y deformaciones cclicas en los apoyos y carcasas de las mquinas, o sea,

vibraciones.




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El desalineamiento es una causa de vibraciones dainas, que acortan la vida de los

componentes de la turbomaquinaria, es por tanto de suma importancia que desde el

principio de la operacin se logren buenas condiciones de alineamiento y

consecuentemente niveles bajos de vibracin, lo que asegurar periodos de operacin

largos, sin necesidad de paros de correccin de fallas.

Rozamiento

El rozamiento entre partes fijas y mviles de las mquinas es otra causa importante de

vibracin que se produce tanto en mquinas de aparentemente alta rigidez y huelgos

amplios, como seran los ventiladores de tiro de las calderas, o las bombas de agua, como

en mquinas ms flexibles como son las turbinas de gas y de huelgos ms cerrados como

estas ltimas y las turbinas de vapor.

En trminos generales, el rozamiento se produce por un contacto con precarga, que puede

evitar u obstaculizar el movimiento, entre una parte rotatoria y otra fija de una

turbomquina. Un ejemplo tpico de rozamiento de una mquina bien armada y bien

alineada, es aquel que se produce por expansin diferencial, cuando una parte de la

mquina, generalmente el rotor, se calienta y se expande ms rpidamente que la otra parte,

hasta abarcar los huelgos axiales.

El rozamiento produce una amplia variedad de efectos de vibracin, con muchas

frecuencias presentes, entre ellas las caractersticas del desbalance, a la frecuencia de giro,

tambin las sintomticas del desalineamiento, pero en cualquier caso, el fenmeno es decarcter muy variante, por ello es muy comn que no se puedan tener lecturas estables de

amplitud ni de ngulo de fase, adems, es frecuente que el rozamiento produzca ruidos

audibles para el personal de operacin, por lo que es difcil de ignorar.




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Figura 3. Rozamiento y generacin de punto caliente.

El rozamiento es por s mismo destructivo y autoalimentable, ya que una vez que se, inicia,

produce calentamiento y consecuentemente expansin trmica de la zona afectada, lo que

puede agravar el rozamiento o sea, llenar el hueco dejado por el desgaste. Ver Figura 3.

Solamente en el caso de rozamiento de sellos, cuando estos son laminillas de muy bajacantidad de masa, el rozamiento y desgaste consecuente puede limitarse a solo destruir el

sello, sin retroalimentar la falla. La mala noticia es que la prdida de esa laminilla de masa

insignificante, causa prdidas de eficiencia de muy alto costo econmico para la empresa.

La precarga presente en un rozamiento puede evitar que la mquina gire o que tenga que ser

aplicada una potencia mayor a la necesaria para el giro libre; por ejemplo, un rozamiento

incipiente en condiciones de mquina parada movida por un virador, puede llevar al disparo

por sobre corriente del motor; cuando esto ocurre, es conveniente tomar el disparo como un

sntoma de un fenmeno grave y evitar malas prcticas, como la de subir los niveles de

disparo del motor o usar un elemento motriz de mayor potencia, como sera la gra de casade mquinas o an peor, usar la potencia de la propia mquina, el vapor, para destrabarla y

entrar en operacin. Estas malas prcticas, psimas, son origen de eventos de destruccin

de piezas, daos mayores en los equipos y paros de reparacin caros y prolongados. En

conclusin, que hay que evitar el rozamiento y una vez detectado, tratar la mquina con

delicadeza y evitar daos mayores.




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Aflojamiento

Las partes de las mquinas que debieran estar ajustadas no son fuente de vibracin, hasta

que se aflojan,o sea hasta que disminuyen su rigidez al grado de permitir movimientos de

gran amplitud y de caractersticas aleatorias, no estables. Casos tpicos de aflojamiento de

mquinas, son los puntos de apoyo de las carcasas y de las chumaceras en las

cimentaciones de las mquinas, tambin la falta de apriete y contacto entre piezas de las

propias chumaceras y por ltimo, huelgos excesivos en las chumaceras hidrodinmicas.

Estas condiciones de aflojamiento magnifican problemas menores de desbalance o

desalineamiento, que pueden ser diagnosticados errneamente como la causa de un

problema de vibracin.

Resonancias

La resonancia consiste en la excitacin de modos de vibracin a su frecuencia natural,

combinada con un amortiguamiento insuficiente. Los sistemas rotor chumacera se deben

disear para que sus velocidades de operacin queden alejadas de frecuencias naturales de

vibracin de los modos mayores o ms probables, por ejemplo, las llamadas velocidades

crticas de los rotores. Existen casos de labes de turbina de gran longitud y poca capacidad

de amortiguamiento, tales como los del ltimo paso de las turbinas de vapor, que si se

operan en una velocidad que excite dichos labes se pueden producir fallas por fatiga dealto nmero de ciclos en cuestin de minutos.

La vibracin resonante se produce excitada por la frecuencia de giro o por sus mltiplos y

puede ser, dependiendo de las caractersticas propias del sistema masa, rigidez

amortiguamiento- y de la magnitud de la excitacin, de niveles muy severos.

Otra manera de excitar de manera resonante un sistema, es con una vibracin de una

frecuencia subarmnica, o sea, que una vibracin a una frecuencia natural de 440 Hz, se

puede excitar con otra vibracin de 220 Hz. Esto es lo que sucede cuando se afina un

instrumento musical, una guitarra, por ejemplo, en la que la cuerda La de 440 Hz, se puede

excitar con otra Lade frecuencia ms baja, 220 Hz.




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Remolino de aceite y latigazo de aceite

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a. Baja carga radial de la chumacera

El remolino de aceite, conocido tambin por su nombre en ingls, oil whirl, es una

inestabilidad hidrodinmica que ocurre en las chumaceras lubricadas, tambin llamadas

precisamente hidrodinmicas. El remolino de aceite tiene su origen en el giro de la pelculade aceite dentro de las chumaceras hidrodinmicas, que se produce, en principio, a la mitad

de la frecuencia de giro del rotor, ya que la capa de lubricante adyacente al rotor se mueve

junto con l a la frecuencia de giro, mientras que la capa de lubricante adherida a las partes

de la chumacera, que no giran, tienen una velocidad de giro nula. La pelcula completa gira

as a la velocidad promedio del giro del rotor, ello menos una pequea cantidad de atraso

producida por la friccin interna del propio aceite. De esta forma la frecuencia

caracterstica del fenmeno llamado oil whirl, es siempre menor a la mitad de la frecuencia

de giro del rotor. Los valores tpicos de esta frecuencia son del orden de 0.38 a 0.43 veces

la frecuencia de giro, o sea que si una turbina gira a 60 Hz y alguna de sus chumaceras tiene

una componente de vibracin de entre 23 y 26 Hz, se puede estar seguro de que elfenmeno de inestabilidad hidrodinmica est presente.

Este fenmeno ocurre por una de tres causas o combinacin de ellas:

b. Huelgos excedidos

c. Alta viscosidad del aceite, la que a su vez puede estar originada en baja temperatura

del mismo.

Figura 4. Remolino de aceite

3Ver referencia citada Irwin& Graf. Ver tambin:http://www.machinerylubrication.com/Read/754/oil-

whirl-whip.
http://www.machinerylubrication.com/Read/754/oil-whirl-whiphttp://www.machinerylubrication.com/Read/754/oil-whirl-whiphttp://www.machinerylubrication.com/Read/754/oil-whirl-whiphttp://www.machinerylubrication.com/Read/754/oil-whirl-whiphttp://www.machinerylubrication.com/Read/754/oil-whirl-whiphttp://www.machinerylubrication.com/Read/754/oil-whirl-whip




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La vibracin por oil whirles peligrosa ya que una vez iniciado el fenmeno, puede tener

amplitudes muy severas, dado que dentro de los lmites del huelgo de las chumaceras, no

hay restricciones importantes que lo limiten. Una buena noticia parcial, es que en algunas

pocas ocasiones, el oil whirl cambia las condiciones del sistema rotor chumacera, por

ejemplo aumentando la temperatura del aceite y alejando la ocurrencia del fenmeno.

Una mala noticia es que este fenmeno de remolino de aceite, oil whirlpuede excitar una

resonancia lateral del rotor, las conocidas como velocidades crticas, lo que hace que el

fenmeno se transforme en latigazo de aceite, conocido en idioma ingls como oil whip; en

tal caso, las amplitudes de vibracin son muy severas y pueden llevar a fallas catastrficas

del rotor o sus acoplamientos, en tiempos relativamente cortos.

Flexin de rotor

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4A partir de aqu, causas adicionales aadida por nosotros.

Un rotor flexionado, as sea de manera temporal, se comporta en principio, como si

estuviera desbalanceado; la magnitud del desbalance por flexin puede ser similar a la

mayora de los casos de desbalance, sin embargo, dada la masa del rotor, este puede ser

mucho mayor.

La flexin temporal se produce por insuficiencia de tiempo de virado despus de un paro,

principalmente caliente. La flexin permanente, tambin conocida como excentricidad, se

puede producir por incidentes de operacin con vapor anormalmente fro, tambin por

paros sin virador con mquina caliente y por ltimo, por incidentes graves de rozamiento,

seguidos seguramente por paros sin virador.

Como ya se dijo, la flexin se puede confundir con desbalance, tambin puede inducir

precargas y comportarse como desalineamiento; una caracterstica principal es que se

manifiesta como vibracin de amplitud fija desde baja velocidad, en momentos en que la

vibracin por desbalance no suele manifestarse, tambin puede ocurrir que la amplitud de

vibracin a la velocidad crtica tienda a ser nula.

La flexin suele causar vibraciones de alta severidad, la temporal debe ser corregida

siempre, como una buena prctica de operacin. La flexin permanente tiene lmites

especficos para cada rotor, mismos que deben ser parte de los manuales de operacin ymantenimiento de cada mquina y debe ser corregida siempre a la primera oportunidad.




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Tur bulencias de fluido de tr abajo

Hay una multitud de posibilidades por las que el fluido de trabajo de una turbomquina

puede inducir vibraciones a esta. Las ms importantes son las que ocurren en las turbinas de

gas, especialmente en la seccin de compresin de aire, conocidas como stally otrallamada surge.

Otra posibilidad de vibracin inducida por el fluido de trabajo es la de remolino de vapor,

tambin conocido por su nombre en ingls, steam whirl, que puede ser causado por sellos

mal ajustados, por huelgos excesivos o por huelgos diferenciales en posiciones opuestas

circunferencialmente. Una frecuencia caracterstica de este fenmeno es, como en el caso

del oil whirl, ligeramente inferior a la frecuencia de giro del rotor.

Los problemas geomtricos, sean originados en mal montaje o por incidentes de rozamiento

o en desgastes por horas de operacin, deben ser corregidos ya que son la causa raz del

fenmeno.

Las vibraciones encontradas durante la operacin ms o menos normal, causadas por

inestabilidad del fluido de trabajo, principalmente en turbinas de gas, deben ser evitadas de

acuerdo a los manuales de operacin correspondientes.

Paso de labes

El paso de labes de turbinas o ventiladores, vanos de impulsores de bombas o cualquier

elemento mltiple de un rotor, puede causar vibraciones cuya frecuencia es igual a la de

giro multiplicada por el nmero de elementos del caso.

Este fenmeno aparece, o se agrava ante irregularidades del flujo de trabajo, por ejemplo,

una prdida de material o su contrario, una acumulacin de depsitos, irregulares ambos, en

una rueda fija de toberas o labes estacionarios, puede generar irregularidades en la presin

dinmica que esa rueda ejerce sobre la siguiente rueda de labes mviles que pueden

empezar a vibrar como si tropezaran con un elemento mecnico.

Por esta razn siempre ser necesario que el monitoreo de vibraciones incluya, adems de

las frecuencias relacionadas con el desbalance, a la frecuencia de giro, el desalineamiento,al doble de la misma y con problemas con las chumaceras, a la mitad del giro de la

mquina, otro rango de frecuencias en los mltiplos correspondientes a vanos y labes,

estos pueden ser, pequeos, 5 a 10 veces la frecuencia de giro, en el caso de vanos de

bombas o del orden de 100 veces, en el caso de labes turbinas de vapor y gas.




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Distorsin trmica

El calentamiento irregular de una mquina durante un arranque, o durante un transitorio de

carga, puede causar vibraciones parecidas a las de desalineamiento. En caso de una turbina

de vapor, el fenmeno puede ser originado por algunas de las siguientes circunstancias:

a. Vapor anormalmente fro en condiciones de mquina caliente

b. Mal drenado de carcasas de turbina

c. Aislamiento trmico irregular

d. Operacin de arranque o cambio de carga por arco parcial.

Una distorsin trmica puede llevar a su vez a rozamiento, a daos consecuenciales del

propio rozamiento y a otros daos causados por la propia vibracin.

Malas condiciones de operacin

Las malas prcticas de operacin, tales como presin incorrecta de sellos, valores

inadecuados de presin o temperatura de vapor y otros fluidos de trabajo, presin

insuficiente en la succin de bombas, calentamiento no uniforme de las mquinas,

velocidad de cambio de carga ms alta que lo tolerado por la mquina, son causa de la

aparicin de fuerzas irregulares que causan distorsiones mecnicas en las mquinas y que

pueden causar vibracin.

Es por lo tanto, de suma importancia que siempre se apliquen los procedimientos de

operacin previstos por los fabricantes, mismos que en todo caso pueden ser revisados y

completados durante la operacin de las unidades a nuestro cargo.

Vibr acin por daos en elementos de r odamientos antifriccin

La ltima causa de vibracin de la que vamos a hablar en este curso, es la causada por

defectos en los rodamientos antifriccin, tambin conocidos en lenguaje popular como

baleros.Estos rodamientos pueden ser de bolas o de rodillos, mismos que a su vez pueden

ser de forma cilndrica o cnica.

Los defectos en una bola o rodillo, as como en pistas interna o externa, causan una

vibracin caracterstica con frecuencias que son funcin de la geometra de cada

rodamiento, as como de la velocidad de giro de la mquina. La sola aparicin de la

vibracin caracterstica significa que puede haber una fisura en estos elementos, razn por

la cual la falla por fatiga del rodamiento es inminente y que es necesario cambiar cuanto

antes dicho rodamiento.

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