Pruebas de rendimiento de bombas centrífugas

Jul 29, 2023

El propósito de las pruebas es verificar el diseño del producto y garantizar la integridad mecánica. La prueba se completa para demostrar el cumplimiento de los estándares de la industria y del cliente y para generar un registro final del rendimiento de la bomba en condiciones controladas. Además de las especificaciones del usuario, se deben seguir ciertos estándares de la industria durante la prueba. Estos estándares se enumeran a continuación.

API 610 dice que todas las bombas API vendidas según el estándar se someterán a pruebas de rendimiento. Hay varias clases para probar bombas API. Algunas pruebas enumeradas están fuera del estándar API, pero ocasionalmente el comprador las requiere. Estas clases se describen a continuación.

Marcha mecánica: Una prueba para asegurar la integridad mecánica de la bomba. Esto significa que la bomba funcionará sin problemas mecánicos, lo que incluye mantener una temperatura aceptable de los cojinetes, niveles de vibración y sin fugas de los sellos o juntas. La duración de la prueba es solo lo suficiente para verificar que la bomba funcionará satisfactoriamente en el campo y que la temperatura del cojinete se estabilizará.

Se debe tomar un punto de datos en la condición de diseño para verificar que el ajuste del impulsor sea correcto.

Prueba de rendimiento: una prueba de rendimiento es una prueba completa que cumple con las especificaciones API 610. Las medidas se toman de acuerdo con los estándares de prueba ASME PTC y HI. Durante la prueba de rendimiento, se toman suficientes datos para definir completamente la curva, que suele ser de seis o más puntos. Se toma la vibración en cada punto, así como un registro continuo de la temperatura del rodamiento.

La bomba debe funcionar satisfactoriamente dentro de los límites especificados. La duración de la prueba debe ser lo suficientemente larga para estabilizar la temperatura del cojinete. La bomba debe funcionar a la velocidad de campo que se muestra en la hoja de datos, a menos que se acuerde lo contrario.

Prueba NPSH: La prueba de cabeza de succión neta positiva (NPSH) es una prueba para determinar el rendimiento de succión de una bomba. Para realizar una prueba de NPSH, la presión se reduce gradualmente en la línea de succión hasta que la bomba entra en el inicio de la cavitación. Esto generalmente se define por una caída del 3 % en la cabeza o, en el caso de una bomba multietapa, una caída del 3 % en la cabeza de la primera etapa.

Los puntos de datos, que incluyen el NPSH y la carga total de la bomba, se toman hasta que la carga total comienza a disminuir. La capacidad se mantiene a un caudal predeterminado constante. Para las pruebas de desarrollo, se deben recopilar suficientes datos para definir completamente el punto en el que la bomba deja de funcionar. La imagen 2 muestra una curva típica para una prueba NPSH completa.

Prueba de cadena: una prueba de cadena es una prueba especial, generalmente solicitada por el cliente, en la que la bomba y el impulsor y posiblemente otros componentes del tren de transmisión, como una caja de engranajes, se configuran, generalmente en la base de trabajo, y funcionan como un conjunto para un período de tiempo especificado.

El tren funciona a la velocidad de campo a menos que se especifique lo contrario, en cuyo caso se requeriría un variador de frecuencia (VFD). Durante la prueba, las lecturas se toman según lo especificado por el usuario y generalmente incluyen: capacidad, carga, potencia del conductor (hp) y vibración en todos los componentes del tren, la temperatura de los cojinetes de los componentes y la temperatura del agua. Esta es una prueba altamente especializada.

Prueba presencial: Cualquiera de las pruebas anteriores puede ser presenciada por el cliente. Por lo general, esta es una prueba con costo adicional. Por lo general, se ejecuta una prueba estándar antes de que el cliente sea testigo de la prueba para garantizar que la bomba esté funcionando según las expectativas. Cualquier problema encontrado durante la prueba previa puede ser corregido antes de la llegada del cliente.

Instrumentación: Toda la instrumentación utilizada durante las pruebas debe ser de la más alta precisión y confiabilidad, calibrada según los estándares nacionales y trazable al Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). La precisión mínima típica para la instrumentación de presión y capacidad es de +/- 0,1 %. Las lecturas de caballos de fuerza serán de al menos +/- 0.5%.

Durante una prueba, se realizará una medición de capacidad, cabezal de succión, cabezal de descarga, hp, velocidad, vibración y temperatura (prueba de agua y cojinetes). La temperatura de los cojinetes incluirá la temperatura del cárter de aceite y la temperatura de los cojinetes (solo cojinetes de manguito). Simplifica las pruebas si los transductores de presión (manómetros) están calibrados en presión absoluta. Calibrar a presión absoluta simplifica los cálculos de cabeza y NPSH y elimina las variaciones en la presión atmosférica, eliminando la necesidad de medir la presión barométrica durante la prueba.

En cada punto de capacidad se toman datos de altura de succión y descarga, hp y velocidad. La eficiencia mecánica de la bomba se calcula a partir de estos parámetros. Cuando se requiere, se realiza una prueba de NPSH y se realizan los cálculos para determinar el NPSH. La fórmula utilizada para estos cálculos se muestra en la Ecuación 1.

H = Hdisch – Hsucción +

( V2disch/ 2g -V2succión/2g) +/- h

Dónde

H = cabeza total de la bomba en pies

Hdisch = la cabeza de presión en pies (metros) absoluta en la llave de la tubería de descarga (libras por pulgada cuadrada absoluta [psia] en la llave de presión de descarga) /2.31 para agua con una gravedad específica de 1

Hsuction = La cabeza de presión en pies (metros) absoluta en la llave de succión (psia en la llave de presión de succión) /2.31 para agua con una gravedad específica de 1

V2disch/2g = cabezal de velocidad del fluido en la tubería de descarga (V = 0,00259 * galones por minuto [gpm]2/(ID)4) donde el ID está en pulgadas

V2suction/2g = cabeza de velocidad del fluido en la tubería de succión (V = 0.00259 * gpm2/(ID)4) donde el ID está en pulgadas

g = constante de gravitación de la tierra (32.174 pies/seg2)

h = diferencia en la elevación de los manómetros de succión y descarga, si los hay, en pies (metros)

Eficiencia = Q * H/(hp* 3960)

Dónde

Q = capacidad en gpm estadounidenses

H = cabeza en pies de líquido (agua)

hp = caballos de fuerza

3960 es el factor de conversión de unidades inglesas

NPSH = ha + V2succión/ / 2g–hvp– hst

Dónde

ha = presión absoluta (en pies de líquido) medida en la toma de presión de la tubería de succión.

V2Suction/2g = cabeza de velocidad del fluido en la tubería de succión (V = 0.00259 * gpm2/(ID)4) donde el ID está en pulgadas.

hvp = altura en pies correspondiente a la presión de vapor del líquido a la temperatura del fluido que se bombea

hst = la carga estática en pies que la toma de presión de succión está por encima o por debajo de la línea central del impulsor o del ojo del impulsor

Cuando se prueba con un motor de inducción, la velocidad del motor disminuye a medida que aumenta la carga. Esto se denomina deslizamiento, ya que la velocidad disminuye (deslizamiento de la velocidad síncrona) a medida que aumenta la potencia. Es deseable presentar las curvas de la bomba a una velocidad constante, por lo que los datos (capacidad, cabeza y hp) deben normalizarse a una velocidad constante.

Esta corrección por velocidad se calcula utilizando una relación llamada leyes de afinidad. Las leyes establecen que la capacidad varía en proporción a la velocidad, head por el cuadrado de la velocidad y hp por el cubo de la velocidad. Este principio se usa para corregir todos los puntos tomados durante una prueba a una velocidad constante o para corregir los datos de las bombas probadas a una velocidad diferente a la listada en la hoja de datos.

Las tuberías de succión y descarga deben diseñarse de acuerdo con ASME PTC. Las tomas de presión de descarga están ubicadas a cinco o siete diámetros de la brida (se prefieren siete diámetros) y al menos dos diámetros después de la toma de presión. El propósito de esta ubicación es permitir que el perfil de flujo se iguale antes de realizar la medición. Esto significa que las tuberías de prueba de conexión deben tener al menos siete diámetros de largo (se prefieren nueve diámetros). La toma de presión está ubicada dos diámetros antes de la brida de succión y de cinco a siete diámetros después de la brida de descarga. Las tuberías de succión y descarga deben tener un diámetro interior liso para evitar turbulencias.

Las tomas de presión están ubicadas a 90 grados de distancia en la línea central. Un grifo se usará como ventilación (instalado en la línea central superior para tuberías sin ventilación automática) y el otro para medir la presión ubicado en la línea central horizontal. Las tomas de presión deben hacerse de acuerdo con la Imagen 1. El orificio de perforación es de 1/8 de pulgada y la conexión es típicamente un medio acoplamiento de rosca de tubería nacional (NPT) de 1/4 de pulgada.

Una instalación de prueba típica incluye un sistema de circuito cerrado donde se bombea agua desde un tanque de supresión a través de un circuito. Preferiblemente, el tanque está ubicado debajo del nivel del suelo para que la prueba de NPSH se pueda realizar con una estrangulación mínima de la succión. Durante una prueba, el agua se extrae del tanque hacia la bomba, luego sale por la descarga de la bomba donde fluye a través de una válvula de control y un medidor de flujo antes de regresar al tanque. Consulte la Imagen 4 para ver un esquema de la tubería de prueba y la instrumentación.

El tanque de supresión debe tener una capacidad nominal de al menos 50 psi (se prefiere 150 psi) y vacío de presión cero absoluta. La presión del tanque debe poder controlarse desde casi el cero absoluto hasta 100 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) o más. La presión se controla usando una bomba de vacío y un compresor de aire para producir la presión de succión deseada. Los caballos de fuerza se miden usando motores calibrados y medidores de vatios o un medidor de torque.

Se toman lecturas de velocidad precisas en cada punto de datos. Esto puede ser tan simple como una luz estroboscópica y un cronómetro donde la luz estroboscópica se configura a la velocidad síncrona del motor y los deslizamientos del motor se cuentan y se deducen de la velocidad síncrona. La opción más común es un tacómetro adjunto al motor o incluido en el torquímetro. La precisión debe ser de más o menos 1 rotación por minuto (rpm).

Al observar una prueba, es importante que el testigo comprenda completamente lo que está sucediendo. Aunque una prueba de desempeño es altamente especializada, no es demasiado complicada. Todos los principales fabricantes y varios talleres de reparación independientes tienen una o más instalaciones de prueba.

Norma del Instituto Americano del Petróleo 610, 12.ª edición

Instituto Hidráulico "Pruebas de bombas centrífugas", ANSI/HI 1.6-2000

Instituto Hidráulico "Pruebas de bombas verticales", ANSI/HI 2.6-1994

Códigos de prueba de potencia ASME, ASME PTC 8.2-1990

Charles Goodrich es consultor de PumpWorks, LLC con más de 50 años de experiencia en la industria de bombas. Tiene un título en ingeniería mecánica de Louisiana Tech University. Se puede contactar a Goodrich en [email protected]. Para obtener más información, visite www.pumpworks.com.