Solución de problemas de una bomba API defectuosa

Jul 29, 2023

Una bomba de inyección de campo de salmuera es una parte crítica de cualquier operación de salmuera o planta de sal que practique la minería de soluciones para obtener materia prima.

Durante los dos años de los que había registros disponibles, una de estas bombas centrífugas de 4x3x16 pulgadas de 400 caballos de fuerza (hp), 3600 revoluciones por minuto (rpm) (Imagen 1, arriba) fallaba cada dos meses. Los costos de mantenimiento eran predecibles y altos.

Cada instancia de falla era una interrupción del proceso para la producción de salmuera para una planta de sal y conllevaba costos de mantenimiento y de contratista, pero el motivo por el cual era una bomba tan problemática era un misterio, y los altos costos no podían tolerarse.

El diseño del proceso en ese momento era como se muestra en la Imagen 2. Hasta donde todos sabían, este diseño databa de 1984 cuando se adoptó este diseño de bomba y proceso para reciclar las purgas.

Debido al diseño del proceso y la configuración de la tubería aguas arriba, el bombeo puede variar de 1 gramo por centímetro cúbico (g/cm3) cuando está en el agua, a 1,20 g/cm3 (100 % de salinidad) cuando pasa una gota de salmuera totalmente saturada. La densidad promedio a lo largo del tiempo fue de alrededor del 50 % de salinidad o 1,10 g/cm3, pero la bomba no vio tanto el promedio como las variaciones.

La tubería aguas abajo fue otra parte de la historia, ya que los pozos de salmuera tenían 2500 pies de profundidad. Estos hicieron un diseño de tubo en U con bombeo de densidad variable en la pierna izquierda y salmuera saturada a 1,20 g/cm3 en la derecha.

Como si el diseño del proceso no fuera suficiente desafío para la bomba, los operadores habían adoptado, como práctica preferida, el estrangulamiento posterior a la caverna. Este fue un desarrollo reciente en los últimos años y exacerbó lo que ya era una situación problemática. Debido a esto, las bombas debían cambiarse cada dos meses.

Entonces, la combinación del diseño del proceso y la práctica operativa envió la bomba a través de un ciclo de operación casi muerta a la izquierda del punto de mejor eficiencia (BEP), luego cruzó el BEP para operar en cavitación al extremo derecho de BEP.

Los operadores preferían el estrangulamiento posterior a la caverna debido a la lógica de que "la salmuera seguiría fluyendo durante mucho tiempo después de que fallara una bomba". Los operadores no se dieron cuenta de que esta práctica estaba promoviendo el síndrome de fallas frecuentes.

Mirando los registros de la operación del sistema, los registros de flujo alto y bajo durante un mes contaron parte de la historia. Hubo una gran variación del flujo más bajo al promedio y al más alto. Muchas de las lecturas diarias sitúan el caudal en lo que estaría demasiado lejos del BEP.

El problema no era solo el flujo alto o bajo, sino ambos (ocurriendo en diferentes momentos). La bomba se balanceaba de un lado a otro a lo largo de su curva de rendimiento desde un mínimo de 100 galones por minuto (gpm) hasta una tasa alta de 860 gpm que estaba más allá del final de la curva de rendimiento y cuando el ruido de cavitación era fuerte.

La potencia consumida por el motor contó una historia más sorprendente. El motor estaba frecuentemente en una condición de sobrecarga, con amperios de hasta 60, muy por encima de la clasificación nominal de 52.

Estos señalaron que el exceso de flujo de fluido de alta densidad también era un problema grave desde el punto de vista de la carga del motor, y toda esa potencia entraba en la bomba y provocaba la autodestrucción cada dos meses.

¿Por qué se produciría tanta variación? Algunos datos sobre la densidad del bombeo ayudan a desarrollar la historia. La salinidad medida varió del 8% al 86% en más de 200 lecturas, y los promedios fueron de alrededor del 50% (Imagen 4). La variación de la salinidad, combinada con el diseño del proceso, obligaba a la bomba a variar en todo su rango de flujo.

En cuanto al sistema completo, podría funcionar con dos pozos en funcionamiento (uno de entrada, uno de salida), tres pozos (dos de entrada y uno de salida o viceversa) o cuatro pozos (dos de entrada, dos de salida), que trataban las bombas. a pérdidas por fricción de descarga considerablemente diferentes, dependiendo de la configuración.

Se desarrollaron modelos hidráulicos para las diferentes situaciones. La bomba se adecuaba a la situación con el bombeo de agua únicamente y el flujo no entraba en la zona de cavitación (Imagen 7).

Al observar el rendimiento del sistema con salmuera débil de 27 % de salinidad de rango bajo (1,05 g/cm3), los usuarios descubren que con baja fricción de salida (cuatro pozos), el sistema puede entrar en exceso y cavitación si no se estrangula.

La carga estática de la elevación se ha reducido debido a que la válvula de tres vías se aleja del agua del lago. La cabeza estática de la diferencia de densidad se había reducido de 497 pies a solo 349 pies, debido al fluido de mayor densidad. Las curvas de rendimiento del sistema se desplazan hacia la derecha y caen frente a la curva de rendimiento de la bomba (Imagen 5).

De manera similar, con una densidad de bombeo más alta a una salmuera débil con una salinidad del 82 % (1,16 g/cm3), la carga estática de la diferencia de densidad se reduce aún más, lo que hace que las curvas del sistema se alejen más de la curva de la bomba. Con un fluido de tan alta densidad, la carga estática la diferencia de densidad cae a solo 81 pies, y las tres situaciones de descarga conducen a un flujo de cavitación muy a la derecha de BEP (Imagen 8).

Todo lo anterior es teórico, pero mire lo que estaba haciendo la bomba real. La observación mostró que la bomba estaba pasando por un ciclo repetitivo que hizo funcionar la bomba a lo largo de su curva de bombeo, libre de cavitación a más de 750 gpm cuando estaba en fluido caliente y luego de regreso al extremo izquierdo del BEP (Imagen 6).

En el cambio de agua del lago a bombeo de salmuera débil por la válvula de tres vías, el flujo, la presión y la potencia aumentaron porque la densidad había aumentado, junto con la presión de entrada, de -5 a +50 libras por pulgada cuadrada (psi). Esto se establece como tiempo = 0. Luego, a partir de aproximadamente 13 minutos, pasó una gota de salmuera de alta densidad y el flujo y la potencia aumentaron aún más.

Sin embargo, la presión disminuyó debido a un efecto aguas abajo, con salmuera de mayor densidad llenando la profundidad del pozo. El ruido de cavitación comenzó cuando la salmuera caliente y de alta densidad pasó a través de la bomba, y la cavitación continuó hasta que la válvula de tres vías cambió nuevamente al agua del lago aproximadamente a los 52 minutos del ciclo. Nuevamente ocurrieron transitorios cuando el agua llenó primero la tubería y luego el pozo. El flujo disminuyó y se estabilizó a medida que el sistema se llenaba completamente de agua. Luego, a los 98 minutos, la válvula de tres vías cambió y el ciclo se repitió.

¿Cómo pueden los usuarios curar el problema de fallas frecuentes? Elimine las causas de la variación y haga que la bomba funcione de manera constante:

Esos cambios se muestran en la Imagen 3, el diseño del proceso modificado revisado.

Entonces se logró la longevidad que uno esperaría de esta bomba, y la vida útil del sello se convirtió en el factor limitante en lugar de la falla del rodamiento. La vida útil se prolongó aún más cuando se recortó el impulsor para conservar la energía, primero de 16,0 a 14,5 pulgadas de diámetro, luego a 14,0 pulgadas y finalmente a 13,75 pulgadas. Se ejecutó durante muchos años en ese modo. La bomba se había convertido en una parte confiable del proceso de producción de sal, en lugar de una pesadilla cada dos meses.

La unidad anterior era de 4160 voltios (V) y no se controlaba fácilmente la velocidad. Cuando la planta exigió más capacidad, el impulsor volvió a ser de 16,0 pulgadas con un variador de frecuencia (VFD), impulsando un nuevo variador de 480 V en una nueva ubicación. Reducir la velocidad de operación para satisfacer las necesidades del proceso y eliminar cualquier estrangulación de válvulas fue otro beneficio para la longevidad de la bomba.

David Crea es un ex ingeniero químico y actual consultor. Se graduó de la Universidad de Idaho. Crea ahora está jubilada y vive en Watkins Glen, Nueva York. Puede comunicarse con él en [email protected].