Bomba de lodos de alta resistencia: guía de ingeniería y selección

Elegir una bomba de lodo de alta resistencia rara vez es un ejercicio de catálogo. Dos bombas con flujo y cabezal de placa de identificación idénticos pueden exhibir modos de vida útil, consumo de energía y falla tremendamente diferentes una vez que se mueven de un laboratorio de pruebas a un circuito de relaves, una línea de dragado o un bucle FGD. Esa distancia entre la hoja de datos y el rendimiento del campo es donde viven la mayoría de los excesos de TCO y donde se deshacen la mayoría de las buenas selecciones.

Esta guía reúne la ingeniería que un especificador de bomba de lodo realmente necesita: reglas de reducción de potencia hidráulica extraídas de los estándares del Instituto Hidráulico, las tres pruebas de desgaste ASTM detrás de cada reclamo responsable de material húmedo, una lista de verificación de selección basada en parámetros, un modelo de costo del ciclo de vida y una matriz de diagnóstico de fallas probada en campo. Está escrito para ingenieros, especialistas en adquisiciones y equipos de confiabilidad de plantas que desean evaluar una bomba de lodo según el mérito de ingeniería en lugar de una copia de marketing.

¿qué hace que una bomba de lodos sea “de servicio pesado”? Una definición de ingeniería

“De servicio pesado” se utiliza a veces como etiqueta de marketing, pero tiene una definición de ingeniería defendible. Esta clase de bomba es una unidad rotodinámica diseñada para el servicio continuo en lodos abrasivos de alta concentración (generalmente por encima de 30% sólidos por volumen (con márgenes estructurales y materiales que la colocan fuera del alcance de una bomba centrífuga de uso general). Su intención de diseño es un funcionamiento confiable en condiciones que eliminarían una bomba genérica en cuestión de semanas.

Tres distinciones estructurales diferencian una bomba de lodo de alta resistencia de una unidad centrífuga genérica. En primer lugar, la pared de la carcasa es significativamente más pesada, normalmente de 15 a 50 mm frente a 6 a 10 mm para una bomba de agua clara, para adaptarse al desgaste erosivo sin afectar la contención de la presión. En segundo lugar, los componentes del extremo húmedo (impulsor, casquillo de garganta, revestimiento de placa de marco, revestimiento de voluta) están diseñados como elementos reemplazables en el campo en metal endurecido o elastómero. En tercer lugar, la disposición de sellado del eje es un expulsor (sello dinámico) o un sello mecánico lavado clasificado para servicio abrasivo, a diferencia de un simple labio o sello empaquetado.

El estándar del Instituto Hidráulico Bombas de lodos centrífugas rotodinámicas ANSI/HI 12.1-12.6 establece la nomenclatura, las reglas de diseño y los límites de aplicación para esta clase de bomba, incluido el comportamiento de reducción que separa el servicio de lodos del servicio de agua clara. Se aplican estándares paralelos a las pruebas de aceptación hidráulica (ISO 9906) y, para instalaciones de plantas de proceso donde la línea de lodos entra en servicio explosivo, clasificaciones API 610.

Fundamentos hidráulicos « Cómo la suspensión cambia el rendimiento de la bomba

Una bomba de lodos de alta resistencia no sigue la curva de rendimiento de una bomba de agua clara. Las partículas sólidas alteran la densidad del fluido, la viscosidad efectiva y el comportamiento del impulsor y del líquido. Tres efectos hidráulicos controlan el rendimiento de la suspensión y se hace referencia explícita en la norma del Instituto Hidráulico.

Reducción de potencia del cabezal para gravedad específica. Cuando una bomba que pasa una suspensión superior a 1,0 SG tiene una altura desarrollada en metros que cae por debajo de la curva de agua clara, ANSI/HI 12.1-12.6 muestra la metodología de reducción de velocidad en la Sección 12.3.2.3 (susurros acuosos). Para una potencia de motor determinada, el flujo aumenta a medida que la gravedad específica de la suspensión mientras que el cabezal volumétrico en la descarga cae. Por lo tanto, una bomba dimensionada simplemente a partir de una curva de agua clara subestima en su aplicación -, nunca iba a lograr el mismo cabezal en medios más densos.

Penalización de eficiencia. La eficiencia de la bomba en lodo es normalmente 65-80% menor que la de una bomba de agua clara similar debido a la pérdida de energía debido a los impactos de partículas dentro de la voluta y fuera de las paletas del impulsor. Esa penalización aumenta con el tamaño y la densidad de las partículas. Un error común al sobredimensionar una bomba para “absorber” esta penalización, aunque conceptualmente simple, altera el punto de funcionamiento óptimo desde el BEP hasta el punto de rendimiento fuera de diseño, acelerando el desgaste.

margen NPSH. la suspensión requiere más margen de NPSH que el agua pura. La combinación del aumento de la densidad, el pequeño porcentaje de aire arrastrado y el aumento de las pérdidas de las tuberías en relación con el agua clara requiere que el NPSHa en la entrada de la bomba esté provisto de una relación NPSHa/NPSHr de fieltro de 4 o más para eliminar la posibilidad de cavitación, en servicio abrasivo «no el 1,1-1,5 que se encontrará a menudo en los consejos sobre NPSH para instalaciones de agua limpia.

Desplazamiento centrífugo versus positivo « Seleccionando el tipo de bomba adecuado

La bomba centrífuga de lodo es, con diferencia, la opción dominante de la base instalada, pero las bombas de desplazamiento positivo según la forma del mapa tienen un nicho de servicio defendible. La elección se basa en el flujo, la altura y los mangos de los sólidos, no en la predilección.

Una bomba de lodo centrífuga transforma la energía introducida por un diseño de impulsor como un caudal de dos volúmenes. Es capaz de manejar grandes rangos de flujo (25 «12000 m/h), aunque la eficiencia es menor que la de una bomba de lodo de desplazamiento positivo en puntos de flujo altamente eficientes (hasta aproximadamente 95 m para las versiones de pistón-diafragma utilizadas en la alimentación por filtro prensa o servicio de refuerzo de tuberías). A alto flujo, es capaz de mover sólidos grandes de tamaño grueso (100 mm y más, con el impulsor adecuado) y sobresale por su capacidad de paso. Una bomba centrífuga es la opción correcta para la mayoría de los flujos de trabajo de lodos de minería, agregados, dragado y aguas residuales.

Una bomba de lodo de desplazamiento positivo -una cavidad progresiva, diafragma de pistón o peristáltico estilo manguera -cable de mover un volumen fijo por revolución. Naturalmente, es eficiente en 100% en todas las densidades de lodo y es capaz de manejar cabezales altos (hasta más de 2000 m para la versión de diafragma de pistón utilizada en el servicio de alimentación de filtro prensa o de refuerzo de tuberías). El costo es una ventana de flujo estrecha, salida pulsante (se requieren amortiguadores o acumuladores si hay líneas sensibles) y aceptación limitada de un tamaño mayor o sólidos de castigo.

Mecanismos de desgaste « Por qué fallan los componentes de las bombas de lodo de alta resistencia

Vida útil. Los más comentados y citados en el bombeo de lodos. Dispuestos en una pizarra limpia se verían así: cinco mecanismos de desgaste individuales, cada uno llamado para medirse según un estándar diferente, cada uno de los cuales se puede abordar mediante una selección diferente de material de extremo húmedo.

Desgaste abrasivo (deslizante)

El desgaste abrasivo deslizante implica que las partículas se deslicen en una superficie con presión uniaxial (es decir, entre el espacio del impulsor y el revestimiento de la placa del marco). La prueba asociada requerida es ASTM G65, en la que la geometría de la rueda de arena seca y caucho proporciona una clasificación para la pérdida de volumen del material. Un hierro blanco con alto contenido de cromo 27% generalmente demuestra una pérdida de volumen 5-10×menor que el acero dulce en G65.

Abrasión de lodos (la prueba específica de lodos)

ASTM G75-15(2021) ‘la prueba del Número Miller, que proporciona una medida de la abrasividad de una suspensión (Número Miller) y de la abrasividad de la suspensión de un material de referencia (Número SAR). G75 es la mejor referencia cruzada al comparar materiales de extremo húmedo para una suspensión mineral determinada, mucho más defendible que cualquier calificación industrial patentada).

Desgaste erosivo (pinzamiento de partículas)

B. Pruebas de erosión por impacto de partículas sólidas ASTM G76 -la corriente de partículas transportadas por el aire golpea el cupón en un ángulo y velocidad específicos. La erosión ocurre más rápidamente en los bordes de ataque de las paletas del impulsor, donde la partícula sufre un cambio repentino de dirección.

Hierro con alto contenido de cromo, cerámica 'mejor en ángulos de impacto bajos. Los elastómeros son mejores en ángulos de impacto altos. Por lo tanto, los extremos húmedos revestidos de goma son mejores en partículas finas que los ángulos de impacto metálicos 'son más aleatorios y generalmente más altos.

Desgaste corrosivo

Cuando se produce un ataque del pH, cloruros o sulfatos disueltos sobre el material del extremo húmedo junto con la abrasión, la tasa de daño es aditiva a cualquiera de ellos. Este es el proceso que acelera el desgaste en la suspensión de cal FGD (pH 2-4) y ciertos circuitos de fosfato. Generalmente se necesitan compuestos elastoméricos particulares o de acero inoxidable dúplex.

Cavitación y fatiga

El daño por cavitación (huese de los lados de succión del impulsor causado por el colapso de la burbuja de vapor) es una falla de diseño hidráulico, no una falla de selección de material. Una bomba que funciona con un margen NPSH inadecuado cavitará independientemente de la elección del extremo húmedo. Las grietas por fatiga en las raíces de las paletas del impulsor en impulsores de gran diámetro y alto cromo son un problema de campo documentado que los ingenieros de campo asocian con los ciclos de tensión térmica y mecánica en el servicio de arranque/parada, no con la abrasión pura.

Las cifras de vida útil publicadas para extremos húmedos de alto cromo en relaves mineros normalmente oscilan entre 3000 y 8000 horas de funcionamiento, donde la dispersión se controla mediante la distribución del tamaño de las partículas, el pH y el porcentaje del punto de funcionamiento por encima o por debajo del BEP. La vida útil del rodamiento indicada por el fabricante -abierta al extremo húmedo --d. se indica regularmente como LB10 > 50 000 horas para los mejores diseños de bombas de lodo de alta resistencia.

Selección basada en parámetros « Desde el perfil de suspensión hasta las especificaciones de la bomba

Una especificación confiable de la bomba de lodos de servicio pesado comienza a partir de la loda, no del catálogo. Los diez parámetros siguientes especifican colectivamente lo suficiente del derecho como para que un proveedor pueda producir una curva de bomba realista y una selección justificable de material de extremo húmedo.

• ✔Caudal Q (m³/h) « punto de servicio en estado estacionario y cualquier sobre de sobretensión
• ✔Cabeza total H (m) “elevación estática + pérdidas por fricción + cabezal de velocidad + presión terminal
• ✔Concentración de sólidos por volumen (Cv) y por peso (Cw), ambos son necesarios para calcular SG
• ✔Distribución del tamaño de las partículas (d50, d85, d95) « impulsa la geometría y el material del impulsor
• ✔Gravedad específica de la suspensión (SG) « requerido para la reducción de potencia según HI 12.1-12.6
• ✔Temperatura y pH « encuadernado en las opciones de material y elastómero
• ✔Corrosividad « cloruros disueltos, sulfatos, oxígeno disuelto
• ✔Ciclo de trabajo «continuo versus lote, horas por año, frecuencia de inicio/parada
• ✔NPSH disponible en la brida de succión « compare con NPSHr + margen
• ✔Fuente de alimentación « tensión, frecuencia, disponibilidad de VFD, estándares de motor

Para un línea de productos de bombas de lodo de alta resistencia con una curva de bomba diseñada a medida combinado cruzadamente con un conjunto conocido de parámetros de lodo, el equipo de ingeniería de BBP pasa a un resumen comparable de diez parámetros y suministra etapas por etapas de rendimiento y alternativas de materiales.

Configuración « Horizontal, Vertical y Sumergible

Una vez definida la función hidráulica, aparece a continuación la decisión de configuración física. Cada una de las tres configuraciones principales tiene diferencias significativas para instalación, mantenimiento y NPSH.

Succión final horizontal

La configuración más común de bombas de lodo de alta resistencia. La bomba se asienta sobre una placa base al lado de un sumidero o tanque, se extrae de una línea de succión inundada y se descarga horizontal o verticalmente según la tubería. Ventajas: fácil reemplazo del impulsor y del revestimiento, carcasa de cojinete y sello accesible, recorridos largos entre mantenimiento. Restricción: requiere una línea de succión independiente y NPSHa adecuado (normalmente 3 m o más para lodos más pesados).

Voladizo vertical (sumidero)

Una bomba de eje vertical sin cojinete inferior ni sello de eje sumergido. Funciona en seco sobre la superficie del sumidero y depende del eje suspendido para transferir el par al impulsor sumergido. Ventajas: no hay complejidad de lavado del sello, tolera el funcionamiento en seco intermitente, se adapta a espacios reducidos de la planta. Restricción: inmersión máxima típicamente 2 m; La geometría en voladizo limita la longitud del eje y, por lo tanto, el alcance profundo del sumidero.

Sumergible con agitador

Un motor eléctrico sellado montado directamente en la bomba, funcionando completamente sumergido en el líquido bombeado. Un impulsor agitador en la succión moviliza los sólidos sedimentados, evitando la acumulación de zonas muertas en el piso del sumidero. Ventajas: sin imprimación, maneja capas sedimentadas con alto contenido de sólidos, desplegables en sumideros profundos (>3 m). Restricción: la extracción del motor requiere levantar toda la unidad; Los sellos mecánicos funcionan sumergidos en medios abrasivos y exigen expulsores o configuraciones lavadas.

Costo del ciclo de vida « Creación de un modelo de TCO realista

El precio de compra de una bomba de lodos de alta resistencia será el componente más pequeño del gasto real de la planta. Marco de costos del ciclo de vida del Instituto Hidráulico, extrapolando un horizonte de sistema de bombeo de 15 a 20 años, estima que el precio inicial de compra de la bomba será del orden de 10% del costo total del ciclo de vida. Costos de energía 40%, mantenimiento 25% y costos restantes de operación, instalación, cumplimiento ambiental y tiempo de inactividad. El Guía de costos del ciclo de vida de la bomba NREL destaca que los sistemas de bombeo consumen cerca de 20% de la demanda mundial de energía eléctrica y que, por lo tanto, la energía es naturalmente el factor dominante en la lámina de TCO de la bomba de lodo.

Un modelo de TCO razonable para una bomba de lodos de servicio pesado tendrá en cuenta cinco partidas anualizadas:

La selección de materiales de extremo húmedo es la palanca más grande dentro de este modelo (determina tanto el costo de la pieza de desgaste como la durabilidad del recipiente instalado entre revisiones). Pasar de una especificación estándar de hierro blanco a una de alto cromo 27% comúnmente aumenta el costo inicial de extremo húmedo en 30-50%, pero la vida útil de los relaves reportada se ha multiplicado por un factor de 3-4 para el tamaño de partícula coincidente (creando una reducción neta en la línea de “piezas de desgaste” que generalmente se amortiza dentro de un año. De manera similar, una bomba elegida para funcionar dentro de 80-110% BEP reduce la línea de energía (menos consumo de energía fuera de diseño) y la línea de piezas de desgaste (menos desgaste fuera de diseño) en paralelo.

Para un análisis de costos del ciclo de vida ajustado a un perfil de lodo específico, el equipo de ingeniería de BBP puede desarrollar un Modelo TCO para una bomba de lodos de alta resistencia diseñada para su punto de servicio, utilizando el mismo conjunto de parámetros que influye en la curva de la bomba y la recomendación del material.

Modos de falla y guía de solución de problemas de campo

Al diagnosticar una bomba de lodo de alta resistencia que se comporta mal, los ingenieros de campo generalmente diagnostican hacia atrás desde cinco tipos de síntomas. Estos cinco tipos de fallas que se enumeran a continuación cubren la mayoría de los informes de campo y cada uno de ellos enlaza con una señal y acción de diagnóstico específicas.

Informes de campo recopilados el foros de discusión de ingeniería que incluyen Eng-Tips Muestre dos tendencias que vale la pena mencionar. En primer lugar, una gran fracción de las fallas de la “bomba” son causadas por tuberías --en particular, una velocidad menor que la velocidad crítica de sedimentación de la suspensión, que obstruye la línea y detiene la bomba independientemente de la condición de la bomba. En segundo lugar, se ha observado que las grietas en los revestimientos de succión de hierro blanco con alto contenido de cromo en bombas de lodo de gran diámetro (16 pulgadas o más) son un modo de falla fuera del desgaste; en tales casos, las grietas tienden a ocurrir junto con ciclos térmicos y mecánicos e indican una discrepancia entre el material y la aplicación en lugar de un problema de desgaste.

• ✔Prearranque: enjuague las líneas de succión y descarga; verificar la rotación; confirmar NPSHa > NPSHr × margen requerido; abra el lavado del sello antes de que comience la bomba
• ✔Inspección mensual: vibración según ISO 10816 en carcasas de rodamientos; flujo y presión de descarga del sello; temperatura del rodamiento; tendencia actual del motor
• ✔Anual: medición del espacio de ajuste del impulsor; verificación del espesor del revestimiento en puntos críticos de erosión; regrase de rodamientos o análisis de aceite; Verificación de la alineación del acoplamiento

Preguntas frecuentes

Trabajar con un proveedor centrado en la ingeniería

Una especificación razonablemente defendible para una bomba de lodos de alta resistencia termina donde comienza el proveedor. El resumen de diez parámetros de la Sección 5 es el mínimo del cual un proveedor puede devolver una curva de bomba creíble, especificaciones de material húmedo y estimación del tiempo de entrega.

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