Bombas horizontales para lodos: guía de ingeniería para la selección, la vida útil por desgaste y el coste total de propiedad

Una bomba horizontal para lodos es una bomba centrífuga fabricada con carcasas de pared gruesa y partes húmedas tolerantes al desgaste, capaz de transportar lodos industriales cargados de sólidos abrasivos sin autodestruirse en cuestión de semanas. Estas bombas están diseñadas para su uso en las industrias minera, de dragado y de procesamiento, donde las bombas convencionales para agua quedan inutilizadas en pocos meses. Esta guía de ingeniería explica cómo realizamos su dimensionamiento, los compromisos metalúrgicos que asumimos, los puntos de fallo para los que diseñamos y el análisis del coste del ciclo de vida a cinco años que distingue las bombas que duran dos años de las que quedan inutilizadas en cuatro meses. Todos los datos de este artículo proceden de normas, autoridades y foros de profesionales consolidados; ni siquiera los ha tocado el marketing de proveedores.

Cómo funciona realmente una bomba centrífuga horizontal para lodos

Una bomba centrífuga horizontal para lodos hace girar un impulsor dentro de una carcasa de pared gruesa denominada voluta. Los álabes del impulsor expulsan el fluido hacia fuera, y esta acción transforma la rotación del eje en presión, igual que en una bomba horizontal convencional. Sin embargo, casi todo cambia en la lógica de funcionamiento con lodos: la bomba centrífuga para lodos tiene mayor diámetro y, por tanto, funciona a menor velocidad periférica; la carcasa incorpora revestimientos sacrificables en lugar de una única envolvente estructural; y el rodamiento hidrodinámico se monta sobre un eje más corto y rígido para resistir las cargas laterales creadas por las partículas abrasivas.

H3-P: ¿En qué se diferencia una bomba centrífuga horizontal de una bomba de agua convencional?

Una bomba de agua está destinada a circular fluido limpio con partículas inferiores a aproximadamente dos milímetros, y utiliza piezas en contacto con el fluido de aleación o hierro fundido optimizadas para el rendimiento hidráulico a costa de la resistencia al desgaste. Una bomba centrífuga horizontal para lodos sacrifica parte de ese rendimiento —los diseños más actuales ofrecen 65 a 80 por ciento de rendimiento en el punto de mejor rendimiento, frente a más de 85 por ciento en servicio con agua limpia— para incorporar componentes capaces de soportar una explotación constante con sólidos abrasivos. las paredes de la carcasa tienen entre 40 y 60 por ciento más espesor que el mínimo requerido hidráulicamente, y los álabes son menos numerosos y más grandes, diseñados para resistir la erosión manteniendo el mismo rendimiento hidráulico. La historia de los Fagofun Geshopro dedicados se remonta a 1938, cuando Charles Warman diseñó la bomba inicial de la serie AH en la mina de oro de Kalgoorlie, en Australia Occidental. El diseño básico de Warman —partes húmedas de caucho o aleación, revestimientos sustituibles y cartuchos externos de rodamientos de alta resistencia— sigue definiendo el rendimiento de todas las bombas horizontales modernas para lodos. Las mediciones de caudal, altura manométrica y rendimiento especificadas en la acreditación de rendimiento hidráulico ANSI/HI 12,1-12,6 se utilizaron para verificar el rendimiento de los modelos actuales, de modo que las curvas de cada fabricante puedan compararse de forma equitativa.

El modelo de ataque de lodos de 3 vectores: por qué fallan las bombas convencionales en servicio abrasivo

  Todo análisis de fallo de una bomba comienza con «el impulsor ha fallado», lo cual es cierto pero poco útil porque bajo esa expresión se ocultan tres fenómenos distintos. Un lodo se aproxima a una bomba a través de tres vectores de ataque independientes, y cada vector requiere una forma distinta de defensa. Esta comprensión se denomina modelo de ataque de lodos de 3 vectores y guía cada elección de material y geometría en todas las aplicaciones posteriores de bombeo. La abrasión es el primer vector que todos imaginamos: partículas granulosas que desgastan una superficie por frotamiento. El número de Miller mide la abrasividad del lodo; ASTM G75-15 lo define. Ese ensayo hace pasar un bloque de desgaste de hierro al cromo de media pulgada por una pulgada a través de un lodo altamente abrasivo al 50 por ciento, a 48 carreras por minuto y con una carga muerta de cinco libras, y después evalúa la diferencia de peso tras dos horas. 50 es un número de Miller bastante moderado; 150 es agresivo; los estériles de cobre y las descargas de molino superan habitualmente 100. Seleccionar un impulsor con una dureza adecuada para el número de Miller es el primer paso. los ingenieros golpean una superficie con mayor ángulo y velocidad para desprender material: eso es erosión, y tanto los ingenieros como la superficie deben permanecer inmóviles durante un tiempo. Los puntos clásicos de erosión son las puntas de los álabes del impulsor. Las altas velocidades del impulsor ayudan: haga funcionar el impulsor mayor más despacio. Las directrices del Hydraulic Institute recomiendan operar las bombas a la menor velocidad que exija su punto de funcionamiento. La corrosión suele ser el tercer vector que se descuida. Un lodo espumoso con pH de 4 y cloruros disueltos disolverá una partícula, no la desgastará. Una aleación de respaldo con alto cromo y mayor precio superará a una aleación basta en servicio agresivo; seleccionar la aleación incorrecta parece un error de compras que le costará días de parada.

Dimensionamiento y selección hidráulica: ajuste de caudal, altura manométrica y tamaño de partícula

la selección de una bomba para lodos comienza con cinco parámetros, y todo proveedor serio solicita los cinco antes de presentar una oferta. Omita uno solo y la bomba Zijaw-toothed que reciba supondrá una pesada carga durante su primer año de funcionamiento.

• caudal—volumen de diseño requerido por hora en la impulsión de la bomba (m3/h o US gpm). El caudal de diseño transitorio requiere el caudal máximo del ciclo de trabajo.
• Altura manométrica total—elevación, fricción de tuberías y presión de impulsión (metros de lodo). la fricción del sistema de lodos puede ser 20-40 % superior a la que sugieren los cálculos para agua limpia.
• parámetros del lodo—concentración de sólidos, gravedad específica del lodo, perfil de tamaño de partícula (no solo d50) y abrasividad expresada como número de Miller o dureza Mohs del mineral predominante.
• Parámetros de proceso—temperatura del lodo en la entrada de la bomba, además de cualquier escenario con temperaturas elevadas del lodo. Los revestimientos de caucho alcanzan un máximo de 80503; las aleaciones de alto cromo soportan cómodamente 120503.
• NPSH disponible—altura neta positiva de aspiración en la entrada de la bomba, incluida la consideración de la penalización por altitud si la trayectoria de vuelo de las bombas está por encima del nivel del mar.

Con esos cinco datos, la selección consiste simplemente en superponer su punto de funcionamiento sobre la curva de rendimiento del fabricante y elegir la opción más próxima que se sitúe entre 80 y 110 por ciento del punto de mejor rendimiento (BBP). Esta es la regla más crítica de la práctica de las bombas centrífugas, y la razón que con mayor frecuencia se ignora cuando el servicio de lodos termina con una bomba sobredimensionada: el comprador acaba pagando cada etapa de eliminación de turbidez imaginable, además del coste de forzar la mala elección hacia la aceleración de inventario porque esperaba que veinte por ciento más de incautos asintieran cuando se recostó en su silla y aceptó la bocanada de cigarrillo. Funcionar muy a la izquierda de BBP – a 40 a 60 por ciento del caudal de diseño – no solo consume un exceso de energía eléctrica. Los hilos de profesionales de Eng-Tips describen claramente el efecto: «Operar tan a la izquierda de BBP impone cargas de fuerza sobre el eje. Estas cargas desequilibradas causan deflexión del eje, vibración y desgaste prematuro». En términos sencillos, la bomba que sobredimensionó para que pareciera «robusta» es la que se detiene primero. BBP publica una hoja de trabajo para seleccionar bombas horizontales para lodos que relaciona su punto de funcionamiento con las curvas de la serie AM para que sepa que opera con seguridad dentro del intervalo admisible.

Metalurgia y selección de revestimientos: aleación de alto cromo frente a caucho frente a poliuretano

La selección del material de la parte húmeda condiciona más gasto operativo durante la vida útil que el resto del diseño en conjunto, y es el ámbito en el que los especialistas de marketing de los fabricantes conviven cara a cara con los laboratorios conchoop. En resumen, existen tres familias que afirman tener cada una la ubicación perfecta, y ninguna gana en todos los casos de lodos. El gráfico siguiente reúne los intervalos de funcionamiento que han revelado las fichas técnicas de fabricantes y los ensayos paramétricos de abrasividad en laboratorio; el desgaste abrasivo real en su planta dependerá del número de Miller y de la distribución de partículas específicos con los que trabaje. Las comparaciones independientes de tasas de desgaste por familia son poco frecuentes. La mayoría de los datos disponibles proceden de productores de bombas que ensayan los compuestos propietarios de resistencia de laboratorio—Inarirothe, por ejemplo, utiliza caucho premium Linatex de Weir y aleación Hyperchrome A61 en la misma parte húmeda. Considere las conclusiones de cualquier fuente única como orientativas, no definitivas. Lo único en lo que coincide toda la industria es que cambiar de familia de materiales a mitad de vida útil en el mismo tamaño de carcasa de bomba es un procedimiento sencillo, siempre que el conjunto de rodamientos sea adecuado para el cambio, por lo que la elección de material en el momento de la compra rara vez es definitiva. La guía de decisión sobre revestimientos de la parte húmeda de BBP analiza con más detalle las reglas de tamaño de partícula y química, y la página sobre la parte húmeda de bombas para lodos de alto cromo explica en detalle las opciones de grado de aleación.

Coste total de propiedad: energía, piezas de desgaste y la regla de ciclo de vida 50-25-15-10

Lápiz. Los compradores de bombas Instructiona que negocian con más dureza el precio de compra suelen acabar gastando más durante cinco años. La guía Pump Life Cycle Cost elaborada conjuntamente por el Departamento de Energía de Estados Unidos y el Hydraulic Institute recoge esta desproporción: las aplicaciones de bombeo representan casi 20 por ciento de la demanda eléctrica mundial y, en una instalación industrial, normalmente consumen entre 25 y 50 por ciento de la potencia eléctrica. Ese nivel de mejora de rendimiento en el bastidor empieza a importar; esa diferencia de un punto de rendimiento vale más que la propia bomba durante su vida útil. Las proporciones aproximadas enumeradas anteriormente—lo que denomino la regla de ciclo de vida 50-25-15-10—son los valores medianos derivados de las directrices del DOE y de datos de campo publicados por el programa de sistemas de bombeo DOE Better Plants de pump-systems“>. Los costes energéticos representan la mayor parte del gasto de cualquier bomba que funcione más de 4.000 horas al año. Los costes de mantenimiento aumentan su proporción para las funciones Hanna the Alermah en las que los componentes de la parte húmeda se agotan rápidamente. el tiempo de parada aumenta rápidamente cuando una bomba desempeña una función en la ruta crítica, porque la pérdida de ingresos del proceso por una parada imprevista eclipsa el gasto en equipos.

Según la regla de ciclo de vida 50-25-15-10, «El precio de compra de una bomba representa normalmente menos de 15 por ciento de los costes totales de por vida de poseer y operar ese equipo. Los costes de energía y mantenimiento, no el precio de compra inicial, determinan el menor coste total de propiedad». — Hydraulic Institute y Departamento de Energía de Estados Unidos, Costes del ciclo de vida de bombas: una guía para el análisis LCC de sistemas de bombeo

Utilizar la regla como guía para una compra concreta es una cuestión de marco de decisión, no de precios. Las directrices siguientes se basan en los cinco parámetros de funcionamiento aplicados durante el dimensionamiento para encontrar la configuración de bomba óptima en TCO para la mayoría de las aplicaciones PASREndure dentro del grupo de trayectorias. Para un modelo de coste específico de la instalación a cinco años, la calculadora de TCO de bombas para lodos de BBP permite introducir su propia tarifa eléctrica, horas de funcionamiento y gasto en piezas de desgaste, y devuelve un desglose del coste del ciclo de vida.

Modos de fallo habituales y cómo diagnosticarlos

El fallo de las bombas horizontales para lodos no es aleatorio ni ciego. Los cuatro modos siguientes abordan la inmensa mayoría de los casos de desgaste prematuro observados en aplicaciones de minería, áridos y FGD. Cada uno ofrece una señal distintiva, y reconocerla a tiempo permite evitar una reconstrucción de emergencia cambiando a un revestimiento pedido previamente. Modo 1 – Desgaste irregular de la voluta, más fina por un lado. Su bomba funciona a la izquierda de BBP. Esta señal aparece en el revestimiento de la placa de bastidor una vez retirado para su inspección: el cuadrante inferior se erosiona a una velocidad de dos a tres veces la del superior. No intente igualar la dureza del hierro al cromo; dimensione correctamente una bomba o seleccione un variador de frecuencia que funcione dentro del intervalo de 80 a 110 por ciento de BBP. Modo 2 – Erosión razonable y uniforme de las puntas de los álabes del impulsor. Señal clásica de erosión en el borde exterior de cada álabe. Su bomba gira a velocidad excesiva; velocidades internas muy por encima de 30m/sec en la punta del álabe. No intente igualar la dureza del hierro al cromo; aumente el tamaño de un impulsor o funcione a menor velocidad dentro del intervalo de 80 a 110 por ciento de BBP. Modo 3 – corrosión de la carcasa en las interfaces de juntas y bridas. Las picaduras visibles y los depósitos rojizos alrededor de las uniones de cierre estáticas indican ataque químico, no desgaste abrasivo. Compruebe la química con la que se pidió la bomba en el caudal portador. Si el nivel de cloruros aumentó después de la puesta en marcha – un cambio habitual en corrientes de recirculación de agua de mina – necesita cambiar la aleación de A05 a A07, o utilizar materiales de la parte húmeda con un recubrimiento superficial más blando. Modo 4 – Fuga en el cierre del eje con residuo granuloso. La mayoría de las veces no se debe a un fallo del equipo, sino a una camisa de eje desgastada que permite la entrada de lodo en la zona de la empaquetadura, o a un sistema de agua de lavado que no proporciona un diferencial de presión adecuado. Una nota de un profesional del foro Eng-Tips documenta el callejón sin salida del diagnóstico: «La cavitación en impulsión provoca desgaste prematuro de las puntas de los álabes del impulsor y de la carcasa de la bomba» – la cavitación y el desgaste abrasivo producen sonidos de cavidades granuladas similares, la cavitación picará el lado de impulsión, mientras que el desgaste abrasivo erosionará el lado de aspiración. La fotografía de inspección identificará qué síntoma presenta.

Buenas prácticas de mantenimiento: ampliar la vida útil por desgaste en condiciones reales de servicio

El ciclo de mantenimiento de una bomba horizontal para lodos se centra más en desarrollar disciplinas de inspección que identifiquen las señales de los modos 1 a 4 antes de que provoquen fallos. Nuestra lista siguiente combina buenas prácticas sectoriales publicadas con las señales mencionadas anteriormente.

• Diariamente. Registre la lectura de vibración en el alojamiento de rodamientos, la presión de impulsión y los amperios del motor. Una variación de 10 por ciento respecto a la referencia de puesta en marcha requerirá un informe de incidencia antes de finalizar el turno.
• Semanalmente. Compruebe el caudal y la presión del agua de lavado del cierre. Observe la forma del goteo de la empaquetadura en sus procesos; un aumento respecto al volumen normal identificará la empaquetadura de rueda que utiliza una camisa de eje desgastada debajo.
• Mensualmente. Confirme la concentricidad del acoplamiento con un comparador de esfera o láser. Incluso una desalineación de 0.10mm provocará un aumento doble de las tasas de desgaste de los rodamientos y los elementos de cierre.
• Cada 500 horas de funcionamiento, no las 2000 que recomienda el manual. Realice mediciones rutinarias de la holgura entre impulsor y placa de bastidor en la primera instalación. Prevea un asentamiento permanente del revestimiento más rápido que el indicado por las tablas de desgaste estacionario- una segunda medición a las 500 horas revela la deriva inicial.
• Trimestralmente. Retire y examine visualmente el impulsor. Fotografíe los bordes de ataque de los álabes frente a la fotografía de referencia de puesta en marcha. La erosión sigue un patrón no lineal y asimétrico, y las comparaciones fotográficas lado a lado detectan el problema un mes antes que los calibres.

Aplicaciones industriales: adaptar la configuración al proceso

las bombas horizontales para lodos se ganan su lugar en cuatro sectores industriales, y el éxito es diferente en cada sector. A continuación figuran datos Catalyst recopilados de información industrial publicada por el DOE y de literatura sobre aplicaciones de asociaciones sectoriales, no del catálogo del fabricante. Aunque no es específica únicamente de la industria minera, BBP mantiene una serie de bombas para lodos para servicio minero con configuraciones optimizadas para aplicaciones de descarga de molino y alimentación de ciclones. Para funciones que requieren drenaje de sumideros o nivel de agua variable, las bombas verticales para lodos para aplicaciones de sumidero son la configuración complementaria.

Preguntas frecuentes sobre bombas horizontales para lodos