Equilibrado de impulsores de bombas: equilibrio estático frente a dinámico, grados ISO y riesgo de vibración

El equilibrado de impulsores de precisión corrige la distribución desigual de masa en un impulsor de bomba en rotación hasta el Grado G6.3 o G2.5 (2,5–6,3 mm/s) de la norma ISO 21940-11:2016. Un equilibrado adecuado en los planos de corrección estático y dinámico alinea el eje principal de inercia con la línea central del eje. En consecuencia, el equilibrado del impulsor de la bomba mantiene las fuerzas radiales centrífugas dentro de los límites especificados y proporciona menor vibración, un funcionamiento suave y una mayor vida útil del cierre mecánico.

¿Qué es el equilibrado de impulsores y cuándo necesita corrección en un plano frente a dos planos?

El equilibrado de impulsores corrige la distribución de masa de un rotor alrededor de su centro de giro antes de que la bomba entre en servicio. Según las directrices de taller de la EASA, el equilibrado estático en un plano se aplica a impulsores estrechos con relación diámetro-anchura D/b ≥ 6 (L/D < 0.5) hasta 1,000 RPM. El equilibrado dinámico en dos planos se aplica por encima de 1,000 RPM o siempre que D/b < 6.

Todo impulsor de bomba fundido o fabricado sale de la fundición con pequeños desplazamientos de macho, inclusiones de arena o variaciones en el espesor de los álabes. Cuando el rotor comienza a girar a velocidades de servicio de 1.450 RPM a 3.600 RPM, unos pocos gramos de excentricidad generan una elevada fuerza centrífuga. Esa fuerza crece con el cuadrado de la velocidad de giro y golpea el soporte de rodamientos una vez por revolución.

¿Cuáles son los diferentes tipos de equilibrado de impulsores?

Los ingenieros clasifican los tipos de desequilibrio en tres categorías físicas según cómo se relaciona el centro de masa con el eje. El desequilibrio estático (también llamado desequilibrio de fuerza o estático) ocurre cuando el centro de masa está desplazado en paralelo a la línea central del eje. Este desequilibrio actúa en un solo plano, como un reflector pesado que hace que una rueda de bicicleta se detenga con el reflector abajo al apoyarse sobre cuchillas.

El desequilibrio de par ocurre cuando dos puntos pesados iguales se sitúan en extremos opuestos de un rotor cilíndrico ancho. Estos puntos pesados están separados por una distancia axial y desfasados 180 degrees. Un rotor con desequilibrio de par puro permanece inmóvil sobre cuchillas estáticas, pero produce un bamboleo violento en cuanto gira. El desequilibrio dinámico (o desequilibrio en dos planos) combina el desequilibrio estático y el de par en dos planos.

Eugene Vogel señala en Pumps & Systems (directrices de equilibrado de la EASA) que la regla tradicional que permite la corrección en un plano con L/D < 0.5 y velocidades inferiores a 1,000 RPM es un límite práctico de taller. No es una frontera reglamentaria rígida en la ISO 21940-11:2016. Los impulsores estrechos que giran por encima de 1,000 RPM pueden superar la corrección en un plano cuando el mecanizado CNC controla estrechamente la excentricidad del disco. Aun así, la mayoría de las bombas centrífugas industriales operan a 1,450–3,600 RPM. El equilibrado en dos planos en una máquina equilibradora dinámica sigue siendo la norma más segura, especialmente en rotores anchos de doble aspiración en bombas horizontales y verticales de carcasa partida de doble aspiración.

Para unificar esta elección entre los equipos de ingeniería y compras, utilice La Matriz de Selección D/b a Grado a continuación. Mida el diámetro exterior del impulsor (D) y la anchura axial entre los extremos de los discos incluyendo el saliente del cubo (b).

Reglas de recomendación condicional:

• Si D/b ≥ 6 y la velocidad de funcionamiento es ≤ 1.000 RPM, elija el equilibrado estático en un plano hasta el Grado G6.3. Los brazos de palanca axiales cortos en esta relación no pueden excitar un balanceo significativo en el soporte de rodamientos.
• Si D/b < 6 o la velocidad de funcionamiento supera 1,000–1,800 RPM, elija el equilibrado dinámico en dos planos hasta el Grado G2.5. Separar la corrección entre los discos delantero y trasero elimina las tolerancias de desequilibrio tanto de fuerza como de par.
• Si el impulsor trabaja en un circuito de refinería API 610 o en un rotor multietapa por encima de 3.000 RPM, elija el equilibrado en dos planos a 4W/N (6350W/N) con verificación residual presenciada.

¿Grados de calidad de equilibrado ISO 21940-11 (ISO 1940-1) frente a API 610: G6.3, G2.5 o G1.0?

Según la norma ISO 21940-11:2016 (que sustituye a la ISO 1940-1:2003 con la Enmienda 1 en 2022), los impulsores comerciales de bombas centrífugas utilizan el grado de equilibrado G6.3 (6,3 mm/s). Los impulsores rígidos de procesos químicos utilizan G2.5 (2,5 mm/s). Las bombas pesadas de refinería regidas por API 610 requieren un desequilibrio residual por plano de 4W/N (6350W/N), equivalente aproximadamente a ISO G0.7.

Las especificaciones de compras suelen citar la antigua ISO 1940-1, pero la Organización Internacional de Normalización (ISO) retiró ese documento en 2016. Su sustituta es la ISO 21940-11:2016 (actualizada por ISO 21940-11:2016/Amd 1:2022). La norma actual conserva la escala numérica de grados G al tiempo que evalúa las tolerancias de desequilibrio estático y de par en los planos reales de los rodamientos donde actúan las fuerzas de servicio.

¿Cuál es la norma ISO para el equilibrado de rotores?

La norma ISO principal para el equilibrado de rotores rígidos es la ISO 21940-11:2016, titulada Mechanical vibration, Rotor balancing, Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour. Cada grado de equilibrado equivale al producto del desequilibrio específico admisible e_per (en μm o g·mm/kg) por la velocidad angular ω (en rad/s). El parámetro de velocidad resultante se expresa en milímetros por segundo (mm/s).

Tenga en cuenta que la ISO 21940-11:2016 solo se aplica a rotores rígidos cuya velocidad de servicio permanece muy por debajo de su primera velocidad crítica de flexión. Los ejes esbeltos de bombas multietapa que flectan cerca de su primera velocidad crítica siguen la ISO 21940-12:2016 para rotores flexibles. Para impulsores rígidos en bombas centrífugas industriales de agua diseñadas según ANSI B73.1 e ISO 2858, especifique G6.3 hasta 1.800 RPM y G2.5 hasta 3.600 RPM.

En la tabla de especificaciones de la ISO 1940-1 y su sucesora ISO 21940-11, G6.3 es la línea base de fábrica para impulsores de bombas comerciales. Sin embargo, los centros de servicio EASA equilibran habitualmente los impulsores reconstruidos hasta G2.5. Las máquinas modernas de soportes rígidos alcanzan G2.5 en una pasada adicional de rectificado reduciendo la carga dinámica sobre los rodamientos en un 60 %. Por su parte, la norma API Standard 610 (12.ª edición de 2021, con la 13.ª edición en el plan de normas de API de junio de 2026) fija un límite por plano de U_per = 4W/N (oz·in) o 6350W/N (g·mm). Joseph Palazzolo, de Schenck Trebel, demuestra en Pumps & Systems que 4W/N equivale aproximadamente al Grado ISO G0.7.

Cómo calcular el desequilibrio residual admisible (ejemplos prácticos de U_per y 4W/N)

Calcule el desequilibrio residual máximo admisible en gramos-milímetro mediante la fórmula de la ISO 21940-11 U_per = (9549 × G × M) / n. Aquí, G es el grado de tolerancia de equilibrado en mm/s, M es la masa neta del impulsor en kg y n es la velocidad máxima de servicio en RPM. Divida el U_per total a partes iguales entre dos planos simétricos de los discos.

Dos errores de cálculo provocan rechazos frecuentes en las auditorías al revisar informes de equilibrado de taller. En primer lugar, como señala Balance Technology Inc. (BTI), debe introducir siempre la velocidad máxima de servicio de la bomba (como 1.780 RPM o 3.560 RPM). Nunca introduzca la velocidad inferior de giro de prueba de la equilibradora (como 800 RPM). En segundo lugar, debe excluir el peso del mandril de acero de la masa del rotor M. Incluir un mandril de 15 kg en M infla falsamente la tolerancia admisible y da por válido un rotor desequilibrado.

¿Cómo se calcula el desequilibrio residual admisible para un impulsor de bomba?

Calcule el desequilibrio residual admisible y conviértalo en masa metálica eliminable en el radio exterior del disco siguiendo tres pasos matemáticos:

1. Calcule el desequilibrio específico admisible (e_per) dividiendo el grado de equilibrado ISO G por la velocidad angular: e_per = (9549 × G) / n, expresado en micrómetros (μm) o g·mm/kg.
2. Multiplique e_per por la masa neta del impulsor M (en kg, excluyendo el utillaje del mandril) para obtener el desequilibrio total admisible: U_per = (9549 × G × M) / n en g·mm. Cada plano de corrección simétrico recibe U_per,plane = U_per / 2.
3. Conviértalo en masa de corrección en el disco (m_corr) dividiendo el desequilibrio por plano U_per,plane por la distancia radial r (en mm) hasta el círculo de rectificado: m_corr = U_per,plane / r en gramos.

Para bombas de refinería regidas por API 610, calcule directamente el límite por plano mediante U_per,plane = 4W / N (en oz·in, donde W es la carga estática de peso por plano en lbf). En unidades métricas, utilice U_per,plane = 6350W / N (en g·mm, donde W es la masa estática por plano en kg). Imprima siempre las unidades en los planos de taller porque 1 oz·in = 720 g·mm.

Procedimiento de equilibrado de impulsores en taller: excentricidad del mandril, convención de media chaveta y reglas de rectificado del disco

Un proceso conforme de equilibrado en taller monta el impulsor sobre un mandril cilíndrico de precisión con excentricidad radial (TIR) igual o inferior a 0,013 mm (0.0005 in.). El técnico instala una media chaveta abombada según ISO 21940-32, comprueba la precisión angular con masilla de prueba y elimina metal mediante rectificado de contorno ancho en el disco trasero.

Ni siquiera una equilibradora de soportes rígidos evaluada según ISO 21940-21:2022 puede compensar un eje de prueba holgado. Si el agujero de un impulsor tiene 0,050 mm (0.002 in.) de holgura radial en un mandril de taller, el centro de masa se desplaza 25 μm antes de girar. A 1.780 RPM, 25 μm de excentricidad del mandril consumen casi el doble de toda la tolerancia de 13,4 μm del Grado G2.5.

Los inspectores aplican el siguiente procedimiento de taller de cinco pasos en torno a la Auditoría de Indexado del Mandril a 180 Grados para evitar certificados de aprobación falsos.

1. Monte el mandril cilíndrico rectificado de precisión sobre los rodillos de la equilibradora y verifique que la lectura total del indicador (TIR) radial sea ≤ 0,013 mm (0.0005 in.). Tras equilibrar el impulsor a cero, gire el impulsor 180 degrees sobre el mandril y vuelva a girarlo. Si el desequilibrio salta por encima del 50 % de U_per, el ajuste del mandril es excéntrico y debe rectificarse de nuevo.
2. Equilibre todo agujero de impulsor con chavetero utilizando la convención de media chaveta de la ISO 21940-32 (antes ISO 8821). Inserte una chaveta contorneada de media longitud o abombada en el hueco expuesto del chavetero y estampe H en la cara del cubo. Omitir la media chaveta deja 8–25 g de peso desequilibrante en el radio del agujero.
3. Coloque una masa de corrección de prueba conocida (masilla) en el disco antes de rectificar para verificar el ángulo vectorial informatizado. En pedidos API 610, los inspectores presencian una comprobación residual de 6 posiciones moviendo una masa de prueba por seis estaciones de 60° alrededor de cada plano.
4. Retire material mediante un rectificado de contorno ancho y superficial en la cara exterior del disco delantero o trasero, situado a 180 degrees directamente opuesto al punto pesado. Mantenga la profundidad de rectificado dentro del 25 % del espesor nominal de pared del disco y suavice los bordes.
5. Apunte a un límite residual del operario de un -10 % por debajo de la tolerancia nominal para que el rotor supere las comprobaciones de remontaje de terceros. Como señalan las directrices de Schenck Trebel e ISO, los inspectores aplican un margen de aceptación del +15 % para los Grados G16 a G2.5 (y -20 % / +25 % para G1.0).

Diagnóstico de vibración en bombas: desequilibrio mecánico de masa frente a desequilibrio hidráulico

Tanto el desequilibrio mecánico de masa como el desequilibrio hidráulico de los álabes producen un pico dominante de vibración radial a 1x RPM en un espectro FFT. Sepárelos mediante La División de Vibración Masa Seca frente a Álabe Mojado: el desequilibrio mecánico mantiene un ángulo de fase bloqueado al estrangular la válvula de impulsión, mientras que el desequilibrio hidráulico cambia de amplitud y fase con el caudal.

Los equipos de mantenimiento suelen desmontar el rotor de una bomba y enviar el impulsor de vuelta al taller de equilibrado cada vez que un analizador muestra una velocidad elevada a 1x RPM. Como señala ProBal Dynamic Balancing, el desequilibrio mecánico no es la única fuente de vibración a 1x RPM. El desplazamiento del macho de fundición, el paso desigual de los álabes, la desalineación del acoplamiento y la resonancia estructural pueden imitar un rotor desequilibrado en planta.

¿Cuáles son los síntomas de un impulsor en mal estado?

Los siguientes cinco síntomas en planta se atribuyen a un impulsor de bomba desequilibrado.

• La velocidad global de vibración radial supera 3,0–4,5 mm/s RMS (según ISO 20816-3 / ISO 10816-7), con más del 70 % de la energía de vibración concentrada a 1x la velocidad de giro.
• Las sondas horizontales y verticales de los rodamientos muestran una onda sinusoidal limpia con un desfase estacionario de 90° entre sensores ortogonales.
• La deflexión radial cíclica del eje, que es habitual, provoca la separación de las caras del cierre mecánico, dando lugar a una fuga de lavado y al astillado de las caras.
• Las cargas radiales giratorias continuas sobrecalientan el soporte de rodamientos entre 10–18°C, acelerando la fatiga de la pista exterior y generando un zumbido de baja frecuencia o mayor ruido.
• Cuando la erosión de los álabes o el enganche de fibras provoca el desequilibrio, la altura manométrica y el rendimiento de la bomba caen un 5 %–15 % junto con un aumento del consumo de corriente del motor.

Antes de desatornillar la carcasa, aplique La División de Vibración Masa Seca frente a Álabe Mojado. Estrangule la válvula de impulsión desde el 110 % hasta el 75 % del punto de máximo rendimiento (BEP) mientras observa el vector 1x RPM. Verifique también la alineación de precisión del eje de la bomba con acoplamiento flexible y la rigidez de la bancada. La ISO 21940-12:2016 advierte que la resonancia de la estructura de soporte (como la frecuencia de lengüeta del pedestal del motor en bombas verticales) puede amplificar pequeñas fuerzas residuales incluso después de haber comprobado el rotor en el taller.

¿Cuándo debe reequilibrar? Recorte de diámetro del impulsor, recubrimientos, reparaciones por soldadura y apilado del rotor

Debe reequilibrar un impulsor de bomba tras cualquier recorte del diámetro exterior, recargue por soldadura de cavitación o recubrimiento protector de espesor superior a 250 μm (10 mils). Para bombas multietapa de tres o más etapas, combine el equilibrado individual de componentes con el mecanizado de concentricidad de los anillos de desgaste, una prueba de excentricidad de la tuerca del eje floja frente a apretada y la verificación del rotor apilado.

Tornear el OD de un impulsor en un torno NO conserva el equilibrio por el hecho de cortar el metal de forma concéntrica. Como indica el Boletín de Ingeniería de Summit Pump, los discos y álabes fundidos en arena siempre presentan ligeras variaciones de espesor de pared. Al mecanizar el diámetro siguiendo las leyes de afinidad de las bombas para el recorte del diámetro del impulsor, también se elimina una masa desigual de las zonas gruesas y delgadas de la fundición. El torneado además elimina el arco de rectificado original de fábrica en el borde exterior del disco.

La reconstrucción de bombas multietapa de alta presión para alimentación de calderas y grupos de presión también exige una secuencia estricta de montaje antes del equilibrado:

• Antes de equilibrar el impulsor, sustituya los anillos de desgaste gastados del impulsor y mecanice su acabado respecto al agujero. Prensar un anillo de desgaste nuevo sobre un impulsor ya equilibrado modifica su eje de masa.
• Con la tuerca de fijación del impulsor apretada a mano, mida el TIR del eje. Apriete la tuerca y vuelva a medir el TIR, según el procedimiento EASA de Eugene Vogel. Si el TIR del eje aumenta, el alabeo del cubo o de la camisa está arqueando el eje.
• Equilibre cada impulsor, tambor de equilibrado y collar de empuje individualmente en un mandril hasta G2.5 o API 610 4W/N, y después apile el rotor completo para una comprobación de conjunto. Los rotores esbeltos que giran cerca de su primera velocidad crítica requieren equilibrado de rotor flexible según la ISO 21940-12:2016.

Requisitos de equilibrado en los distintos tipos de bombas industriales: lodos, aguas residuales, carcasa partida y multietapa

Los procedimientos de equilibrado de impulsores deben adaptarse a la metalurgia de la bomba y a la geometría de los álabes para maximizar la vida útil de los rodamientos. Los impulsores para lodos de fundición blanca al alto cromo (~60 HRC, ASTM A532 Clase III Grado A05) requieren rectificado de contorno de área ancha con CBN o carburo de silicio en lugar de taladrado. Los impulsores inatascables de un solo álabe para aguas residuales requieren contrapesos fundidos en el macho para compensar los canales asimétricos.

En las 10 líneas de productos de bombas industriales fabricadas por BBP Manufacturing Co., Ltd., aplicar un método genérico de equilibrado para agua limpia provoca fallos rápidos en servicio. Considere las bombas para lodos de servicio pesado en alto cromo y revestidas de caucho que bombean estériles de minería hasta 12.000 m³/h y alturas manométricas de hasta 130 m. Sus impulsores se funden en fundición blanca ASTM A532 Clase III Grado A05/A33 templada a unos 60 HRC. Taladrar agujeros de corrección en fundición blanca de 60 HRC rompe las brocas e induce microfisuras térmicas. Peor aún, los agujeros taladrados crean cavidades de vórtice que erosionan rápidamente el disco.

En su lugar, la ruta de taller de BBP utiliza rectificado de contorno de área ancha con nitruro de boro cúbico (CBN) o carburo de silicio en el disco trasero. Esto alcanza la ISO 21940-11:2016 Grado G6.3 o G2.5 sin concentradores de tensiones. En las bombas sumergibles y autoaspirantes inatascables para aguas residuales que admiten sólidos de 100 mm, los impulsores de un solo álabe tienen un canal asimétrico. Los ingenieros de fundición funden masa compensadora en el nervio opuesto del disco. De ese modo, el equilibrado en seco en taller cumple las tolerancias de inspección de terceros sin tallar cavidades profundas que enganchen trapos.

Observe la frontera entre el equilibrado en seco del rotor y las pruebas hidráulicas de fábrica. Tras el equilibrado dinámico en dos planos, las bombas BBP montadas se someten a ensayos en circuito cerrado según ISO 9906:2012 Grado 1U/2B. Según la ISO 9906:2012, las pruebas de aceptación hidráulica emplean agua fría limpia para verificar la altura manométrica, el caudal, el rendimiento de la bomba y la vibración de la carcasa. El equilibrio de masa en seco se certifica por separado mediante el informe de equilibrado ISO 21940-11, mientras que la vida útil frente al desgaste por lodos abrasivos se rige por la metalurgia ASTM A532.

Coste del equilibrado de impulsores subcontratado frente a equilibradoras propias y suministro OEM

El equilibrado dinámico subcontratado en taller cuesta habitualmente $150–$600 por impulsor estándar y $500–$2.000+ para rotores pesados o multietapa con un plazo de entrega de 1–5 días laborables. Comprar una equilibradora propia de soportes rígidos cuesta $10.000–$65.000+, lo que hace más económico el servicio subcontratado o los impulsores de repuesto OEM por debajo de 30–50 rotores al año.

La inversión en automatización de talleres de equilibrado se está acelerando en las plantas de fabricación y reparación de bombas. Según Maximize Market Research (2026–2032), el mercado mundial de máquinas equilibradoras alcanzó USD 2,44 millardos en 2025. Los analistas proyectan un crecimiento con una CAGR del 4,1 % hasta USD 3,24 millardos para 2032. Solicitudes de patentes como la Patente de EE. UU. US2323637A y la Patente CN121409510A reflejan este cambio hacia la detección automatizada del vector de desequilibrio, la compensación del centrado del utillaje y el fresado CNC integrado o la eliminación de material por láser.

¿Cuánto cuesta el equilibrado de impulsores de bombas frente a comprar una máquina equilibradora propia?

El equilibrado en un taller de reparación local cuesta entre $150 y $600 por rotor estándar, mientras que una equilibradora propia con medición informatizada del desequilibrio cuesta entre $10.000 y $65.000+. Las plantas también pueden pedir impulsores de repuesto preequilibrados para bombas químicas de proceso resistentes a la corrosión ISO 5199 y ANSI B73.1. Compare a continuación el coste total, el inventario de mandriles y el volumen anual de rotores:

Preguntas frecuentes

Referencias y fuentes

1. Organización Internacional de Normalización (ISO) – ISO 21940-11:2016 y Amd 1:2022: Vibración mecánica — Equilibrado de rotores — Parte 11: Procedimientos y tolerancias para rotores con comportamiento rígido
2. Organización Internacional de Normalización (ISO) – ISO 21940-12:2016: Vibración mecánica — Equilibrado de rotores — Parte 12: Procedimientos y tolerancias para rotores con comportamiento flexible
3. Agencia de Gestión de Contratos de Defensa de EE. UU. (DCMA) / ISO 1940-1 – Vibración mecánica: Requisitos de calidad de equilibrado para rotores en estado constante (rígido)
4. Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) – ISO 21940-21:2022: Vibración mecánica, descripción y evaluación de máquinas equilibradoras de rotores
5. Instituto Estadounidense del Petróleo (API): Norma API 610: Bombas centrífugas para las industrias del petróleo, petroquímica y gas natural (plan de normas publicado)
6. Pumps & Systems (Eugene Vogel, EASA): Equilibrado dinámico para impulsores de bombas: un plano frente a dos planos, rectificado del disco y excentricidad en rotores multietapa
7. Pumps & Systems (Joseph Palazzolo, Schenck Trebel): Seguimiento de las directrices de las normas industriales para el equilibrado de bombas centrífugas
8. Balance Technology Inc. (BTI) – Calculadora de tolerancia de equilibrado ISO 21940-11 y ejemplos prácticos de impulsores fundidos
9. Inspection 4 Industry: Procedimiento de inspección y prueba presenciada de equilibrado dinámico de impulsores de bombas
10. ProBal Dynamic Balancing: Desequilibrio en impulsores de bombas: causas, efectos y soluciones de diagnóstico
11. Summit Pump Inc: Boletín de ingeniería Vol. 1-18: ¿Sigue equilibrado su impulsor después de recortarlo?
12. Maximize Market Research: Análisis de la industria y previsión del mercado mundial de máquinas equilibradoras (2026–2032)
13. Google Patents (US2323637A) – Proceso de equilibrado dinámico de impulsores de bombas centrífugas
14. Google Patents (CN121409510A): Aparato de ensayo y método para el equilibrado dinámico de impulsores de bombas