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Bombas de turbina verticales en servicio de agua de mar - Materiales de Opciones de construcción
La ubicación de plantas industriales en la costa, junto con la continua de petróleo y gas en alta mar,
ha hecho que aumente el número de bombas de turbina verticales para aplicaciones de agua de
mar, debido a su capacidad para adaptarse a la mayoría de los diseños de sistemas.
La flexibilidad de diseño de las bombas de turbina verticales de las bombas de turbina verticales
radica en la capacidad desde satisfacer cualquier diseño de sistema mediante el escalonamiento
múltiple.
La facilidad para cambiar el escalonamiento de las bombas es también una ventaja si es necesario
cambiar las características hidráulicas del sistema. características hidráulicas del sistema. Se pueden
añadir etapas a la misma bomba si los cambios en la curva de altura del sistema se deben a un
aumento de la fricción de las tuberías debido a la corrosión. Esta condición es bastante común en
los sistemas de agua de mar.
La corrosión en las bombas de turbina verticales puede minimizarse, y en muchos casos, puede
evitarse por completo si se selecciona el material adecuado.
Sin embargo, el elevado coste inicial puede impedir el uso de aquellas aleaciones que eliminarían el
problema de la corrosión. Las condiciones corrosivas, como el agua de mar, requieren una mayor
consideración, ya que los materiales de bajo coste inicial no suelen dar lugar al menor coste final.
Cuando las bombas están en servicio crítico, las paradas periódicas para la sustitución de piezas se
suman al coste total; por tanto, en estas aplicaciones es aconsejable seleccionar materiales más
resistentes a la corrosión y costosos.
Este artículo examina algunas combinaciones de materiales, combinaciones populares de materiales
para el servicio de agua de mar de agua de mar, desde las de bajo coste y vida útil, hasta las de alto
coste y larga vida útil.
Dado que el agua de mar es un entorno altamente conductor, las consideraciones galvánicas
normalmente dictan las combinaciones de combinaciones de materiales. La comprensión de la serie
galvánica de los metales es para seleccionar el material adecuado.
Algunas sugerencias para combatir corrosión galvánica en las bombas de turbina verticales
turbina vertical son:
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Selección de combinaciones de metales lo más cerca posible en la serie galvánica con menos
de 0,25 v de diferencia de potencial deseada.
Evitar la combinación de un ánodo pequeño y un cátodo grande.
Utilice arandelas aislantes en los pernos y juntas aislantes en las bridas de acoplamiento.
Utilizar revestimientos protectores en los materiales menos costosos.
Colocar ánodos de sacrificio de zinc o de aleación de aluminio en el conjunto de la columna.
Además, las incrustaciones marinas pueden ser un problema grave. La acumulación de crecimiento
marino puede resolverse seleccionando materiales con buena resistencia a la bioincrustación
marina, tratando el sumidero con cloro y utilizando un tratamiento electrolítico del agua.
La figura 1 muestra el potencial de corrosión de los materiales en el agua de mar que fluye.
La aplicación y las condiciones de servicio también afectan a la velocidad de corrosión.
Una bomba que permanece inactiva durante largos periodos de tiempo, como una bomba vertical
contra incendios en una instalación en alta mar, experimentará un índice de corrosión diferente al
de una bomba construida con los mismos materiales que funciona continuamente. Muchos
materiales se consideran resistentes a la corrosión en agua de mar de flujo rápido, pero en
condiciones de estancamiento son susceptibles de sufrir ataques de corrosión por picaduras y
grietas. Esta inversión en la resistencia de los metales debido al cambio de velocidad se debe a la
despolarización de la película de hidrógeno que protege el material.
Esta despolarización mecánica (pérdida de la película protectora) es un aspecto importante del
diseño de la bomba y de la selección del material.
Los aceros inoxidables y los materiales a base de níquel permanecen pasivos a altas velocidades,
pero se corroen debido a las picaduras en el agua estancada.
Las aleaciones de base cobre son muy resistentes a la corrosión en aguas tranquilas, no contaminada
y sin sulfuros; pero a medida que aumenta la velocidad del agua, la barrera contra la corrosión puede
desaparecer.
Por lo tanto, la combinación adecuada de materiales depende en gran medida de consideraciones
específicas de la aplicación. Todas las opciones de materiales presentadas en las tablas incluidas
aquí se han utilizado en el servicio de agua de mar. Se enumeran en función del coste inicial
creciente. Esta comparación se basa en una instalación típica de bomba contra incendios en alta
mar.
Este conjunto de tazón es de 18 pulgadas, 3 etapas con 50 pies de columna de 14 pulgadas. La
relación de coste unitario puede variar ligeramente entre los fabricantes de bombas.
El diseño de la bomba de turbina vertical consta de tres componentes básicos ensamblados en una
sola unidad.
Se trata del conjunto de la cubeta, el conjunto de la columna y el eje, y el conjunto del cabezal de
de descarga.
Si se conocen las condiciones de servicio, la mezcla adecuada de materiales determinará el coste
final más bajo al proporcionar una buena vida útil.
Conjunto de la cubeta
El elemento de bombeo de una bomba de turbina vertical es el conjunto de la cubeta. Está
compuesto por la campana de aspiración, una o más cubetas intermedias, el eje de la cubeta y los
impulsores.
Los numerosos componentes del conjunto de la cuba son la principal preocupación en la selección
de materiales. Un acoplamiento galvánico inadecuado puede crear un efecto de pila seca (flujo de
electrones entre metales distintos en contacto con una solución electrolítica conductora), en el que
los iones metálicos se desplazan desde el metal más anódico que se está oxidando a la solución
bombeada, lo que provoca que se produzcan daños. Oxidado en la solución bombeada, y los
electrones fluyen hacia las regiones metálicas catódicas donde se producen reacciones de reducción
dentro de la bomba.
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El conjunto de la cubeta debe estar construido mecánicamente para que el mantenimiento
en el campo sea fácil. Algunos criterios básicos de diseño son:
Las cubetas deben estar construidas con bridas, no roscadas.
El material de los tornillos debe ser catódico con respecto al material de la cubeta, pero lo
más cerca posible de él para evitar la corrosión acelerada.
Los impulsores deben tener una llave para facilitar su extracción.
Los impulsores deben ser del mismo tipo cerrado para permitir el uso de anillos de desgaste
que permitan restablecer las holguras de funcionamiento iniciales cuando se sustituyan.
La Fig. 2 enumera las siguientes opciones de material:
La opción 1 figura como base para la comparación de costes. Aunque esta combinación se ha
utilizado en agua de mar, la vida útil es limitada y las reparaciones son previsibles.
Esta combinación de piezas fundidas en 316SS/CF8M y columnas en acero al carbono revestido con
bridas de 316SS es el material de menor coste ofrecido para el servicio de agua de mar.
En la opción 2, de coste medio, el cambio de materiales de la columna y del cabezal de descarga a
316ss y con eje Nitronic 50 aumentará la resistencia del eje y la vida de la bomba. Sin embargo,
tanto en la Opción 1 como en la 2, el material 316ss está sujeto a picaduras en condiciones de
estancamiento a menos que se proporcione protección catódica y tiene unas características
relativamente buenas en aplicaciones de flujo.
En la Opción 3 o de coste medio, se considera que las piezas fundidas de Al-Bronce / Ni-Al-Bronze
ofrecen una buena resistencia a la corrosión cuando se manipula agua de mar en flujo. No tiene
tendencia a picarse en aguas estancadas y no es tan susceptible a la suciedad marina. Los impulsores
CF8M/316ss tienen una mayor resistencia a la erosión debido a la la velocidad del flujo que el Ni-AlBronce, y deberían considerarse para aplicaciones de mayor velocidad superior a 90 pies/seg.
Sin embargo, los bronces pueden dañarse en aguas marinas con sulfuro de hidrógeno, por lo que el
agua de mar debe estar sin contaminar y libre de sulfuro de hidrógeno.
Opción 4 o de mayor coste, los tipos dúplex de cromo más altos 2205
o CD4MCuN es superior a la opción 3 debido a resistencia mejorada a la corrosión y a la erosión en
agua de mar a alta velocidad. En condiciones de estancamiento, la resistencia a las picaduras
localizadas de estos inoxidables dúplex de mayor aleación, pero los organismos que se incrustan
pueden acumularse en la superficie causando daños limitados por corrosión en grietas bajo los
depósitos.
daños por corrosión en grietas bajo los depósitos. Estos grados dúplex se comportan bien en agua
de mar normal de 7 a 8 pH con cloruros de hasta 25.000 ppm o incluso más.
Con un coste más elevado, la opción 5, las aleaciones súper dúplex con valores PREN superiores a
40 (donde PREN = %Cr + [3,3 x %Mo] + [16 x %N] ) ofrecen ventajas de resistencia a la corrosión
sobre los bronces Al y los bronces Ni-Al. Las aleaciones superdúplex resisten las aguas contaminadas
con sulfuros, así como la corrosión localizada por picaduras y grietas en condiciones de
estancamiento o de inactividad, y ofrecen una buena protección contra la cavitación y la erosióncorrosión. Además, en agua de mar con un pH de 7-8, Super Duplex se comporta bien con hasta
50.000 ppm de cloruros o más.
La última opción 6, la de mayor coste de la tabla de selección, utiliza los aceros inoxidables
superausteníticos con 6% de molibdeno, como los grados CK3MCuN/ 254SMO y/o CN3MN/AL6XN
de ASTM A743/A744. Estas aleaciones inoxidables superausteníticos proporcionan una excelente
resistencia a la corrosión que permite el funcionamiento en agua de mar a pH normal de 7-8 y hasta
100.000 ppm de cloruros y más. Estos grados proporcionan una excelente resistencia a la cavitación,
una resistencia superior a la corrosión por picaduras y grietas localizadas y excelentes propiedades
de resistencia a la erosión por velocidad de flujo.
Como ocurre con todos los aceros inoxidables, los organismos incrustantes pueden acumularse en
sus superficies a menos que se traten con biosidas.
Independientemente de la opción de montaje de la cubeta que se seleccione, las bombas instaladas
en servicio de agua de mar deben llevar siempre un filtro en la campana de aspiración (Fig. 3). Un
colador tipo cesta construido en 316ss para las combinaciones de conjuntos de cubeta de
316ss/CF8M, o en Al-Bronze para el conjunto de cubeta de Al-Bronze/Ni-Al-Bronze, proporcionará
la protección necesaria a los componentes internos de la bomba.
Para las combinaciones de materiales de tazón de aleación más alta, se debe seleccionar un material
de filtro compatible.
Conjunto de columna
El conjunto de columna y eje está diseñado para conectar el conjunto de la cubeta con el conjunto
del cabezal de descarga. La columna cumple dos funciones: soporta el peso del conjunto de la cubeta
y proporciona un medio para conducir el fluido verticalmente desde el elemento de bombeo hasta
el cabezal de descarga. Los conjuntos de columna roscados no son adecuados para aplicaciones de
agua de mar y no deben utilizarse.
La Fig. 4 ilustra una construcción típica de conjunto de columna.
Las secciones de la columna se suministran normalmente con extremos embridados que incorporan
ajustes registrados para la precisión de la alineación. Esta construcción también facilita el
desmontaje cuando la corrosión puede ser un problema. Para todos los tamaños de columna, el
diseño estándar tiene el retén del rodamiento soldado en la sección de la columna para asegurar la
concentricidad entre los componentes mientras se mecaniza una sola pieza integral.
Los materiales de ensamblaje de la columna deben
proporcionar compatibilidad galvánica
con los materiales del conjunto de la cubeta. Véase
la Fig. 1 y la combinación de la tabla de selección
de materiales mostrada en la Fig. 2 para la
compatibilidad.
Una diferencia de potencial electroquímico entre materiales de 0,25 voltios, según la Fig. 1, indica
que existe un problema galvánico Existe un problema galvánico.
En la tabla de selección de materiales (Fig. 2), la opción 1 más económica es la columna de acero
revestido (interior y exterior) con bridas de 316SS. El revestimiento debe extenderse sobre las bridas
de 316SS para evitar que la corrosión se inicie por debajo del revestimiento y para evitar que el
revestimiento se "despegue" cuando se someta a altas velocidades de líquido.
Todos los revestimientos deben someterse a una prueba de chispas (prueba de vacaciones) para
garantizar que no hay agujeros en el revestimiento. El revestimiento suele consistir en una
imprimación de zinc inorgánico seguida de un
epoxi multicapa, aplicado con un grosor de 20-25 mils. El revestimiento debe aplicarse con cuidado,
y deben seguirse ciertos criterios de diseño para el revestimiento sobre las juntas de soldadura para
garantizar un funcionamiento sin corrosión.
Todo el material del eje (así como la cubeta y la columna) se selecciona en función de la capacidad
de transporte de potencia y la resistencia a la corrosión. La norma ANSI/AWWA E101 proporciona
directrices básicas para el dimensionamiento adecuado de los ejes. Establece que "el esfuerzo
cortante máximo combinado no deberá superar el 30% del límite elástico en tensión ni ser
más del 18% de la resistencia a la tracción máxima del material del eje utilizado". En las aplicaciones
de mayor potencia, es aconsejable utilizar el 10% de la resistencia a la tracción final. Este
sobredimensionamiento conservador del eje cuesta muy poco y el resultado es una unidad más
robusta y fiable. Tres materiales excelentes para los ejes de las bombas que se utilizan en el servicio
de agua de mar son el 316SS, el Monel K-500 y el Nitronic 50. Todos ellos ofrecen una buena
resistencia a la corrosión del agua de mar y son materiales fácilmente disponibles. Para las
selecciones de bombas dúplex, superdúplex y superausteníticas estos materiales también están
disponibles.
Aunque todas las bombas verticales constan de los mismos componentes básicos, hay dos
variaciones distintas en el diseño de la columna. Se trata de la construcción con eje abierto y la
construcción con eje cerrado.
En la construcción de eje abierto,
los cojinetes se lubrican haciendo pasar el fluido bombeado alrededor y a través de los cojinetes.
La construcción del eje de la línea cerrado implica encerrar el eje de la línea con una serie de tubos
de conexión roscados. Estos tubos separan el fluido bombeado del eje y También alojan los cojinetes
de soporte del eje.
La lubricación, normalmente aceite, se introduce en el extremo superior del tubo y gotea a través
de los cojinetes. Un orificio de drenaje en el extremo inferior del tubo permite que el lubricante de
aceite fluya hacia fuera. El conjunto de tubo y eje se apoya en la tubería de la columna a intervalos
mediante arañas para mantenerlo en el centro.
El árbol de transmisión cerrado se utiliza comúnmente utilizado para las unidades de pozos
profundos. Esta construcción no se recomienda en servicio de agua de mar, ya que aumenta el coste
inicial sin aumentar la fiabilidad.
Además, agrava los problemas de desmontaje en caso de que sea necesario el mantenimiento. Por
estas razones, la construcción de eje abierto,
debido a su simplicidad de diseño, se recomienda para el servicio de agua de mar.
Con la construcción de árbol de transmisión abierto, la selección del material de los cojinetes
depende del ajuste de la bomba y del contenido de contenido de limo y arena del fluido bombeado.
fluido bombeado.
En las bombas de ajuste corto, el caucho acanalado con soporte fenólico es una buena selección.
Estos cojinetes tienen buenas características de fricción en húmedo. En las bombas de ajuste largo,
el cojinete superior del eje de la línea podría funcionar en seco en un arranque. En esta situación,
un cojinete con buenas características de fricción no húmedas.
El bronce sin zinc o con bajo contenido de zinc ha demostrado ser una buena elección en este
servicio. En el caso de los cojinetes de caucho estriados, si el ajuste es superior a 50 pies, los cojinetes
del eje de la línea deben ser prelubricados antes de poner en marcha la bomba.
Cabezales de descarga
El cabezal de descarga cumple varias funciones. Convierte el flujo de vertical a horizontal y
proporciona una zona de sellado donde el eje pasa a la atmósfera. También alinea y apoya el
conductor, y soporta el conjunto de la columna y la cubeta.
La construcción típica de un cabezal de descarga en "L" es la más comúnmente
utilizada y se muestra en la Fig. 5. Las configuraciones de los cabezales de descarga pueden ser
variadas cuando se fabrican. Un cabezal tipo "T" en en el que las líneas de succión y descarga están
unidas al mismo cabezal de descarga. de descarga se utiliza comúnmente en las bombas de "lata"
que se encuentran que se encuentran en refinerías, productos químicos y aplicaciones de procesos
energéticos.
El cabezal de tipo subterráneo se suministra cuando se requiere una conexión de subterránea.
Para el servicio de agua de mar, el cabezal de descarga más utilizado en servicios de agua de mar es
el estilo "L".
Las consideraciones galvánicas también dominan los criterios de selección del material de
materiales para el cabezal de descarga. El revestimiento de los cabezales de descarga de acero es
una alternativa menos costosa que la metalurgia especial. Si Si el bajo coste es una consideración
importante, una construcción combinada de acero al carbono revestido y piezas de acero inoxidable
de acero inoxidable proporcionará una buena vida útil. En los cabezales pequeños (de 10 pulgadas
o menos), no es posible llegar físicamente a todas las uniones soldadas para comprobar que no hay
agujeros o grietas. En consecuencia, los cabezales de 10 pulg. y más pequeños deben ser
suministrados en material de aleación.
En los cabezales de 12 pulgadas y mayores, se puede suministrar una combinación de acero al
carbono y de acero al carbono y aleaciones, como se indica a continuación:
1. Se suministrarán bridas de descarga RF de 316SS
2. La base del motor debe ser de acero al carbono revestido, excepto los los accesorios que serán
de material 316SS.
3. La brida de la columna superior de 316SS se atornilla a la placa base del cabezal o al tubo de
extensión del cabezal de descarga. Dado que estos componentes tienen ajustes registrados, el tubo
de extensión del cabezal de descarga y la brida de la columna deben suministrarse en material
316SS. Cuando la columna está atornillada directamente a la placa base del cabezal, una alternativa
a una placa de 316SS, es una superposición de soldadura de acero inoxidable aplicada a la superficie
húmeda expuesta de una placa base recubierta de acero al carbono.
4. Los prensaestopas, la placa de los prensaestopas del cabezal de descarga de descarga y las
carcasas de los cierres mecánicos alojamientos de los cierres mecánicos deben ser de material
316SS.
En la construcción de aleación de Al-Bronce el cabezal de descarga debe ser fabricado de Ni-AlBronce.
La Fig. 5 ilustra y enumera los componentes típicos de los cabezales de descarga. componentes de
los cabezales de descarga.
Resumen
La selección adecuada de las bombas de turbina verticales depende de muchos factores, incluyendo
la comprensión de las condiciones de servicio y funcionamiento, la profundidad o longitud de la
bomba, las cualidades y corrosivas del agua de mar, la disponibilidad de materiales y un análisis
completo del agua de mar que se va a bombear, incluidos los tratamientos biosidas y de macro
organismos.
Las respuestas a las siguientes preguntas ayudarán a determinar qué tipo de construcción de la
bomba que mejor se adapte a sus necesidades.
En primer lugar, ¿cuánto dinero quiere invertir?
¿Cuánto tiempo estarán las bombas en servicio?
¿Las bombas funcionarán de forma continua o de forma intermitente?
¿Se va a tratar químicamente el agua de mar?
¿Está dispuesto a invertir en materiales más caros al principio para reducir los gastos de
mantenimiento asociados a la sustitución de bombas y piezas?
Las respuestas a estas preguntas le dirán si necesita la protección que ofrecen los materiales más
caros o los revestimientos de materiales menos caros.
Traducción: Andres Hernandez Bernal