CAVITACIÓN DE UNA BOMA CENTRÍFUGA POR BAJO NIVEL EN RECIPIENTE DE SUCCIÓN

Castillo García, Jorge Antonio (20114098D)Soto Trillo, Juan Carlos (20104105H)

Moreno Domínguez, Leandro Gallardo Alejo, Betsabe

Piero

Escuela de Ingeniería Petroquímica, FIP-UNI.

11/04/2014

1. INTRODUCCION:

Definiciones:

Bomba centrífuga:

Emplea la fuerza centrífuga para dar presión al líquido y permitir el movimiento del fluido.

Válvula:

Dispositivo mecánico con el cual se puede iniciar, detener o regular la circulación (paso) de líquidos o gases mediante una pieza movible que abre, cierra u obstruye en forma parcial uno o más orificios o conductos.

Presión atmosférica:

En condiciones normales y al nivel del mar, su valor es de 10,33 metros de columna de agua (m.c.a.); 760 mm de columna de mercurio (mm de Hg); 1.013,25 hPa; 1 atm o bien, 1,01 bar.

Temperatura ambiente:

La temperatura del ambiente en el cual el emplazamiento de bombeo en un momento dado.

Presión de vapor:

Presión a la que un líquido empieza a evaporarse. Depende de la temperatura del líquido.

Implosión:

Colapso de una burbuja cuya presión interior es menor que la externa.

Stripper:

Son pequeñas torres cuya función principal es eliminar los componentes de bajo peso molecular (volátiles) de los combustibles extraídos lateralmente en las torres fraccionadoras, el principio físico en el que se basa su funcionamiento es la disminución de la presión parcial de los componentes por la inyección de un fluido (fase vapor) en el equipo. En estos equipos se ajusta el punto de inflamación de los combustibles. Los fluidos normalmente usados son vapor o gas seco.

Válvulas de control:

La válvula de control es uno de los elementos esenciales en la instrumentalización automática para el control de procesos.

Explicada simplemente, una válvula de control es un orificio variable en una línea. Cuando el tamaño del orificio varía, el caudal del flujo (líquido o gas) también cambia, para ciertas condiciones dadas.

En la figura. A se encuentra la descripción de las diferentes partes de una válvula de control. Ésta es solamente una de las muchas variedades de válvulas de control que se utilizan. Esta válvula se mantiene normalmente cerrada por la acción del resorte. La presión del aire en la parte superior del diafragma abre total o parcialmente esta válvula (el tapón de la válvula baja) según sea la presión de aire transmitida desde el controlador. Esta válvula es de cierre automático en caso de fallo del aire (se necesita presión de aire para abrirla). Sin embargo, el diseño de la parte superior de la válvula (el sistema del diafragma) puede ser tal que la válvula opere al revés. En este caso el diafragma es mantenido en su posición más baja por la acción del resorte (válvula cerrada) y la entrada de aire está situada debajo del diafragma y del vástago de conexión.

El cuerpo de la válvula puede ser de un solo orificio (tapón simple) o de 2 orificios (tapón doble).

La válvula de un solo orificio tiene solamente 1 orificio por donde pasa el fluido. Esto se ilustra en la figura B. La válvula de 2 orificios en la figura A tiene doble tapón y dos asientos por donde el fluido puede pasar dividido en 2 direcciones.

El tapón es la parte móvil de la válvula que provee la restricción de flujo variable. Para satisfacer los requerimientos del proceso, se diseñan varios tipos de tapones.

Se aplica presión de aire de instrumentos a un lado del diafragma que presiona contra un resorte de mucha resistencia. El movimiento del diafragma se transmite directamente al tapón de la válvula por una varilla. El diafragma y el resorte están diseñados de tal manera que el tapón de la válvula vaya de abierto a cerrado (o de cerrado a abierto) con una presión de aire sobre el diagrama de 15 a 3 psig (o de 3 a 15 psig). Para cambiar la posición de la válvula es necesario cambiar la presión de aire. Las válvulas se clasifican en: Válvulas de acción directa y válvulas de acción inversa:

Acción directa: Se abren cuando se aumenta la presión de aire.

Acción inversa: Se cierran cuando se aumenta la presión de aire.

La mayoría de las válvulas pueden ser cambiadas de acción directa a acción inversa. Se especifica la válvula de acción directa o inversa en el diseño de una planta para que, en caso de fallo, la válvula se quede en una posición segura tanto para el equipo como para el personal.

Control de nivel:

En casi todos los recipientes es importante mantener un nivel definido de líquido. Por ejemplo, en un acumulador, si el nivel de líquido llegase a ser demasiado alto un producto bueno podría perderse al sistema de antorcha. De igual manera, al ser demasiado bajo se puede perder la succión de la bomba que toma líquido del recipiente. En la refinería los niveles de los líquidos pueden ser medidos y/o controlados.

Los niveles se miden por medio de un sistema de flotador. Un adecuado control y/o indicación

en la sala de control se hace a través del equipo neumático o electrónico.

Las indicaciones de nivel pueden ser verificadas a través del indicador de vidrio instalado adyacente al instrumento.

El operario probablemente encontrara varios tipos de controles de nivel en una refinería básicamente todos son similares al sistema de la figura G. El nivel de líquido se transmite al controlador el cual cambia la presión de aire sobre la válvula de control para mantener el nivel deseado. Si el nivel es demasiado alto el controlador incrementara la presión de aire sobre el diafragma de la válvula de control (abre con aire) causando así la disminución del nivel en el separador (stripper).

Existen 3 niveles de control:

Superior: Muestra un tanque con un nivel normal de operación. El aire llega a la válvula de control a 9 psig (0.6 Kg/cm2) y esta se abre al 50%.

Medio: El nivel en el tanque sube, el aire llega a la válvula de control a 15

psig (1.1 Kg/cm2) y esta se abre totalmente (100%).

Inferior: El nivel en el tanque baja. El controlador manda una señal de 3 a 4 psig (0.2 a 0.3 Kg/cm2) a la válvula de control y esta se cierra hasta solo un 10 % de abertura.

2. CAVITACIÓN:

El diccionario define este término como “formación de burbujas de vapor o de gas en el seno de un líquido, causada por las variaciones que éste experimenta en su presión.” Cuando las burbujas se colapsan aparecen unas oquedades o picaduras, en la superficie del metal en contacto con el líquido. Existen dos formas para que un líquido hierva; una de ellas es calentarlo hasta alcanzar su punto de ebullición (100 ºC para agua). La 2ª manera es reducir la presión a la que está

sometido el líquido hasta que éste entre en ebullición a temperatura ambiente. En ambos casos, el líquido hierve a una presión de vapor relativa a una temperatura.

Causas:

En una bomba hay dos zonas donde puede producirse el fenómeno de la cavitación:

Cavitación en el ojo del rodete o de aspiración.

Se produce cuando existe demasiado vacío que excede la presión del vapor del líquido bombeado. El líquido hierve y se separa del resto. Las bolsas de vacío aparecen en el centro del impulsor, que es la zona de más baja presión, y se desplazan hasta su implosión o colapso. Este tipo de cavitación la causa una altura de aspiración excesiva o bien, que el NPSHD de la instalación se vuelva insuficiente por aumento de la pérdida de carga en la succión de la bomba (obstrucciones parciales). La bomba no provoca ambas situaciones sino su entorno (instalación / aplicación).

Cavitación en la tajamar de la voluta o de impulsión.

Esta situación se da cuando la altura de descarga es demasiado alta, desplazando el punto de trabajo hacia la izquierda y fuera de la curva de funcionamiento. La cavitación se localiza entre el extremo del álave del rodete y donde acaba la envolvente del cuerpo o tajamar. El líquido se “estira” debido al bajo caudal y a la alta presión diferencial en ambos lados del tajamar. Al paso de los

álaves, se forman y se colapsan burbujas continuamente. Entre un álave y el siguiente, aparecen burbujas que permanecen en la tajamar hasta que el siguiente álave la alcanza. Es entonces cuando se crea una presión suficiente que permite la implosión de la burbuja en el extremo del álave. En la parte posterior del álave ya se ha formado una nueva burbuja que permanece ahí hasta que implosiona en el siguiente álave.

3. PROBLEMA

Se tiene un stripper de Diesel (cuya alimentación viene de la torre fraccionadora de crudo), en la parte inferior hay una succión de la bomba que en operación normal trabaja con presión de descarga de 20 kg/cm2; el nivel del stripper se controla con una válvula de control LV01 (rojo).

Toda válvula de control trabaja con un sistema neumático y al fallar el suministro de aire, la válvula pasa a modo seguro (se abre o se cierra totalmente), en nuestro caso, queda toda abierta, por este motivo se baja el nivel del stripper y la bomba queda expuesta a trabajar en vacío, con una presión de descarga menor a 5kg/cm2, generando la cavitación, lo cual perjudica y daña al sello interno produciéndose rupturas por altas vibraciones.

4. SOLUCIÓN:

Cuando una bomba cavita, se oye un ruido característico que recuerda un martillo golpeando una pieza de metal o como si la bomba tuviera piedras en su interior e impactaran constantemente. La forma más precisa para detectar la cavitación es tomar lecturas de presión en la aspiración e impulsión de la bomba y medir con exactitud la velocidad de trabajo de la bomba. Con esta información, se consulta la curva característica de la bomba y se determina dónde está trabajando la bomba. Si se sospecha que la bomba padece una “cavitación de aspiración” la lectura de presión en la brida de succión indicará un nivel de vacío importante o, posiblemente, debe revisarse el cálculo del NPSH. Evidentemente, si se abre la bomba y en el rodete se observa algún ataque similar a los descritos, entonces la cavitación ya no es una sospecha sino que es una realidad.