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Avances en Producción y Manejo de Gas
WILPRO ENERGY SERVICES LTD.
“EL FURRIAL”
DIAGNOSTICO EFECTIVO DE FALLAS EN EL CONJUNTO BIELA PASADOR Y
CRUCETA DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES WHITE SUPERIOR WH66 DE 1200 RPM (PROTOTIPO)
T.S.U. CESAR GOLINDANO.
XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008
Página 1
OBJETIVO
Promover la operación bajo condiciones mas seguras, aunado ha esto, mejorar y
mantener la integridad mecánica de los compresores reciprocantes, lo que se
traduce en una mayor rentabilidad del negocio y en el incremento de la confiabilidad
de nuestras instalaciones.
Página 2
DIAGNOSTICO EFECTIVO DE FALLAS EN EL CONJUNTO BIELA PASADOR Y
CRUCETA DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES WHITE SUPERIOR WH66 DE 1200 RPM (PROTOTIPO)
El personal dedicado al desarrollo de nuevas plantas de compresión, así como a la
operación, mantenimiento y optimización de las existentes, necesita manejar cada
vez mas, una mayor cantidad de herramientas e información para poder ejecutar su
trabajo de acuerdo a las exigencias de rentabilidad de su medio. Solo así puede
asegurarse de mantener la competitividad de su empresa. El conocimiento de
tecnología y su interacción con el resto de los componentes y equipos que integran el
sistema, es fundamental para lograr estos objetivos.
En este artículo queremos resaltar una vez más, la importancia del uso de nuevas
tecnologías que indudablemente sustentan la base de un programa eficaz de
mantenimiento predictivo y como este cambio de cultura de mantenimiento ha
ayudado a optimizar una gran variedad de sistemas en la industria. Este proyecto
esta apoyado en técnicas novedosas usadas para el análisis de condición de equipos
reciprocantes.
El estudio se llevo a cabo en una planta compresora, perteneciente a la empresa
Wilpro Energy Services LTD, la cual cuenta con seis (6) compresores reciprocantes
White Superior WH66, los cuales están diseñados para manejar un flujo promedio de
32 millones de pie cúbico estándar diario (MMPCSD). Estos equipos son prototipos
por las condiciones de trabajo a las que están sometidas, ya que se encuentran
acoplado a un motor eléctrico de 5000 hp, y con velocidad fija de 1200 rpm. Los
modelos comerciales giran a 900 rpm, generalmente acoplados a motores de
combustión interna.
La falla de mayor impacto económico en estos compresores, es causada por el
desgaste, en ocasiones prematuro (debido a las variaciones en la calidad del gas) de
los elementos que integran el conjunto biela, pasador y cruceta y como
consecuencia, obtenemos daños directos en el muñón del cigüeñal donde acopla la
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biela en referencia, teniendo que remplazar el cigüeñal o por lo menos sacarlo a
reparar a un taller externo, adicionando gastos no presupuestados, pero el mayor
impacto es el tiempo de parada de la máquina para el reemplazo de las partes. Ver
Fig. 1. Conjunto biela, pasador y cruceta.
FROT = m A r ω 2
A
FREC = − m B r ω 2 (cos θ +
L
r
cos 2θ )
L
B
r
θ
Fig. 1
Como se puede observar en la figura 1, este conjunto es el que se encarga de
transformar el movimiento circular del cigüeñal en un movimiento lineal y recíproco.
La influencia de la calidad del gas en las fallas prematuras de estos elementos, se
debe a que cuando el gas trae o arrastra condensados libres, hay un mayor esfuerzo
en la barra del pistón, y este esfuerzo es directamente proporcional al desgaste de
los elementos que integran el conjunto, como lo es la bocina donde se mueve el
pasador, las zapatas de la cruceta y las conchas de biela, ya que son estos los que
recogen toda la energía generada por el pistón tanto a compresión como a tensión.
Ver fig 2.
Cigüeñal
Biela
Cruceta - Pasador
Liquido
Fc
Fc
Fig 2.
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Una vez que entra líquido en el cilindro, se comienzan a incrementar las fuerzas
contrarias a la dirección del pistón, como se observa en la figura 2, si el pistón esta
comprimiendo existe una fuerza en reversa provocada por el líquido que no es
compresible, este fenómeno de manera instantánea incrementa las vibraciones en el
conjunto biela, pasador y cruceta.
El objetivo de este trabajo es dar a conocer como a través de un análisis espectral se
puede realizar una detección temprana de falla en el conjunto biela, pasador y
cruceta,
que nos permita predecir y corregir cualquier desviación que afecte el
normal funcionamiento de las partes antes que la misma se convierta en una falla
catastrófica.
Para esto se realizaron una serie de pruebas:
a-
En primer lugar para realizar las pruebas se localizó una cruceta con
desgaste, compresor C-201D cilindro # 2.
b-
Luego se tomaron datos en diferentes puntos de la guía de cruceta,
hasta encontrar la ubicación idónea donde se debe colocar el sensor
de vibración o acelerómetro, para conseguir la información mas clara
de la condición mecánica del conjunto. La norma API 618
recomienda colocar el sensor en dirección vertical, pero no
especifica si es de arriba hacia abajo o de abajo hacia arriba de la
guía de cruceta.
Punto de prueba # 1, se colocó el acelerómetro al lado de los
sensores Bently, donde acopla la guía con el cilindro compresor.
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Acelerómetro
Sensor Bently
Fig.3
De este punto se genero el siguiente espectro: amplitud máxima
.303 g a una frecuencia de 5585 Hz. Fig. 4.
Wilpro M.P. Station Principal C-201D 2...
Run 1 Channel 1 FFT at 0.0 RPM 07/17/07 13:03
Overall =
1.012
0.3
X:
5585.9
Y:
0.30343
g's
0.2
0.1
0
0
2000
4000
6000
8000
Frequency (Hz)
Punto de prueba # 2. Se colocó el acelerómetro en el centro de la
guía de cruceta en la parte superior.
Acelerómetro
Sensor Bently
Fig. 5.
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.564 g a una frecuencia de 1015 Hz.
Overall =
0.5
1.517
X:
1015.6
Y:
0.56441
Comienza a resaltar la
frecuencia de 1000 Hz
0.4
g's
0.3
0.2
0.1
00
2000
4000
6000
8000
Frequency (Hz)
Fig. 6.
Punto de prueba # 3. Se colocó el acelerómetro en el centro de la
guía de cruceta en la parte inferior. Fig. 7
Acelerómetro
2.358 g a una frecuencia de 1015 Hz.
Página 7
Overall =
2.915
X:
1015.6
Y:
2.3588
2.0
Claramente se puede observar
como se manifiesta la
frecuencia de 1000 Hz
g's
1.6
1.2
0.8
0.4
00
2000
4000
6000
8000
Frequency (Hz)
Fig. 8.
Observando los gráficos, se puede comprobar que el sentido más
confiable de acuerdo a la información recabada es el sentido vertical
de abajo hacia arriba y la razón de ser de esto, es que la cruceta se
apoya y desliza en la parte inferior de la guía.
c-
Una vez obtenida la mejor ubicación del sensor, se comienza a
delimitar la frecuencia en la cual se presentan los eventos
relacionados con el conjunto biela, pasador y cruceta. Para esto se
realizaron diferentes ensayos que permitieron identificar el rango de
frecuencia de falla el cual es de 60000 cpm o 1000 Hz. Es
importante señalar que este pico es un armónico a 50X tomando
como referencia que la velocidad de giro es de 1200 rpm.
d-
Para finalizar se estandarizaron los valores de alarma y paro en,1.6
G-s alarma y 2.0 G-s el paro, en una frecuencia de 60000 cpm o
1000 Hz. Se tomó como referencia la tabla de Beta Machinery
Análisis Limited y la General Severity Chalotte. Cabe destacar que
para estos valores de alarma y paro no se tomó en cuenta el valor
global, solo la amplitud a 60000 cpm o 1000 Hz.
Página 8
Una vez culminado la fase de estudio, se inicio una evaluación de todas las
máquinas donde se han obtenido los siguientes resultados:
Espectros característicos de fallas en el conjunto. Frecuencia 60000 CPM ó 1000 Hz.
Overall =
X:
2.915
60938
Y: 2.3588
2.0
g's
1.6
1.2
0.8
0.4
0
0
200000
400000
CPM
Fig. 9. Espectro donde se observa claramente un pico de
amplitud 2.3 g-s, a 1000 Hz.
Wilpro M.P. Station Principal C-201B 2222
Overall =
X:
1.6
3.282
58594
Y: 1.6707
1.4
1.2
g's
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
00
500000
1000000
CPM
Fig. 10. Espectro donde se observa un pico de amplitud
1.6 g-s, a 60000 cpm ó 1000 Hz.
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Wilpro M.P. Station Principal C-201A 2222
Overall =
X:
2.282
64453
Y: 1.3751
1.2
1.0
g's
0.8
0.6
0.4
0.2
00
500000
1000000
CPM
1.3 g-s, a 60000 cpm ó 1000 Hz.
Wilpro M.P. Station Principal C-201C 2222
Overall =
2.0
X:
58594
Y:
2.013
3.73
1.6
g's
1.2
0.8
0.4
00
500000
1000000
CPM
2.0 g-s, a 60000 cpm ó 1000 Hz.
Página 10
Daños encontrados en el conjunto:
Zapatas de crucetas quemadas.
Concha de biela con desgaste
Equipos Usados para el estudio:
1- Analizador de condición Windrock 6310.
2- Analizador de vibración CSI 2120.
3- Simulador ARIEL.
4- Transductores piezoeléctricos.
Página 11
CONCLUSION
Las fallas en el conjunto biela, pasador y cruceta son mecánicas y cuando se inician,
provocan una variación en las amplitudes de vibración, para detectar estas
variaciones se necesita una ruta estructural que transmita la información mas clara
de la condición mecánica del conjunto.
Una vez que comienza el desgaste de los elementos que integran el conjunto como
las bocinas, conchas de biela y zapatas, aparecen frecuencias provocadas por
inestabilidad, roce, impacto, resonancia estructural, etc; las cuales se deben
especificar por rangos de frecuencias de bandas de acuerdo al equipo, pieza o
estructura, para ser más eficaz en los análisis y minimizar los tiempos de parada de
las máquinas y por ende la pérdida de dinero.
En los compresores White Superior WH-66 que se encuentran en la planta de Media
Presión Jusepín, perteneciente a la empresa Wilpro Energy Services ltd, la falla en el
conjunto biela, pasador y cruceta, se presentan a una frecuencia de 60000 cpm, lo
que es igual a 50 veces la velocidad de giro (50X), esta frecuencia se puede convertir
en un patrón a seguir para el análisis de los compresores reciprocantes, pero
también; es cierto que esta característica va a depender de diferentes factores, como
lo son: el modelo de la máquina, la presión de trabajo, equipos auxiliares, la base del
compresor, calidad del gas, velocidad, etc. Pero aun así, si se toman datos en un
compresor justo debajo de la guía de cruceta y en el espectro se presenta un pico
predominante, es muy probable que sea un indicio de falla en el conjunto biela,
pasador y cruceta.
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