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IDENTIFICACION DE CAUSA-RAIZ EN FALLAS TIPICAS DE COMPRESORES CENTRIFUGOS MANUEL MARIN PDVSA INGENIERIA Y PROYECTOS Maracaibo, Venezuela Presentado en XIV Convención Internacional de Gas de la Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo 10 - 12, 2000 Caracas, Venezuela

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IDENTIFICACION DE CAUSA-RAIZ EN FALLAS TIPICAS DE COMPRESORES CENTRIFUGOS

MANUEL MARIN PDVSA INGENIERIA Y PROYECTOS

Maracaibo, Venezuela

Presentado en XIV Convención Internacional de Gas de la

Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo 10 - 12, 2000 Caracas, Venezuela

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ASPECTOS OPERATIVOS Y OPTIMIZACION EN COMPRESION DE GAS

AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 2

IDENTIFICACION DE CAUSA-RAIZ EN FALLAS TIPICAS DE COMPRESORES CENTRIFUGOS

POR

Ing., M.S., MANUEL MARIN Ingeniería de Instalaciones.

Ingeniería y Proyectos Occidente. PDVSA

ABSTRACTO

Dentro de las actividades más importantes realizadas por nuestra industria petrolera

están las relacionadas con la compresión de gas de la cual depende la recuperación

secundaria de crudo y/o levantamiento artificial y el consumo interno/externo de gas

como combustible. El manejo del gas se hace principalmente a través de

compresores centrífugos de gran capacidad responsables de elevar la presión a

niveles que alcanzan las 5000 lppcm en algunos casos.

Debido a las exigencias de producción, estos compresores centrífugos están

sometidos a trabajo continuo y condiciones de operación extremas por lo que el

seguimiento a su comportamiento es imprescindible a fin de prevenir fallas que

pudieran afectar su disponibilidad y reducir su vida útil.

Según la experiencia operacional en la Unidad de Producción Occidente, las fallas de

mayor recurrencia son: inestabilidad rotodinámica, desplazamiento axial y alto

consumo de aceite.

El presente trabajo muestra las experiencias obtenidas en cuatro fallas que resumen

las indicadas anteriormente, haciendo énfasis en el análisis de los parámetros que

intervienen en el proceso de compresión y las condiciones observadas durante las

fallas, así como la recopilación de evidencias durante el desensamblaje del rotor que

permitieron identificar la causa-raíz de las fallas y generar recomendaciones para

evitar su recurrencia.

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INTRODUCCION

PDVSA Producción Occidente cuenta con 129 trenes de compresión de gas para

recuperación secundaria de crudo y/o levantamiento artificial y consumo

interno/externo de gas como combustible. Cada una de estas plantas posee dos

compresores, uno de baja presión y otro de alta presión, con el objeto de lograr

presiones de hasta 5000 lppcm. en algunos casos y un flujo volumétrico de 5576

MMPCED de gas natural.

Por estar sometidos a condiciones de operación extremas durante las 24 horas, y a

pesar de los programas de mantenimiento preventivo/predictivo aplicados, y los

modernos sistemas de control y protección que poseen, los compresores centrífugos

son susceptibles a fallar. Gracias a las experiencias acumuladas por el personal

operador/mantenedor de dichas plantas, la tasa de remoción se ha podido reducir,

sin embargo existen fallas, tales como, inestabilidad rotodinámica, desplazamiento

axial y alto consumo de aceite, las cuales, aun afectan la disponibilidad de dichas

plantas.

En la gráfica se muestra una distribución aproximada de las causas de remoción

correspondiente a los últimos 5 años en la Unidad de Producción Occidente.

Alto desplazamiento axial (30 %)

Alto consumo de aceite (15 %)

Vibración-Otros (10 %) Inestabilidad

rotodinámica (35 %)

Ineficiencia (10 %)

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La inestabilidad rotodinámica, específicamente la aparición de vibraciones sub-

sincrónicas, es un fenómeno que puede tener diversidad de causas: roce en sellos

interetapas, trabamiento o excesiva excentricidad en sello de aceite flotante, fricción

interna en partes rotativas, fuerzas aerodinámicas por interferencia/desalineación de

componentes a la descarga de los impulsores y entrada de líquido. Como caso

especial, se menciona la presencia de líquido en el compresor, diseñado

específicamente para el manejo de fluidos en estado gaseoso, el cual puede provenir

de los sistemas de post-lubricación, los cuales inyectan aceite a cojinetes y sellos

durante las paradas, ó a través de los sistemas de depuradores, ocurriendo en

ocasiones que parte de estos líquidos logran pasar hacia el lado interno del

compresor, inundándolo y provocando, al no ser drenados, alta vibración y ruido al

momento de arranque.

Alto desplazamiento axial es otro tipo de falla que produce grandes daños debido a

las magnitudes de las fuerzas que intervienen para ocasionarlo, y que usualmente

son el resultado de desequilibrios en el proceso de compresión.

El alto consumo de aceite se presenta al fallar los sellos de aceite, bien sea por

desgaste normal en servicio, daños inducidos durante el ensamblaje o degradación

del material antifricción por agentes químicos en el aceite o gas.

Estas tres causas de paro o remoción ocurridas en los compresores centrífugos,

serán analizadas separadamente, haciendo énfasis en la metodología utilizada para

el estudio de dichas fallas, factores que influyeron en la provocación de dichas fallas

y las medidas recomendadas para evitar su recurrencia.

A. INESTABILIDAD ROTODINAMICA

Generalmente la vibración en un sistema rotor-cojinete es producida por el

desbalance de las masas del rotor al girar o la desalineación del mismo, sin embargo

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existen otras causas de inestabilidad rotodinámica. A continuación se presenta una

lista de fuentes generadoras de inestabilidad rotódinamica:

- Cojinetes de deslizamiento (latigazo de aceite)

- Sellos del tipo aros flotantes con película de aceite.

- Fricción interna en partes rotativas.

- Fuerzas aerodinámicas por interferencia/desalineación de componentes a la

descarga de los impulsores.

- Líquidos atrapados en las cavidades del rotor.

- Sellos laberintos.

El resultado de la combinación de altas velocidades, altas presiones y elevadas

cargas de trabajo, ha incrementado la tendencia de los compresores a exhibir

problemas de inestabilidad, llamados por quienes analizan estos problemas como

vibraciones subsincrónicas, por presentarse a frecuencias menores a la velocidad de

operación, y no poderse resolver con el simple proceso de balanceo del rotor.

Por ser varias las causas que producen las vibraciones subsincrónicas, a veces

resulta difícil lograr la eliminación de dicha perturbación, siendo en ciertas ocasiones

necesario, operar las máquinas bajo estricto monitoreo, sin poder eliminar por

completo la inestabilidad.

Normalmente la aparición de la vibración subsincrónica no puede ser observada

directamente en el panel de control, ya que, se requiere de un analizador de espectro

para ser examinada, aunque puede ser percibida por los operadores al notar un

incremento en el valor total de vibración detectado por los sensores de vibración.

Cuando la vibración alcanza valores extremos puede estar acompañado de fuertes

ruidos, lo que es indicativo de severos roces internos, siendo inminente el paro del

equipo para su revisión. Durante el análisis de este tipo de falla es importante revisar

los espectros generados antes de ocurrir el paro. Un estudio detallado del espectro

de vibración que incluya análisis de la amplitud, frecuencia, ángulo de fase, órbitas,

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gráfico de cascada y tendencia de vibración serán de gran soporte para diagnosticar

finalmente la causa-raíz de la falla. En estudios realizados por especialistas se han

definido ciertas características que acompañan cada fuente de generación de

vibración subsincrónica, algunos de estas características son señaladas en la

bibliografía (1), (2) y (3). La Fig. 1 muestra una señal captada al momento de

presentarse la vibración sub-sincronica. Se puede observar como la señal (2) se

encuentra localizada a ½ de la velocidad de giro del rotor y con una amplitud mayor

que la señal (1).

FIGURA 1.- Espectro de vibración con señal subsincronica.

Los daños ocasionados por este tipo de vibración pueden ser de tal magnitud,

llegando hasta la destrucción total del rotor y partes estáticas como sellos, cojinetes y

diafragmas. En la Fig. 2 muestra los daños observados en un compresor que sufrió

los efectos de este tipo de fallas, requiriendo su completa reparación. Durante el

análisis de esta falla se pudo concluir que ciertas desviaciones en las holguras

diametrales entre los cabezales porta-cartuchos de sellos y los diafragmas del barril,

producían excentricidades del conjunto rotor-barril-cojinetes-sellos generando

(1)Velocidad de operación: 11.616 r.p.m. (1x) (2)Señal subsincrónica: 5.808 r.p.m. (0.5x)

(1)

(2)

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AVPG, XIV Convención de Gas, Cara

trabamiento en los sellos flotantes de aceite, los cuales, son una fuente conocida de

inestabilidad o vibración sub-sincronica. Corregida estas desviaciones se logró

eliminar dicha vibración, y el equipo esta actualmente operando perfectamente.

FIGURA 2.- Daños observados luego de una vibración subsincronica.

ALTA VIBRACION POR INGESTION DE LIQUIDO

Es bien sabido que los compresores centrífugos están diseñados para trabajar única

y exclusivamente con fluidos de baja densidad, o mejor dicho gases. La

introducción inadvertida de líquido a la cavidad interna del rotor, puede producir una

excitación tal que ocasionaría inestabilidad rotordinámica, provocando alta vibración

en el rotor, llevándole finalmente a paro por roce en las partes internas. Una

perspectiva del mecanismo de inestabilidad es mostrada esquemáticamente en la

Fig. 3. Para cierta deflexión nominal del rotor, el fluido es impulsado radialmente en

cas, Mayo

Direccrotació

FIGUR

10 al 12, 2000. Página 7

Amortiguamientoexterno

Centro de ejedeflectado

Fuerza centrífuga dellíquido

Fuerza elásticarestauradora

“Whirl ”

Componente desestabilizantede la fuerza del líquido

Fuerza centrifugadel rotor

ión den

Centro de eje nodeflectado

A 3.- Efectos del líquido atrapado en un rotor.

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dirección de la deflexión, pero el mismo no permanece en una simple

orientación radial, la superficie en movimiento giratorio del impulsor arrastra el fluido

en dirección de la rotación. El ángulo de avance generado por el fluido resulta en una

fuerza centrífuga con una componente en dirección tangencial a la dirección de

rotación. Esta fuerza es la base de la inestabilidad, ya que la misma induce pandeo

del rotor (“forward whirl”), el cual incrementa la fuerza centrifuga sobre el fluido y a su

vez incrementa la fuerza inducida del pandeo.

Al analizar la causa de esta falla, nos encontramos que en las plantas compresoras

de gas existen varias fuentes de líquidos que podrían generar la entrada de dicho

fluido al compresor. Entre estas fuentes se tienen:

- Líquido proveniente de los depuradores (separadores gas-líquido).

- Líquido acumulado en líneas de proceso debido al arrastre de crudo y partículas

de asfaltenos.

- Aceite lubricante utilizado en el sistema de sellos.

FIG Como se observa e

etapas. Al comprim

intercalar etapas de

DEPURADOR V-1

DEPURADOR

DEPURADOR

ENFRIADOR E-1

COMPRESOR1ª ETAPA

racas, Mayo 10 al 12, 2000.

URA 4.- Diagrama del proceso

n la Fig. 4, el proceso de compr

ir el gas, el mismo aumenta s

enfriamiento entre cada etapa

V-2

ENFRIADOR E-2

COMPRESOR2ª ETAPA

de compresión.

esión normalmen

u temperatura, s

de compresión

COMPRESOR3ª ETAPA

V-3

DRENAJE DE CONDENSADO

DRENAJE DE CONDENSADO

DRENAJE DE CONDENSADO

P

te ocurre

iendo ne

a fin de a

GAS A ALTAPRESION

GAS A BAJA PRESION

ágina 8

en tres

cesario

lcanzar

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las presiones deseadas al final del proceso. Durante cada etapa de enfriamiento se

genera gran cantidad de condensado el cual debe ser desalojado en los depuradores

o separadores de gas-líquido. Conectado a cada depurador existe un sistema de

control de líquido, el cual, actúa automáticamente cuando el líquido alcanza niveles

previamente indicados, abriendo las válvulas de drenaje del depurador. En caso de

falla de este sistema, existe la probabilidad de la entrada de líquido condensado al

compresor. Igualmente, al parar la planta por largos períodos, es posible encontrar

líquido en las tuberías de proceso debido al arrastre de crudos y asfáltenos

(partículas de alto peso molecular) y la incapacidad de los depuradores para separar

elementos contaminantes en el gas.

Otra fuente de líquido en el proceso de compresión es el proveniente del sistema de

aceite de sello, utilizado en la mayoría de compresores centrífugos, cuya función es

evitar que el gas comprimido entre al área de cojinetes y escape a la atmósfera. La

Fig. 5 muestra la ubicación de los sellos dentro del barril del compresor.

FIGURA 5.- Ubicación de sellos en compresores centrífugos.

El sistema de aceite de sello es un sistema completamente separado del sistema de

aceite lubricante, y esta considerado por tener tres niveles de operación: sellos,

suministro de aceite y retorno de aceite. Los compresores usan sellos laberintos y

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sellos del tipo película de aceite trabajando en combinación dentro de un cartucho de

sellos en contra de fugas de gas durante operación. Cada lado del compresor esta

equipado con un cartucho de sellos. La Fig. 6 muestra un esquema del cartucho de

sellos. Los sellos laberintos tienen una serie de dientes con holguras muy pequeñas

FIGURA 6.- Elementos del cartucho de s

con respecto al eje. El sello laberinto funciona similar a u

pasar el gas a alta presión a través del primer dient

aproximadamente la mitad y la velocidad es incrementada

es creada en la cavidad formada entre el primer y el segun

reduce la velocidad permitiendo al gas expandirse en la

repite para cada diente del sello laberinto. El resultado es

presión del gas a través del sello.

El sello de película de aceite esta compuesto por dos aros

cuales, son fabricados para tener muy pequeña holgura

limpio a alta presión es bombeado entre los aros y el eje. M

presión de aceite mayor que la del gas, el sello no permitirá

El aceite de sello es suplido por el agujero “C” y fluye entre

“B” y “D”. La mayor parte del aceite fluirá hacia el lado “D”,

está contaminado con gas, y retornará directamente el ta

donde el gas y el aceite entran en contacto. El sello laberin

alta presión del gas que se encuentra del lado “A”. El gas

FLUBAJA PRESION AROS FLOTANTES

SELLO LABERINTO

Página 10

ellos

n orificio en un tubo. Al

e la presión decrece a

. Una turbulencia natural

do diente, dicha cavidad

misma. Este proceso se

una gran reducción de la

que flotan libremente, los

alrededor del eje. Aceite

ientras se mantenga una

fugas de gas.

los aros de sellos hacia

en este caso el aceite no

nque. En el lado “B” es

to en ese lado reduce la

a baja presión en el lado

JO

ALTA PRESION

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“B” es sellado por la alta presión de aceite pasando a través del aro del sello de

aceite.

Cuando el compresor se encuentra en operación, la presión interna dentro del barril

no permite la entrada de aceite al interior del mismo, pero al cesar la operación, el

sistema de protección de sellos y cojinetes descarga aceite por un período corto de

tiempo, existiendo la posibilidad de que cierta cantidad de aceite puede pasar a

través de los sellos laberintos e introducirse en las cavidades internas del compresor,

siendo necesario drenar dicho aceite antes de iniciar nuevamente la operación.

Luego de ocurrir fallas ocasionadas por la presencia de líquido en compresores

centrífugos, existen ciertas evidencias tales como severo roce entre sellos laberintos

interetapas y rotor, fuerte fricción en cojinetes radiales y rastros de líquido

(condensado de hidrocarburo o aceite) en las cavidades del barril, las cuales

FIGURA 7.- Daños en sellos laberintos y rotor causados por entrada de líquido.

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AVPG, XIV Convención de Ga

apuntan a inferir que el compresor operó bajo la ingestión de líquido. Las figuras 7,8,

y 9 muestran algunos daños observados durante el desarme luego de ocurrir este

tipo de falla.

FIG

Durante el anális

más propensas a

FIGURA 8.- Severo roce en cojinetes radiales.

s, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 12

URA 9.- Evidencias de líquidos en cavidades del barril.

is de este tipo de falla se ha podido constatar que las mismas son

ocurrir, luego de un paro ocasionado por otra causa, y al tratar de

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realizar los intentos de arranque para poner en operación nuevamente la unidad, se

ha obviado el proceso de drenaje del compresor resultando en los daños señalados.

También puede existir la posibilidad que, aunque se realice el proceso de drenado,

los drenajes se encuentren obstruidos, no permitiendo la salida de los líquidos.

B. DESPLAZAMIENTO AXIAL

Los compresores centrífugos están diseñados para operar con una carga axial

balanceada, la cual, es soportada por el cojinete de empuje que generalmente es del

tipo de zapatas pivotantes recubiertas con material antifricción y lubricadas por

aceite. Dicho material esta diseñado normalmente para soportar temperaturas de

hasta 266 º F; rangos de temperatura superiores a este valor debido a excesivas

cargas axiales, ocasionarían rápido deterioro del material antifricción terminando

finalmente en falla del mismo y severo roce en las partes internas, tales como

impulsores y diafragmas.

Una de las causas más comunes que ocasionan alto desplazamiento axial en

compresores centrífugos es la aparición del fenómeno conocido como oleaje

(“surge”). Dicho fenómeno es una condición de operación inestable en donde se

presentan oscilaciones en el flujo manejado por el compresor y fluctuaciones de la

presión en el sistema de tuberías que a éste se conectan. Esta condición ocurre

cuando existe una inestabilidad aerodinámica dentro del compresor, siendo incapaz

de producir adecuada presión para liberar flujo continuo a la descarga del sistema.

Entonces el sistema y el compresor interactuan, causando la condición de oleaje, con

grandes y algunas veces violentas oscilaciones de flujo en el sistema. Oleaje, pues,

es un fenómeno general del sistema y no esta confinado solo al compresor.

En experiencias acumuladas durante los análisis de este tipo de falla, se ha

determinado que entre las causas más comunes de oleaje, no relacionadas con el

diseño del compresor, están las siguientes:

- Mal funcionamiento del sistema de protección antioleaje.

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- Restricción en la succión o descarga del sistema.

- Restricciones en pasajes internos del compresor.

- Variación en procedimientos normales de operación.

Los efectos en compresores relacionados con este fenómeno pueden ser desde, una

simple baja en la eficiencia hasta serios daños al equipo o al sistema conectado al

mismo. Normalmente se presenta como una vibración excesiva y un audible sonido.

Se han experimentado daños internos en sellos laberintos, diafragmas, cojinete de

empuje y rotor, también se han reportado casos de rotores doblados por causa de

violentos oleajes. Este fenómeno frecuentemente excita vibraciones laterales del eje,

y puede producir daños torsionales en piezas como acoplamientos y engranajes.

Externamente, pueden ocurrir devastadoras vibraciones en tuberías, causando

daños estructurales, desalineación de ejes y fallas en uniones e instrumentos.

A fin de evitar el fenómeno de oleaje, se protege el compresor mediante una

desviación del flujo de gas desde la descarga dirigida a la línea de succión, a través

de una válvula de recirculación, con el objeto de incrementar el flujo manejado por el

mismo y evitar la operación en condiciones de oleaje. La Fig. 10 muestra un

esquema del arreglo más común utilizado para proteger el compresor.

FIGURA 10.- Sistema de recirculación

DEPURADOR

ENFRIADOR

COMPRESOR

DRENAJE DE CONDENSADO

VALVULA DE RECIRCULACION

Página 14

en compresores.

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En diversas oportunidades, a pesar de los sistemas de protección antioleaje, este

fenómeno ha ocurrido, resultando en graves daños para el compresor involucrado,

tales como los observados en la Fig. 11. Durante la investigación de dicha falla se

pudo constatar que un paro de emergencia, ocasionado por una falla eléctrica,

combinado con un retraso en la respuesta del sistema de recirculación y venteo, no

pudo evitar la aparición del fenómeno oleaje, provocando los costosos daños

observados y la indisponibilidad de la planta.

FIGURA 11.- Daños en el cojinete de empuje debido a desplazamiento axial.

C. ALTO CONSUMO DE ACEITE

En el punto A se explicó detalladamente el funcionamiento de los sellos de aceite, los

cuales cumplen un importante rol a fin de evitar las fugas de gas a la atmósfera. La

Fig. 4 muestra los aros que conforman el sello, con una holgura diametral muy

pequeña con respecto al eje, normalmente menor que la existente entre cojinetes y

eje, lo cual, significa que están sometidos a temperaturas medianamente altas

debido a la fricción interna del aceite al cumplir su función sellante/lubricante entre

los aros y el eje. Por esta razón el aceite debe poseer características especiales a fin

de evitar daños en los sellos.

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La contaminación del aceite con agua proveniente del sistema de enfriamiento ó

infiltrada en el reservorio de aceite por alguna otra razón (lluvia, lavado,

contaminación en almacenaje, condensación del gas de proceso en el tanque

desgasificador,ect.), puede conducir a reducir la calidad del aceite, afectando su

condición lubricante.

El ataque del material antifricción de los aros de sello por agentes químicos tales

como el H2S presente en el gas de proceso, es otro causante de la perdida de

holgura entre los aros y el eje, resultando finalmente en un alto consumo de aceite.

FIGURA 12.- Aro de sello atacado por H2S.

En este caso se debe analizar la posibilidad de eliminar la fuente que genera el H2S

en el gas o en su defecto fabricar aros recubiertos con material antifricción con base

plomo, el cual es más resistente al ataque de sulfuros que el base estaño. La fig. 12

muestra un aro de sello atacado por H2S. Cuando se sospecha la presencia de este

agente contaminante en el proceso, es necesario realizar análisis químicos de las

muestras de los depósitos de material tomadas de las partes en contacto con el gas.

Otro factor que influye en el rápido deterioro de los sellos de aceite son los daños

producidos durante el ensamblaje de los mismos. Se debe tener sumo cuidado al

reemplazar dichos sellos, y en esto es muy enfático el fabricante, debido a que

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ASPECTOS OPERATIVOS Y OPTIMIZACION EN COMPRESION DE GAS

AVPG, XIV Convención de G

existe muy pequeña holgura entre éstos y el eje (de 1.5 a 2 milésimas de pulgada

radiales) son muy propensos a ser golpeados o quedar desalineados al momento de

la instalación, lo cual provoca daños irreversibles en la superficie de contacto y solo

puede ser remediado con el reemplazo. En la fig. 13 muestra un sello de aceite con

evidencias de golpes ocasionados durante su instalación.

FIGURA 13.- Da

CONCLUSIONE

• En la búsqu

debe segui

operación, h

comportamie

técnica del

laboratorio,

causa-raíz d

as, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 17

ños ocasionados en aro de sello de aceite durante su instalación.

S

eda de la causa-raíz de las fallas en compresores centrífugos, se

r una metodología que incluya: revisión de las condiciones de

istoria de la planta, incidentes previos, modificaciones implantadas,

nto de equipos similares, entrevista con operadores, información

fabricante, examinación visual de las partes dañadas y análisis de

lo cual, nos llevará finalmente a confirmar hipótesis factibles sobre la

e la falla.

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• A pesar de todos los sistemas de protección y control existentes, los trenes de

compresión requieren para lograr una operación continua y segura, un

seguimiento estricto a su comportamiento en servicio y a los procedimientos de

mantenimiento y operación.

• A la causa-raiz de una falla, normalmente se asocian otros elementos que

contribuyen al deterioro del equipo y que deben ser identificados para generarse

acciones y evitar su impacto.

• Las implicaciones asociadas a las fallas en los compresores centrífugos, hacen

imperativo la investigación a fondo de sus causas y divulgación de los resultados.

BIBLIOGRAFIA

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6. SUMMERS-SMITH J. D.- “A Tribology Casebook” First Edition. 1997.

7. NEALE CONSULTING ENGINEERS.- “Tribology. Courses for Engineers” 1997.

8. MARIN M.- “Informe Sobre Fallas Ocurridas en el Compresor Dresser-Rand

Modelo 362B5/5 del Modulo “C” de la Planta PC-UD-1 Durante 1998-1999.

9. MARIN M.- “Informe sobre Falla Ocurrida en el Tren de Compresión de La Planta

Cincogas V el 11/09/99”.