A medida que los valores de viscosidad y peso específico del fluido se alejan de las cualidades del agua, las bombas centrífugas convencionales pierden eficiencia sufriendo, al mismo tiempo, problemas de desgaste y rotura prematura. En este sentido, podemos identificar gran cantidad de aplicaciones de bombeo con una alta frecuencia de intervención por mantenimiento. En esos casos, se sigue fielmente la ley de Pareto 80/20: el 20% de las bombas instaladas representan el 80% de las fallas prematuras. Es en dichas situaciones donde se pueden aplicar nuevas tecnologías de bombeo para mejorar en forma exponencial el tiempo promedio de intervención.
Ante reiteradas intervenciones de los equipos por mantenimiento, la reacción de los usuarios muchas veces consiste en evaluar otros materiales de construcción de las bombas en uso. Se prueba modificando el material del impulsor, la voluta o la placa de desgaste por uno más duro y resistente químicamente, o por un revestimiento especial. El problema de aplicar este criterio es que generalmente la causa raíz del desgaste prematuro del equipo se encuentra relacionada con el diseño de la bomba. De esta forma lo único que se logra es un aumento de los costos de operación del equipo de manera desproporcional a los beneficios que se obtienen. Antes de reemplazar materiales o experimentar con piezas especiales en la bomba, es sumamente importante evaluar si la tecnología de bombeo seleccionada es la adecuada. En esta publicación nos enfocamos en repasar los distintos diseños de bombas orientados al manejo de fluidos abrasivos, con el fin de mejorar el conocimiento del usuario final sobre los avances tecnológicos de los últimos años.
Criterios de diseño
En bombas centrífugas convencionales, el impulsor tradicional posee un diseño cerrado con bajas tolerancias, a fin de mantener una mayor eficiencia. Cuando el fluido en movimiento es abrasivo, el impulsor y la carcasa o voluta se desgastan rápidamente. Las tolerancias establecidas para obtener un punto de eficiencia aceptable cambian y la bomba pierde efectividad, incluso dejando de cumplir con el punto de servicio deseado. En una bomba centrífuga diseñada para fluidos abrasivos, los espacios para pasaje de líquido son mucho más amplios. Adicionalmente, se utilizan materiales de construcción de alta dureza o flexibles. La combinación de estos factores reduce la velocidad de paso y los efectos de la abrasión. Esto se evidencia en los siguientes diseños de bombas:
• Diseños con impulsor abierto
Un impulsor abierto cuenta con las aletas visibles al frente del mismo. Si bien estos impulsores son menos eficientes y generan menos presión de descarga que los impulsores cerrados, no tienen la posibilidad de taparse con fluidos con altas concentraciones de sólidos. Un ejemplo de este tipo de impulsor se ve en las bombas Toro MP, utilizadas para lodo de perforación o transferencias de barros en general. Las aplicaciones típicas de este tipo de bombas son transferencia de lodo de perforación, transferencia de fluidos con fibras en suspensión, transferencia de barros / lodos de decantación.
• Diseños con impulsor mono-canal
Un impulsor mono canal tiene aún mayor capacidad de manejo de sólidos grandes que las bombas de impulsor abierto. Típicamente, se aplica esta clase de impulsor cuando hay grandes sólidos blandos en suspensión, como por ejemplo aguas cloacales, desagüe general de obra y procesos de reciclado. Uno de los tipos de bombas más comunes para este impulsor es la sumergible. Para aplicaciones de alta concentración de sólidos o donde se quiere evitar la agitación del fluido en movimiento, se utiliza un impulsor tornillo. Este se adapta muy bien en aplicaciones de gran caudal a baja presión de fluidos, con alta concentración de sólidos o de gran tamaño. –para más información hacer click aquí. La aplicación más común para las bombas mono-canal es la transferencia de fluidos cloacales o con sólidos blandos, compresibles. Las aplicaciones para las bombas con impulsor tipo tornillo son muy variadas. Los ejemplos más comunes son: transferencia de restos de pollo, sangre con hueso, agua con bentonita, polímeros o fluidos con grandes sólidos en suspensión.
• Diseños con impulsor cerrado
Cuando se requieren presiones de descarga superiores a las que puede entregar una bomba de impulsor abierto, existen diseños de impulsorescerrados
congrandes tolerancias. Este tipo de impulsor se encuentra generalmente en bombas de pulpa mineral tipo SlurryPro. La ventaja de estos equipos es que pueden manejar fluidos abrasivos y con concentraciones de hasta 30-40% de sólidos, conservando una larga vida útil. Cuentan con repuestos de desgaste fácilmente intercambiables, sin generar daño a los elementos estructurales de la bomba. En el interior de una carcasa de fundición de hierro (no en contacto con el fluido) se aloja una voluta interna del material adecuado para resistir los efectos mecánicos del fluido. Las aplicaciones típicas de las bombas de impulsor cerrado de servicio pesado son: transferencia de pulpas minerales, lechadas, barros, caña de azúcar, polímeros, proceso de decantación, floculación, entre otras.
Materiales de construcción
Típicamente, los materiales de construcción de bombas para fluidos abrasivos son:
• Fundición de hierro dúctil para carcasas, soportes, cajas de rodamientos etc.
• Fundición de hierro dúctil con tratamiento de endurecimiento para volutas/impulsores.
• Aleaciones con alto contenido de cromo para volutas/impulsores con dureza de hasta 63 Rockwell C.
• Aleaciones con alto contenido de níquel conocido como ni-hard para impulsores.
• Caucho natural, combinaciones de caucho para volutas e impulsores.
• Polímeros especiales para volutas e impulsores.
La selección del material adecuado es fundamental para asegurar una vida útil aceptable. Según las características del fluido, tamaño de sólidos, concentración de sólidos y temperatura, se seleccionan materiales duros para reducir la velocidad de erosión o materiales más flexibles, capaces de absorber el choque/abrasión, como los cauchos o plásticos.
Como reglas básicas de selección se considera que:
• Para los fluidos con temperaturas superiores a los 100°C y/o con sólidos superiores a 10-15 mm o sólidos cortantes, se especifican componentes de metales duros como el acero con alto contenido de cromo.
• Para los fluidos con temperaturas inferiores a las 100°C y sólidos de granulometría inferior a 10 mm, como por ejemplo agua con arena, lechada de cal y lodos de fondos de tanques de sedimentación, se consideran las bombas revestidas con caucho o materiales elastoméricos.
Cabe destacar que, en general, las bombas revestidas con este tipo de materiales tienen limitaciones de velocidad y, por ende, de presión de descarga.
Velocidad (rpm) de bombas
La velocidad de giro de la bomba es un factor clave para la obtención de una larga vida útil. En lo posible, se recomienda utilizar equipos más grandes funcionando a menor velocidad. Muchas veces se instalan bombas centrifugas como las de pulpa mineral con correa y polea o variador de frecuencia, a fin de reducir la velocidad de giro. Las bombas de desagüe de mina están especialmente diseñadas para poder generar altas presiones de descarga a bajas velocidades, a través de impulsores sobre dimensionados. Fabricantes como SlurryPro suministran sus curvas de funcionamiento mostrando su performance a distintos rpm, permitiendo al usuario seleccionar el equipo más efectivo.
Sistemas de sellado
Existen diferentes métodos de sellado de bombas para fluidos abrasivos:
• El sellado mediante empaquetadura es el de menor costo y tecnología. Como beneficio percibido, ante una fuga o desgaste, la empaquetadura puede ser aplicada con sencillez. Sin embargo, por cuestiones propias del diseño, en este tipo de sellado es característico el goteo del líquido para lubricación. Con fluidos abrasivos, la presencia de líquido entre la empaquetadura y el eje o camisa de eje rápidamente genera problemas de contaminación o derrame. El usuario tiene que implementar un plan de mantenimiento preventivo y estar preparado para la parada de bomba ante un incremento en la pérdida del fluido.
• Los sellos mecánicos bien aplicados resuelven el problema de pérdida y desgaste de la empaquetadura, pero en el caso de fluidos abrasivos, el desgaste de estas piezas trae aparejadas grandes problemáticas. Según el fabricante, existen sistemas de sellado simple y doble, materiales especiales, reservorios de aceite de lubricación; una multitud de alternativas que no siempre funcionan y varían mucho en costo, a veces superando el de la bomba en sí. Una limitación del sello mecánico es que, en caso de rotura, el usuario es obligado a parar el equipo por completo con el objetivo de cambiar el sello.
• Un sistema de sellado intermedio es el de sello mecánico lubricado con cámara propia. Este diseño constituye un sello mecánico confiable gracias a la lubricación de aceite. Así también, su costo es razonable, ya que la cámara de lubricación proviene del fabricante de la bomba, y no parte de un sistema de sellado externo.
Resumen
En resumen, existe una gran variedad de tipos de bombas centrífugas convencionales. En una planta industrial típica, la mayoría de las bombas centrífugas van a ser del tipo impulsor cerrado de alta eficiencia. Sin embargo, en aplicaciones donde la vida útil del equipo se ve reducida a causa de la abrasión o partículas en suspensión, es conveniente evaluar el uso de bombas centrífugas que hayan sido especialmente diseñadas para fluidos abrasivos.
