Imagen de un artículo de tipo «de campo» preparada para una situación de desviación de la bomba.
Durante una revisión rutinaria, un equipo de mantenimiento descubre que el motor de una bomba consume una corriente superior a la indicada en la placa de características (15%), a pesar de que el sistema parece funcionar con normalidad. La causa suele ser el «desbordamiento» de la bomba, es decir, la situación en la que el caudal real supera el caudal máximo para el que está diseñada la bomba.
El funcionamiento en vacío de una bomba representa el extremo derecho de la curva de rendimiento de una bomba centrífuga, donde la altura manométrica del sistema desciende por debajo del punto de diseño y el caudal alcanza su valor máximo posible. En el punto de funcionamiento máximo, la potencia en el eje alcanza su valor máximo, lo que obliga al motor a soportar cargas para las que quizá no esté homologado. A diferencia de la cavitación o el funcionamiento en vacío, los daños provocados por el funcionamiento en el punto de funcionamiento máximo se acumulan gradualmente debido al sobrecalentamiento del motor, la sobrecarga de los cojinetes y la fatiga del acoplamiento.
Esta condición cobra mayor importancia en aplicaciones con resistencia variable del sistema: torres de refrigeración con múltiples celdas, sistemas de distribución con válvulas de zona o procesos por lotes en los que la resistencia aguas abajo varía a mitad del ciclo.
Puntos clave
- El funcionamiento en vacío de la bomba se produce cuando la resistencia del sistema desciende por debajo de los valores de diseño, lo que empuja el caudal hacia el extremo derecho de la curva de la bomba, donde la potencia de frenado alcanza su valor máximo.
- Los motores que no estén dimensionados para el consumo de potencia en vacío se sobrecalentarán, activarán el protector térmico o verán reducida la vida útil de su aislamiento.
- Entre las causas más comunes se encuentran la elección de una bomba de tamaño excesivo, la apertura simultánea de varias vías en paralelo y los fallos de las válvulas de control en posición totalmente abierta.
- La detección de fin de curva del variador de frecuencia (https://industrialmonitordirect.com/blogs/knowledgebase/configuring-vfd-end-of-curve-detection-for-pump-runout-protection) supervisa el caudal y la potencia para detener el sistema o reducir la potencia antes de que se produzcan daños.
- El margen de diseño entre la potencia nominal del motor y la potencia de funcionamiento debe ser superior a 10% para tener en cuenta las variaciones de tensión y del factor de servicio.
Qué significa la desviación de la bomba en la curva de rendimiento
Todas las curvas de las bombas centrífugas muestran tres relaciones: caudal (Q), altura manométrica total (H) y potencia en caballos de vapor (BHP). La mayoría de las curvas de las bombas presentan una característica de potencia creciente: la potencia en caballos de vapor (BHP) aumenta a medida que el caudal se desplaza hacia la derecha, desde el cierre hasta el caudal máximo.
El punto de desconexión es el caudal en el que la curva de la bomba se cruza con la altura manométrica mínima del sistema. En el caso de una bomba con un caudal nominal de 500 GPM a una altura de 100 pies, el agotamiento podría producirse a 700 GPM si se eliminara toda la resistencia aguas abajo. En estas condiciones, la potencia de salida (BHP) podría alcanzar el 125% del valor en condiciones de funcionamiento nominal.
La fórmula de la potencia explica por qué el caudal influye en la carga del motor:
**BHP = (Q × H × SG) / (3960 × η)**
Dónde:
- BHP = caballos de fuerza de freno (hp)
- Q = caudal (GPM)
- H = altura manométrica total (pies)
- SG = gravedad específica (sin dimensiones)
- η = rendimiento de la bomba (decimal)
Al final del recorrido, Q aumenta y H disminuye, pero el rendimiento suele descender más rápidamente que la altura manométrica, lo que provoca que el numerador aumente. El motor se ve afectado por el efecto combinado de un mayor caudal y un rendimiento reducido.
Condiciones del sistema que provocan el descentramiento
La desviación se debe a desajustes de diseño o a cambios operativos que reducen la resistencia del sistema por debajo del mínimo previsto.
**Sobredimensionamiento en la selección**: Si se especifica una bomba con un margen de seguridad de 20-30% en el caudal, el punto de funcionamiento se desplaza hacia la izquierda en la curva. Si la demanda real coincide con el requisito original, la bomba tiene un exceso de capacidad, y cualquier reducción de la resistencia aguas abajo la empuja hacia el funcionamiento en vacío.
**Funcionamiento en paralelo**: Los sistemas de refrigeración con varias torres o intercambiadores de calor pueden activar todas las vías simultáneamente durante la puesta en marcha o en situaciones de emergencia. La altura manométrica del sistema desciende a medida que disminuye la resistencia en paralelo (https://www.powermag.com/how-to-prevent-circulating-water-flow-reversal/), y el caudal supera los valores de diseño.
**Avería de la válvula de control**: Una válvula de control moduladora atascada en la posición abierta elimina el elemento de resistencia variable. La bomba solo se enfrenta a la altura estática y a la fricción de las tuberías, que a menudo supone una fracción de la altura de diseño.
**Derivación del filtro o tamiz**: La derivación temporal de los filtros obstruidos durante su limpieza elimina la caída de presión que normalmente limita el caudal. La bomba acelera hasta alcanzar su velocidad máxima hasta que el filtro vuelve a estar operativo.
Modos de avería mecánica y eléctrica
La sobrecarga del motor es el síntoma más inmediato de un desalineamiento. Un motor seleccionado para la potencia nominal no puede soportar el mayor consumo de corriente que se produce en caso de desalineamiento. Los relés de sobrecarga térmica pueden dispararse, o el motor puede calentarse lo suficiente como para deteriorar el aislamiento de los devanados, lo que acorta su vida útil de años a meses.
Las cargas sobre los cojinetes aumentan con la potencia del eje y el empuje radial hidráulico. En condiciones de descentramiento, el empuje radial suele alcanzar su valor máximo porque el impulsor funciona fuera de su zona de máxima eficiencia. Esto, junto con los efectos de una mayor velocidad del eje, provoca un aumento de la temperatura de los cojinetes y una reducción de la vida útil de la grasa.
Los sellos mecánicos sufren mayores variaciones de presión y calor por fricción cuando el caudal se aproxima al límite de funcionamiento. Las superficies de sellado diseñadas para la carga térmica correspondiente al punto de máxima eficiencia pueden sobrecalentarse, lo que provoca la deformación de las superficies, la ruptura de la película lubricante y fugas.
La flexión del eje y el desgaste del acoplamiento se aceleran cuando el funcionamiento se aleja de las condiciones de diseño. Los acoplamientos flexibles absorben la desalineación, pero un funcionamiento prolongado con un par elevado fuera del rango de trabajo previsto provoca fatiga en los elementos elastoméricos.
Métodos de detección durante el funcionamiento
La medición directa del caudal es el indicador más fiable de un posible desajuste. Si un caudalímetro magnético o ultrasónico indica un valor de 20% por encima del caudal de diseño durante el funcionamiento normal, esto indica un riesgo de desajuste. Compara el caudal medido con el caudal continuo máximo recomendado en la curva de la bomba.
La monitorización de la corriente del motor constituye un método indirecto cuando no es posible medir el caudal. Mide la corriente trifásica y compárala con los amperios a plena carga (FLA) indicados en la placa de características. Si la corriente supera el FLA en un valor superior al factor de servicio (normalmente 1,15), se produce una sobrecarga.
La medición de potencia en los variadores de frecuencia proporciona la potencia en el eje en tiempo real. Si la potencia medida supera la potencia nominal del motor, es probable que la bomba haya alcanzado o superado su límite de funcionamiento. Los parámetros del variador de frecuencia pueden mostrar directamente el consumo en kilovatios.
El análisis de vibraciones permite detectar problemas en los cojinetes y acoplamientos antes de que se produzca un fallo catastrófico. El aumento de las vibraciones en las zonas de los cojinetes radiales, junto con los altos valores de caudal y potencia, confirma la progresión del daño por descentramiento.
Estrategias de diseño y control para evitar el descentramiento
**Motor selection margin**: Size the motor for runout power, not rated-point power. Review the pump curve’s BHP at the right-hand limit and add 10-15% margin. Specification documents often require motors rated for runout conditions (https://legacy.winnipeg.ca/finance/findata/matmgt/documents/2021/779-2021_B/Division%2011%20R.pdf) to ensure reliability.
**Válvula de mariposa u obturador**: Instala una restricción permanente en la descarga para aumentar la altura manométrica mínima del sistema. Calcula la caída de presión necesaria para desplazar el punto de agotamiento hacia la izquierda hasta alcanzar un caudal aceptable. Esto supone un desperdicio de energía, pero protege el motor en aplicaciones de velocidad fija.
**Línea de recirculación de caudal mínimo**: Un derivación desde la descarga de vuelta a la aspiración o al depósito de origen limita el agotamiento al proporcionar una vía de flujo controlada. La línea de recirculación debe abrirse automáticamente cuando el caudal de descarga supere un valor de consigna. Este enfoque difiere de la protección contra el funcionamiento en vacío por bajo caudal; en este caso, la recirculación evita un caudal excesivo en lugar de un caudal insuficiente.
**Variador de frecuencia con detección de fin de curva**: Los variadores de frecuencia modernos supervisan la relación entre la frecuencia, la presión y el caudal para detectar cuándo la bomba se aproxima al extremo derecho de la curva. El variador reduce la velocidad para devolver el punto de funcionamiento hacia el punto de diseño (https://industrialmonitordirect.com/blogs/knowledgebase/configuring-vfd-end-of-curve-detection-for-pump-runout-protection), evitando así la sobrecarga del motor.
**Lógica de escalonamiento de bombas en paralelo**: Los sistemas de control deben poner en funcionamiento únicamente el número de bombas necesario para satisfacer la demanda. Se debe evitar que todas las bombas funcionen con una carga baja del sistema, ya que esto obliga a cada una de ellas a funcionar en condiciones de baja altura de bombeo y alto caudal.
Método de prevención | Solicitud | Limitación |
Motor dimensionado para la excentricidad | Sistemas de velocidad fija y resistencia variable | Mayor coste inicial del motor |
Válvula de estrangulamiento de descarga | Reacondicionamiento, sistemas sencillos | Desperdicio de energía, mantenimiento de válvulas |
Tubo de recirculación | Aplicaciones con alto riesgo de desviación | Requiere un sensor de caudal y una válvula de control |
Detección de fin de curva del variador de frecuencia (VFD) | Sistemas de velocidad variable | Coste de la unidad; requiere ajuste |
Automatización de la gestión por etapas de las bombas | Instalaciones con varias bombas | Complejidad del sistema de control |
Pasos para la verificación de la puesta en servicio
Registre el consumo de corriente de referencia con el caudal y la altura de bombeo de diseño durante la puesta en servicio. Compruebe que la corriente del motor se mantenga por debajo de la corriente nominal (FLA) multiplicada por el factor de servicio en todos los modos de funcionamiento previstos.
Si es posible, comprueba los peores escenarios de desviación. Abre todas las vías paralelas, retira los filtros temporales o simula un fallo de la válvula de control para medir el caudal y la potencia máximos. Comprueba que el motor se mantenga dentro de los límites térmicos durante al menos 15 minutos.
Configure los umbrales de alarma en los caudalímetros y los monitores de corriente. Las alarmas de caudal elevado deben activarse a 110% del valor de diseño para alertar a los operadores antes de que se produzcan daños en el motor.
Anota la curva de la bomba, la curva del sistema y la potencia nominal del motor en la placa de identificación del equipo o en el cuadro eléctrico local. Incluye el caudal continuo máximo permitido para que los futuros operadores puedan reconocer las condiciones de funcionamiento al límite.
Preguntas frecuentes
¿Puede producirse una desviación en las bombas de desplazamiento positivo?
Las bombas de desplazamiento positivo (de engranajes, de tornillo y de lóbulos) no presentan desviación en el sentido centrífugo. Su caudal es proporcional a la velocidad y prácticamente independiente de la presión de descarga. Sin embargo, pueden sufrir una sobrecarga mecánica si funcionan a una velocidad excesiva o con una restricción de descarga insuficiente, lo que puede provocar daños en los cojinetes y las juntas.
¿En qué se diferencia el desajuste de los síntomas de un sobredimensionamiento de la bomba?
El sobredimensionamiento de una bomba (https://www.eng-tips.com/threads/pump-runout-condition.39796/) se refiere a la selección de una bomba con una altura manométrica o un caudal superiores a los necesarios, lo que a menudo provoca un funcionamiento muy alejado del punto de máxima eficiencia. El «runout» es una situación específica que se produce al caudal máximo y que puede deberse al sobredimensionamiento, aunque también se da cuando la resistencia del sistema desciende de forma inesperada. Las bombas sobredimensionadas pueden no llegar nunca al «runout» si la resistencia aguas abajo se mantiene elevada.
¿El ajuste del impulsor evita la excentricidad?
Al recortar el diámetro del impulsor se reduce la altura manométrica y se desplaza hacia abajo toda la curva de la bomba. Esto reduce el caudal para cualquier altura manométrica dada del sistema, desplazando efectivamente el punto de desconexión hacia la izquierda. Sin embargo, el recorte también reduce el rendimiento y puede que no elimine la desconexión si la resistencia del sistema puede seguir bajando lo suficiente como para alcanzar el extremo derecho de la curva recortada.
¿Las curvas de las bombas sin sobrecarga son inmunes a los daños causados por el descentramiento?
Algunos modelos de bombas presentan una curva de potencia plana o descendente: la potencia bruta de la bomba (BHP) alcanza su valor máximo cerca del punto de máxima eficiencia y disminuye a medida que se acerca al cierre y al vaciado. Estas bombas reducen el riesgo de sobrecarga del motor, pero el vaciado sigue suponiendo una amenaza para los componentes mecánicos debido al elevado empuje radial, las vibraciones y la cavitación si el NPSH disponible desciende por debajo del nivel requerido a caudales elevados.
Conclusión
Antes de la puesta en servicio, comprueba que la potencia indicada en la placa de características del motor coincida con la potencia BHP de fin de carrera de la curva de la bomba. Si el motor no puede mantener la potencia de funcionamiento al límite durante el ciclo de trabajo previsto, instale un sistema de control de caudal y de reducción automática de la velocidad, o añada una válvula de estrangulamiento de descarga para aumentar la altura manométrica mínima del sistema. Realice la puesta en servicio con una prueba deliberada de funcionamiento al límite para verificar que los sistemas de protección se activan antes de que se alcancen los límites térmicos o mecánicos.