Bombas centrífugas: Cuándo repararlas, modificarlas o reemplazarlas

Las bombas centrífugas son ampliamente utilizadas en la industria de procesos químicos debido a su fiabilidad y rendimiento. Como todo equipo mecánico tienden a desgastarse y fallar con el uso, es por esta razón, que se deben tomar en cuenta diferentes opciones cuando las bombas centrífugas fallan en planta. Dicho de otro modo, cuando comienzan a fallar o su rendimiento baja volviéndose ineficaces para realizar su tarea, se debe tomar la mejor decisión para solventar esta situación.

Bombas centrífugas industriales ubicadas en serie

Bombas centrifugas industriales. Imagen de epcholdings

En este artículo presentaremos algunas pautas, con ejemplos, para tomar la mejor decisión en el momento en que falle nuestra bomba en planta, es decir, seleccionar reparar la bomba centrífuga, modificarla o reemplazarla.

Tabla de contenidos

Hidráulica de la bomba centrífuga

El funcionamiento de una bomba centrífuga mucho más allá del punto de rendimiento máximo (BEP) es una causa común del descenso de fiabilidad de la misma. Existen numerosas razones por las cuales una bomba centrífuga puede utilizarse en condiciones distintas a la de su diseño original. La bomba pudo haber sido inicialmente mal seleccionada, o simplemente, los requisitos del proceso pueden haber cambiado desde su estado original o inicial. Para que una bomba centrífuga pueda operar con fiabilidad, deben satisfacerse dos caudales mínimos en la curva de la bomba:

Caudal mínimo estable continuo (MCSF), el cual impide la recirculación interna
Caudal térmico mínimo, que permite conocer cuando comienza el calentamiento interno súbito de la bomba

Los fabricantes de bombas centrífugas suelen suministrar el MCSF de sus bombas en la documentación ofrecida a sus usuarios o clientes, por lo tanto, es un dato con el que siempre se cuenta. Como regla general, se obtiene un mejor rendimiento de la bomba centrífuga cuando se mantiene el punto de operación de la bomba muy por encima del caudal mínimo hidráulico. Por otro lado, un mal ajuste hidráulico suele llevar a una fiabilidad baja y un rendimiento pésimo del sistema en donde se encuentre operando la bomba centrífuga.

En la siguiente figura, podemos observar los diferentes efectos adversos que aparecen al trabajar demasiado lejos del punto óptimo de operación de la bomba centrífuga. En planta, los problemas relacionados con operar la bomba lejos de su punto óptimo suelen manifestarse mediante vibraciones mucho más fuertes que las habituales, y por supuesto, fallas en los cojinetes y juntas de las bombas.

Descripción del funcionamiento de una bomba centrífuga operando lejos de su punto óptimo de operación

Impacto de la fiabilidad del funcionamiento de la bomba fuera del BEP

Entre las múltiples opciones que se tienen para evitar problemas causados por bombas centrífugas sobredimensionadas, está el realizar un ajuste hidráulico en la descarga de la bomba. La idea de este cambio es instalar un impulsor que permita trabajar con un caudal menor dentro de la carcasa de la bomba centrífuga sobredimensionada. Para ello, se deben colocar adaptadores de anillos de desgaste para lograr la disminución del diámetro que se requiere para lograr el objetivo. Una muy buena opción sería utilizar piezas de desgaste de perfluoralquilo avanzado (Vespel CR-6100).

Cabe destacar, que las zonas de la garganta de la voluta de la bomba centrífuga deben adaptarse al nuevo impulsor colocado para modificar la descarga. Para lograr esto, se deben recortar los labios de la voluta y soldarlos hasta ajustarlos a la medida deseada. Como podemos notar, es un enfoque bastante simple de diseño que puede proporcionar a los usuarios de las bombas centrífugas una solución rentable para fallos crónicos causados por inestabilidades hidráulicas.

¿Qué hacer cuando un bomba centrífuga falla?

Inspoección presencial d euna bomba centrífuga

Inspección de una bomba centrífuga. Imagen de ifsolutions

Existen varias opciones para solventar fallas que puedan presentar las bombas centrífugas. Entre las principales opciones que podemos elegir para remediar la situación, se encuentran las siguientes:

Realizar la reparación de la bomba centrífuga, ya sea en un taller externo o en la propia planta, utilizando piezas de repuesto.
Sustituir la bomba centrífuga dañada por una bomba reconstruida o por una bomba nueva de las mismas características, que se tenga guardada en el almacén.
Reparar uno o varios componentes mecánicos de la bomba centrífuga para mejorar su fiabilidad mecánica.
Realizar una reforma hidráulica en la carcasa de la bomba centrífuga.
Sustituir la bomba dañada por otra bomba centrífuga completamente diferente y que se adapte mejor a las condiciones de operación.

Es importante que todas las decisiones de mantenimiento de las bombas centrífugas se encuentren económicamente justificadas. Para que estas decisiones puedan presentar beneficios el coste de sustitución, reparación o modificación debe ser menor al coste de una bomba centrífuga nueva. Para decidir qué camino tomar desde el punto de vista económico, el ingeniero debe conocer primeramente los siguiente:

El tiempo transcurrido desde la última reparación o métrica anual del tiempo medio entre fallos de la bomba centrífuga (MTBF). Las mejores bombas centrífugas poseen un MTBF que va entre 6 y 10 años. Aquellas bombas que presenten un MTBF menor a 2 años, deben considerarse inaceptables. De modo, que una bomba con un MTBF mayor a 6 años debe seguir reparándose y si presentan un MTBF menor a 2 años debe buscarse un reemplazo. Si la bomba presenta un MTBF entre 2 y 6 años, debe examinarse caso por caso de manera minuciosa.
Conocer la causa principal de la última avería, ya que esta causa debe ser el foco principal de las reparaciones y modificaciones a realizar.
Tener presente el rendimiento de la bomba y cuán lejos se encuentra trabajando del punto óptimo de operación.
Saber el coste de devolver la bomba a las especificaciones del fabricante.
Tener en cuenta el coste de la bomba de sustitución y su plazo de entrega.
Conocer el valor del tiempo de inactividad del proceso relacionado con la avería imprevista de la bomba.
Considerar el coste de mantener una bomba de sustitución en el almacén.
Tener en consideración el coste de las mejoras de diseño planteadas.
Saber el coste total de una renovación hidráulica para una bomba centrífuga determinada.

Reparar o sustituir un bomba centrífuga

Reparación de una bomba centrífuga industrial

Reparación de una bomba centrífuga. Imagen de mosaned

Cuando se presenta un fallo en una bomba, la primera interrogante que se viene a la mente del ingeniero es: ¿Repararla o sustituirla?. La respuesta es bastante simple y se encuentra basada en un razonamiento netamente económico:

“Si el valor añadido por la reparación es mayor que el coste de reparación, menos su valor de recuperación, tiene mayor sentido reparar la bomba centrífuga que sustituirla”

Esta respuesta simple pero eficaz se puede expresar matemáticamente así:

Donde:

m_pr: Valor de mercado de la bomba tras la reparación
m_s: Valor de mercado de la bomba
r_va: Valor añadido de la bomba tras la reparación
r_c: Coste de la reparación

De esta relación, podemos concluir que sólo tiene sentido económico aquella reparación que produzca un valor añadido mayor que el coste de la reparación. De modo, que si esta situación se presenta estará plenamente justificado el retiro de operación y la reparación de la bomba, sin que represente una penalización económica. Podemos ilustrar esto con el siguiente ejemplo:

Consideremos la reparación de una bomba centrífuga de 150 hp, con los siguientes costes:

Valor de recuperación de la bomba: 2000 US$
Valor de la bomba después de la reparación: 20000 US$
Coste de reparación: 8000 US$
Valor añadido: 20000 – 2000 = 18000 US$

En este caso y tomando en consideración la relación matemática anterior, podemos notar que el valor añadido es mayor al coste de reparación, por lo tanto, se justifica la reparación de la bomba centrífuga.

Criterios de reparación/recambio de bombas centrífugas

Existen muchos criterios para considerar reparar o reponer una bomba centrífuga, sin embargo, las filosofías de reparación y recambio más utilizadas serían las siguientes:

Para bombas centrífugas pequeñas y menos críticas (menores a 5 hp) cuya reparación no sea rentable, habrá que considerar mantener en los almacenes repuestos completos de las bombas o solicitarlos al fabricante. La decisión de almacenar una bomba de repuesto completa o solicitarla al fabricante dependerá del tiempo de entrega previsto.
Si se presenta el caso de que una bomba falle por completo, puede ser retirada y reparada, ya que se cuenta con un repuesto completo instalado que se considera fiable y capaz de suministrar el caudal requerido por sí sola (arreglos en paralelo preventivos). Este caso, se lleva a cabo en servicios con bombas medianas o grandes donde tiene sentido retirar y reparar la bomba en cuestión.
Cuando se puede retirar la bomba de planta, pero su reparación va a tomar un tiempo considerable, se debe tener en los almacenes una bomba de recambio que puede ser reconstruida o nueva.
Si re requiere minimizar el tiempo de reparación de una bomba debido a un potencial impacto económico en la planta, debe mantenerse en almacén un paquete de bombas o un conjunto giratorio para minimizar el tiempo de reparación. También, debe mantenerse guardado en el almacén, cojinetes, juntas y acoplamientos de repuesto para mantenimientos menores.

Un programa de gestión de piezas ineficaz puede afectar negativamente la fiabilidad de las bombas centrífugas. Es por ello, que la gestión de piezas de repuesto debería ser parte integral de todo programa de fiabilidad de bombas centrífugas. Para mantener la eficacia del programa de gestión de piezas se debe contar con un equipo formado por un ingeniero, un capataz de taller, un especialista de almacén y un representante de la dirección de planta. Este equipo debe reunirse periódicamente para discutir:

El estado de todos los recambios críticos
Los niveles actuales de existencia de recambios
Los cambios en los niveles de existencia
Las decisiones de eliminar material obsoleto
La adición o supresión de proveedores
El almacenamiento de piezas mejoradas si están estas disponibles
¿Cómo justificar las actualizaciones de las bombas centrífugas?

Uno de los objetivos de los ingenieros a cargo de las bombas es mejorar las capacidades de éstas en el proceso, sin embargo, siempre hay límites en el nivel de mejoras. El límite económico se rige por la ley de rendimientos decrecientes, esta ley económica establece que si se aumenta el insumo en la producción de un producto, mientras todos los demás insumos se mantienen fijos, se llegará a un punto que las adiciones del insumo producen aumentos progresivamente menores o decrecientes en la producción.

Hay un límite en la cantidad de mejoras que suelen realizarse en una máquina determinada. En algún momento, la enésima mejora dejará de estar justificada económicamente. A continuación, presentamos algunos ejemplos de mejoras comunes en bombas centrifugas:

Mejora en los cierres mecánicos y sistemas de sellado relacionados en una bomba para justificar la fiabilidad.
Mejora de la metalurgia de la carcasa para aumentar su vida útil.
Instalación de equipos de control de vibraciones para evitar fallos catastróficos.
Reacondicionamiento de una bomba para que funcione más cerca de su punto máximo de rendimiento (BEP) para mejorar la estabilidad hidráulica.
Instalar una línea de derrame en la línea de la descarga de la bomba centrífuga, de este modo, se impide que opere por debajo de su caudal mínimo estable continuo (MCSF)

El método de período de retorno de la inversión que describiremos a continuación, es un medio sencillo de evaluar los beneficios de una posible mejora de la gestión. El método de amortización se define como la inversión inicial dividida por los ingresos anuales previstos obtenidos por las mejoras. El período de amortización de una modificación, se deriva dividiendo el coste total de instalación de la mejora por los beneficios anuales, lo podemos ilustrar así:

Los costes de instalación pueden incluir los siguientes elementos:

Coste de los nuevos componentes y equipos
Costes de demolición e instalación
Repuestos de almacén
Formación necesaria y modificación/actualización de los procedimientos operativos

Los beneficios anualizados pueden incluir lo siguiente:

Reducción de los costes de reparación
Reducción de las pérdidas de producción
Aumento del rendimiento del proceso
Ahorro de energía

Tengamos en cuenta que los beneficios anualizados son términos relativos. Para definir un beneficio económico es necesario tener un caso base y un caso futuro, de esta manera, se puede comparar y llegar a una conclusión. En la siguiente tabla, podemos ver algunos rangos de períodos de amortización de proyectos de mejora junto con la probabilidad de que estos sean aprobados por la dirección:

Tabla 1. Probabilidad de aprobación de los proyectos basado en los períodos de amortización

Rango de período de amortización	Comentario
Menos de 1 año	Seguramente será aprobado
Entre 1 y 2 años	Muy probablemente sea aprobado
Entre 2 y 5 años	Proyecto muy difícil de vender
Más de 5 años	No será aprobado

Sustitución de bombas centrífugas

Verificación de funcionamiento óptimo de una bomba centrífuga

Verificación de fiabilidad de una bomba centrífuga. Imagen de trainingsdm

La forma más costosa de elevar la fiabilidad de una bomba centrífuga siempre será su completo reemplazo por otra bomba más adecuada para la planta. Lo más económico siempre será que el personal a cargo se incline por buscar mejoras en los cierres mecánicos de la bomba, la metalurgia, las actualizaciones de los cojinetes o las modificaciones de los procedimientos de funcionamiento en sus intentos de elevar la fiabilidad. Sin embargo, no siempre es posible y si se concluye que la bomba o las bombas existentes se encuentran mal aplicadas, se tendrá que reemplazar por una o más bombas que ofrezcan el rendimiento deseado.

Cuando se considera la sustitución de la bomba centrífuga, el personal debe encontrar primeramente la bomba que se ajuste a los requisitos hidráulicos actuales. Si se consideran varios diseños de bombas, se elegirá el diseño que requiera menos modificaciones en las tuberías. Si la bomba seleccionada no cabe en la cimentación existente, el coste del redimensionamiento de la cimentación debe incluirse en el coste total del proyecto. Además, existen otros costes adicionales que deben incluirse en el coste total del proyecto, como por ejemplo:

Sustitución de repuestos del almacén.
Formación del personal de mantenimiento y operaciones.
Modificaciones de control necesarias.
Otras modificaciones relacionadas.

Como ejemplo, consideremos que tenemos dos bombas de 150 hp que están sobredimensionadas y funcionan al 25% del caudal de la BEP. El historial de reparaciones muestra que las bombas se han reparado, de media, una vez al año con un coste de 20.000 dólares por reparación durante los últimos cinco años. Una revisión de la curva de la bomba muestra que el rendimiento hidráulico actual es de aproximadamente el 27%. La opción más atractiva de sustitución de la bomba que se está considerando puede proporcionar una eficiencia del 67%. El ahorro energético de la bomba más eficiente se ha calculado en 46.990 $/año (basado en un coste energético de 0,097 $/hp-h).

Supondremos que un par de bombas nuevas y más fiables tendrán, por término medio, un tiempo medio entre fallos (MTBF) de 10 años, lo que equivale a un ahorro de costes de mantenimiento de 20.000 $ - 20.000 $/10 o 18.000 $/año. Estos resultados significan que el proyecto alcanzará un flujo total de ingresos anuales de 46.990 $/año más 18.000 $/año (o 64.990 $/año). (Obsérvese que este total no incluye las pérdidas del proceso ni los costes adicionales de mano de obra operativa).

Tras investigar las opciones de bombas y tuberías, el grupo del proyecto ha determinado que la sustitución de estas bombas costará 500.000 dólares, lo que incluye el coste de dos bombas nuevas (suponiendo que haya una principal y una de repuesto instalada), todos los costes de diseño, las piezas de repuesto recomendadas y todas las modificaciones de campo y los costes de instalación.

A continuación, la dirección comparará estas proyecciones económicas con las de otros proyectos competidores que se estén considerando en ese momento. Como los presupuestos de capital son limitados, sólo se financiarán los proyectos más atractivos. Los posibles resultados, son que el proyecto se financie en su totalidad, se aplace hasta la siguiente revisión del presupuesto de capital o se cancele. Los profesionales de la fiabilidad deben ser conscientes de que muchos proyectos de mejora de la fiabilidad nunca llegan a ver la luz por razones ajenas a su voluntad.

A fin de cuentas, hay que recordar que sólo los proyectos de mejora de la fiabilidad bien concebidos se aprueban por completo y acaban realizándose. Para tener una oportunidad realista de ser aprobados, los proyectos de fiabilidad deben contar con excelentes cifras económicas y con patrocinadores clave que apoyen el proyecto en todo momento. Los patrocinadores pueden ser directores de fiabilidad, superintendentes de operaciones, directores de planta y ejecutivos.

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