Las máquinas rotativas, como turbinas, bombas y compresores, están sometidas continuamente a grandes fuerzas mecánicas. Como la mayoría de estas máquinas son críticas para el proceso, se implementan sistemas con funciones de protección y/o supervisión para evitar fallos. En este artículo destacamos algunos fallos comunes relacionados con la velocidad que pueden producirse en la maquinaria rotativa.
Protección de la velocidad
1. Sobrevelocidad
La construcción de las máquinas rotativas está diseñada para soportar una determinada velocidad de rotación, conocida como velocidad de construcción. Cuando se produce un exceso de velocidad, el eje de la máquina gira más rápido de lo que la construcción de la máquina es capaz de soportar. Las fuerzas aumentan exponencialmente con la velocidad de rotación, lo que puede provocar el desprendimiento de piezas. Esto podría tener un impacto catastrófico tanto en el proceso como en el personal y el medio ambiente. Por ello, los análisis de riesgos muestran que, en la mayoría de los casos, es obligatorio disponer de un sistema de protección contra el exceso de velocidad. A través de las mediciones de velocidad se puede medir la velocidad de rotación (RPM). Un sistema de protección contra el exceso de velocidad garantiza que la velocidad de rotación se mantenga dentro de ciertos límites para evitar daños en la máquina. Si se superan los valores límite predefinidos, la máquina se desconecta inmediatamente (figura 1). Estas desconexiones de la máquina deben producirse en un plazo muy breve. Según las directrices actuales sobre máquinas (API 670), los sistemas de protección contra el exceso de velocidad deben tener un tiempo de respuesta no superior a 40 ms.
El exceso de velocidad es el mayor temor de cualquier operador de maquinaria rotativa. No reaccionar a tiempo o el mal funcionamiento de un sistema de protección contra el exceso de velocidad puede hacer que las palas de la turbina o las piezas del rotor se desprendan. En el peor de los casos, estas piezas atraviesan la carcasa de la turbina, comprometiendo la seguridad del personal y causando daños importantes al equipo accionado por la turbina.
2. Aceleración
Una aceleración demasiado rápida de una máquina rotativa puede hacer que ésta entre en sobrevelocidad a pesar del sistema de protección contra sobrevelocidad presente, provocando una situación peligrosa. Dependiendo de la velocidad de aceleración, la parada del conductor de una máquina no provocará inmediatamente una disminución de la velocidad de rotación. Debido a fuerzas mayores, la velocidad puede incluso aumentar poco después de que se haya detenido el conductor. Cuando un sistema de protección contra el exceso de velocidad se dispara al alcanzar el valor límite del 110% de la velocidad de rotación máxima tolerable, un cierto grado de aceleración todavía puede hacer que la velocidad acumulada supere el 110% permitido (Figura 2). De este modo, la máquina sigue alcanzando una velocidad de rotación crítica, con los consiguientes daños.
Durante el arranque de una máquina rotativa, en función de la energía disponible, debe protegerse contra la aceleración. A diferencia de la protección contra el exceso de velocidad, la protección contra la aceleración no sólo se fija en las RPM, sino en el aumento de las RPM dentro de un intervalo de tiempo predeterminado. Cuando los sensores de velocidad detectan un aumento excesivo de la aceleración, el sistema de protección desconecta la turbina.
Cuando la máquina no está protegida contra la aceleración, sigue entrando en sobrevelocidad. Un sistema de protección contra el exceso de velocidad no es capaz de detener la máquina a tiempo durante un aumento excesivo de la aceleración.
Control de velocidad
3. Rotación inversa
Puede ocurrir que la presión del proceso haga que un compresor gire en la dirección equivocada mientras la turbina que acciona este compresor no está funcionando. Esto se conoce como rotación inversa. Esta presión puede producirse porque la válvula de aspiración no cierra correctamente, provocando una fuga. Cuando la turbina se pone en marcha durante este estado del compresor, se producen daños. La presión que se acumula como resultado de la rotación inversa y la presión de la turbina se contrarrestarán mutuamente, lo que puede, por ejemplo, causar daños en el acoplamiento. Esto suele ocasionar daños económicos, pero no supone un peligro directo para el personal y el medio ambiente.
4. Parada / Fluencia
Es importante que la turbina esté realmente parada antes de iniciar los trabajos de mantenimiento. Después de todo, la enorme masa de una turbina puede provocar situaciones peligrosas si se inician los trabajos de mantenimiento mientras la turbina sigue girando lentamente. Para controlar esto, las mediciones de velocidad deben realizarse durante un periodo más largo que las mediciones de velocidad normales, ya que la turbina funciona a una velocidad muy baja durante su proceso de parada.
5. Subvelocidad
La baja velocidad es lo contrario de la sobrevelocidad, pero es un fallo menos crítico. Para mantener un proceso en marcha, una instalación debe mantener un mínimo de RPM. El proceso ya no puede funcionar con un régimen inferior. Aunque el bajo régimen es muy indeseable debido a la interrupción del proceso de producción, no tiene el mismo impacto catastrófico que el exceso de régimen. Los valores límite pueden ajustarse de forma que se active una alarma cuando se alcancen las RPM mínimas para mantener el proceso en marcha. De este modo, el operario puede evitar que se produzcan subvelocidades. Las mediciones de subvelocidad también pueden utilizarse para indicar, por ejemplo, que puede encenderse un motor de marcha lenta.
Ferretería Istec
El SpeedSys 200 es un sistema de protección contra sobrevelocidad con certificación SIL2. Su diseño robusto con autocontrol avanzado, entradas y salidas con separación galvánica y certificación por diseño lo convierten en un producto de gama alta que destaca en el mercado. Al centrarse en las funciones de seguridad básicas, el sistema es fácil de usar y mantener, con intervalos de prueba muy largos.
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Para probar y verificar los sistemas de protección contra el exceso de velocidad, Istec ha desarrollado el generador de frecuencia IST-101. Esta herramienta simula señales de velocidad, lo que permite probar completamente la función de disparo de un sistema de protección sin crear una situación real de exceso de velocidad.
