What Causes Piston Gear Pump Shaft Breakage?

        Después de que un fabricante de techos utilizara grandes bombas de engranajes internos para suministrar fundente bituminoso durante años, varias bombas experimentaron varias fallas en el eje. Estas fallas en el eje eran poco frecuentes en el pasado y se le han informado al proveedor de la bomba. Estas bombas normalmente funcionan a 100 galones por minuto (gpm) con presiones de descarga inferiores a 100 libras por pulgada cuadrada (psi). El sistema utiliza un circuito de calentamiento de aceite térmico para mantener el fundente bituminoso a una temperatura alta patentada para reducir la viscosidad del producto a un nivel suficiente para garantizar un flujo uniforme y reducir la acumulación de fundente bituminoso sólido en las paredes.
       Las bombas están impulsadas por un motor de 30 caballos de fuerza (hp), 1750 revoluciones por minuto (rpm) y una caja de engranajes que reduce la velocidad de la bomba a 100 rpm a un flujo de producto de 100 gpm.
       Estas bombas se utilizan para transferir el fundente bituminoso desde los tanques de almacenamiento en la planta de destilación hasta la aplicación final del fundente bituminoso en la línea de producción.
        En este sitio se han utilizado las mismas bombas durante más de 20 años. Por lo general, estas bombas tienen una vida útil mucho más larga en tales condiciones y nunca se había visto una falla de este tipo en el pasado. Cabe destacar que la empresa utilizó dos versiones de la misma bomba de tamaño para dos aplicaciones diferentes. Una se considera una bomba blanda para la aplicación de fundente de asfalto y la otra se considera una bomba de llenado duro para el llenado de asfalto. Las bombas rígidas tienen rotores y ejes de acero endurecido para reducir el desgaste de los abrasivos en el asfalto relleno.
        Cuando el proveedor de la bomba se percató del problema del eje roto, la cantidad de bombas averiadas fue de 6 en aproximadamente 12 meses. Hay 18 bombas en total en esta aplicación. En los últimos años, la cantidad promedio de bombas averiadas durante el mismo período fue de una. Algunas bombas tenían un eje roto y la conexión eje/rotor se había cortado, mientras que en otras el eje giraba dentro del rotor y el tornillo de fijación que se suponía que debía mantener intactos el rotor y el eje estaba cortado.
        El eje de corte se encuentra en una bomba rígida y el eje que gira dentro del rotor se encuentra en una bomba blanda. Se analizó la falla y se identificaron y resolvieron los siguientes resultados según lo indicado.
        Los proveedores y fabricantes de bombas analizan cuidadosamente las bombas con ejes rotos o giratorios. El eje y el tornillo de fijación se sometieron a controles dimensionales y análisis metalúrgicos. Ambos cumplen con los requisitos del fabricante. Después de quemar la bomba para eliminar la brea endurecida residual, el desgaste anormal en la bomba indicó que la presión de descarga excesiva desvió el eje y provocó que el rotor chocara contra la carcasa de la bomba en el lado de succión (consulte las figuras 2 y 3).
        Hay signos de desgaste en el lado de succión de la carcasa, donde el rotor se presiona contra la pared de la carcasa. El lado de succión de la placa del cabezal también muestra signos de desgaste y el rotor se está flexionando hacia el cabezal. Otros signos de desgaste en los bujes, poleas guía y medialunas también indican sobrepresión y posterior flexión y deflexión del eje. Cuando el rotor presiona contra el cuerpo y el cabezal, un torque excesivo puede hacer que el eje dentro del rotor se rompa o gire, cortando el tornillo de fijación.
        Según el fabricante, “la sobrepresión posterior provocó la deformación del eje, lo que a su vez provocó el desgaste del cuerpo, del cabezal y, en última instancia, la falla del conjunto rotor/eje”. Como resultado del análisis, el fabricante realizó cambios en el diseño de las bombas y realizó un análisis de los procedimientos para el funcionamiento de los procesos en la instalación.
        El fabricante de la bomba afirma que la presión máxima de suministro es de 150 psi, debido en parte al tamaño del eje y a la relación longitud/diámetro (L/D) del eje. Cualquier presión superior a 150 psi puede hacer que el eje se doble y se desvíe, como se ve en el objeto que se rompe.
        Los procedimientos operativos estándar de la unidad compensan una presión de descarga máxima permitida de 150 psi, y se ha tenido cuidado de mantener la temperatura y la viscosidad del fundente bituminoso de modo que la presión de descarga no supere este límite. De hecho, cuando el equipo de mantenimiento de la instalación recopiló información sobre el proceso más tarde, la presión rara vez superó los 100 psi.
        Sin embargo, también se debe considerar si las medidas de ahorro de energía pueden hacer que la presión de descarga exceda la presión de descarga máxima permitida de la bomba. Durante las paradas de la planta, como los fines de semana, la temperatura del fundente bituminoso mantenido por el circuito de calentamiento de aceite térmico se reduce para ahorrar energía. Después de la investigación, se determinó que el tiempo de arranque necesario para llevar el betún a una temperatura y viscosidad aceptables no se podía aumentar para compensar la parada más fría del fin de semana. Por lo tanto, después de una parada de fin de semana, el asfalto puede estar demasiado frío y demasiado viscoso al arranque, con la presión de descarga de la bomba por encima del límite de 150 psi. No hubo registros de temperatura y presión durante estos arranques o fallas de la bomba, por lo que se realizó esta suposición.
        Teniendo en cuenta estos factores, el fabricante tomó medidas para solucionar el problema de la deflexión del eje de la bomba, mientras que el equipo de mantenimiento de las instalaciones se centró en solucionar el problema de los procedimientos operativos estándar. Cada grupo toma medidas para eliminar más fallas del eje.
        El fabricante de la bomba ha modificado el diseño de la misma para incluir un eje más grande. El diámetro del eje ha aumentado un 40 %.
        Este eje más grueso ayuda a reducir la deflexión del eje en un 66 %, lo que reduce el desgaste prematuro y la posibilidad de falla del conjunto rotor/eje. Los ejes más grandes aumentan la relación de deflexión del eje L/D y aumentan la presión de descarga máxima permitida a 200 psi.
        Este cambio de diseño se convirtió posteriormente en el estándar para bombas de este tamaño en todos los productos futuros del fabricante. El diámetro del eje en el lado de accionamiento de la bomba no ha cambiado, por lo que los equipos de transmisión de potencia existentes, como poleas y acoplamientos, siguen siendo aplicables a la bomba.
        Los proveedores de bombas colocan equipos de monitoreo de procesos en las bombas de flujo de betún para medir la temperatura del circuito de proceso, la presión de descarga y la corriente del motor. El equipo de mantenimiento del sitio registró electrónicamente cada dos segundos y realizó un monitoreo visual tres veces al día durante tres meses.
        El equipo de mantenimiento de las instalaciones revisó los procedimientos operativos estándar relacionados específicamente con los procedimientos de apagado y arranque del circuito de temperatura de fundente de betún. Inicialmente, los cambios se realizaron para evitar una situación de arranque en frío.
       Al analizar los patrones de desgaste de la bomba para determinar si la bomba estaba sobrepresurizada, el equipo pudo centrarse en el motivo de la alta presión y en los pasos que se pueden tomar para evitar futuras fallas del eje y tiempos de inactividad innecesarios.
        El equipo de gestión de la planta estudió cuidadosamente la temperatura y la viscosidad del producto en condiciones de funcionamiento, durante el tiempo de inactividad y durante el arranque. Determinaron que se podían ajustar los cambios en los procedimientos operativos para evitar condiciones de arranque en frío que podrían aumentar la viscosidad del fundente bituminoso y causar picos de presión elevados. Los fabricantes de bombas coinciden en que se pueden utilizar ejes más grandes en bombas de este tamaño y que se puede lograr una menor deflexión del eje y presiones más altas. El diseño es ahora una oferta estándar para el fabricante.
       Al analizar la causa raíz de la falla, un equipo de mantenedores de instalaciones, fabricantes de bombas y proveedores de bombas trabajaron para reducir las fallas de las bombas debido a fracturas del eje.