Bomba centrífuga: cavitación y desalineación en la señal de vibración
Cómo separar en el espectro la cavitación (ruido de banda ancha), la desalineación (2x y axial), el desbalance (1x) y la holgura (armónicos), y dónde medir en un conjunto motor-bomba acoplado.
La bomba centrífuga con motor acoplado es el conjunto más común de la industria y uno de los que más confunden en el análisis de vibraciones, porque los problemas del motor, del acople, de la bomba y del propio líquido se mezclan en la misma señal. Este artículo separa las firmas: qué hace la cavitación en el espectro, cómo distinguir la desalineación del desbalance, dónde aparece la holgura y dónde medir en un conjunto motor-bomba para que el dato sirva.
Está pensado para el técnico que va a instalar sensores en bombas y para el gerente que quiere entender por qué la bomba "suena como si bombeara piedras" y cuánto cuesta eso.
Dónde medir en un conjunto motor-bomba
Un conjunto horizontal tiene cuatro cojinetes: motor lado opuesto al acople, motor lado acople, bomba lado acople y bomba lado opuesto (o el cojinete de empuje, si lo hay). La ISO 20816-3 pide medir en el alojamiento del cojinete, en dos direcciones radiales (vertical y horizontal) y en la axial cuando hay cojinete de empuje o sospecha de desalineación. Un sensor triaxial en cada cojinete lo cubre todo; el mínimo aceptable son los dos cojinetes junto al acople, uno de cada lado, porque es allí donde la desalineación y los problemas de acople aparecen primero.
Dos observaciones de norma:
- La bomba con el impulsor montado en el eje del motor (monoblock) no se evalúa con la ISO 20816-3, sino con la ISO 10816-7, específica para bombas rotodinámicas.
- La bomba vertical suele tener soporte flexible, y la norma indica usar el punto de mayor lectura como uno de los puntos de evaluación.
Anote junto con cada medición el caudal y la presión de operación. Una bomba fuera de su punto de diseño vibra más, y la comparación entre lecturas solo vale en condiciones parecidas.
Desbalance: 1x, radial
Un impulsor con incrustaciones, erosión desigual o un álabe roto genera una fuerza que gira con el eje. En el espectro es un pico dominante a 1x la velocidad de giro, en dirección radial, con poca vibración axial. La fuerza crece con el cuadrado de la velocidad, y la amplitud es parecida en la horizontal y en la vertical, ajustada por la rigidez del soporte en cada dirección. Un impulsor que perdió material (erosión) o que lo ganó (incrustación) aparece aquí, y exige abrir la bomba.
Desalineación: 2x, y axial
La desalineación entre motor y bomba es la causa más frecuente de vibración en un conjunto acoplado, y la más barata de corregir. La firma:
- Paralela (offset): pico alto a 2x la velocidad de giro en dirección radial, muchas veces mayor que el 1x, con 3x presente. Las mediciones radiales a ambos lados del acople quedan en oposición de fase (180°).
- Angular: vibración axial fuerte, con 1x dominante y 2x y 3x presentes. Una axial alta, comparable o mayor que la radial, es la señal más segura.
En la práctica las dos vienen juntas. La regla práctica: 2x radial alto y axial alta, a ambos lados del acople, es desalineación hasta que se demuestre lo contrario. Confirme con alineación láser y vuelva a medir: el 2x cae al instante. La desalineación no corregida carga los rodamientos, el sello y el acople, y lo que se paga después son rodamientos y sellos.
Holgura mecánica: armónicos y media velocidad de giro
Base suelta, perno de anclaje flojo, pata coja, holgura excesiva en el cojinete: la holgura hace que la máquina "golpee" en cada vuelta, y el espectro muestra una serie de armónicos de 1x (2x, 3x, 4x, hasta 10x), a veces con componentes a 0,5x y múltiplos de media velocidad de giro. Una amplitud que cambia mucho entre horizontal y vertical en la misma posición también apunta a holgura. La holgura es lo primero que hay que eliminar, porque amplifica todo lo demás.
Frecuencia de paso de álabes
Toda bomba centrífuga tiene un pico en número de álabes × velocidad de giro, la frecuencia de paso de álabes (VPF). Un impulsor de 6 álabes a 1.750 rpm genera una VPF de 175 Hz. Ese pico es normal. Se vuelve un problema cuando la amplitud crece: holgura entre impulsor y voluta fuera de especificación, impulsor excéntrico, operación lejos del punto de mejor eficiencia u obstrucción parcial. Compare con la línea base; el valor absoluto dice poco.
Cavitación: ruido de banda ancha
La cavitación es la formación y el colapso de burbujas de vapor en el impulsor cuando la presión de succión cae por debajo de la presión de vapor del líquido. Cada colapso es un pequeño impacto, miles por segundo, en puntos aleatorios. Por eso la firma no es un pico, sino un aumento del piso de ruido de banda ancha, en frecuencias altas, sin relación con la velocidad de giro. En la literatura de campo, el ruido de cavitación aparece típicamente entre 5 kHz y 11 kHz (300.000 a 650.000 cpm), por encima de la banda donde están los defectos mecánicos. En el tiempo, la forma de onda muestra picos irregulares de alta frecuencia; la bomba "suena como si bombeara piedras".
Lo que la diferencia de los otros defectos: desaparece cuando mejora la condición de succión. Abra la válvula de succión, baje la temperatura del líquido, reduzca el caudal, y el piso de ruido baja. La desalineación y el desbalance no se comportan así.
La cavitación no es un defecto mecánico: es una condición de operación. La corrección está en la succión (NPSH disponible menor que el requerido, filtro tapado, nivel bajo, línea larga), no en el cambio de piezas. Pero destruye el impulsor por erosión y sobrecarga los cojinetes, y por eso el monitoreo la trata como alerta.
El sensor adecuado para una bomba
La banda de la norma (10 Hz a 1 kHz) resuelve desbalance, desalineación, holgura y paso de álabes. La cavitación y el rodamiento en inicio de falla piden respuesta en alta frecuencia y montaje rígido (espárrago o epoxi, no imán sobre pintura). Si la bomba tiene historial de cavitación, elija el sensor por la frecuencia máxima, no por el precio; confirme en la propuesta el rango útil con el montaje elegido.
En nuestra plataforma, el RMS por eje y la temperatura de cada cojinete alimentan la tendencia y la alerta por cambio de nivel (correo electrónico y WhatsApp), y el espectro FFT bajo demanda es donde el ingeniero confirma si el problema es el 2x, el 1x, los armónicos o el piso de ruido.
Qué hacer ahora
- Instale sensores en los dos cojinetes junto al acople, como mínimo; en los cuatro, si la bomba es crítica.
- Registre la línea base con la bomba en su punto de operación normal, anotando caudal y presión.
- Si la tendencia sube: espectro. 2x y axial, alinee. 1x radial, balancee o abra el impulsor. Armónicos, ajuste la base. Piso de ruido alto, revise la succión.
- Vuelva a medir después de cada corrección y guárdelo como nueva línea base.
Si quiere saber qué necesita su planta, hable con uno de nuestros ingenieros.
Fuentes: ISO 20816-3:2022 (apartados 4.2 y 5.3 y alcance) e ISO 10816-7:2009 para bombas rotodinámicas; Mobius Institute, diccionario de análisis de vibraciones (desalineación, desbalance, holgura); CBM Connect, Warning Signs of Pump Cavitation; Power-MI, Misalignment.