Comprensión de la curvatura del eje en maquinaria rotativa

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Definición: ¿Qué es un arco de eje?

Arco de eje (también llamada flexión del eje, arco del rotor o simplemente “arco”) es una condición en la que un rotor El eje ha desarrollado una curvatura permanente o semipermanente, lo que provoca que se desvíe de su eje central recto. A diferencia de las curvaturas temporales. sin Esto podría deberse a un componente suelto o a un montaje excéntrico; la curvatura del eje representa una deformación real del propio material del eje.

El arco de eje produce vibración síntomas que superficialmente se asemejan desequilibrar, pero no se puede corregir mediante métodos convencionales equilibrando procedimientos. Esto hace que un diagnóstico correcto sea fundamental para evitar perder tiempo intentando equilibrar un eje curvado.

Tipos de arco de eje

El arco de flecha se puede clasificar según su causa y duración:

1. Arco mecánico permanente

Se trata de una deformación plástica (permanente) del material del eje causada por:

• Sobrecarga mecánica o impacto
• Levantamiento o manipulación inadecuados durante el mantenimiento
• Bajando el rotor
• Estrés de flexión excesivo durante el funcionamiento
• Defectos de fabricación o tratamiento térmico inadecuado

Una vez que el eje ha cedido (se ha deformado permanentemente), la curvatura permanece incluso cuando el eje está en reposo y se han retirado todas las cargas.

2. Arco térmico (transitorio)

También llamado arco térmico o arco caliente, Se trata de una condición temporal causada por el calentamiento desigual del eje. El lado caliente se expande más que el lado frío, creando una curvatura temporal. Las causas incluyen:

• Fuentes de calor asimétricas (fluido de proceso caliente en un lado, aire de enfriamiento en el otro)
• El calentamiento por fricción del cojinete en un lado del eje
• El roce del rotor genera calentamiento localizado
• Calefacción solar en equipos exteriores
• Procedimientos de calentamiento inadecuados para turbinas grandes

La deformación térmica suele desaparecer cuando el eje se enfría uniformemente o cuando se alcanza el equilibrio térmico. Sin embargo, los ciclos repetidos de deformación térmica pueden provocar, con el tiempo, una deformación permanente.

3. Arco de tensión residual

Las tensiones residuales internas derivadas de la soldadura, el tratamiento térmico o los procesos de fabricación pueden provocar que un eje se curve lentamente con el tiempo, especialmente cuando se somete a temperaturas de funcionamiento o cargas mecánicas que provocan alivio de tensiones.

Causas del arco de flecha

Comprender las causas fundamentales ayuda a prevenir la deformación del eje y a orientar las acciones correctivas:

Causas mecánicas

• Sobrecarga: Funcionamiento con cargas que superan los límites de diseño
• Almacenamiento inadecuado: Almacenar ejes horizontalmente sin el soporte adecuado provoca que se deformen con el tiempo.
• Mal manejo: Elevación por el eje en lugar de por los puntos de elevación designados.
• Accidente o impacto: Daños por caídas, colisiones u objetos extraños
• Ataque de rodamiento: Un cojinete gripado puede provocar que el eje se doble bajo el par motor.

Causas térmicas

• Calefacción desigual: Distribución no uniforme de la temperatura alrededor de la circunferencia del eje
• Cambios rápidos de temperatura: Choque térmico durante el arranque o la parada
• Puntos calientes: Calentamiento localizado debido a fricción, roces o condiciones del proceso
• Calentamiento inadecuado: Arrancar turbinas frías o máquinas grandes demasiado rápido
• Procedimientos de apagado: Permitir que un eje caliente deje de girar antes de enfriarse (deformación térmica)

Causas materiales y de fabricación

• Mala calidad del material: Inclusiones, huecos o inhomogeneidades del material
• Tratamiento térmico inadecuado: Tensiones residuales por temple o revenido
• Distorsión de soldadura: Soldadura asimétrica que crea tensiones residuales
• Esfuerzos de mecanizado: Tensiones inducidas durante la fabricación

Cómo la curvatura del eje provoca vibraciones

Un eje curvado crea vibración mediante dos mecanismos:

1. Desequilibrio geométrico

Cuando un eje arqueado gira, su eje curvo describe una trayectoria cónica u otra trayectoria no circular. Incluso si la distribución de masas del rotor está perfectamente equilibrada, la geometría arqueada crea una masa giratoria excéntrica que genera fuerzas centrífugas, produciendo vibraciones a la frecuencia de rotación del eje (1X).

2. Carga de momento en los cojinetes

La curvatura crea momentos flectores que se transmiten a los cojinetes, provocando fluctuaciones en las cargas y vibraciones en los mismos.

Arco de detección de eje

Distinguir la curvatura del eje del verdadero desequilibrio de masas es crucial para una resolución de problemas eficaz:

Comparación de síntomas: Arqueamiento vs. Desequilibrio

Característica	Desequilibrar	Arco de eje
Frecuencia de vibración	1X velocidad de carrera	1X velocidad de carrera
Relación de fase	Siempre igual, siempre igual	Puede cambiar durante el calentamiento.
Vibración de rodamiento lento	Presente (proporcional a la velocidad²)	Presente y a menudo significativo incluso a velocidades muy bajas.
Respuesta al equilibrio	Vibración reducida mediante un correcto equilibrado	Mejoría mínima o nula; puede empeorar.
Sensibilidad térmica	Relativamente estable con la temperatura	Cambios significativos durante el calentamiento/enfriamiento
Medición de salida	Bajo cuando el rotor está en reposo	Gran alcance incluso en reposo (arco permanente)

Pruebas de diagnóstico

1. Medición de rodamiento lento

Gire el eje muy lentamente (normalmente a 5-10% de velocidad de funcionamiento) y mida. sin con una sonda de proximidad o un comparador. Una alta excentricidad a baja velocidad indica una curvatura del eje o una excentricidad mecánica, no un desequilibrio (que produce una fuerza proporcional al cuadrado de la velocidad).

2. Cambio de fase de apagado

Vibración del monitor ángulo de fase Cuando la máquina se apaga, el desequilibrio real mantiene una fase constante independientemente de la velocidad. Un eje arqueado puede presentar cambios de fase, sobre todo al enfriarse.

3. Prueba de arco térmico

Ante la sospecha de deformación térmica, controle las vibraciones durante el arranque y el calentamiento. La deformación térmica suele manifestarse con un aumento de las vibraciones a medida que la máquina se calienta, para luego estabilizarse o disminuir al alcanzar el equilibrio térmico.

4. Comprobación de salida fuera de la máquina

Retire el rotor, sujételo sobre soportes en V o un torno y gírelo lentamente mientras mide la excentricidad radial con un comparador. Una excentricidad significativa (normalmente > 0,001″ o 25 µm) confirma la presencia de una curvatura permanente.

5. Inspección visual

En el caso de flechas grandes, la observación visual a lo largo de la flecha o el uso de métodos ópticos (alineación láser) pueden revelar una curvatura evidente.

Métodos de corrección

La corrección adecuada depende de la gravedad y el tipo de arqueamiento:

Para arco mecánico permanente

1. Enderezamiento de ejes

Para arco leve a moderado (típicamente Si el diámetro es inferior a 0,005" o 125 µm, el eje puede enderezarse en frío o en caliente mediante prensas hidráulicas. Este proceso requiere equipo especializado y técnicos cualificados. El eje se sujeta y se carga cuidadosamente para deformarlo plásticamente hasta que recupere su forma recta.

2. Alivio de tensiones térmicas

Realice un tratamiento térmico al eje para aliviar las tensiones residuales, lo que puede reducir o eliminar la deformación causada por tensiones. Esto requiere un horno adecuado y un control preciso del proceso.

3. Sustitución del eje

En casos de deformación severa o en aplicaciones críticas, la sustitución suele ser la solución más fiable. El coste de un eje nuevo debe sopesarse frente al tiempo de inactividad y el riesgo de que fracasen los intentos de enderezamiento.

4. “Equilibrándose alrededor del arco”

En algunos casos, sobre todo en turbinas grandes, se pueden calcular e instalar contrapesos para contrarrestar el efecto de la curvatura. Esto no elimina la curvatura, pero minimiza la vibración. Este método tiene limitaciones y suele ser una solución temporal.

Para arco térmico

1. Cambios en el procedimiento operativo

• Implementar procedimientos de calentamiento lentos
• Mantenga el mecanismo de giro en funcionamiento continuo durante la parada para evitar la caída térmica.
• Controle con mayor cuidado la admisión de vapor o las temperaturas del fluido de proceso.
• Garantizar la calefacción/refrigeración simétrica

2. Modificaciones de diseño

• Añadir aislamiento para reducir los gradientes térmicos
• Instalar chaquetas calefactables para un calentamiento uniforme.
• Mejorar el sistema de refrigeración para garantizar una distribución uniforme de la temperatura

3. Operación de giro del engranaje

En el caso de turbinas grandes, haga funcionar el mecanismo de giro (accionamiento rotatorio de baja velocidad) durante el calentamiento y el enfriamiento para hacer girar el eje y evitar que se produzca una deformación térmica.

Estrategias de prevención

Prevenir la curvatura del eje es mucho más fácil que corregirla:

Diseño y fabricación

• Utilice los procedimientos de tratamiento térmico adecuados para minimizar las tensiones residuales.
• Diseñar una rigidez de eje adecuada para la aplicación.
• Especifique los materiales adecuados para el entorno térmico.

Instalación y mantenimiento

• Levante siempre los rotores utilizando los puntos de elevación designados, nunca por el eje.
• Almacena los rotores de repuesto con el soporte adecuado para evitar que se doblen.
• Evite los golpes mecánicos durante la manipulación.
• Compruebe periódicamente la rectitud del eje (anualmente o según el programa del fabricante).

Operación

• Siga los procedimientos de calentamiento y apagado del fabricante.
• Evite los cambios bruscos de temperatura.
• Vigile si hay signos de arco térmico durante los arranques.
• Investigar cualquier cambio inexplicable en la fase de vibración

Impacto en los procedimientos de balance

Intentar equilibrar un eje curvado suele ser inútil y puede resultar contraproducente:

• Correcciones ineficaces: Los contrapesos calculados para compensar el desequilibrio de masas no corregirán la curvatura geométrica.
• Enmascarando el problema: El “equilibrio” parcialmente exitoso de un eje arqueado puede reducir la vibración temporalmente, pero deja sin resolver el problema subyacente.
• Tiempo perdido: Múltiples intentos de equilibrado sin éxito indican la necesidad de comprobar la curvatura.
• Daños potenciales: Agregar contrapesos de gran tamaño a un eje curvado puede aumentar las tensiones y causar daños adicionales.

Mejores prácticas: Siempre verifique la curvatura del eje antes de comenzar los procedimientos de equilibrado, especialmente si el rotor tiene antecedentes de manipulación, eventos térmicos o problemas de vibración inexplicables.

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