¿Qué es el arco térmico? Flexión de ejes inducida por temperatura • Balanceador portátil, analizador de vibraciones "Balanset" para el balanceo dinámico de trituradoras, ventiladores, trituradoras, sinfines en cosechadoras, ejes, centrífugas, turbinas y muchos otros rotores. ¿Qué es el arco térmico? Flexión de ejes inducida por temperatura • Balanceador portátil, analizador de vibraciones "Balanset" para el balanceo dinámico de trituradoras, ventiladores, trituradoras, sinfines en cosechadoras, ejes, centrífugas, turbinas y muchos otros rotores.

¿Qué es el arco térmico? Flexión del eje inducida por la temperatura

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Comprensión del arco térmico en maquinaria rotatoria

Definición: ¿Qué es el arco térmico?

Arco térmico (también llamada arco caliente, flexión térmica o arco del eje inducido por temperatura) es una curvatura temporal que se desarrolla en un rotor Eje debido a la distribución desigual de la temperatura alrededor de su circunferencia. Cuando un lado del eje está más caliente que el opuesto, la expansión térmica alarga el lado caliente, forzando al eje a curvarse, con el lado caliente en el lado convexo (exterior) de la curva.

A diferencia de lo permanente arco de flecha Debido a daños mecánicos, la curvatura térmica es reversible: desaparece cuando el eje recupera la temperatura uniforme. Sin embargo, la curvatura térmica crea un daño significativo. vibración durante los períodos de calentamiento y enfriamiento y puede causar daños permanentes si es severo o se repite con frecuencia.

Mecanismo físico

Diferencial de expansión térmica

La física detrás del arco térmico es sencilla:

  • El metal se expande cuando se calienta (el coeficiente de expansión térmica suele ser de 10 a 15 µm/m/°C para el acero).
  • Si la temperatura es uniforme alrededor de la circunferencia, la expansión es simétrica (el eje se alarga pero permanece recto).
  • Si un lado está más caliente, ese lado se expande más que el lado frío.
  • La expansión diferencial provoca curvatura
  • Magnitud del arco proporcional a la diferencia de temperatura y la longitud del eje

Diferencias típicas de temperatura

  • Una diferencia de temperatura de 10-20 °C a lo largo del diámetro puede crear un arco medible.
  • En turbinas grandes, una diferencia de 30-50 °C puede producir vibraciones severas.
  • El efecto se acumula a lo largo del eje: los ejes más largos son más susceptibles.

Causas comunes del arco térmico

1. Condiciones de inicio (más comunes)

  • Calentamiento asimétrico: El vapor, gas o fluido de proceso caliente entra en contacto con la parte superior del eje mientras que la parte inferior permanece más fría.
  • Calefacción radiante: Calor de las carcasas o tuberías calientes que calientan la parte superior del eje
  • Fricción del cojinete: Un rodamiento que funciona más caliente que otros calienta la sección local del eje
  • Inicio rápido: Un tiempo de calentamiento insuficiente permite que se desarrollen gradientes térmicos

2. Condiciones de apagado (caída térmica)

  • Apagado en caliente: El eje deja de girar mientras aún está caliente
  • Sag gravitacional: El calor sube, lo que hace que la parte superior del eje horizontal se enfríe más rápido que la parte inferior.
  • Arco de hundimiento térmico: La parte inferior se mantiene caliente por más tiempo, el eje se arquea hacia abajo
  • Periodo crítico: Primeras horas después del apagado

3. Causas operacionales

  • Rozamiento rotor-estator: La fricción por contacto genera un intenso calentamiento local.
  • Enfriamiento desigual: Flujo de aire de enfriamiento asimétrico o rociado de agua
  • Calefacción solar: Equipo para exteriores con exposición solar en un lado
  • Alteraciones del proceso: Cambios repentinos de temperatura en el fluido de trabajo

Síntomas y detección

Características de vibración

El arco térmico produce patrones de vibración distintivos:

  • Frecuencia: 1× velocidad de carrera (vibración sincrónica)
  • Momento: Alto durante el calentamiento, disminuye a medida que se alcanza el equilibrio térmico.
  • Cambios de fase: ángulo de fase Puede cambiar a medida que el arco se desarrolla y se resuelve.
  • Vibración de rodamiento lento: Alta vibración incluso a velocidades muy bajas (a diferencia de desequilibrar)
  • Apariencia: Similar al desequilibrio pero dependiente de la temperatura.

Cómo distinguir entre un arco térmico y un desequilibrio

Característica Desequilibrar Arco térmico
Frecuencia 1× velocidad de carrera 1× velocidad de carrera
Sensibilidad a la temperatura Relativamente estable Alto durante el calentamiento/enfriamiento
Rodaje lento (50-200 RPM) Amplitud muy baja Alta amplitud
Fase vs. Temperatura Constante Cambios a medida que se desarrolla el arco
Persistencia Constante en todo momento Temporal, se resuelve en equilibrio térmico.
Respuesta al equilibrio Vibración reducida Mejora mínima o nula

Pruebas de diagnóstico

1. Prueba de vibración de rodadura lenta

  • Gire el eje a 5-10% de velocidad de operación
  • Medir la vibración y sin
  • La vibración alta de balanceo lento indica una curvatura térmica o mecánica, no desequilibrio.

2. Monitoreo de temperatura

  • Monitorear las temperaturas del eje o del cojinete durante el arranque
  • Mida la temperatura en varios lugares alrededor de la circunferencia del rodamiento
  • Correlacionar los cambios de vibración con los gradientes de temperatura

3. Tendencia de vibración de startups

  • Graficar la amplitud de vibración en función del tiempo durante el calentamiento
  • Arco térmico: alto inicialmente, disminuye a medida que se acerca el equilibrio
  • Desequilibrio: aumenta con la velocidad, independientemente de la temperatura.

Estrategias de prevención

Procedimientos operativos

1. Procedimientos adecuados de calentamiento

  • Aumento gradual de la temperatura: Deje que el eje se caliente uniformemente
  • Tiempo de calentamiento extendido: Las turbinas grandes pueden requerir de 2 a 4 horas
  • Monitoreo de temperatura: Temperaturas de los cojinetes y de la carcasa de la oruga
  • Monitoreo de vibraciones: Monitorear durante el calentamiento, retrasar el aumento de velocidad si la vibración es alta

2. Operación del engranaje giratorio

  • Para turbinas grandes, opere el mecanismo de giro (rotación lenta, ~3-10 RPM) durante el calentamiento y el enfriamiento.
  • La rotación continua evita la curvatura térmica al distribuir el calor de manera uniforme
  • Estándar industrial para turbinas de vapor > 50 MW
  • Puede operar el mecanismo de giro durante 8 a 24 horas durante el enfriamiento.

3. Procedimientos de apagado

  • Enfriamiento gradual: Reducir la carga y la temperatura lentamente antes de apagar
  • Engranaje de giro extendido: Mantenga el rotor girando mientras se enfría
  • Evite los apagados en caliente: Las paradas de emergencia dejan el eje caliente y propenso a combarse.

Medidas de diseño

  • Aislamiento térmico: Aislar las carcasas para mantener una temperatura uniforme
  • Chaquetas calefactoras: Calentadores externos para un precalentamiento uniforme
  • Drenaje: Evitar la acumulación de condensado caliente en el fondo del eje
  • Ventilación: Asegúrese de que el flujo de aire de refrigeración sea simétrico

Consecuencias del arco térmico

Efectos inmediatos

  • Alta vibración: Puede alcanzar de 5 a 10 veces los niveles normales durante el calentamiento.
  • Carga del cojinete: El arco asimétrico aumenta las cargas portantes
  • Frotaciones de focas: La deflexión del eje puede provocar contacto con sellos o piezas estacionarias.
  • Retrasos en el inicio: Debe esperar a que la vibración disminuya antes de aumentar la velocidad.

Daños a largo plazo

  • Desgaste del cojinete: La vibración alta repetida acelera el deterioro del rodamiento
  • Daño del sello: Los roces repetidos destruyen los componentes del sello
  • Fatiga: Las tensiones de flexión cíclicas durante cada arranque contribuyen a la fatiga.
  • Conjunto permanente: Una deformación térmica severa o repetida puede causar una deformación plástica permanente.

Corrección y mitigación

Para arco térmico activo

  • Permitir tiempo: Espere el equilibrio térmico antes de aumentar la velocidad.
  • Rollo lento: Gire lentamente para distribuir el calor si es posible.
  • No intente equilibrar: El equilibrio no puede corregir el arco térmico y será ineficaz.
  • Dirección de la fuente de calor: Identificar y eliminar el calentamiento asimétrico

Para arco de hundimiento térmico (después del apagado)

  • Engranaje de giro: Mantenga el rotor girando lentamente durante el enfriamiento
  • Tiempo de rodaje extendido: Puede necesitar entre 12 y 24 horas de funcionamiento del mecanismo de giro.
  • Monitoreo de temperatura: Continuar hasta que la temperatura del eje sea uniforme
  • Reinicio retrasado: Si se ha desarrollado un arco, espere a que se enderece de forma natural antes de reiniciar.

Consideraciones específicas de la industria

Turbinas de vapor

  • Más susceptible al arco térmico debido a las altas temperaturas y rotores masivos.
  • Elaborar procedimientos de calentamiento y enfriamiento es una práctica estándar
  • Mecanismo de giro obligatorio para unidades > 50 MW
  • Puede requerir de 2 a 4 horas de calentamiento y de 12 a 24 horas de enfriamiento con el equipo de giro.

Turbinas de gas

  • Respuesta térmica más rápida debido a una masa menor
  • El arco térmico durante el arranque es menos común, pero aún posible
  • El calentamiento del lado de la combustión puede crear asimetrías
  • Ciclos de calentamiento típicamente más rápidos que las turbinas de vapor

Grandes motores y generadores eléctricos

  • Arco térmico por calor del devanado del rotor o fricción del cojinete
  • Instalaciones exteriores sujetas a calentamiento solar
  • Puede requerir torneado o calentamiento previo al arranque.

Monitoreo y alarmas

Parámetros clave de monitoreo

  • Vibración de rodamiento lento: Medir a baja velocidad antes del arranque normal
  • Diferencial de temperatura del rodamiento: Comparar las temperaturas en la parte superior e inferior
  • Vibración vs. Temperatura: Graficar la amplitud de vibración en función de la temperatura del cojinete
  • Ángulo de fase: Cambios de fase de seguimiento que indican el desarrollo del arco

Criterios de alarma

  • Vibración de rodillo lento > 2× línea de base activa la alarma
  • Un diferencial de temperatura > 15-20 °C indica desequilibrio térmico
  • Los cambios de fase rápidos (> 30° en 10 minutos) sugieren el desarrollo de un arco
  • La vibración aumenta durante el calentamiento en lugar de disminuir.

Estrategias avanzadas para startups

Aceleración controlada

  1. Rollo lento inicial: Verificar vibración aceptable a 100-200 RPM
  2. Aceleración por etapas: Aumente a velocidades intermedias (por ejemplo, 30%, 50%, 70% de lo normal) con retenciones
  3. Períodos de remojo térmico: Mantener una velocidad constante durante 15-30 minutos en cada etapa.
  4. Verificación de vibración: En cada etapa, confirme que la vibración disminuye antes de continuar.
  5. Monitoreo de temperatura: Asegúrese de que los gradientes térmicos se reduzcan durante todo el proceso.

Sistemas de arranque automatizados

Los sistemas de control modernos pueden automatizar la gestión del arco térmico:

  • Secuencias de calentamiento programables
  • Períodos de retención automáticos si se exceden los límites de vibración o temperatura
  • Cálculo en tiempo real de la magnitud del arco térmico a partir de la vibración y la temperatura
  • Perfiles de velocidad adaptativos basados en condiciones medidas

Relación con otros fenómenos

Arco térmico vs. arco permanente

  • Arco térmico: Temporal, desaparece en el equilibrio térmico.
  • Arco permanente: Deformación plástica, se mantiene incluso en frío.
  • Riesgo: Un arco térmico severo y repetido puede eventualmente causar una deformación permanente.

Arco térmico y equilibrio

  • Intentando balance Durante el arco térmico es inútil
  • Los pesos de corrección calculados para la condición de arco térmico serán incorrectos una vez alcanzado el equilibrio.
  • Permita siempre la estabilización térmica antes de equilibrar.
  • El arco térmico puede enmascarar una verdadera condición de desequilibrio

Mejores prácticas de prevención

Para nuevas instalaciones

  • Diseñar sistemas de calefacción y refrigeración simétricos
  • Instalar mecanismo de giro para equipos de más de 100 kW o con una longitud de eje de más de 2 metros
  • Proporcionar un drenaje adecuado para evitar la acumulación de líquido caliente.
  • Aislar para minimizar la transferencia de calor radiante

Para equipos existentes

  • Desarrollar y seguir estrictamente procedimientos de calentamiento escritos
  • Capacitar a los operadores sobre los riesgos y síntomas del arco térmico
  • Instalar monitoreo de temperatura en múltiples ubicaciones
  • Utilice la tendencia de vibración durante los arranques para identificar problemas térmicos
  • Documentar datos históricos para optimizar los procedimientos

Prácticas de mantenimiento

  • Verificar el funcionamiento del mecanismo de giro antes de cada parada
  • Compruebe la calibración de los sensores de temperatura de los cojinetes
  • Inspeccione los sistemas de drenaje para detectar bloqueos.
  • Verificar la integridad del aislamiento
  • Compruebe y elimine cualquier fuente de calentamiento asimétrico

El arco térmico, aunque temporal y reversible, representa un desafío operativo importante para la maquinaria rotativa de gran tamaño. Comprender sus causas, reconocer sus síntomas e implementar procedimientos adecuados de calentamiento y enfriamiento son esenciales para el funcionamiento confiable de turbinas de vapor, turbinas de gas y otros equipos rotativos de alta temperatura.

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