Comprensión del arco térmico en maquinaria rotatoria
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 cuando la temperatura no es uniforme en toda su circunferencia. Cuando un lado del eje alcanza una temperatura más alta que el lado opuesto, el lado caliente se expande más, se alarga y hace que el eje adopte una forma arqueada, con el lado caliente en la cara convexa (exterior) de la curva. A diferencia de la deformación permanente arco de flecha que se produce tras un daño mecánico es reversible: desaparece a medida que el eje recupera una temperatura uniforme. Aun así, puede provocar un gran vibración durante el calentamiento y el enfriamiento, y si es grave o se repite sin cesar, puede provocar daños permanentes.
1. Definición: ¿Qué es la curvatura térmica?
Lo mejor es considerar la curvatura térmica como una deformación geométrica transitoria. El eje no se ha deformado y no hay ningún problema en su distribución de masa; simplemente se está curvando, en tiempo real, debido a un gradiente de temperatura a lo largo de su diámetro. Dado que la curvatura es geométrica y gira con el eje, la vibración resultante se sitúa en velocidad de funcionamiento y, en un espectro, se parece casi exactamente a desequilibrar. La diferencia fundamental es que la deformación térmica varía en función de la temperatura, mientras que el desequilibrio es constante. Esa única pista de comportamiento —una vibración que refleja el estado térmico de la máquina en lugar de su velocidad— es el hilo conductor que permite desentrañar todo el diagnóstico.
2. Mecanismo físico
2.1 Diferencial de expansión térmica
La física detrás del arco térmico es sencilla:
- El metal se expande al calentarse (el coeficiente de expansión térmica suele ser de 10-15 µm/m/°C en el caso del acero).
- Si la temperatura es uniforme en toda la circunferencia, la expansión es simétrica: el eje simplemente se alarga, pero se mantiene recto.
- Si un lado está más caliente, ese lado se expande más que el lado frío.
- La expansión diferencial provoca una curvatura.
- La magnitud de la curvatura es proporcional tanto a la diferencia de temperatura como a la longitud del eje.
El mismo coeficiente que rige este gradiente también determina el crecimiento axial y los cambios de ajuste que los ingenieros calculan en otros contextos; la matemática subyacente es idéntica a la de un Calculadora de expansión térmica, aplicada a lo largo del diámetro en lugar de a lo largo de la longitud.
2.2 Diferencias de temperatura habituales
- Una diferencia de temperatura de entre 10 y 20 °C a lo largo del diámetro puede provocar una curvatura apreciable.
- En las turbinas de gran tamaño, una diferencia de temperatura de entre 30 y 50 °C puede provocar vibraciones intensas.
- El efecto se acumula a lo largo del eje, por lo que los ejes más largos son, por naturaleza, más susceptibles.
3. Causas habituales de la deformación térmica
3.1 Condiciones de arranque (las más habituales)
- Calentamiento asimétrico: el vapor caliente, el gas o el fluido de proceso entra en contacto con la parte superior del eje, mientras que la parte inferior se mantiene más fría.
- Calentamiento radiante: El calor de las fundas calientes o de las tuberías calienta la parte superior del eje.
- Fricción de los rodamientos: Un rodamiento que se calienta más que los demás calienta la sección del eje en la que se encuentra.
- Puesta en marcha rápida: Si el tiempo de calentamiento es insuficiente, se producen gradientes térmicos antes de que puedan equilibrarse.
3.2 Condiciones de parada (pandeo térmico)
- Apagado caliente: el eje deja de girar cuando aún está caliente.
- Pandeo gravitacional: El calor asciende, por lo que la parte superior de un eje horizontal se enfría más rápido que la parte inferior.
- Curvatura por pandeo térmico: la parte inferior se mantiene más caliente durante más tiempo, por lo que el eje se curva hacia abajo.
- Período crítico: las primeras horas tras la parada.
3.3 Causas operativas
- Roce entre el rotor y el estator: La fricción por contacto genera un calentamiento local intenso: un mecanismo que se refuerza a sí mismo y que se ha estudiado en el marco de roce del rotor.
- Enfriamiento desigual: flujo de aire de refrigeración asimétrico o pulverización de agua.
- Calefacción solar: equipos exteriores con el sol incidiendo en un lado.
- Trastornos del proceso: cambios bruscos de temperatura en el fluido de trabajo.
El caso del roce merece una atención especial. Un roce leve calienta un punto concreto, lo que hace que el eje se combe, lo que a su vez ejerce una mayor presión sobre ese punto contra la junta, lo que lo calienta aún más: un bucle de retroalimentación descontrolado (a veces denominado «efecto Newkirk») que puede convertir un contacto leve en una vibración intensa en cuestión de minutos.
4. Síntomas y detección
4.1 Características de vibración
La flecha térmica produce un conjunto característico de síntomas:
- Frecuencia: 1× velocidad de rotación — clásico vibración sincrónica.
- Momento: alta durante el calentamiento, y va disminuyendo a medida que se alcanza el equilibrio térmico.
- Cambios de fase: el ángulo de fase cambia a medida que el arco se desarrolla y luego se resuelve.
- Vibración de giro lento: vibraciones intensas incluso a muy baja velocidad, a diferencia de desequilibrar.
- Apariencia: Parece un desequilibrio, pero depende de la temperatura.
4.2 Diferenciar la deformación térmica del desequilibrio
| Característica | Desequilibrar | Arco térmico |
|---|---|---|
| Frecuencia | 1× velocidad de rotación | 1× velocidad de rotación |
| Sensibilidad a la temperatura | Relativamente estable | Alto durante el calentamiento/enfriamiento |
| Rotación lenta (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 balanceo | Vibración reducida | Mejora mínima o nula |
Al representar gráficamente la amplitud y la fase en función del tiempo —o de la temperatura del cojinete—, estas filas de la tabla se convierten en una imagen inequívoca: un vector que oscila a medida que el rotor se calienta y luego se estabiliza es la deformación térmica, mientras que un vector que permanece inmóvil indica un desequilibrio. A diagrama polar capturado durante puesta en marcha ofrece una visión general de esta migración.
4.3 Pruebas diagnósticas
4.3.1 Ensayo de vibración en giro lento
- Gire el eje a una velocidad de entre el 5 % y el 10 % de la velocidad de funcionamiento.
- Medir la vibración y sin.
- Una vibración intensa a baja velocidad indica un arqueamiento térmico o mecánico, y no un desequilibrio, cuya fuerza es insignificante a una velocidad tan baja.
4.3.2 Control de la temperatura
- Controle la temperatura del eje o de los cojinetes durante la puesta en marcha, a ser posible con un dispositivo específico sensor de temperatura en varios puntos.
- Mida la temperatura en varios lugares alrededor de la circunferencia del rodamiento
- Relacione los cambios en la vibración con los gradientes de temperatura medidos.
4.3.3 Evolución de las vibraciones durante el arranque
- Represente gráficamente la amplitud de las vibraciones en función del tiempo durante el calentamiento.
- Arqueamiento térmico: alta al principio, y luego decreciente a medida que se alcanza el equilibrio.
- Desequilibrio: aumenta con la velocidad y es independiente de la temperatura.
5. Estrategias de prevención
5.1 Procedimientos operativos
5.1.1 Procedimientos adecuados de calentamiento
- Aumento gradual de la temperatura: Deje que el eje se caliente de manera uniforme.
- Tiempo de calentamiento prolongado: Las turbinas grandes pueden tardar entre 2 y 4 horas.
- Control de la temperatura: supervisar las temperaturas de los cojinetes y la carcasa.
- Monitorización de vibraciones: Presta atención a las vibraciones durante el calentamiento y pospón cualquier aumento de velocidad si son intensas.
5.1.2 Funcionamiento del mecanismo de giro
- En el caso de las turbinas grandes, ponga en marcha el mecanismo de giro (rotación lenta, entre 3 y 10 rpm) durante el calentamiento y el enfriamiento.
- La rotación continua evita la deformación térmica al distribuir el calor de manera uniforme por toda la circunferencia.
- Es una práctica habitual en el sector para las turbinas de vapor de más de 50 MW.
- El mecanismo de giro puede funcionar entre 8 y 24 horas durante el enfriamiento.
5.1.3 Procedimientos de parada
- Enfriamiento gradual: Reducir la carga y la temperatura lentamente antes de apagar
- Mecanismo de giro prolongado: mantener el rotor en movimiento mientras se enfría.
- Evitar las paradas en caliente: Las paradas de emergencia dejan el eje caliente y propenso a combarse.
5.2 Medidas de diseño
- Aislamiento térmico: aislar las carcasas para mantener una temperatura uniforme.
- Camisas calefactoras: calentadores externos para un precalentamiento uniforme.
- Drenaje: evitar que el condensado caliente se acumule en el fondo del eje.
- Ventilación: Asegurar un flujo simétrico de aire de refrigeración.
6. Consecuencias de la deformación térmica
6.1 Efectos inmediatos
- Alta vibración: puede alcanzar entre 5 y 10 veces los niveles normales durante el calentamiento, y se amplifica drásticamente si el arco obliga al rotor a pasar por un velocidad crítica.
- Carga del rodamiento: La curvatura asimétrica aumenta las cargas sobre los rodamientos.
- El sello roza: La deflexión del eje puede provocar contacto con sellos o piezas estacionarias.
- Retrasos en la puesta en marcha: La tripulación debe esperar a que las vibraciones disminuyan antes de aumentar la velocidad.
6.2 Daños a largo plazo
- Desgaste de los rodamientos: las vibraciones intensas y repetidas aceleran desgaste de los rodamientos.
- Daños en el sello: Los roces repetidos dañan los componentes de la junta.
- Fatiga: la tensión de flexión cíclica de cada puesta en marcha contribuye a fatiga a lo largo de la vida útil del rotor.
- Conjunto permanente: Una deformación térmica grave o repetida puede acabar provocando una deformación plástica permanente; en ese momento, una falla reversible se convierte en permanente. arco de flecha.
7. Corrección y mitigación
7.1 Para el arco térmico activo
- Deja tiempo: Espere el equilibrio térmico antes de aumentar la velocidad.
- Despacio: Girar lentamente para redistribuir el calor en la medida de lo posible.
- No intente realizar el equilibrado: equilibrando no puede corregir la deformación térmica y resultará ineficaz.
- Aborda la fuente de calor: identificar y eliminar el calentamiento asimétrico.
7.2 Para el arco de deformación térmica (tras la parada)
- Engranaje de giro: mantén el rotor girando lentamente durante todo el proceso de enfriamiento.
- Tiempo de rodaje prolongado: Es posible que sea necesario utilizar el mecanismo de giro durante un periodo de entre 12 y 24 horas.
- Control de la temperatura: Continúe hasta que la temperatura del eje sea uniforme.
- Reinicio diferido: Si se ha desarrollado un arco, espere a que se enderece de forma natural antes de reiniciar.
8. Consideraciones específicas del sector
8.1 Turbinas de vapor
- Las máquinas más vulnerables, debido a las altas temperaturas y a los rotores de gran tamaño.
- Los procedimientos detallados de calentamiento y enfriamiento son una práctica habitual.
- El sistema de giro es obligatorio para las unidades de más de 50 MW.
- Es posible que necesiten entre 2 y 4 horas de calentamiento y entre 12 y 24 horas de enfriamiento en el mecanismo de giro.
8.2 Turbinas de gas
- Respuesta térmica más rápida gracias a la menor masa del rotor.
- La deformación térmica al arrancar es menos habitual, pero sigue siendo posible.
- El calentamiento en el lado de la combustión puede provocar asimetrías circunferenciales.
- Los ciclos de calentamiento suelen ser más rápidos que en las turbinas de vapor.
8.3 Motores eléctricos y generadores de gran potencia
- La deformación térmica puede deberse al calor generado por el bobinado del rotor o a la fricción de los cojinetes.
- Las instalaciones al aire libre están expuestas al calor del sol por un lado.
- Es posible que sea necesario realizar un giro o un calentamiento previo al arranque.
9. Supervisión y alarmas
9.1 Parámetros clave de monitorización
- Vibración de giro lento: Realizar la medición a baja velocidad antes del arranque normal.
- Diferencia de temperatura en los cojinetes: comparar las temperaturas de la parte superior y la inferior.
- Vibración frente a temperatura: traza la amplitud en función de la temperatura del cojinete.
- ángulo de fase: detectar los cambios de fase que indican la formación de un arco.
9.2 Criterios de alarma
- Una vibración en giro lento superior al doble del valor de referencia activa una alarma.
- Una diferencia de temperatura superior a 15-20 °C indica un desequilibrio térmico.
- Los cambios bruscos de fase (más de 30° en 10 minutos) indican que se está formando una proa.
- La vibración aumenta durante el calentamiento en lugar de disminuir.
Estos criterios encajan de forma natural en un programa más amplio monitorización de condición programa, en el que se registran los datos de arranque y desaceleración como vibración transitoria registros, en lugar de instantáneas en estado estacionario.
10. Estrategias avanzadas de puesta en marcha
10.1 Aceleración controlada
- Giro lento inicial: Comprueba que la vibración sea aceptable a 100-200 rpm.
- Aceleración por etapas: Aumenta gradualmente la velocidad hasta alcanzar velocidades intermedias (por ejemplo, el 30 %, el 50 % o el 70 % de la velocidad normal) con pausas.
- Periodos de estabilización térmica: mantener una velocidad constante durante 15-30 minutos en cada etapa.
- Comprobación de vibraciones: Compruebe que la vibración disminuya en cada etapa antes de continuar.
- Control de la temperatura: asegúrese de que los gradientes térmicos se reduzcan a lo largo de todo el proceso.
10.2 Sistemas de arranque automático
Los sistemas de control modernos pueden automatizar la gestión de la deformación térmica:
- Secuencias de calentamiento programables.
- Períodos de retención automáticos si se exceden los límites de vibración o temperatura
- Cálculo en tiempo real de la magnitud de la curvatura a partir de la vibración y la temperatura.
- Perfiles de velocidad adaptativos basados en condiciones medidas
11. Relación con otros fenómenos
11.1 Curvatura térmica frente a curvatura permanente
- Arco térmico: es temporal y desaparece en equilibrio térmico.
- Lazo permanente: deformación plástica que persiste incluso cuando el eje está frío.
- Riesgo: Una deformación térmica grave y repetida puede acabar provocando una deformación permanente.
11.2 Deformación térmica y equilibrado
- Intentando Saldo Equilibrar un rotor mientras está deformado térmicamente es inútil.
- Las masas de corrección calculadas para la condición de flexión serán erróneas una vez alcanzado el equilibrio.
- Deje siempre que se produzca la estabilización térmica antes de realizar el equilibrado.
- La curvatura térmica también puede ocultar un desequilibrio subyacente real.
Precisamente por eso, el equilibrado de campo debe esperar a que se alcance un estado térmico estable. Una vez que el rotor se ha estabilizado a velocidad y el batimiento a baja velocidad confirma que gira sin desviaciones, se utiliza un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A puede medir la amplitud de 1× y fase, calcula el coeficientes de influencia, y comprueba el resultado final desequilibrio residual contra un ISO 21940-11 grado — captando el verdadero estado de equilibrio en caliente que una máquina equilibradora en frío nunca llega a ver. El residuo admisible para el trabajo se puede calcular de antemano con el Calculadora de desequilibrio residual (ISO 21940-11).
12. Buenas prácticas en materia de prevención
12.1 Para nuevas instalaciones
- Diseñar sistemas simétricos de calefacción y refrigeración.
- Instale un mecanismo de giro en los equipos de más de 100 kW o con un árbol de más de 2 metros de longitud.
- Proporcionar un drenaje adecuado para evitar la acumulación de líquido caliente.
- Aísla para minimizar la transferencia de calor por radiación.
12.2 Para equipos ya existentes
- Desarrollar y seguir estrictamente procedimientos de calentamiento escritos
- Formar a los maquinistas sobre los riesgos y síntomas del «arco térmico».
- Instala dispositivos de control de temperatura en varios puntos.
- Utiliza el análisis de tendencias de vibraciones durante los arranques para detectar problemas térmicos.
- Documenta los datos históricos para perfeccionar los procedimientos con el tiempo.
12.3 Prácticas de mantenimiento
- Verificar el funcionamiento del mecanismo de giro antes de cada parada
- Comprueba la calibración de los sensores de temperatura de los cojinetes.
- Comprueba que los sistemas de desagüe no estén obstruidos.
- Comprueba el buen estado del aislamiento.
- Detecta y elimina cualquier fuente de calentamiento asimétrico.
La deformación térmica, aunque es temporal y reversible, supone un importante reto operativo para la maquinaria rotativa de gran tamaño. Comprender sus causas, reconocer sus síntomas y seguir los procedimientos adecuados de calentamiento y enfriamiento es fundamental para el funcionamiento fiable de las turbinas de vapor, las turbinas de gas y otros equipos rotativos de alta temperatura, así como para distinguir, en el momento, entre un rotor que simplemente necesita tiempo para estabilizarse y uno que realmente requiere un equilibrado.
