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UNIVERSIDAD DE ORIENTE NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECNICA
DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS RECIPROCANTES EN EL TALLER DE BOMBAS DE LA SUPERINTENDENCIA DE TALLERES DE PDVSA-SAN
TOM
REALIZADO POR:
Br. Lexis Jess Caraballo Peraza
Barcelona, Octubre de 2009
UNIVERSIDAD DE ORIENTE NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECNICA
DISEO DE UN BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS RECIPROCANTES EN EL TALLER DE BOMBAS DE LA
SUPERINTENDENCIA DE TALLERES DE PDVSA-SAN TOM
Trabajo de grado presentado ante la Universidad de Oriente como requisito parcial para optar al ttulo de
INGENIERO MECNICO
Realizado por:
Br. Lexis Jess Caraballo Peraza
Barcelona, Octubre de 2009
UNIVERSIDAD DE ORIENTE NCLEO DE ANZOTEGUI
ESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECNICA
PROYECTO D O DE GRADO
DISEO DE UN BANCO DE PREN EL TALLER DE BOM
TALLERES
El jurado hace constar qu
PrAs
Prof. Orlando M. Ayala Jurado Principal
Barc
E TRABAJ UEBAS PARA BOMBAS RECIPROCANTES BAS DE LA SUPERINTENDENCIA DE DE PDVSA-SAN TOM
Jurado
e asign a esta Tesis la calificacin de:
APROBADO
of. Jos Rengel esor Acadmico
Prof. Simn Bittar Jurado Principal
elona, Octubre de 2009
RESOLUCIN
De acuerdo al ARTCULO 44 del reglamento de trabajos de grado, los
trabajos de grado son de exclusiva propiedad de la Universidad de Oriente y slo
podrn ser utilizados a otros fines con el consentimiento del Consejo de Ncleo
respectivo, quien le participar al Consejo Universitario.
iv
DEDICATORIA
A Dios mi padre celestial que me ha guiado y que me ha dado la fuerza para
seguir luchando.
A mis padres Emma y Jess, que con su constancia y su amor me ha ayudado
a ser la persona que hoy en da soy.
A mis hermanos Luis Alexander, Lisdrelys y Luidys, los quiero mucho.
v
AGRADECIMIENTOS
A mi madre Emma, a mi padre Jess Luis, a mis hermanos Luis Alexander,
Lisdrelys y Luidys por siempre brindarme todo el apoyo y cario de manera
incondicional.
A mi novia Marlin que me ha ayudado y apoyado en los momentos difciles
que he tenido.
A mis amigos del Departamento de Mecnica, con los cuales compart
muchos momentos especiales (Fucho, Gaby, Kelvin, Pochako, Yenzon, Luis Moreno,
Alexander, Anbal, Jos Enrique, Leo Gudio, Gonzalo, Marcela) y dems
compaeros del Departamento de Mecnica.
A la Universidad de Oriente, por brindarme la oportunidad de desarrollarme
como profesional y crecer como persona.
A PDVSA San Tom, por darme la oportunidad de realizar m trabajo de
grado dentro de sus instalaciones.
A mi asesor acadmico Prof. Jos E. Rengel, por su orientacin y por haberme
brindando su valioso conocimiento y apoyo en el desarrollo de este trabajo.
Al seor Carlos Quiaro por haberme brindado su ayuda y confianza y
ensearme lo que es un lder.
A todos esos seres queridos que de alguna manera, y estn donde estn, me
han ayudado a ser la persona que soy.
vi
RESUMEN
El taller de bombas de PDVSA-San Tome requiere garantizar la calidad de sus
reparaciones, es por ello que se dise un banco de pruebas para bombas
reciprocantes para que a futuro sea instalado. Se consult el historial de las bombas
que entraron al taller a ser reparadas y se establecieron los lmites operacionales, para
luego disear cada uno de los componentes del banco de pruebas. Empezando por las
tuberas para luego disear el tanque de almacenamiento. Posteriormente se dise la
bancada donde se van a apoyar las bombas y se seleccion la instrumentacin que
llevar este banco de pruebas. Por ltimo se elabor un formato que se utilizar para
tomar los datos de las bombas que van a ser ensayadas, para llevar un registro de
stas, y as garantizar la calidad del servicio prestado.
vii
CONTENIDO PROYECTO DE TRABAJO DE GRADO................................................................... 3 RESOLUCIN ............................................................................................................ iv DEDICATORIA ........................................................................................................... v AGRADECIMIENTOS ...............................................................................................vi RESUMEN..................................................................................................................vii CONTENIDO ............................................................................................................viii INTRODUCCIN ........................................................................................................ 1
1.1 DESCRIPCION DE LA EMPRESA ................................................................... 1 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................ 4 1.3 ANTECEDENTES .............................................................................................. 5 1.4 ENFOQUE DEL PROBLEMA ........................................................................... 5 1.5 OBJETIVOS DEL PROYECTO ......................................................................... 6
1.5.1 Objetivo general ............................................................................................ 6 1.5.2 Objetivos especficos..................................................................................... 6
1.6 RESUMEN DE RESULTADOS......................................................................... 7 1.7 ESTRUCTURA DEL TRABAJO ....................................................................... 8
MARCO TERICO...................................................................................................... 9 2.1 BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS ........................................................ 9
2.1.1 Pruebas realizadas en un banco de prueba para bombas ............................... 9 2.1.2 Componentes de un banco de pruebas para bombas ................................... 11 2.1.3 Diseo de banco de pruebas para bombas................................................... 11 2.1.4 Instrumentacin de un banco pruebas ......................................................... 25
2.2 BOMBAS .......................................................................................................... 39 2.2.1 Clasificacin de las bombas [9]..................................................................... 39 2.2.2 Bombas Reciprocantes ................................................................................ 39 2.2.3 Mantenimiento y Pruebas a Bombas Reciprocantes ................................... 41
METODOLOGA ....................................................................................................... 42 3.1 DESCRIPCIN DEL BANCO DE PRUEBAS ................................................ 42
viii
3.1.1 Principio de funcionamiento........................................................................ 42 3.1.2 Descripcin fsica del banco de pruebas ..................................................... 42
3.2 DISEO DEL BANCO DE PRUEBAS............................................................ 44 3.2.1 Ubicacin del banco de pruebas en el taller de bombas.............................. 44 3.2.2 Lmites operacionales del banco de pruebas ............................................... 45 3.2.3 Fluido a utilizar por el banco de pruebas.................................................... 46 3.2.4 Diseo de las tuberas.................................................................................. 47 3.2.5. Diseo del tanque de almacenamiento ....................................................... 49 3.2.6 Diseo de la bancada ................................................................................... 50 3.2.7 Seleccin de la instrumentacin .................................................................. 52 3.2.8 Manual para el buen funcionamiento del banco de pruebas........................ 53
RESULTADOS Y ANALSIS.................................................................................... 54 4.1 LIMTES DE OPERACIN DEL BANCO DE PRUEBAS ............................ 54 4.2 DISEO DE LAS TUBERIAS QUE CONFORMARN EL BANCO DE PRUEBAS ...............................................................Error! Marcador no definido. 4.3 DISEO DEL TANQUE DE ALMACENAMIENTO..................................... 56
4.3.1 Volumen mnimo del tanque de almacenamiento ....................................... 56 4.3.2 Dimensiones del tanque de almacenamiento............................................... 57 4.3.3 Espesor de las paredes del tanque de almacenamiento ............................... 57
4.4 DISEO DE LA BANCADA ........................................................................... 58 4.4.1 Dimetros de las poleas ............................................................................... 58 4.4.2 Longitud de las correas................................................................................ 58 4.4.3 Distancia entre ejes...................................................................................... 59 4.4.4 Esfuerzos en la bancada............................................................................... 60 4.4.5 Esfuerzos en las vigas que soportarn los motores ..................................... 61 4.4.6 Esfuerzo sobre la viga que soportar las bombas National j-165t............... 62 4.4.7 Esfuerzo sobre las vigas longitudinales...................................................... 63
4.5 INSTRUMENTACIN DEL BANCO DE PRUEBAS.................................... 64 4.5.1 Vlvulas....................................................................................................... 64 4.5.2 Medidor de la presin de succin................................................................ 64 4.5.3 Vlvula de alivio.......................................................................................... 65 4.5.4 Medidor de caudal ....................................................................................... 66
ix
4.5.5 Medidor de presin de descarga .................................................................. 66 4.5.6 Medidor de nivel.......................................................................................... 66 4.5.7 Contador de revoluciones ............................................................................ 67
4.6 ACCESORIOS DEL BANCO DE PRUEBAS ................................................. 67 4.6.1 Mangueras ................................................................................................... 67 4.6.2 Codos y reducciones.................................................................................... 67
4.7 PROCEDIMIENTO PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL BANCO DE PRUEBAS ............................................................................................................... 67 4.8 REGISTROS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS.......................................... 68
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.......................................................... 70 5.1 CONCLUSIONES............................................................................................. 70 5.2 RECOMENDACIONES.................................................................................... 71
BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 72 APENDICE A APENDICE B APENDICE C APENDICE D
x
CAPTULO I
INTRODUCCIN
1.1 DESCRIPCION DE LA EMPRESA Petrleos de Venezuela, S.A (PDVSA), es una empresa perteneciente al
estado venezolano. Desde su creacin se ha convertido en una de las corporaciones
energticas ms importante del mundo, destinada a explorar, producir, transportar,
procesar, distribuir y comercializar el petrleo, gas natural y todos sus derivados, a su
vez planifica, coordina, supervisa y controla las actividades operativas de sus
divisiones tanto en Venezuela como en el exterior.
PDVSA, se encuentra ubicada en todos los estados productores de petrleo,
teniendo su sede principal en la ciudad de Caracas y reas operacionales en
Occidente, Sur y Oriente del pas. En el Occidente cuenta con los Distritos
Maracaibo, Lagunitas y Ta Juana. Estos distritos desarrollan actividades de
explotacin y produccin en el Estado Zulia y parte del Estado Falcn. En este ltimo
se realizan actividades de manufactura y refinacin, all se encuentra ubicada la
refinera de Punta Cardn y la de Amuay una de las ms grandes de Latinoamrica.
En el Sur cuenta con el Distrito de Barinas, que cubre los Estados Apure,
Barinas y Portuguesa, siendo estos ltimos donde se est desarrollando el plan de
explotacin Flanco Sur Andino; en bsqueda de nuevos reservorios petroleros. En
Oriente cuenta con el Distrito Puerto la Cruz que se encarga de la refinacin y el
mercadeo de crudos y los Distritos operacionales Anaco, San Tom, Morichal, Punta
de Mata y Maturn, incluyendo en estos ltimos, el rea de mayor actividad de
PDVSA, el norte de Monagas. Las actividades de los Distritos abarcan los Estados
Anzotegui, Monagas y Gurico.
El distrito Social San Tom es un distrito operacional ubicado en el centro de
la mesa de Guanipa (figura 1.1), al Sur de los estados Anzotegui y Gurico y se
extiende hasta las reas de de Casma Soledad en el estado Monagas, con un rea de
24000km2 aproximadamente.
San Tom surge, al igual que los dems campamentos petroleros nacidos en
Venezuela, bajo una muy bien planificada estrategia urbanstica donde todo estuvo
previsto; desde el aeropuerto, el hospital, el acueducto y las reas destinadas para
oficinas, instalaciones industriales, futuros centros para recreacin y esparcimiento de
las familias y sus trabajadores. Est dividido en dos reas residenciales: Campo Norte
y Campo Sur, en medio de los cuales se encuentra el rea industrial. Este Distrito
posee pozos medianamente profundos de hasta 14000ft y pozos someros hasta 2500ft
en el rea de la Faja del Orinoco.
Figura 1.1. Ubicacin Geogrfica PDVSA-San Tom
El Distrito San Tom posee un potencial de produccin de petrleo y
conforma la ms grande variedad de instalaciones petroleras que van desde los patios
de almacenamiento de crudo hasta las estaciones de flujos, planta de inyeccin de
agua, gas, vapor y plantas de gas que integran al mayor complejo gasfero del pas.
Dentro del Distrito Social San Tom est la superintendencia de Talleres
Oriente, adscrita a la gerencia de Mantenimiento que surge por la necesidad que tiene
la empresa de asegurar todas y cada una de las instalaciones, equipos, sistemas,
dispositivos que estn en condiciones requeridas para cumplir con las metas
operacionales que la empresa tiene planificadas, logrando de esta forma la
optimizacin de la actividad operacional de los sistemas de plantas, con respecto a los
costos asociados, tanto directos como indirectos. Para cumplir con todos sus objetivos
y actividades la superintendencia de Talleres Oriente cuenta con cuatro talleres
(figura 1.2), adems de las secciones de control de calidad, talleres externos y la sala
de programacin. Estos cuatro talleres son:
Taller de Bombas: Su funcin es realizar reparaciones de bombas de superficie (centrfugas y reciprocantes) y bombas de subsuelo.
Taller de Vlvulas y Cabezales: Su funcin es realizar reparacin y mantenimiento de vlvulas, cabezales y equipos de perforacin.
Taller Integral: Este lo comprenden tres reas. rea de instrumentos, la cual tiene como funcin realizar mantenimiento, reparacin, y calibracin de
instrumentos neumticos. rea de motores, su funcin es realizar
reparaciones de motores de combustin interna. rea de mecnica pesada,
tiene como funcin realizar reparaciones de partes y equipos de
motocompresores y plantas.
Taller de Mquinas-Herramientas: Se encarga de la reparacin y/o
fabricacin de equipos, partes y/o piezas.
Figura 1.2. Talleres que conforman la Superintendencia de Talleres
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Las bombas reciprocantes son de amplio uso en la industria petrolera, su
aplicacin se extiende desde el transporte de petrleo hasta la estimulacin de pozos a
travs de la inyeccin de agua salada. A estos equipos, a travs de rdenes de
trabajos, se les realiza mantenimiento correctivo y preventivo tanto en el taller de
bombas como en talleres externos. En la actualidad el taller de bombas no cuenta con
un sistema donde se puedan observar las condiciones de operacin de las bombas de
superficie, para comprobar la calidad de los servicios prestados tanto por el taller de
bombas como en los talleres externos. Esta situacin es preocupante ya que en aos
anteriores se han venido presentando una serie de devoluciones de los equipos a los
cuales se les realizaron mantenimiento causando prdidas de tiempo y dinero.
El presente trabajo tiene por objeto disear un banco de pruebas donde se
puedan ensayar bombas reciprocantes antes y/o despus de realizarle mantenimiento,
mediante la variacin de los parmetros de mayor importancia tales como presin y
caudal manejado, entre otros; para as poder determinar las posibles fallas que
presentan stas antes de hacerle mantenimiento y tambin garantizar la calidad de las
reparaciones a los clientes, ensayando las bombas despus de hacerle mantenimiento.
Para la elaboracin de este trabajo de investigacin se realizar un estudio de las
caractersticas de las bombas reciprocantes que con mayor frecuencia se reciben en el
taller de bombas para conocer el lmite operacional del banco de pruebas y poder
realizar el clculo de los componentes e instrumentacin a travs de ecuaciones de
mecnica de fluidos y diseo mecnico estudiadas en ingeniera mecnica, as como
la aplicacin de manuales, procedimientos y normas.
Este banco de pruebas ser de mucha utilidad para el taller de bombas ya que
permitir conocer parmetros como presin de succin y descarga, caudal bombeado
por el equipo y otros, a diferentes condiciones operacionales que servirn de
referencia para hacer un diagnstico de las condiciones de las bombas a las cuales se
le ejecuta el mantenimiento y as incrementar la confiabilidad y seguridad en los
procesos de produccin de PDVSA. Tambin se mejorar muchos parmetros de
inters para la empresa, tales como: costo de reparacin, tiempo de ejecucin de
reparacin, aumento de la calidad de los servicios, entre otros.
1.3 ANTECEDENTES En el ao 2006, Logan, E., realiz el Diseo de un Banco de Pruebas para
Bombas de Superficie (Reciprocantes) Marca Gardner Denver 6x4x6 en PDVSA,
Distrito Sur-San Tom. Este trabajo se realiz con la finalidad de disear un banco de
pruebas donde se pudiese verificar las condiciones de operacin de las bombas
reciprocantes marca Gardner Denver 6x 4x 6, recomendando los materiales para la
construccin del mismo. Este Banco de Pruebas se limita a este tipo de bomba que
tiene como caractersticas resaltante que funciona con vapor. [1]
En el ao 2005, Stanford, V., hizo un estudio de la factibilidad econmica
para la fabricacin del banco de pruebas para un mecanismo de bombeo de tipo
reciprocante. Adems, se plante la redistribucin de la zona en el taller donde se
reparan las bombas de superficie, para brindar mayor comodidad y seguridad a los
operarios del taller, determinndose que la fabricacin del banco de pruebas es
econmicamente rentable. [2]
En el ao 2004, Villarroel, I., dise un banco de pruebas para poder verificar
si las bombas de inyeccin qumica estn operando a condiciones normales de
mantenimiento y as evitar inconvenientes en el proceso de extraccin de crudo donde
operan. En este trabajo se hizo un anlisis de los materiales y conexiones que se
pueden utilizar, pero no se realiz clculo de ningn tipo. [3]
1.4 ENFOQUE DEL PROBLEMA En el taller de bombas del Departamento de Talleres Oriente, adscrita a la
Gerencia de Mantenimiento de PDVSA, Distrito Social San Tom, se evidencia la
necesidad de que los equipos reparados cuenten con un certificado de calidad acorde
a las condiciones de produccin para lo cual estn destinadas, de tal manera que
brinde una mayor confiabilidad a los clientes de la empresa. En el Taller de bombas
se efectan las debidas reparaciones de diversos tipos de bombas; sin embargo se
presentan deficiencias en la dotacin de equipos de prueba, lo cual trae como
consecuencia no slo que existan dudas al momento de la entrega de los equipos
reparados, sino que adems pueden existir detalles en la reparacin que originan que
los equipos no den el rendimiento esperado generando prdidas de produccin,
prdidas econmicas y prdidas de prestigio de la Empresa Petrleos de Venezuela,
S.A (PDVSA).
El diseo de un Banco de Pruebas para bombas reciprocantes permitir
verificar el ptimo funcionamiento de las bombas reciprocantes luego de ser
reparadas; para as garantizar la mxima operatividad de estos equipos; influyendo de
esta manera en la reduccin de costos, aumento de la rentabilidad y por ende el
crecimiento continuo de la empresa. El banco de pruebas debe ser diseado de
manera que simule las condiciones reales de operacin de las bombas reciprocantes
cuando estn operando en los campos de produccin.
De tal manera se busca que el Taller de Bombas y la Empresa propiamente
dicha, cuente con un buen equipo que permitir brindar una garanta por el trabajo de
reparacin, al mismo tiempo dar un mximo de credibilidad y confianza a los socios y
clientes de PDVSA logrando mantener su buen prestigio.
1.5 OBJETIVOS DEL PROYECTO 1.5.1 Objetivo general
Disear un banco de pruebas que simule condiciones reales de operacin para
la evaluacin del comportamiento hidrulico y mecnico de bombas reciprocantes en
el taller de bombas de la superintendencia de talleres de PDVSA-San Tom.
1.5.2 Objetivos especficos
Definir el espacio fsico donde se instalar y funcionar el futuro banco de pruebas.
Establecer alternativas para el diseo del banco de pruebas basndose en los criterios y normas de diseo, las caractersticas de las bombas que se
ensayarn y en los parmetros a medir.
Calcular los componentes que integrarn el banco de pruebas. Seleccionar los componentes e instrumentacin del banco de pruebas,
determinando su funcin especfica y sus caractersticas principales.
Sugerir procedimientos adecuados para el ptimo funcionamiento del banco de pruebas.
1.6 RESUMEN DE RESULTADOS En este trabajo se realiz un diseo de un banco de pruebas para bombas
reciprocantes con la finalidad de verificar las condiciones de operacin de las bombas
reciprocantes luego de ser reparadas. Para ello el banco de pruebas debe simular las
condiciones de operacin de estas bombas, por lo cual se dise un sistema de
tuberas con tanque de suministro de agua y con la instrumentacin necesaria para
medir caudal y presiones. El banco de pruebas fue diseado para una presin de
trabajo de 21,5 Mpa y un caudal mximo de 0,0443 m3/s. El nivel de agua desde el
fondo del tanque debe ser mayor a 0,762 metros para que de esta manera las bombas
no succionen aire. Las tuberas de succin y descarga tienen un calibre 160.
Adems del sistema de tuberas se dise un patn para instalar las bombas
reciprocantes que entren al taller sin patn. El banco de pruebas tendr en la succin
una vlvula de compuerta, para controlar la presin de succin, de designacin ANSI
2500 y manmetro industrial Marca Ashcroft 1008S el cual tiene un rango de presin
desde 4 Mpa en vaco hasta 68 Mpa. Para la descarga contar con una vlvula de
alivio con presin de apertura a 23,5 Mpa, una vlvula de compuerta con una presin
permisible de 41,37 Mpa, adems de un manmetro Marca Ashcroft 1008S y un
caudalmetro electromagntico modelo FXL4000 (COPA-XL), fabricado por ABB y
el cual puede conectarse directamente a la tubera. Tambin se dispondr de un
contador de revoluciones porttil.
El banco de pruebas tambin tendr accesorios como codos, reducciones,
expansiones y mangueras para poder acoplar los equipos al sistema de tuberas.
1.7 ESTRUCTURA DEL TRABAJO Este trabajo estar dividido en cinco captulos. En el captulo I se hace una
breve resea de la empresa PDVSA, adems se muestra la necesidad de realizar este
trabajo y los objetivos del mismo y se mencionan trabajos previos que tienen que
relacin con este trabajo; en el captulo II se sealan trminos necesarios para poder
comprender mejor el trabajo que se va a realizar para luego en el captulo III se
muestra la metodologa que se va a utilizar para el desarrollo de los objetivos del
trabajo. En el captulo IV se mostrar los resultados que se obtuvieron luego de
aplicar la metodologa sealada en el captulo III, entre ellos estn: los lmites
operacionales del banco de pruebas, los espesores que tendrn las tuberas para
soportar las presiones a que sern sometidas, las cadas de presin en cada tramo de
tubera, el diseo del patn que soportar las bombas y la instrumentacin y
accesorios que tendr el banco de pruebas. En el captulo V se sealarn las
conclusiones de este trabajo luego de la culminacin de todos los clculos y
resultados adems de mostrar las recomendaciones para la realizacin de futuros
trabajos de investigacin referente a este tema; las tablas, grficos, dibujos, catlogos
y clculos que no se pudieron mostrar en los captulos del trabajo se mostrarn en los
apndices.
CAPTULO 2
MARCO TERICO
Los bancos de pruebas son equipos que permiten realizar evaluaciones previas
de las condiciones de calidad de un equipo, pieza o elemento de mquina luego de ser
fabricado o reparado. Tambin existen bancos de pruebas experimentales que tienen
como funcin estudiar variables que intervienen en las condiciones de operacin de
un determinado equipo a nivel de aprendizaje e investigacin.
Existen bancos de pruebas para innumerables equipos estticos y dinmicos.
Entre ellos se tienen bancos de pruebas para bombas, motores, vlvulas, generadores,
turbinas, entre muchos ms.
2.1 BANCO DE PRUEBAS PARA BOMBAS Los bancos de pruebas para equipos de bombeo son utilizados para realizar
pruebas a bombas luego de ser fabricadas o reparadas, de esta manera se puede
conocer diferentes parmetros a distintas condiciones operacionales y comprobar si el
equipo cumple con las condiciones de calidad necesarias para funcionar en un
determinado proceso. En la figura 2.1 se muestra un banco de pruebas para bombas
reciprocantes.
2.1.1 Pruebas realizadas en un banco de prueba para bombas
Entre las pruebas que se realizan a las bombas estn las pruebas de
funcionamiento, las pruebas de NPSH e inspeccin interna de las bombas.
2.1.1.1 Pruebas de funcionamiento
En estas pruebas se verifican los parmetros de las bombas variando las condiciones
de operacin de las mismas. Entre los parmetros que se miden estn la presin de
succin y de descarga, la temperatura del fluido, la potencia y las rpm de motor. [4]
Figura 2.1. Banco de pruebas para bombas reciprocantes de VENMACA-
Industria Metalrgicas. [5]
Adems de medir los parmetros que tienen que ver directamente con las
condiciones de operacin de las bombas y el bombeo de lquido de sta,
adicionalmente se puede inspeccionar los valores de voltaje y amperaje del motor de
la bomba, el nivel de vibraciones, ruido, temperaturas de los rodamientos, fugas, entre
otras.
2.1.1.2 Prueba de NPSH
El NPSH es la diferencia entre la presin en un punto de circuito hidrulico y
la presin de vapor en ese mismo punto. Hay que saber diferenciar entre la NPSH
requerida y la NPSH disponible. La NPSH requerida depende de las caractersticas de
las bombas y debe ser dado por el fabricante y la NPSH disponible depende de las
caractersticas del circuito hidrulico. La NPSH disponible debe ser mayor que la
requerida para evitar problemas de cavitacin en la bomba.
Las pruebas de NPSH se realizan variando las condiciones de succin de la
bomba, es decir reduciendo el NPSH disponible en el sistema por debajo del NPSH
requerido hasta presentarse una disminucin de la carga de la bomba. Las pruebas de
NPSH son distintas dependiendo si la bomba es reciprocante o centrfuga.
2.1.1.2 Inspeccin internas de las bombas
La inspeccin de las partes y elementos de las bombas no dependen del banco
de pruebas como tal ya que esta consiste en realizar inspecciones visuales a cada una
de las partes de la bombas y comprobar si no existe anomalas antes, durante y
despus de las pruebas de funcionamiento.
2.1.2 Componentes de un banco de pruebas para bombas
Un banco de pruebas para bombas debe contar con los siguientes
componentes:
- Un tanque de abastecimiento como mnimo para suministrar el fluido de
prueba al equipo.
- Una red de tuberas por donde circular el fluido de prueba.
- Una bancada que soportar tanto a las bombas como los motores de las
bombas.
- Instrumentacin adecuada para la medicin de los parmetros como caudal,
presin entre otros.
2.1.3 Diseo de banco de pruebas para bombas
Para disear un banco de pruebas para bombas se debe conocer las
caractersticas de las bombas que se van a ensayar para as determinar los lmites
operacionales del banco de pruebas. Tambin se debe conocer el fluido que se va a
utilizar para las pruebas y variables que se van a medir.
Una vez conocidas las bombas que se van a ensayar, sus caractersticas, lmite
operacional, fluido a manejar y parmetros a medir se puede disear cada uno de los
componentes del banco de pruebas.
2.1.3.1 Diseo del tanque de almacenamiento
Un tanque es un depsito diseado para almacenar o procesar fluidos,
generalmente a presin atmosfrica o presin interna relativamente baja. Los tanques
de almacenamiento usualmente se utilizan de configuracin cilndrica vertical u
horizontal con rangos que van desde pequeos recipientes fabricados en taller hasta
tanques muy grandes fabricados en campo.
Los tanques cilndricos horizontales, generalmente son de volmenes
relativamente bajos, debido a que presentan problemas por fallas de corte y flexin;
por lo general, se usan para almacenar volmenes pequeos. Los tanques cilndricos
verticales de fondo plano permiten almacenar grandes cantidades volumtricas con un
costo bajo. Con la limitante que slo se pueden usar a presin atmosfrica o presiones
internas relativamente pequeas. [6]
Estos tipos de tanques se clasifican en:
- De techo fijo.
- De techo flotante.
- Sin techo.
2.1.3.1.1 Tipos de techos
De acuerdo al estndar A.P.I. 650, los tanques se clasifican de acuerdo al tipo
de techo, lo que proporcionar el servicio recomendable para stos.
1.- Techo Fijo.- Se emplean para contener productos no voltiles o de bajo
contenido de ligeros (no inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petrleo crudo,
etc.
Los techos fijos se clasifican en:
- Techos autosoportados.
- Techos soportados.
2.- Techo Flotante.- Se emplea para almacenar productos con alto contenido
de voltiles como son: alcohol, gasolinas y combustibles en general.
3.- Los Tanques sin Techo.- Se usan para almacenar productos en los cuales
no es importante que ste se contamine o que se evapore a la atmsfera.
2.1.3.1.2. Materiales a emplear en tanques de almacenamiento
Para el mejor diseo, clculo y manufactura de tanques de almacenamiento es
importante seleccionar el material adecuado dentro de la variedad de aceros que
existen en el mercado, por lo que a continuacin se mencionar los materiales ms
usados con su aplicacin.
EstndarA.S.T.M. (American Society for Testing and Materials).
A-36.- Acero estructural.: Slo para espesores iguales o menores de 38 mm.
(1 1/2 pulg.). Este material es aceptable y usado en los perfiles, ya sean comerciales o
ensamblados de los elementos estructurales del tanque.
A-131.- Acero estructural: GRADO A para espesor menor o igual a 12,7
mm (1/2 pulg.); GRADO B para espesor menor o igual a 25,4 mm. (1 pulg.);
GRADO C para espesores iguales o menores a 38 mm. (1-1/2 pulg.); GRADO EH36
para espesores iguales o menores a 44,5 mm. (1-3/4 pulg.)
A-283.- Placas de acero al carbn con medio y bajo esfuerzo a la tensin:
GRADO C para espesores iguales o menores a 25 mm. (1 pulg.). Este material es el
ms utilizado, porque se puede emplear tanto para perfiles estructurales como para la
pared, techo, fondo y accesorios del tanque.
A-285.- Placa de acero al carbn con medio y bajo esfuerzo a la tensin:
GRADO C para espesores iguales o menores de 25,4 mm. (1 pulg.). Es el material
recomendable para la construccin del tanque (cuerpo, fondo, techo y accesorios
principales), el mismo no es recomendable para elementos estructurales debido a que
tiene un costo relativamente alto comparado con los anteriores.
A-516.- Placa de acero al carbn para temperaturas de servicio
moderadas: GRADOS 55, 60, 65 y 70, para espesores iguales o menores a 38mm.
(1-1/2 pulg.). Este material es de alta calidad y, consecuentemente, de un costo
elevado, por lo que se recomienda su uso en casos en que se requiera de un esfuerzo a
la tensin alta, que justifique el costo.
A- 53.- GRADOS A Y B para tubera en general.
A-106.-GRADOS A Y B tubos de acero al carbn sin costura para servicios
de alta temperatura. En el mercado nacional, es fcil la adquisicin de cualquiera de
estos dos materiales, por lo que puede usarse indistintamente, ya que ambos cumplen
satisfactoriamente con los requerimientos exigidos por el estndar y la diferencia no
es significativa en sus propiedades y costos.
A-105.- Forja de acero al carbn para accesorios de acoplamiento de
tuberas.
A-181.- Forja de acero al carbn para usos en general.
A-193.- GRADO B7. Material para tornillos sometidos a alta temperatura y de
alta resistencia, menores a 64mm. (2-1/2 (pulg.), de dimetro.
A-194.- GRADO 2H. Material para tuercas a alta temperatura y de alta
resistencia.
A-307.- GRADO B. Material de tornillos y tuercas para usos generales.
2.1.3.1.3 Diseo y clculo del cuerpo del tanque
El tanque se debe disear de manera tal que el espesor de las paredes pueda
soportar la carga hidrosttica al que estar sometido. La norma API 650 dice que el
espesor de la pared del cuerpo requerido para resistir la carga hidrosttica ser mayor
que el calculado por condiciones de diseo o por condiciones de prueba hidrosttica,
pero que en ningn caso ser menor al que muestra la tabla 2.1
El espesor de la pared por condicin de diseo, se calcula con base al nivel del
lquido, tomando la densidad relativa del fluido establecido por el usuario. El espesor
por condiciones de prueba hidrosttica se obtiene considerando el mismo nivel de
diseo, pero ahora utilizando la densidad relativa del agua.
Tabla 2.1. Espesores mnimos de las paredes de los tanques segn la norma
API 650
Dimetro nominal
en metros
Espesor mnimo
en milmetros
< 15,24 4,76
15,24 < 36,576 6,35
36,576 < 60,96 7,93
> 60,96 9,52
El esfuerzo mximo permisible de diseo (Sd) y de prueba hidrosttica (St), se
muestra en la tabla A.3, recomendado por el estndar API 650 en el diseo de tanques
de almacenamiento.
2.1.3.1.3.1 Clculo de espesores del cuerpo por el mtodo de un pie
Con este mtodo se calcula el espesor requerido de la pared del tanque, por
condiciones de diseo y de prueba hidrosttica, considerando una seccin transversal
ubicada a 304,8 mm (1 pie) por debajo de la unin de cada anillo. Este mtodo slo es
aplicable en tanques con un dimetro igual o menor a 60,96m (200pies).
2.1.3.1.3.2 Clculo del espesor del cuerpo por el mtodo de punto de diseo
variable
Este mtodo se usa cuando el tanque tenga un dimetro mayor de 60,960 m
(200 pies) y que adems se cumpla con la siguiente relacin:
2/12 HL
(2.1)
Donde:
L = (0,05D.t) 0,5 (cm).
D = Dimetro nominal del tanque (cm).
t = Espesor del anillo inferior (mm).
H = Nivel de diseo de lquido (cm).
2.1.3.2 Diseo de tuberas de un banco de pruebas
La velocidad de flujo juega un papel importante para el diseo de un sistema
de tuberas para bombas reciprocantes. Un diseo inadecuado producir vibraciones y
ruidos en el sistema. El Hydraulic Institute recomienda los siguientes lineamientos
para las tuberas de succin y descarga donde funcionar una bomba reciprocante:
En la tubera de succin se necesita:
Que sea lo ms corto y directo que sea posible Tenga el mnimo de cambios de direccin del fluido; hay que utilizar codos largos o laterales.
No debe tener puntos altos sin respiraderos. El reductor en la bomba debe ser del tipo excntrico instalado con el lado plano hacia arriba.
Tener una vlvula de corte de apertura total para no restringir el flujo a la bomba.
Para el tubo de descarga se necesita:
Que tenga el mnimo de cambio de direccin brusca del fluido; hay que utilizar codos largos o laterales.
Que incluya una vlvula de desahogo de un tamao que deje pasar toda la capacidad de la bomba y que no exceda del 110% de su presin de apertura. [7]
Aunque estas recomendaciones son para sistemas de tuberas que por lo general
son muchos ms largos y complejos que el sistema de tuberas para un banco de
pruebas, se tomarn en cuenta para el diseo del mismo.
2.1.3.2.1 Dimetro de tuberas
El dimetro de la tubera de succin y descarga de un banco de pruebas se
puede seleccionar de acuerdo al dimetro de las entradas de succin y de descarga de
las bombas y siguiendo las recomendaciones del Hidraulic Institute, el cual
recomienda un tamao de uno o dos veces ms grande que los dimetros de succin y
descarga de la bombas. Como en un banco se probarn bombas de diferentes
dimensiones, se puede seleccionar el dimetro de acuerdo a la bomba que tenga
mayores dimensiones.
2.1.3.2.2 Espesor de las tuberas
Para calcular el espesor de pared de una tubera se debe conocer las cargas a
que esta estar sometida. Las cargas que se deben considerar para el clculo de las
tuberas son:
Cargas por la presin de diseo
Es la carga debido a la presin en la condicin ms severa, interna o externa a
la temperatura coincidente con esa condicin durante la operacin normal.
Cargas por peso
a. Peso muerto incluyendo tubera, accesorios, aislamiento, etc.
b. Cargas vivas impuestas por el flujo de prueba o de proceso.
c. Efectos locales debido a las reacciones en los soportes.
Cargas dinmicas
a. Cargas por efecto del viento, ejercidas sobre el sistema de tuberas
expuesto al viento.
b. Cargas ssmicas que debern ser consideradas para aquellos sistemas
ubicados en reas con probabilidad de movimientos ssmicos.
c. Cargas por impacto u ondas de presin, tales como los efectos del golpe de
ariete, cadas bruscas de presin o descarga de fluidos.
d. Vibraciones excesivas inducidas por pulsaciones de presin, por
variaciones en las caractersticas del fluido, por resonancia causada por
excitaciones de maquinarias o del viento.
Para un diseo de tubera simple slo se deben considerar los esfuerzos que
ejerce el fluido sobre las paredes de las tuberas. [8]
2.1.3.2.3 Cada de presin en tuberas
Las prdidas de carga en las tuberas son de dos clases. Primarias y
secundarias.
Las prdidas primarias son las prdidas de superficie en el contacto del fluido
con la tubera (capa lmite), rozamiento de unas capas de fluidos con otra (rgimen
laminar) o de las partculas de fluidos entre s (rgimen turbulento). Tienen lugar en
flujo uniforme, por la tanto principalmente en los tramos de tubera de seccin
constante.
Las prdidas secundarias son las prdidas de forma, que tienen lugar en las
transiciones (estrechamiento o expansiones de la corriente), codos, vlvulas, y toda
clase de accesorios de tuberas. [9]
2.1.3.2.4 Ecuacin de Bernoulli
Es la ecuacin bsica para el clculo de cadas de presin para lquidos en
tuberas y accesorios, y de ella se derivan la mayora de las ecuaciones de prdida de
carga que existen en normas y cdigos. [9]
++=+++ gvpZHHHgvpZ tbr 22
222
221
211
1 (2.2)
Donde:
z1,z2= Altura geodsica (m)
p1/, p2/ = Alturas de presin (m).
v12/2g, v22/2g = Alturas de velocidad (m).
Hr1-2 = Suma de todas las prdidas hidrulica entre 1 y 2 (m).
Hb= Suma de los incrementos de altura proporcionados por las bombas instaladas
entre 1 y 2 (m).
Ht = Suma de los incrementos de altura absorbidos por los motores (turbinas)
instalados entre 1 y 2 (m).
2.1.3.2.5 Flujo Laminar
Se llama flujo laminar o corriente laminar, al tipo de movimiento de un fluido
cuando ste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido
se mueve en lminas paralelas sin entremezclarse.
2.1.3.2.6 Flujo Turbulento
Se llama flujo turbulento o corriente turbulenta al movimiento de un fluido
que se da en forma catica, en que las partculas se mueven desordenadamente y las
trayectorias de las partculas se encuentran formando pequeos remolinos
aperidicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente.
2.1.3.2.7 Nmero de Reynolds
El nmero de Reynolds es un parmetro adimensional que se utiliza para
caracterizar el movimiento de un fluido. El nmero de Reynolds permite predecir el
rgimen de un flujo.
2.1.3.2.8 Ecuacin de Darcy-Weisbach [9]
Esta ecuacin permite calcular las prdidas primarias de una tubera a travs
de la siguiente ecuacin:
gv
DLfH rp 2
2
=
(2.3)
Donde:
Hrp= Prdida de carga primaria (m).
f = Factor de friccin (m).
L = Longitud de la tubera (m).
D = Dimetro de la tubera (m).
v = Velocidad media del fluido (m/s).
2.1.3.2.9 Diagrama de Moody
Es un diagrama en escala logartmica que se usa para la solucin de problemas
de prdidas primarias en tuberas; tambin puede utilizarse en tuberas de seccin no
circular. Con el diagrama de Moody se puede determinar dimetro de tuberas, factor
de friccin, entre otros.
2.1.3.2.10 Ecuacin fundamental de las perdidas secundarias [9]
Es de uso fundamental en el mundo entero en los libros y formularios de
hidrulica y anloga a la frmula de Darcy- Weisbach para las prdidas primarias.
gvkH rs 2
2
=
(2.4)
Donde:
Hrs= Prdidas de carga secundaria (m).
k= Coeficiente de prdidas (adimensional)
v = Velocidad media de la tubera, si se trata de codos, vlvulas, etc. Si se trata de un
cambio de seccin como contraccin o ensanchamiento, suele tomarse la velocidad
de la seccin menor (m/s).
2.1.3.2.10.1 Coeficiente k de la ecuacin fundamental de prdidas
secundarios
El coeficiente k depende del tipo de accesorio, del nmero de Reynolds, de la
rugosidad relativa y hasta de la configuracin de la corriente antes del accesorio. En
general, antes y despus del accesorio en que se producen las prdidas debe haber un
trozo de tubera de al menos 4 a 5D (D= Dimetro de la tubera), para que los valores
que se muestran en la figura A.1 puedan aplicarse con precisin. En la prctica no
suele necesitarse por lo dems demasiada precisin.
Para Re > 1x105 a 2 x105, k no depende prcticamente del nmero de
Reynolds. Ahora bien, los problemas prcticos con fluidos de poca viscosidad como
el aire y el agua suelen caer en esta regin. [9]
2.1.3.2.11 Mtodo de la longitud equivalente [9]
Este segundo mtodo consiste en considerar las prdidas secundarias como
longitudes equivalentes, es decir longitudes en metros de un trozo de tubera del
mismo dimetro que producirn las mismas prdidas de carga de los accesorios en
cuestin.
2.1.3.3 Clculo de la bancada para un banco de pruebas
Un banco de pruebas requerir una bancada para que las bombas reciprocantes
puedan acoplarse al circuito hidrulico, a los servicios auxiliares, instrumentacin y
los motores en condiciones de robustez y rigidez necesarias.
Se deben considerar como condiciones de anlisis aquellas en las que la
bancada est expuesta a las mayores posibles, es decir, a las mximas cargas sobre la
bancada durante los ensayos: pesos mximos de los motores y las bombas.
Una vez conocida las cargas mximas que soportar la bancada se debe
seleccionar la geometra de la bancada y el material que se utilizar, luego se debe
definir la estructura de la bancada (perfiles, chapas, entre otras).
Las vigas son comnmente elementos prismticos largos y rectos, que
generalmente soportan cargas transversales que causan flexin y corte de las vigas.
Las cargas transversales de una viga pueden consistir en cargas concentradas, en
cargas distribuidas o una combinacin de ambas. Cuando la carga w por unidad de
longitud tiene un valor constante a lo largo de la parte de una viga (como entre A y B
de la figura 2.2) se dice que la carga est uniformemente distribuida.
Figura 2.2. Carga distribuida.
Las vigas se clasifican de acuerdo con la manera en la que se encuentran
apoyadas. Varios tipos de vigas utilizadas se presentan en la figura 2.3. La distancia L
mostradas en las distintas partes de la figura se denomina claro. Las reacciones en los
soportes de las partes a, b y c de la figura 2.3 involucran un total de tres incgnitas y,
por lo tanto, pueden determinarse empleando mtodos estticos. Tales vigas se
conocen como estticamente determinadas. Las reacciones en los apoyos de las vigas
en las partes d, e y f de la figura 2.3 involucran ms de tres incgnitas y no pueden
determinarse nicamente por mtodos estticos. Tales vigas se denominan
estticamente indeterminadas. [10]
Figura 2.3. Clasificacin de las vigas.
2.1.3.3.1 Diagrama de fuerza cortante y momento flector
La determinacin de los valores absolutos mximos de la fuerza cortante (V) y
del momento flector (M) de una viga se facilitan si V y M se grafican en relacin de
la distancia medida desde un extremo de la viga. Con la realizacin del diagrama de
fuerza cortante y momento flector se puede calcular los esfuerzos normales mximos
a que est sometida la viga a travs de las ecuaciones 2.5 y 2.6, respectivamente.
ySM max
max =
(2.5)
almaAVmax
max =
(2.6)
Donde:
max= Esfuerzo normal mximo (N/m2).
Mmax= Momento flector mximo en la viga (N.m).
Sy= Momento de inercia con respecto al eje y (m3).
max= Esfuerzo cortante mximo (N/m2).
Vmax= Fuerza cortante mxima (N).
Aalma= rea del alma de la viga (m2).
Con los esfuerzos mximos cortantes y momento flector se puede seleccionar
el perfil y material de una viga. [10]
2.1.3.3.2 Anlisis de vigas estticamente indeterminada [10]
Las vigas estticamente indeterminadas no se pueden resolver por mtodos
estticos ya que el nmero de incgnitas es mayor que el nmero de ecuaciones
estticas, es por eso que se debe acudir a otros mtodos para la resolucin de este tipo
de vigas.
Existen muchos mtodos para la resolucin de vigas estticamente
indeterminadas, en este trabajo slo se mencionar dos mtodos utilizados.
2.1.3.2.2.1 Teorema de Castigliano [10]
Si una estructura elstica se somete a n cargas P1, P2,, Pn, la deflexin xn del
punto de aplicacin Pn, puede expresarse como la derivada parcial de la energa de
deformacin de la estructura con respecto a la carga Pn.
nn P
Ux =
(2.7)
Donde:
xn= Deflexin del punto de aplicacin de la carga.
= nPU / Derivada parcial de la energa de la deformacin con respecto a la carga Pn, medida a lo largo de la lnea de accin de Pn.
El teorema de Castigliano puede usarse para determinar la pendiente de una
viga en el punto de aplicacin de un par Mn.
nn M
U=
(2.8)
Donde:
n = ngulo de rotacin del punto donde el momento Mn se aplica lentamente.
= nMU / Derivada parcial de la energa de deformacin con respecto al par Mn. Anlogamente, el ngulo de torsin n en una seccin de un eje donde el par
de torsin Tn se aplica lentamente, se obtiene derivando la energa de deformacin del
eje con respecto a Tn:
nn T
U=
(2.9)
Donde:
n = ngulo de torsin donde el par de torsin Tn se aplica lentamente.
= nTU / Derivada parcial de la energa de deformacin con respecto al par de torsin Tn.
El clculo de la deflexin xn por el teorema de Castigliano, se simplifica si la
derivacin respecto a la carga Pn se efecta antes de integrar o sumar.
En el caso de una viga, por ejemplo:
dx
EIMU
L= 02
2 (2.10)
Donde:
U= Energa de deformacin.
E= Mdulo de elasticidad.
I= Momento de inercia.
Y se determina la deflexin xj del punto de aplicacin de la carga Pj
escribiendo
dx
PMx
EIM
PUx
n
L
nn
=
= 0
(2.11)
2.1.3.2.2.2 Teorema de los tres momentos [11]
Cuando se trabaja con vigas con ms de un tramo, las reacciones no pueden
ser calculadas estticamente. Una forma de resolverlas es aplicando el Teorema de los
Tres Momentos, el cual puede ser utilizado tambin para resolver vigas de un slo
tramo. Esta ecuacin puede ser expresada de la siguiente manera:
( )
1
111111
662
+++
+++ =+++n
nn
n
nnnnnnnnn l
aAl
aAlMllMlM
(2.12)
Donde:
Mn-1, Mn, Mn+1 = Momentos flectores en los apoyos n-1, n, n+1.
Ln, Ln+1 = Longitud de los tramos n, n+1.
An, An+1 = reas del diagrama de momento flectores de las cargas sobre los tramos n,
n+1.
an = Distancia del centro del diagrama de momentos flectores del tramo n al apoyo n-
1.
an+1 = Distancia del centro del diagrama de momentos flectores del tramo n+1 al
apoyo n+1.
Figura 2.4 Viga estticamente indeterminada.
Una vez hallados los momentos flectores en todos los apoyos de una viga
continua se proceder a calcular las reacciones a travs de la ecuacin 2.13
111
++ ++++=
n
nn
n
nnnnn l
MMl
MMRRR
(2.13)
Donde y
son las reacciones en n debidas a las cargas en los tramos lnR nR n y
ln+1.
2.1.4 Instrumentacin de un banco pruebas
Un banco de pruebas debe estar para propiciar diferentes condiciones de
operacin y as poder realizar distintas mediciones de las variables de acuerdos a las
condiciones de operacin de los equipos.
En un banco de pruebas se realizan pruebas de funcionamiento a las bombas
reciprocantes, donde se miden las condiciones de operacin de las bombas y se
comparan con las condiciones ptimas de funcionamiento; en estas pruebas de
funcionamiento se toman mediciones de:
Presin Caudal Temperatura del fluido y del sistema de lubricacin. Velocidad de rotacin del motor. Torque y Potencia.
Medicin de Vibraciones. 2.1.4.1 Presin
La presin se define como fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de
rea. En ingeniera, el trmino presin se restringe generalmente a la fuerza ejercida
por un fluido por unidad de rea de la superficie que lo encierra. De esta manera, la
presin (P) de una fuerza (F) distribuida sobre un rea (A), se define como:
AFP =
(2.14)
2.1.4.1.1 Instrumentos para medicin de la presin [12]
a. Instrumentos mecnicos
Estos instrumentos se conocen principalmente como Manmetros. En ellos
la presin aplicada se balancea contra una columna de lquido (figura 2.5). El lquido
sube en el tubo hasta que el peso de la columna balancea la presin aplicada.
Estos instrumentos encuentran su mayor aplicacin en laboratorios y como
patrones para calibracin de otros instrumentos de presin.
El lquido utilizado depende del rango de presin a medir, pero generalmente
se emplea agua, compuestos orgnicos o mercurio.
Figura 2.5. (a) Manmetro de presin absoluta, (b) Manometro de tubo en U
Los instrumentos mecnicos utilizados para medir presin cuyas
caractersticas se resumen en la tabla 2.2, pueden clasificarse en:
Manmetro de Presin Absoluta (Pman + PBar)
Manmetro de Tubo en U (diferencial). Manmetro de Pozo. Manmetro de Tubo Inclinado. Manmetro Tipo Campana.
b. Instrumentos Elsticos:
Bsicamente estn diseados bajo el principio que establece que la deflexin
sufrida por un elemento elstico es proporcional a la presin aplicada. Se utilizan para
medir desde bajas presiones y vaco, presiones absolutas y diferenciales. Entre los
instrumentos elsticos estn el tubo bourdon, fuelle y diafragmas.
Tubos Bourdon. Fuelles. Diafragmas.
Tabla 2.2 Principales caractersticas de los instrumentos para medir presin.
Tipo de instrumento Campo de medida o
Rango ptimo
Exactitud
(%) Tubo en U 20-120cm H2O 0,5-1,0 Manmetro de pozo 10-300cm H2O 0,5-1,0 Tubo Inclinado 1-120cm H2O 0,5-1,0 Manmetro Campana 0,5-100cm H2O 0,5-1,0 Bourdon Simple 0,5-600kg/cm2 2,0 Bourdon Espiral 0,5-2500kg/cm2 1,5 Bourdon Helicoidal 0,5-5000kg/cm2 1,5 Fuelle 10cm H2O - 2 kg/cm2 2,0 Diafragma 5cm H2O - 2 kg/cm2 1,5 Transductor Resistivo 0,5-350kg/cm2 0,5 Transductor Capacitivo 0-420kg/cm2 0,2 Transductor Magntico 0,5-700kg/cm2 0,2 Transductor Piezoelctrico 0,5-350kg/cm2 0,2
c. Instrumentos electromecnicos y electrnicos
Estos instrumentos generan una seal elctrica la cual puede ser aplicada y
condicionada luego para que rena los requerimientos del sistema de control.
La mayora de los instrumentos electromagnticos de presin, incorporan uno
de los instrumentos primarios de medicin de presin discutidos previamente
(instrumentos elsticos). El hecho de que la energa del proceso sea transformada en
una seal elctrica, a partir de un movimiento mecnico, hace que a estos
instrumentos se les d el nombre de Transductores.
Los instrumentos electromecnicos y electrnicos utilizados para medir
presin pueden clasificarse en:
Transductores de Presin Resistivos Transductores de Presin Capacitivos Transductores de Presin Magnticos Transductores de Presin Piezoelctricos
2.1.4.2 Medicin de flujo
La medicin de flujo es uno de los aspectos ms importantes en el control de
procesos; de hecho, bien puede ser la variable ms comnmente medida. Existen
muchos mtodos confiables y precisos para medir flujo. Algunos son aplicables
solamente a lquidos, otros solamente a gases y vapores; y otros a ambos.
Es necesario conocer el principio de operacin y caractersticas de
funcionamiento de los diferentes medidores de flujo disponibles. Sin tal
conocimiento, es difcil seleccionar el medidor ms apropiado para una determinada
aplicacin.
De acuerdo al principio de operacin, los medidores de flujo pueden ser
agrupados de la siguiente manera:
Medidores diferenciales (Head Meters). Medidores de desplazamiento positivo. Medidores de rea variable. Medidores volumtricos. Medidores de flujo msico. 2.1.4.2.1 Medidores de flujo diferenciales
Los medidores de flujo de tipo diferenciales son los ms comnmente
utilizados. Entre ellos pueden mencionarse: la placa de orificio, el tubo Venturi, el
tubo Pitot, la tobera y el medidor de impacto (Target). Estos miden el flujo de un
fluido indirectamente, creando y midiendo una presin diferencial por medio de una
obstruccin al flujo. El principio de operacin se basa en medir la cada de presin
que se produce a travs de una restriccin que se coloca en la lnea de un fluido en
movimiento, esta cada de presin es proporcional al flujo. La proporcionalidad es
una relacin de raz cuadrada, en la cual el flujo es proporcional a la raz cuadrada del
diferencial de presin (ecuacin 2.15).
( )412
=V
tgH
aQ
(2.15)
Donde:
Qt= Caudal terico (m3/s).
= Relacin de dimetros d/D.
d= Dimetro del orificio (m).
D= Dimetro de la tubera (m).
Hv= Diferencia de presin efectiva (Pa).
a= rea transversal de la restriccin (m2).
2.1.4.2.2 Medidores de flujo de desplazamiento positivo
Los medidores de desplazamiento positivo son dispositivos que separan la
corriente de flujo en segmentos volumtricos individuales. Un volumen conocido de
fluido se asla mecnicamente en el elemento del medidor, y es pasado desde la
entrada de este hasta su salida, llenando y vaciando alternadamente los
compartimientos o cmara del medidor, (figura 2.6). Las partes mecnicas del
medidor se mueven aprovechando la energa del fluido. El volumen total de fluido
que pasa a travs del medidor en un perodo de tiempo dado, es el producto del
volumen de la muestra por el nmero de muestras. Los medidores de flujo de
desplazamiento positivo frecuentemente totalizan directamente el flujo en un
contador integral, pero tambin pueden generar una salida de pulso que puede ser
leda localmente o transmitida a una sala de control.
Figura 2.6. Medidor de disco oscilante.
Los medidores de desplazamiento positivo pueden clasificarse, de acuerdo al
movimiento del elemento de medicin, en:
Disco oscilante
Pistn oscilante
Tipo rotacin
Pistn reciprocante
La mayora de estos medidores se utilizan en aplicaciones para lquidos, sin
embargo, existen algunas versiones disponibles para gases.
2.1.4.2.3 Medidores de flujo de rea variable
Mientras que la placa de orificio mantiene una restriccin constante al flujo, y
la cada de presin resultante aumenta al aumentar el flujo, el rotmetro vara el rea
de la restriccin para mantener una cada de presin constante. Un rotmetro est
constituido por un tubo vertical de rea interna variable, a travs del cual se mueve el
flujo en sentido ascendente, figura 2.7. Un flotador, bien sea esfrico o cnico, que
tiene una densidad mayor que la del fluido, crea un pasaje anular entre su mxima
circunferencia y el interior del tubo. La exactitud de un rotmetro puede variar entre
0,5 y 5% de la tasa de flujo. El rango puede variar desde pequeas cantidades de
flujos hasta 3.000 galones por minutos. Puede medir flujo de lquidos, gases y
vapores, y es insensible a las configuraciones de tubera aguas arriba.
Figura 2.7 Principio de operacin del rotmetro.
2.1.4.2.4 Medidores de flujo volumtricos
Un medidor de velocidad, utilizado para medir flujo volumtrico, puede
definirse como un medidor en el cual la seal del elemento primario es proporcional a
la velocidad del fluido. Utilizando la ecuacin:
AvQ .=
(2.16)
Donde:
Q: Tasa de flujo (m3/s).
v: Velocidad del fluido (m/s).
A: rea transversal de la tubera (m2).
Puede observarse que la seal generada es lineal con respecto al flujo
volumtrico. Los medidores de tipo volumtricos son menos sensibles a las
variaciones en el perfil de velocidad del fluido, cuando se les compara con los
medidores de flujo de tipo diferencial.
2.1.4.2.5 Medidores de flujo msico
La necesidad de tener medidores de flujo ms precisos en procesos de
transferencia de masa, ha incentivado el desarrollo de medidores de flujo de masa.
Existen dos tipos principales de medidores de flujo que determinan directamente el
flujo msico. Estos medidores son el Medidor Trmico y el Medidor Coriolis.
2.1.4.3 Medicin de nivel
Hay una gran variedad de tcnicas por medio de las cuales se puede
medir el nivel de lquidos o slidos en equipos de procesos. La seleccin de la
instrumentacin adecuada depende de la naturaleza del proceso; del grado de
exactitud y control requeridos y del aspecto econmico. A continuacin se describen
los principales mtodos e instrumentos utilizados en la medicin de nivel.
2.1.4.3.1 Tipos de instrumentos para medir nivel
Al igual que otras variables de proceso, el nivel puede ser medido por
mtodos directos o mtodos indirectos. Los mtodos e instrumentos utilizados para
medicin de nivel pueden clasificarse de la siguiente manera:
Mtodos visuales. Instrumentos actuados por flotadores. Desplazadores. Instrumentos de nivel de tipo hidrostticos. Mtodos electrnicos. Mtodos trmicos. Mtodos snicos. Instrumentos fotoelctricos. Instrumentos radioactivos. Los instrumentos de medicin directa se dividen en:
Sonda. Cinta y plomada. Nivel de cristal. Instrumentos de flotador. Mientras que los instrumentos que miden el nivel aprovechando la presin
hidrosttica se dividen en:
Medidor manomtrico. Medidor de tipo burbujeo. Medidor de membrana. Medidor de presin diferencial de diafragma. 2.1.4.4 Medicin de temperatura
Existen diferentes sensores que se utilizan en la industria de procesos para
medir la temperatura, entre los que se pueden mencionar:
Termmetro de bulbo (lquido, gas y vapor). Termmetros bimtalicos. Termopares. Termmetros de resistencia. Termistores. Pirmetros de radiacin. La seleccin y especificacin apropiada de un instrumento de temperatura,
depende mucho del conocimiento de los diferentes tipos de sensores disponibles, de
sus limitaciones y de consideraciones prcticas.
2.1.4.5 Vlvulas
Las vlvulas son dispositivos que se utilizan para cerrar (bloquear),
estrangular o impedir el flujo reverso del fluido en las distintas unidades o sistemas
para los cuales se emplear. [13] Las funciones de las vlvulas, ms que cualquier otra
cosa son las que limitan la eleccin. Las funciones de las vlvulas se agrupan en
cuatro categoras:
a. Servicio de corte y paso:
- Vlvulas de compuerta.
- Vlvulas de macho.
- Vlvulas de bola.
b. Servicio de estrangulacin:
- Vlvulas de globo.
- Vlvulas de mariposa.
- Vlvulas de diafragma.
- Vlvulas de compresin.
c. Prevencin de flujo inverso
- Vlvulas de retencin (check).
d. Diversos
Las vlvulas de control, las vlvulas de solenoide, etc. (Se suelen considerar
como parte de los instrumentos).
2.1.4.5.1 Vlvula de compuerta
Este tipo de vlvula se emplea o utiliza totalmente cerrada o abierta; esta
vlvula abre mediante el levantamiento de una compuerta o cuchilla (la cual puede
ser redonda o rectangular) y as permitir el paso del flujo. La figura 2.8 muestra una
vlvula de compuerta de gran dimensin.
Figura 2.8. Vlvulas de compuerta.
2.1.4.5.2 Vlvula de macho
Las vlvulas de macho (figura 2.9) poseen un dispositivo de cierre u obturador
que est formado por una especie de tapn troncocnico el cual gira sobre su eje
central. La apertura del obturador se realiza girando sobre su propio eje mediante una
palanca. Se aplican en dimetros muy grandes, para dar paso o cortar el flujo.
Figura 2.9. Vlvulas de macho.
2.1.4.5.3 Vlvula de bola
Una vlvula de bola (figura 2.10), conocida tambin como de "esfera", es un
mecanismo que sirve para regular el flujo de un fluido canalizado y se caracteriza
porque el mecanismo regulador situado en el interior tiene forma de esfera perforada.
Se abre mediante el giro del eje unido a la esfera o bola perforada, de tal
forma que permite el paso del fluido cuando est alineada la perforacin con la
entrada y la salida de la vlvula. Cuando la vlvula est cerrada, el agujero estar
perpendicular a la entrada y a la salida. La posicin de la maneta de actuacin indica
el estado de la vlvula (abierta o cerrada).
Figura 2.10. Vlvulas de bola.
2.1.4.5.4 Vlvula de globo
La caracterstica comn de estas vlvulas es su construccin interna que
incluye un disco o macho, que tiene movimiento alternado dentro del cuerpo y que
acopla con el asiento al cerrarla. La figura 2.11 muestra una vlvula de globo.
Figura 2.11. Vlvulas de globo.
2.1.4.5.1 Vlvula de mariposa
Las vlvulas de mariposa (Figura 2.12) son empleadas principalmente para el
cierre y estrangulacin de grandes volmenes de gases y lquidos a baja presin, as
como para pastas aguadas o lquidos con muchos slidos en suspensin, ya que no
permiten la acumulacin de sedimentos.
Figura 2.12. Vlvulas de mariposa.
2.1.4.5.6 Vlvula de retencin
Son vlvulas integrales que estn destinadas a impedir la inversin del flujo en
las tuberas. Principalmente, su funcionamiento es automtico y se mantienen abiertas
por la presin del flujo que circula. Slo se cierra con el paso del mecanismo de
retencin o por la contrapresin cuando se invierte el flujo. La figura 2.13 muestra el
corte de una vlvula de retencin.
Figura 2.13. Vlvulas de retencin.
2.1.4.5.7 Vlvula de alivio
Las vlvulas de alivio de presin (figura 2.14), tambin llamadas vlvulas de
seguridad, estn diseadas para liberar fluido cuando la presin interna supera el
umbral establecido. Su misin es evitar una explosin, el fallo de un equipo o tubera
por un exceso de presin. Existen tambin las vlvulas de alivio que liberan el fluido
cuando la temperatura supera un lmite establecido. Estas vlvulas son llamadas
vlvulas de alivio de presin y temperatura.
Figura 2.14. Vlvulas de alivio.
En la tabla 2.3 se muestras una gua para la seleccin de vlvulas.
Tabla 2.3. Gua para seleccin de vlvulas [14]
Tipo Gama de
tamao
(pulgadas)
Capacidad
presin,
(PSI)
Capacidad
temperatura,
F
Materiales de
Construccin Servicio
Globo 1/2 a 30 Hasta 2500 Hasta 1000 Bronce, hierro, acero, acero inoxidable, aleaciones especiales.
Estrangulacin y cierre con lquidos limpios.
Angulo 1/8 a 10 Hasta 2500 Hasta 1000 Bronce, hierro, acero, cero inoxidable, aleaciones especiales
Estrangulacin y cierre para lquidos limpios, material viscoso o pastas aguadas.
Compuerta a 48(mayores en ngulos
tipos)
Hasta 2500 Hasta 1800 Bronce, hierro, acero, Acero inoxidable, aleaciones especiales.
Cierre (estrangulacin limitada), lquidos limpios y pastas aguadas.
Mariposa hasta 2 o ms Hasta 2000 (cada
limitada de
presin)
Hasta 2000
(temperaturas mas
bajas si tienen
camisas o asientos
blandos)
Materiales para fundir o maquinar. Las camisas pueden ser de plstico, caucho o cermica.
Estrangulacin (cierre con asientos o tipos especiales), Lquidos limpios y pasta. aguadas.
Macho Hasta 80 Hasta 5000 Hasta 600 Hierro, acero, acero inoxidable y diversas aleaciones. Disponibles con camisa completa de caucho o plstico.
Cierre (estrangulacin en algunos tipos)
Bola 5/8 a 42 Hasta 10000 Criognica hasta 1000
Hierro, acero, latn, bronce, acero inoxidable; plstico y aleaciones especiales para aplicaciones nucleares. Camisa completa de plstico.
Estrangulacin y cierre; lquidos limpios, materiales viscosos y pastas aguadas.
Desahogo hasta 6 (entrada)
Hasta 10000 Criognica hasta
1000
Hierro, bronce, acero, acero inoxidable, acero al nquel y aleaciones especiales.
Limitacin de presin
Aguja 1/8 a 1 Hasta 10000 Criognica hasta 500 Bronce, hierro, acero, acero inoxidable.
Estrangulacin suave y cierre con lquidos limpio
Retencin 1/8 a 24 Hasta 10000 Hasta 1200 Bronce, hierro, acero, acero inoxidable, aleaciones especiales.
Evitar circulacin inversa (los tipos especiales evitan exceso de circulacin).
2.2 BOMBAS Las bombas son mquinas que absorben energa mecnica y restituyen energa
hidrulica a un fluido. Las bombas se emplean para impulsar toda clase de lquidos
(aguas, aceites de lubricacin, combustibles, cidos, lquidos alimenticios, cerveza,
leche, etc.; estas ltimas constituyen un grupo importante de bombas sanitarias).
Tambin se emplean para bombear lquidos espesos con slidos en suspensin, como
pastas de papel, melazas, fangos, desperdicios, etc. [7]
2.2.1 Clasificacin de las bombas [9]
Las bombas se clasifican en:
1) Bombas rotodinmicas. Todas y slo las bombas que son turbomquinas pertenecen a este grupo.
- Estas son siempre rotativas. Su funcionamiento se basa en la ecuacin de
Euler; y su rgano transmisor de energa se llama rodete.
- Se llaman rotodinmicas por que su movimiento es rotativo y la dinmica
de la corriente juega un papel esencial en la transmisin de la energa.
2) Bombas de desplazamiento positivo. A este grupo pertenecen no slo las bombas alternativas, sino las llamadas rotoestticas porque son rotativas, pero en ellas
la dinmica de la corriente no juega un papel esencial en la transmisin de la energa.
Su funcionamiento se basa en el principio de desplazamiento positivo.
2.2.2 Bombas Reciprocantes
Las bombas reciprocantes (figura 2.15) son bombas de desplazamiento
positivo. stas descargan una cantidad definida de lquido durante el movimiento del
pistn o mbolo a travs de la distancia de carrera. Sin embargo, no todo el lquido
llega necesariamente al tubo de descarga debido a escapes o arreglo de pasos de
alivio que puedan evitarlo. La bomba reciprocantes no requiere velocidad para
producir presin, pues se pueden obtener presiones altas a bajas velocidades. Esta es
una de las ventajas de las bombas reciprocantes, en particular para manejar pastas
aguadas abrasivas y lquidos muy viscosos. [9]
Entre las aplicaciones tpicas de las bombas reciprocantes estn: Inyeccin de
agua salada, eliminacin de agua salada, sistemas de oleoductos, sistemas hidrulicos,
pruebas hidrulicas, manejo de pastas aguadas, dosificacin de lquidos,
homogenizacin de productos alimenticios, entre otros.
Figura 2.15. Bomba Reciprocante Marca Gardner Denver. [15]
2.2.2.1 Clasificacin de las bombas reciprocantes
Las bombas reciprocantes, por lo general, se clasifican segn:
El extremo de impulsin, es decir, potencia o accin directa. La orientacin de la lnea de centros del elemento de bombeo, es decir, horizontal o vertical.
El nmero de carreras de descarga por ciclo de cada biela, es decir, accin sencilla o doble accin.
La configuracin del elemento de bombeo: pistn, mbolo o diafragma. El nmero de varillas o bielas de mando, es decir, smplex, dplex o mltiplex.
En la figura 2.16 se muestra la clasificacin de las bombas en forma grfica
Figura 2.15. Clasificacin de las bombas reciprocantes[7]
2.2.3 Mantenimiento y Pruebas a Bombas Reciprocantes
Las bombas reciprocantes son de amplio uso en la industria petrolera, su
aplicacin se extiende desde el transporte de petrleo hasta la estimulacin de pozos a
travs de la inyeccin de agua salada; a estos equipos es necesario realizarle
mantenimiento en todos sus niveles (predictivo, preventivo y correctivo), para as
poder optimizar la produccin y los costos.
Cuando las bombas reciprocantes se encuentran en servicio, el operador debe
hacerle seguimiento a stas para observar posibles anormalidades tales como: fugas,
condiciones operacionales, vibraciones y otras. Entre los parmetros que se deben
inspeccionar durante el funcionamiento de las bombas reciprocantes estn: presin,
temperatura, caudal de fluido manejado, temperatura y presin del agua de
enfriamiento, niveles de ruidos, temperatura de los cojinetes, niveles y presiones de
aceite de lubricacin y fluido de sello, entre otras.
Entre las fallas ms comunes de las bombas reciprocantes estn: corta
duracin de las empaquetaduras, dao en el prensaestopas, desgastes en las camisas
de los cilindros, desgastes en los cigeales, entre otros; todas estas fallas requieren
un desarme de las bombas para su reparacin. Cuando las bombas reciprocantes son
reparadas se necesita una garanta del servicio por parte del ente que realiz el
servicio, bien sea verificando las condiciones de operacin durante la instalacin de
las mismas en el lugar de operacin o a travs de un banco de pruebas.
CAPTULO 3
METODOLOGA Un banco de pruebas es un sistema que tiene por objeto la verificacin y
control del funcionamiento de un equipo y al mismo tiempo permite conocer si este
equipo se ajusta a las condiciones de funcionamiento especificadas. Se disea a modo
de establecer una similitud con el trabajo que efecta el equipo en el proceso de
produccin.
En este captulo se describir la metodologa utilizada para la ubicacin y
diseo del banco de pruebas de acuerdo a criterios y normas especficas.
3.1 DESCRIPCIN DEL BANCO DE PRUEBAS 3.1.1 Principio de funcionamiento
En el banco de pruebas se ensayarn las bombas que entran al taller de
bombas luego de ser reparadas. En l se medir el caudal de las bombas a ensayar a
travs de un caudalmetro, la presin de succin y descarga por medio de
manmetros, las rpm del motor de las bombas, adems de monitorear el nivel del
tanque de suministro de lquido con el fin de que no succione aire. Adems este debe
contar con una tubera de alivio para proteger las tuberas de succin y descarga, y los
equipos cuando exista un exceso de presin y tambin tendr una tubera de
recirculacin para el retorno del fluido desde la tubera de descarga a la de succin
cuando se requiera.
3.1.2 Descripcin fsica del banco de pruebas
En la figura 3.1 se muestra un esquema del banco de pruebas con los
elementos principales que lo conforman, los cuales son:
1) Un tanque de almacenamiento el cual contendr agua como lquido de
prueba para las bombas.
2) Una tubera de succin que estar compuesta por una entrada a la tubera,
una vlvula de compuerta, un manmetro para medir la presin de succin y man-
guera para unir la tubera de succin con las bombas.
3) Una tubera de descarga la cual tendr una manguera de 4 pulgadas para
conectar las bombas a las tuberas, un medidor de caudal, un manmetro, una
vlvula de retencin adems de 3 codos.
4) Una tubera de alivio para evitar las sobrepresiones que se pueden
generar en las bombas. Esta tubera ser de 4 pulgadas y contar con dos codos de
90 y una vlvula de alivio.
5) Una lnea de recirculacin para ensayar la bomba sin necesidad que el
fluido retorne al tanque de almacenamiento. El dimetro de esta tubera ser de 4
pulgadas y contar con una vlvula de compuerta.
6) Un patn o sky, el cual tiene como finalidad evitar el excesivo
movimiento de las bombas durante su funcionamiento. Este patn es opcional ya que
muchas de las bombas que llegan a ser reparadas ya estn fijas sobre el patn que
utilizan cuando estn en el campo de produccin.
Adicionalmente las bombas que tengan la succin y descarga de dimetro
menor a las tuberas de succin y descarga del banco de pruebas dispondrn de
reducciones para poder ser acopladas al banco de pruebas y las bombas que tengan la
succin y descarga perpendicular a la succin y descarga del banco de pruebas se le
colocarn codos para ser acopladas al banco de pruebas.
3
4
26
5
1
Figura 3.1 Esquema del banco de pruebas
3.2 DISEO DEL BANCO DE PRUEBAS 3.2.1 Ubicacin del banco de pruebas en el taller de bombas
Actualmente el Taller de Bombas de la superintendencia de Talleres del
Distrito Social San Tom se encuentra en remodelacin con el fin de ofrecer un mejor
servicio y mayor seguridad tanto a los trabajadores como a los clientes de PDVSA.
El plano de remodelacin (Figura 3.2), muestra que el taller se dividir en dos
galpones, uno destinado para el rea de armado y reparacin de bombas de subsuelo y
otro destinado para el rea de mantenimiento de las bombas de superficie. De acuerdo
a las lneas de procesos indicadas en el plano, el lugar adecuado para la ubicacin del
banco de pruebas ser el rea marcada (Figura 3.3), ya que se aprovechara el espacio
que est afuera del galpn para colocar el recipiente de almacenamiento y habra
mayor comodidad para trasladar los equipos desde cualquier ubicacin dentro del
taller hasta el banco de pruebas.
Figura 3.2. Plano del taller de Bombas
rea donde
estar ubicado el banco de pruebas
Figura 3.3 Plano del rea de bombas de superficie.
3.2.2 Lmites operacionales del banco de pruebas
Para el diseo del banco de pruebas se deben conocer los lmites
operacionales de las bombas, para ello se estudiarn las bombas que con ms
frecuencia entran al taller. Por esta razn primero se consult el historial de los
equipos que llegaron al taller para reparar durante los aos 2006, 2007 y 2008,
obteniendo los datos de las tablas 3.1, 3.2 y 3.3. Entre las bombas que frecuentemente
entren al taller se seleccionarn las bombas que manejen mayor caudal y mayor
presin para establecer los lmites operacionales.
Tabla 3.1 Cantidad de bombas registradas en el taller de bombas durante los aos
2006, 2007 y 2008.
2006 2007 2008 Total Centrfugas 72 79 63 214 Reciprocantes 73 70 75 218 Total 145 149 138 432
Tabla 3.2 Cantidad de bombas reciprocantes registradas en el taller de bombas
reparadas en talleres internos y externos durante los aos 2006, 2007 y 2008.
2006 2007 2008 Total Talleres Internos 35 37 36 108 Talleres Externos 38 33 39 110
73 70 75 218 3.2.3 Fluido a utilizar por el banco de pruebas
El fluido a utilizar es agua a temperatura ambiente ya que sta se utiliza en la
mayora de las pruebas hidrosttica para ensayar bombas de todo tipo debido a que
presenta mayor peso especfico con respecto a los muchos fluidos que manejan estas
bombas, en especial el petrleo. Las propiedades del agua se muestran en la tabla 3.4.
Tabla 3.3 Modelos de bombas reciprocantes registrada en el taller de bombas durante
los aos 2006, 2007 y 2008.
Marca y Modelos 2006 2007 2008 Total Gaso 2652 12 13 11 36 Gaso 1753 4 3 5 12 Gardner Denver y Wilson Snyder 10x5x10 5 4 4 13 Gardner Denver ta4 y ta-5 7 5 7 19 Gaso 3775 2 3 3 8 Gardner Denver 6x4x6 27 28 30 85 Whethley quintuplex 5 3 2 10 National (165t y j-165) 2 4 4 10 Gaso y Gardner Denver (5x10) 2 2 2 6 Gardner Denver (7-1/4x10) 2 1 1 4 Gardner Denver (7x4-1/2x10) 1 2 3 6 Gardner Denver (fxofxo) 2 2 1 5 otras 2 0 2 4 total 73 70 75 218
Tabla 3.4 Propiedades del agua [16]
Temperatura (C) 30Densidad (Kg/m3) 995,6Viscosidad (centipoise) 0,8
Volumen Especifico (m3/kg) 1,0004X10-3
Viscosidad dinmica (Pa.s) 0,85Viscosidad cinemtica (m2/s) 0,854
3.2.4 Diseo de las tuberas
Para el diseo de las tuberas de succin y de descarga se seleccionaron
dimetros tentativos y se determinaron las cadas de presin, para luego compararla
con la cada de presin permisible y de cumplir con estas se proceder a calcular el
espesor de las tuberas para determinados dimetros.
3.2.4.1 Factor de friccin [17]
Este factor se utilizar para calcular las cadas de presin en tuberas rectas;
est en funcin del nmero de Reynolds (Re) y la rugosidad relativa de la pared de la
tubera ( /d). El factor de friccin de Fanning no debe ser confundido con el factor de friccin de Moody el cual es cuatro veces mayor.
Si el flujo es laminar (Re4000) el flujo es turbulento
por lo que se recomienda utilizar la ecuacin de Halland (3.8) para determinar el
factor de friccin.
211,1
7,3/
Re9,6log6,3
+
= df (3.8)
El factor representa la rugosidad absoluta de las paredes internas de la tubera en milmetros (mm) o pulgadas (pulg). Una vez determinado el factor de
friccin se puede determinar las cadas de presin a travs de las siguientes
ecuaciones:
3.2.4.2 Cada de presin por friccin en tubera recta [17]
La cada de presin en cada tramo de tubera debido a la friccin se calcular
a travs de la ecuacin 3.9.
5
2
8 dfLQFPf
= (3.9) Donde:
Pf = Cada de presin por friccin (kPa o Psi)
L = Longitud de la tubera (m o pie)
F8 = Factor que depende de las unidades usadas (3,24x106 o 8,63x10-4).
3.2.4.3 Espesor de las tuberas
Se debe calcular el espesor de la tubera que pueda soportar la presin que el
fluido ejerce sobre las paredes de las tuberas, para ello se utilizar las siguientes
ecuaciones del Manual de Diseo de procesos de PDVSA. [18]
Considerando que el sistema soportar la mayor presin se procedi a
calcular el espesor de pared de la tubera mediante la ecuacin 3.3:
875,0875,0
cttt mn+= (3.3)
Donde t es dado por la ecuacin 3.4:
SEF
PDt1
0= (3.4) Donde:
tn= Espesor de pared, (mm o pulg)
tm= Mnimo espesor de pared que satisface los requerimientos de presin ms las
permisibilidades de la profundidad de rosca la corrosin y la erosin. (mm) o (pulg).
(La mayora de las especificaciones permiten al constructor un 12,5% de tolerancia
dimensional. Por lo tanto, antes de escoger el espesor de la pared (Ver anexo A.5)
debe dividirse tm por 0,875.
t= Mnimo espesor a la presin de diseo. (mm o pulg).
c= Corrosin permisible, erosin y profundidad de rosca. (mm o pulg).
P= Presin interna de diseo. (kPa man. o psig).
D0= Dimetro externo de la tubera (mm o pulg).
S= Esfuerzo permitido (Mpa o psi).
E= Factor longitudinal de soldadura de ANSI B31.1, Tabla 302.4.3. Para tubera sin
costura E=1.0.
F1= Factor que depende de las unidades usadas. (2000 o 2).
3.2.5. Diseo del tanque de almacenamiento
El tanque ser superficial debido principalmente a los costos en su
fabricacin, adems de su facilidad para el mantenimiento y mejor recorrido para la
aspiracin de las bombas a ensayar. El tanque ser cilndrico debido a los siguientes
motivos:
- Forman poca turbulencia.
- Facilita el servicio, mantenimiento y eliminacin de los desechos.
- Requieren menor cantidad de material para su construccin.
- Se hace ms seguro y menos propenso a la ruptura debido a la poca cantidad
de juntas.
- Es ms econmico.
- El tanque ser colocado de forma vertical para ocupar menos espacio en el
taller.
3.2.5.1 Volumen mnimo de lquido que debe tener el tanque
Para que las bombas no aspiren aire, lo que pudiera producir un
funcionamiento incorrecto, se debe calcular el volumen de lquido que se puede
almacenar en las tuberas y accesorios, y luego el volumen resultante ser el volumen
mnimo de agua que debe contener el tanque, para ello se calcular el volumen
interno que tienen las tuberas y accesorios.
3.2.5.2 Espesor de pared del tanque de abastecimiento
El espesor de pared se calcular por el mtodo de un pie establecido en la
norma API 650 el cual viene dado por las siguientes ecuaciones:
CA
SGHDxt
dd += )48,30(0005,0
