Bomba de Lodos

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BOMBAS RECIPROCANTES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO Las bombas de desplazamiento positivo convierten el torque y el movimiento rotatorio en movimiento lineal del fluido y en fuerza, generando un flujo variable a la descarga. Estas bombas no tienen una limitación teórica en la presión de descarga Y el flujo es función de la carrera o de la velocidad de giro. Requieren una presión de fluido suficiente a la entrada, para prevenir la liberación de gases disueltos y/o un cambio de estado de líquido a gas del fluido bombeado; a lo que se llama Carga neta positiva de succión (Net Positive Inlet Pressure NPSH) . Más adelante en este documento, se tratará el tema a detalle. (API 674) EFICIENCIA La eficiencia a la succión debe ser lo suficientemente alta para ayudar a la bomba a mantener su eficiencia de descarga. Los dos tipos de sistemas de succión son el atmosférico y el precargado. El método más exitoso para corregir los problemas de succión en las bombas de lodos, es el uso de bombas centrífugas. Su empleo sirve para: eliminar cargas de choque, suavizar la operación, incrementar la vida de cojinetes y para aplicar mayores velocidades de operación. También ayuda a manejar mejor los fluidos con aire. ST Consulting BRAKE HORSE POWER La potencia efectiva de una bomba (BHP) se da mediante:

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BOMBAS RECIPROCANTES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Las bombas de desplazamiento positivo convierten el torque y el movimiento rotatorio en movimiento lineal del fluido y en fuerza, generando un flujo variable a la descarga. Estas bombas no tienen una limitación teórica en la presión de descarga Y el flujo es función de la carrera o de la velocidad de giro.

Requieren una presión de fluido suficiente a la entrada, para prevenir la liberación de gases disueltos y/o un cambio de estado de líquido a gas del fluido bombeado; a lo que se llama Carga neta positiva de succión (Net Positive Inlet Pressure NPSH). Más adelante en este documento, se tratará el tema a detalle. (API 674)

EFICIENCIA

La eficiencia a la succión debe ser lo suficientemente alta para ayudar a la bomba a mantener su eficiencia de descarga. Los dos tipos de sistemas de succión son el atmosférico y el precargado.

El método más exitoso para corregir los problemas de succión en las bombas de lodos, es el uso de bombas centrífugas. Su empleo sirve para: eliminar cargas de choque, suavizar la operación, incrementar la vida de cojinetes y para aplicar mayores velocidades de operación. También ayuda a manejar mejor los fluidos con aire.

ST Consulting

BRAKE HORSE POWERLa potencia efectiva de una bomba (BHP) se da mediante:

Donde: Qd = flujo volumétrico entregado en gpm; Pd = Presión de descarga en psig; Ps = Presión de succión en psig y m = eficiencia mecánica en %.

Sin embargo, cuando la presión de succión es mayor que el 10% de la presión de descarga, se utiliza (MIM – Marks):

API 674 especifica una curva para la reducción de la velocidad de giro de la bomba, de acuerdo a la viscosidad del fluido cuando ésta excede de 65 mm2/s.

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Asimismo, para la selección de la bomba API recomienda emplear una eficiencia volumétrica no mayor al 95%. Esta eficiencia debe ser reducida lo necesario para permitir la compresibilidad del fluido. El comprador debe proporcionar esta información.

En la determinación de la potencia requerida, la eficiencia de la bomba no debe ser tomada mayor al 95% ; si la potencia se acopla a través de reductores de velocidad, la eficiencia no debe ser tomada mayor al 92%.

EFICIENCIA VOLUMÉTRICA La eficiencia volumétrica v es la relación entre el flujo de volumen de descarga y el flujo de volumen de succión, expresado en % + deslizamiento

Generalmente se tiene un 96 o 97% de eficiencia volumétrica, las pérdidas son debidas a que las válvulas no se abren y cierran instantáneamente. Esta eficiencia baja de acuerdo al incremento en la viscosidad del lodo y a la presencia de aire en el sistema. La presencia de aire puede bajar la eficiencia de la bomba a un 50% o menos, el sistema de limpieza juega un papel muy importante en la entrada de aire al lodo y su diseño debe dar el tiempo suficiente al lodo para eliminar el aire antes de que éste entre al múltiple de succión y pueda ocasionar cavitación, daños y pérdida de eficiencia de la bomba.

En resumen, la eficiencia volumétrica de una bomba de lodos depende entre otros factores, principalmente de:- La entrada de aire en el lodo- La eficiencia propia de la bomba de lodos - La viscosidad del lodo- Las fugas en el lado de presión de la bomba

Jim Agnew and Jerry WatsonINROCK Equipment Systems

Los líquidos sufren una compresión mientras pasan de la succión a la decarga; por lo tanto, el flujo volumétrico en la descarga es menor que en la succión. Los datos de capacidad y características del fluido, casi siempre se especifican en las condiciones de succión de la bomba, ya que generalmente se desconocen las características a la descarga. Además, si el sistema incluye un medidor de flujo, generalmente se localiza del lado de succión para no tener que emplear uno a alta presión a la descarga. (Kenneth)

v = Qd / D donde:

Qd = flujo volumétrico entregado en gpmD = Desplazamiento de la bomba en gpm. Para una bomba tríplex: D = 3AlN

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donde: A = área del émbolo en pulg2; l = longitud de carrera en pulg y N = velocidad del cigüeñal en rpm.

Divídase D / 231 para convertir pulg3/min a gpm.

La bomba de lodos tríplex de alta velocidad, la bomba de lodos estándar en la perforación con direccionamiento horizontal (HDD), a menudo no es cebada (primed) con otra bomba como debería de ser. En la mayoría de los casos, con mucha suerte se consigue el 50% de eficiencia en bombas de lodos si no son cebadas apropiadamente.

EFICIENCIA MECÁNICALa eficiencia mecánica de una bomba con conexión directa al motor a plena carga, presión y velocidad, es entre 90 y 95%, dependiendo de su construcción, velocidad y tamaño. Esta eficiencia es afectada por la velocidad y por la presión desarrollada y a veces es mayor que la eficiencia de su motor.

Para una bomba con conexión al motor mediante engranes de una sola reducción o con banda en V, es de 88 a 90% (MIM-Marks)

En algunas bombas la eficiencia cambia cuando el diámetro del émbolo cambia; así, los émbolos grandes en bombas de baja velocidad, tienen menor eficiencia debido al aumento de las pérdidas de válvulas y empaquetaduras. Cuando se reduce la velocidad, también se reduce la eficiencia de la bomba.

La eficiencia mecánica se calcula de la siguiente manera:

Donde: Po = potencia de salida; Pi = potencia de entrada; Qd = flujo volumétrico entregado en gpm; Pd = Presión de descarga en psig; Ps = Presión de succión en psig

CARGA NETA POSITIVA DE SUCCIÓN (NPSH)

Para determinar si se requiere instalar una bomba centrífuga de precarga a la succión, requerimos:

- De las curvas de diseño que proporcione ya sea el cliente o el fabricante de los equipos, conocer la Carga Neta Positiva de Succión Requerida (NPSHR).

- Calcular la Carga Neta Positiva de Succión Disponible (NPSHA) del sistema, para lo que se necesita determinar: la carga estática SH, la carga atmosférica AH, las pérdidas por elevación (lift loss) LL, la presión de vapor VP, la carga

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de velocidad VH = V2/2g y la carga de aceleración AH; ya que la NSPHA se calcula mediante:

NPSHA = SH + AH – LL – VP – VH – AH (Pump Handbook)

Es una buena práctica el tener la NPSH del sistema de 3 a 5 lb/pulg2 mayor que la carga neta positiva de succión requerida (NPSHR), esto con la finalidad de prevenir la liberación de vapor así como la entrada de gases al sistema de succión.

En el cálculo de la NPSHA la carga de aceleración AH puede ser el factor más alto, en algunos casos, es 10 veces el total de todas las otras pérdidas. La AH se calcula de la siguiente manera:

donde:

L = longitud real del tubo de succión en pies, V = velocidad del fluido en el tubo de succión en pies/s, N = velocidad de rotación del cigüeñal en rpm, C= constante que depende del tipo de bomba, k = constante dependiente de la compresibilidad del fluido y g = valor de la gravedad en pies/s2.

Para una bomba triplex, C = 0.066; aunque este valor cambiará en caso de que se usen relaciones inusuales de la longitud del brazo de conexión a radio del cigüeñal, véase la sección correspondiente del Pump Handbook.

K = 1.4 para fluidos incompresibles como el agua desaerada, 1.5 para la mayoría de los líquidos y 2.5 para fluidos como el etano y el aceite caliente.

Se debe cuidar de no tener una presión de succión tan alta, ya que se perjudica la eficiencia mecánica (Kenneth).

De acuerdo a la Norma API 674 (Positive Displacement Pumps – Reciprocating):

NPSHA = Pa + Pz – Pf – Pvp – Pha Donde:

Pa = Presión absoluta en la superficie del líquido, en kPA abs (psia).

Pz = Carga estática (+) o elevación estática (-), en kPa (psi) para el nivel de fluido por encima o por debajo de la succión.

Pf = Pérdidas por fricción a la máxima viscosidad en la línea de entrada, válvulas y accesorios, en kPa (psi).

Pvp = Presión de vapor del fluido, en kPa abs (psia).

Pha = Caída de presión debido a la carga de aceleración, convertida a kPa (psi). Se calcula como se ilustró arriba.

Cuando la NPSHA < NPSHR, se recomiendan adecuaciones como las siguientes:

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- Incrementar la carga estática

- Incrementar la presión atmosférica

- Instalar una bomba centrífuga reforzadora al sistema

- Aumentar el diámetro de la tubería de succión

- Instalar un estabilizador o amortiguador de pulsaciones a la succión

- Reducir la velocidad de la bomba

VARIACIONES EN VELOCIDAD Y DESCARGA

La variación en velocidad y flujo en una bomba tríplex, es del 25% (7% por encima del promedio y 18% por debajo de éste. (Kenneth)

AMORTIGUADORES DE PULSACIONES Y ESTABILIZADORES DE FLUJOPump Handbook

Cualquier bomba reciprocante en conjunto con su sistema de tuberías y accesorios, conforman un sistema dinámico interactivo que no puede ser analizado con exactitud como dos sistemas separados; por lo tanto, es muy complicado para el diseñador de los sistemas de pulsaciones el proponer diseños basados en sistemas separados, que garanticen un buen desempeño. API 674.

Amortiguadores de pulsacionesSe usan para reducir las pulsaciones a la succión y a la descarga. Son especialmente útiles en bombas con pulsaciones altas de presión como son las dúplex y tríplex.

Una localización y dimensionamiento adecuado de los amortiguadores a la succión, pueden reducir las pulsaciones del sistema a un longitud de tubería equivalente de 5 a 15 diámetros. El amortiguador debe ser instalado en el mismo lado del múltiple de succión que la tubería; no al final de éste.

Estabilizador de flujo a la succiónSe aplican en bombas de pistón y de diafragma y ayuda a lo siguiente:- Elevar la cabeza de succión neta positiva disponible NPSHA del sistema- Prevenir el fenómeno de cavitación en la bomba- Prevenir la oscilación de la tubería.

De acuerdo a API 674, el nivel de pulsación a la succión y la descarga después de los controladores de pulsación, no debe exceder el calculado mediante:

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P1 = 3,500 / (ID*f)1/2 Donde:

P1 = nivel máximo permisible de pulsación en kPa (psi), de los componentes individuales de pulsación, correspondientes a las frecuencias harmónicas y fundamentales.

ID = Diámetro interno de tubería en mm (pulg).

F = Frecuencia de pulsación en Hertz, derivada de la siguiente expresión, en la que rpm es la velocidad de la bomba y n = 1, 2, 3, ..., correspondiente a la frecuencia fundamental y harmónicas.

F = [(rpm)*n] / 60

De acuerdo al fabricante de las bombas HYDAC, el diseño, selección y aplicación de los amortiguadores y estabilizadores, se dan de la siguiente manera:

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A continuación se presenta un ejemplo para su dimensionamiento:

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ANEXOSíntomas y posibles soluciones al sistema de una bomba típica horizontal reciprocante de desplazamiento positivo tríplex de acción sencilla; de 2,000 HP intermitentes (800 HP continuos).

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