La influencia de las etapas de selección, instalación y mantenimiento en la vida de los motores y generadores eléctricos de media tensión
Flaviano Santia´ de Carvalho
Gerente de Servicios de Media y Alta Tensión – Europa/Norte de Africa/Russia
WEG Euro – Indústria Eléctrica S.A
1. INTRODUCCIÓN
La vida de los motores y generadores eléctricos están completamente relacionadas y con fuerte influencia de las diversas etapas desde la selección o definición del producto hasta la parte más operacional de mantenimiento pasando por otras como almacenamiento, instalación y arranque.
Pero además del área de Mantenimiento que si tiene mucha relación con la vida y performance de los equipos, las actividades de Selección, Almacenamiento e Instalación tendrán también mucha importancia ya que son fases cruciales para que produzcan el trabajo necesario y según lo esperado a nivel de sus características y funcionalidad tanto por los Fabricantes y como por los Clientes.
Hoy con toda tecnología de monitoreo generada por los conceptos de la industria 4.0 las empresas están cada vez más preocupadas en tener sistemas de supervisión que permitan una buena gestión y automatización de sus procesos que generan muchos beneficios a nivel de agilidad de análisis de la información, toma de decisión, aumento del tiempo medio entre fallos (MTBF-Minimum time between failures). En resumen un incremento de eficiencia y como resultado general, un mejor coste beneficio en la actividad de gestión de mantenimiento.
También es importante resaltar que en equipos de mayor tamaño como motores y generadores de media tensión, ya era muy común encontrar instalados buenos sistemas de monitoreo y protección dado el valor mayor de la inversión. Sistemas de monitoreo de temperatura de los devanados y cojinetes, o por ejemplo, de los sistemas de refrigeración de agua, vibraciones en los cojinetes entre otros, como los de las Figuras 1 y 2.
Figura 1 – Monitoreo de Temperaturas en devanado y rodamientos
Figura 2 – Ilustración del generador donde se hacen las mediciones de temperatura
También tenemos que resaltar que, en ocasiones, equipos de coste elevado, muy relevantes y con sensores instalados para monitoreo y protección, muchas veces no son controlados por el sistema dado que la instalaciones más antiguas no lo prevé. Esto pondrá llevar a situaciones de fallos eléctricos o mecánicos completamente destructivos de equipamientos conforme el ejemplo de la figura 3, ya que no habrá condiciones de anticipar el fallo por monitoreo y protección.
Figura 3 – Fallo de rodamiento LOA y daños en eje y devanado
Por esto en este artículo nos gustaría indicar ejemplos de situaciones de fallo en motores y generadores de media y alta tensión donde las buenas prácticas no fueron seguidas en algunas de las actividades principales (Selección, Almacenamiento, Instalación, Arranque y Mantenimiento). Nos referimos a las indicaciones normativas o a las indicaciones de los manuales de los equipos, los cuales contienen seguramente mucha información de soporte para los usuarios.
También no pondremos dejar de hablar y dejar muy claro que estas actividades deben ser hechas por personas cualificadas y competentes en esto asunto para garantizar la seguridad de la persona operante y de todos los que están envueltos en los procesos alrededor, según lo indicado en la Figura 4 y 5.
Figura 4 – Información de personal cualificado y también de la garantía de producto.
También por cuestiones de seguridad tener en consideración la definición de Persona Calificada y su aplicación.
Figura 5 – Definición de Persona Calificada
Queremos recalcar también la importancia de tener en cuenta que un trabajo en conjunto con el Fabricante del Equipo juntamente con el Cliente y su Ingeniaría en todas las fases hará la diferencia, y los ejemplos que tenemos en nuestro día a día muestran que los beneficios son considerables a nivel de Fiabilidad y Durabilidad de los equipos cuando esta relación y colaboración ser realiza dese el comienzo, principalmente para motores de substitución o reemplazo.
De esta forma, vamos tener un foco especial en motores de reemplazo, pero siempre también con relación a productos en una nueva aplicación en cliente.
2. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS
Cuando hablamos de la especificación de los motores y generadores va venir la referencia normativa IEC60034 (Rotating Electrical Machines) y sus especialidades como la IEC60034-1 (Rating and Performance) que es la que todos fabricantes van a seguir en sus proyectos y construcción.
En la Tabla 1 indicamos las principales normas relacionadas con la selección y especificación de motores y generadores y que deberán ser consultadas en casos de duda o para una mejor comprensión de los requisitos.
Tabla 1 – Principales normas por la Especificación y Selección
En caso de que el motor o generador sea aplicado en otros continentes, podremos encontrar otras normas que serán utilizadas como referencia, siendo como ejemplo la norma NEMA MG1 la cual se utiliza mucho en Medio Oriente y también en algunos países del continente americano.
Para motores de áreas clasificadas es utilizada la norma IEC60079 (General Standard para equipos Ex) lo cual también tendrá su especialidad de acuerdo con cada tipo de protección a ser aplicada. En la Figura 6 aparecen los tipos de norma Ex de acuerdo con el tipo de protección que será definido de acuerdo con las áreas e zonas de aplicación.
Figura 6 – Principales normas Ex por la especificación y Selección
Para la selección de un motor de reemplazo es muy recomendable la participación del Fabricante desde el principio para sacar medidas de fijación y posición del motor en la base, suponiendo claro que el fabricante tiene la línea de producto deseado.
Hay diversos factores que se tiene que tener en cuenta para que el motor de reemplazo sea al finalmente posible ser instalado de acuerdo con el antiguo y operar con todos accesorios de manera adecuada, teniendo en cuenta las adaptaciones necesarias en la instalación del cliente o mismamente el diseño del producto. Hay de tener siempre una buena y transparente relación entre las partes para que los puntos de interés al final se encuentren.
Abajo ponemos algunos puntos que consideramos importantes de no olvidar mientras la selección y especificación:
- Dimensiones distintas de patas;
- Posición entrada de cables de potencia y accesorios;
- Dimensiones alrededor de motor (cajas de conexiones, base, etc.);
- Peso del motor (puede generar problemas de vibración-resonancia o cambiar capacidad de puente – DIN4024-1);
- Sensores de protección en cuadro eléctrico del cliente versus del nuevo motor;
- Instalación eléctrica (pasaje de cables en suelo para los nuevos sensores, etc.);
- Sistemas de presurización distintos (ej: Ex-p);
- Certificación de los equipos Ex (norma standard de motores IEC60034, MG1 y/o IEC60079);
- Sistema de refrigeración (ej: con tubos de agua);
- Tener un fabricante disponible para todas visitas técnicas y reuniones necesarias, así como tener capacidad para la supervisión de instalación y arranque y mantenimiento;
- Considerar los repuestos ya en fase de proyecto o que al menos estén disponible en fase de arranque.
Abajo en la Figura 7 y 8 un motor de 63 toneladas certificación II2G Ex pxb IIB T4 Gb (zona 1) que necesitó de un trabajo junto con la fábrica desde la fase de selección, mediciones en sitio, conversación técnicas constantes, validación con ensayos en fabrica e instalación y arranque coordinada por el fabricante.
Figura 7 – Motor antiguo reemplazado / Figura 8 – Motor nuevo instalado
3. ALMACENAMIENTO
Una cosa muy buena en proyectos de motores de reemplazo es que el almacenamiento sea muy corto, o sea, el equipo llega en sitio y rápidamente (algunos días) es puesto en operación. Esto reduce mucho eventuales influencias de intemperie sobre el equipo, como lluvia, humedad, calor, polvo, etc.
Hay muchos proyectos nuevos donde los equipos quedan en sitio sin los debidos cuidados y así pasan a tener daños antes de la operación y conlleva un coste de mantenimiento considerable antes de la puesta en marcha.
Todos los detalles de almacenamiento hecho en local cerrado o local abierto son indicados en los manuales del motor y estos deben ser evaluados por las personas competentes conforme Figura 8 y 9.
Figura 8 – Almacenamiento Interno
Figura 9 – Almacenamiento Externo
Claro que también habrá costes de mantenimiento mientras estén en stock bien como necesidad de seguir un plan de mantenimiento en almacén para evitar los daños en los equipos.
Los manuales también contienen los planes de mantenimientos mientras esté en almacenaje. Los Fabricantes pueden ser consultados para suministrar este servicio de mantenimiento. La Tabla 2 es un ejemplo de plan mientras esté en almacenamiento.
Tabla 2 – Plan de Almacenamiento
Abajo mencionamos algunos puntos sobre los que tener cuidado mientras dure el almacenamiento:
- Local cerrado con temperatura y ambiente controlado;
- Con resistencias de caldeo conectadas;
- Girar el eje o tener los cojinetes con preservación hecha (baño de aceite, etc.);
- Verificación del aislamiento del devanado (de acuerdo con la norma IEEE43);
- Hacer registros de las lecturas de aislamiento y otros (ej: fotos);
- Protección de partes mecanizadas para evitar corrosión;
- Cerrar entradas de cajas y otros;
- Radiadores deben tener cuidados especiales para evitar corrosión;
- Antes de llevar el motor para instalación estar seguro que esta en buen estado de operación;
- La grasa de los rodamientos pierde aceite mientras parado o que reduce la vida del lubricante;
Atención especial a la cuestión de la lubricación, una vez que la grasa pierde aceite por gravedad, y por lo tanto pierde el poder de lubricación. Después de 6 meses parados ya se recomienda la lubricación incluso estando en almacén, y antes de operación, y después de 2 años recomienda-sea realizada la inspección de rodamientos o incluso el cambio.
Antes de una puesta en marcha el Ing. de Arranque va hacer las debidas verificaciones en motor a nivel eléctrico y mecánico.
En la Tabla 03 es posible mirar las tensiones para ensayos de aislamientos de acuerdo con la IEEE43 (Recommended Pratice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery) y de acuerdo con la voltaje de la máquina. En la Tabla 04 el nivel de Índice de Polarización recomendado. También tener en cuenta que el aislamiento puede variar con la humedad y temperatura. La Tabla 05 indica el factor de corrección para el aislamiento. Para la debida protección los motores, mientras estén parados deben siempre tener las resistencias de caldeo conectadas.
Tabla 3 – Niveles y voltaje para ensayo de aislamiento
Tabla 4 – Niveles de Índice de Polarización
Tabla 5 – Factor de corrección
Figura 10 y 11 muestran un ejemplo de una máquina de gran tamaño que fue almacenada a la intemperie por cerca de 4 años. Fue necesario mejorar el aislamiento incluso con los propios caldeos conectados, y también necesario limpiar los cojinetes, además de otras verificaciones el la máquina y sus accesorios como los repuestos que fueron organizados adecuadamente.
Figura 10 – Máquina almacenada fuera por 4 años
Figura 11 – Inicio de inspección de la máquina
4. INSTALACIÓN
Para que un equipo sea levado para el sitio para preparar la instalación, se debe tener seguro que el mismo si encuentra en bueno estado eléctrico y mecánico por medio de las acciones de mantenimiento mientras esté parado.
La estructura en la cual el motor va a ser instalado debe estar en buenas condiciones una vez que será un motor de reemplazo y la estructura no es nueva. A su vez, deben ser realizadas las debidas inspecciones y verificación de frecuencia natural conforme DIN4024-1 (Machine Foundations – Flexible structures that Support machines with rotating elements). Figura 12 indica los valores a ser evitados.
También la estructura (cimentación) debe ser suficientemente rígida, plana, libre de vibración externas y capaz de resistir a los esfuerzos mecánicos a que será sometida.
El tipo de Fijación pondrá variar con el proyecto utilizando, usando bloques de hierro o acero, placas con superficies planas y con dispositivos de anclaje, los cuales también pondrán ser embutidos en cemento. La Figura 13 muestra dos tipos de fijación de motor en base.
Figura 12 – Datos de frecuencia natural
Figura 13 – Ejemplos de fijación del motor
En algunas aplicaciones de motor de reemplazo donde se instalan motores más pesados, o quizás menos pesados, vamos tener influencia en la frecuencia natural del soporte + equipo, o que pondrá generar mayores vibraciones usualmente más pronunciada en una dirección o vertical, o horizontal o axial. Usualmente en casos de frecuencias naturales pronunciadas en una dirección tendremos diferencias considerables de velocidad de vibración (mm/s) en las direcciones (ej: diferencias de la orden de 2x a 5x). La Ecuación 1 relaciona la rigidez y masa resultando en la frecuencia natural.
Ecuación 1 – Frecuencia Natural
La Figura 14 ilustra una medición de “Coast Down” donde se verificó la presencia de una frecuencia natural muy cercana de la frecuencia de operación (50Hz), o que genera vibraciones más altas y pondrán llevar a daños en los rodamientos en una primera fase o dependiendo de los niveles daños estructurales.
Figura 14 – Amplitud y Fase de Vibración donde se observa frecuencias naturales
Antes de alinear el motor a la carga es necesario hacer el arranque en vacío cuando se encuentra fijo en la estructura para verificar las temperaturas, vibraciones y sonido del equipo.
La alineación entre carga y motor deberán ser hechos respetando los valores indicados en el manual del motor pero también la relación con el acople. Los valores en general aceptables están en los 0,03mm angular y paralelo. La Figura 15 indica los tipos de verificación de alineación donde también se pueden utilizar otros equipos de medición electrónicos.
Figura 15 – Verificaciones de alineación en las direcciones axial y radial
Hemos encontrado casos donde los ajustes del acople no están bien hechos y podrán presentar dificultades en la instalación o desmontaje generando daños eventuales en la punta de eje y acople, los cuales podrán ser reparados con el método de rellenar material y mecanizar/rectificar. La Figura 16 indica un ejemplo de daño en punta de eje en un acople que no estaba bien ajustado.
Figura 16 – Daños en punta de eje por retirada del acople
Atención también a los motores de cojinetes libres para evitar que el sistema no quede bien alienado y haga fuerzas mecánicas no esperadas y genere daños a los cojinetes.
Algunas observaciones generales en la instalación:
- Ser hecho por personas calificadas para las actividades y de acuerdo con el manual;
- Garantizar que el equipo tuvo un buen almacenamiento;
- Hacer las verificaciones de aislamiento, de sentido de giro del eje, inspección visual general de cajas y cojinetes antes de llevar al sitio;
- La estructura deberá estar preparada para un buen asentamiento (evitar pata coja) y alineación;
- Remover dispositivos de bloqueo de eje después del transporte final;
- Puestas a tierra realizadas en los puntos indicados;
- Ajustes de las protecciones (térmicas, vibración relativa y absoluta, flujos, etc.) de acuerdo con los sensores y el manual del equipo;
- Verificación de los correctos caudales de unidad hidráulica para evitar entrada de aceite en los cojinetes) y de agua en los refrigeradores;
- Cerrar entradas de cables de motores que no sean utilizadas;
- Verificar sistema de escobillas, sistemas de presurización, sensores de fuga de agua, etc.
En motores Ex debe-se consultar la norma IEC60079-17 (Explosive Atmospheres – Electrical Installations inspection and Maintenance) donde se dispone de referencias detalladas para instalación como por ejemplo detalles de entrada de cables en caja, tipo de material, temperatura máxima, etc.
5. ARRANQUE
Es extremamente recomendable utilizar `la supervisión del Fabricante o Personal cualificado para hacer el arranque de una máquina de media o alta tensión debido a las configuraciones que puedan existir como por ejemplo: motores de porta escobillas, porta escobillas elevables, motores de uno sólo cojinete (común en compresores en la Industria de Petróleo y Gas), motores síncronos, generadores, máquinas verticales, motores con “jacking”, unidades hidráulicas, etc.
Garantizar que las fases anteriores como el almacenamiento fueron bien hechas y confirmar que los mantenimientos previos al arranque en caso de almacenamiento prolongado hayan sido realizados y validados por personal cualificado.
Uno de los puntos cruciales y necesarios a ser realizados en motores con cojinetes después de 6 meses de almacenamiento es hacer la abertura e inspección de los casquillos y limpieza, si necesario, según lo mostrado en las Figuras 17 y 18.
Figura 17 – Cojinete con marcas de almacenamiento
Figura 18 – Cojinete limpio y revisado
En motores de rodamientos con grasa, atención especial, una vez que ya se recomienda la lubricación después de los 6 meses en almacén y una apertura, inspección y si fuera necesario, cambio de rodamientos con 2 años.
Si este procedimiento no fuera realizado, los rodamientos van a tener un fallo prematuro en relación al proyecto. Usualmente equipos con rodamientos tendrán una vida entre los 40.000 y 100.000 horas, pero las lubricaciones deben ser hechas conforme se indica en las tarjetas fijadas en los equipos, o también mencionadas en las documentaciones.
Los cojinetes de aceite son fabricados para toda la vida del motor teniendo que cambiar solamente el aceite.
Atención especial a los motores 2 polos que tienen un tiempo de lubricación muy corto y si no tienen una grasa/aceite nuevo, pondrán tener fallos muy prematuros, en días o quizás semanas.
También se ha de realizar una total verificación de aislamiento conforme IEEE43 para garantizar que el devanado esté en buenas condiciones de operación. Si tuviera humedad, deberán ser conectados los caldeos y comprobada la mejora después de algunas horas. En casos de mal almacenamiento, pondrá ser necesario desarmar y secar en horno a 80ºC durante 12h, o a 150C durante 12h para casos más extremos.
Motores con humedad pondrán presentar corto circuito en poco tiempo de operación.
Siempre es recomendable trabajar primeramente el motor sólo fijo en la estructura para garantizar que los niveles de vibración absoluta o relativa están conforme lo esperado por norma. Los ensayos de vibración en vacío realizados en fábrica son de acuerdo con la norma IEC60034-14 (Mechanical vibration of certain machines with shaft hights 56mm and higher) mientras que los ensayos en campo y en carga son comparados con la norma ISO10816-3 (Mechanical vibration – Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts in situ) y sus otras variantes. Las Tablas 6 y 7 indican estos niveles.
Tabla 6 – Vibración absoluta en los cojinetes
Tabla 7 – Vibración relativa eje y carcasa cojinetes
Si la máquina queda bien en vació a nivel de vibración, temperaturas y ruido, entonces deberá ser hecho el ensayo en carga preferencialmente hasta la estabilización de temperaturas para garantizar que todo esté bien. Las temperaturas de protección para devanado y cojinetes vienen indicadas en las Tablas 8 y 9.
Tabla 8 – Temperaturas protección devanado
Tabla 9 – Temperatura protección rodamientos
La figura 19, 20 y 21 muestran un fallo de un turbogenerador por falta de lubricación en cojinete trasero que ha hecho que el generador quedase un mes fuera de operación y con retardo de la fecha de arranque.
Figuras 19, 20 y 21 – Fallo del cojinete LOA y daños en excitatriz por fricción
Las fotos 22, 23 y 24 muestran fallo en LA de un motor debido a la no verificación del gap del sello delantero (motor de cojinete único en LOA). En el manual del motor hay la indicación de verificación de este importante detalle.
Figuras 22, 23 y 24 – Falla de sello por no verificación de gap
En motores con porta escobillas fijas es necesario un cuidado muy especial en ajustar el número de escobillas de acuerdo con la carga para evitar desgaste prematuro del colector de anillos y las escobillas.
En motores con porta escobillas móvil, hay que tener especial atención al ajuste de todo el sistema mecánico que debe ser validado en el arranque para evitar que algo este fuera de ajuste inicial de fábrica para una correcta operación.
6. MANTENIMIENTO
Los detalles de mantenimiento de los equipos están indicados en los manuales, usualmente con tablas que resumen las actividades necesarias de ser hechas diariamente, semanalmente, cada 3 meses, cada 6 meses, anuales y cada 3 años. La Tabla 10 muestra un ejemplo del Plan de Mantenimiento de una línea de motores.
Tabla 10 – Plan de Mantenimiento de una línea de motores
Usualmente, motores y generadores de gran porte van a tener un tipo de mantenimiento de origen predictivo donde son hechas mediciones de diversas variables (ej: temperatura de devanados, cojinetes, vibración, corriente y tensión) desde la fase de arranque y después en intervalos periódicos para análisis de tendencia. Como ya se ha dicho dicho en la Introducción, estos equipos usualmente ya vienen con una serie de accesorios que permite una buena monitorización de los parámetros principales y así tomar decisiones de eventualmente mantenimiento preventivo o correctivo.
Actualmente también se desarrollarán sistemas de supervisión y evaluación basados en sistemas de inteligencia artificial que mantienen la gestión de información y necesidad de intervención de manera automática para muchas aplicaciones. Estos cada vez se desarrollan más consiguiendo olvidar las práctica antiguas, pero a su vez no olvidando que aún es necesario tener personas competentes para evaluar los datos y confirmar las necesidades de intervención deseadas. En la Figura 25 es posible observar un sistema integrado de supervisión y gestión inteligente de información de operación y mantenimiento
Figuras 25 – Sistema de gestión de flota basado en los conceptos de Ind. 4.0
Estas definiciones de mantenimiento también varían con el tipo de negocio, tendiendo entre preventivo y predictivo, y teniendo a la reparación solamente como una consecuencia de que no fue posible anticipar una necesidad de intervención preventiva.
Mencionamos algunas orientaciones generales para el mantenimiento:
- Seguir la tabla de mantenimiento del manual del equipo por personal cualificado;
- Conocer en detalle las verificaciones semanales, mensuales, cada 3 meses, cada 6 meses, anuales y cada 3 años;
- Atención al tipo de lubricante (grasa o aceite), cantidad e intervalo de lubricación;
- Mediciones de aislamiento y vibraciones periódicas;
- Seguimiento de las tendencias de temperatura, vibraciones y otros en comparación con los datos de arranque para tomada de decisión;
- Tener en cuenta los repuestos necesarios o recomendados para tener en almacén (recomendado desde la puesta en marcha);
- Definir los tipo de mantenimiento a ser empleado (preventivo, predictivo o correctivo) y sus plan de acciones;
- Mantener registros / reportes de los mantenimientos hechos (motor Ex deben tener reportes con las acciones realizadas – IEC60079-19 (Athmosphere Explosive);
- Los motores deben ser reparados por empresa cualificadas (atención a los requisitos Ex);
- Si es necesario, solicitar procedimientos e indicaciones del fabricante para ayudar a acometer una tarea y como ejecutar;
- Solicitar, si es necesario, formación al fabricante;
En las Figuras 26 y 27 indicamos un caso de una máquina en la que no se siguió la recomendación del servicio de análisis para retirar de operación una máquina que presentaba bajo aislamiento cuando fue evaluada en sitio por requerimiento del cliente. Semanas después de las mediciones el motor se ha quemado por cortocircuito entre espiras, con lo cual fue necesario hacer un proceso de reparación (rebobinaje).
Figuras 26 y 27 – Cortocircuito entre espiras y nuevo devanado después de reparado
Las Figuras 28, 29 y 30 indican un ejemplo de trabajos de mantenimiento en sitio (instalación del cliente) donde se hacen las tareas que son indicadas en manual del equipo. Este tipo de actividad demuestra una gran ventaja para mantener una alta disponibilidad del equipo a producción y un alto tempo entre medio de fallas. Actúe de manera predictiva y preventiva en sus acciones
Figuras 28, 29 y 30 – Antes y después de Mantenimiento en sitio
7. BIBLIOGRAFÍA
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- IEEE 43 Standard – IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Electric Machinery;, 2013.
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- IEC 60034-14 - Rotating electrical machines - Part 14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher - Measurement, evaluation and limits of vibration severity, 2007.
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- Electrical Apparatus Service Association, Inc., “Root Cause Failure Analysis,” Electrical Apparatus Service Association, Inc., USA, 2004
- P.Maia and F.Carvalho “Best Practices in Maintenance, Repair and Overhaul of Flameproof Motors”, in PCIC Middle East, Abu Dahbi 2017
- F.Carvalho “A Importância na Seleção, Instalação e Manutenção de Motores Elétricos”, in APMI, Porto, 2013
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