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Usar los análisis de condiciones y riesgos para impulsar decisiones en reparación de motores

Usar los análisis de condiciones y riesgos para impulsar decisiones en reparación de motores

por Jeff Guy

El Proyecto Central Arizona (CAP, por sus siglas en inglés) opera y mantiene 109 unidades de motobombas en 15 plantas de bombeo a través de las 336 millas de longitud del acueducto. Estas unidades son indispensables para cumplir con la misión del CAP para llevar agua del río Colorado a los habitantes y granjas localizados en Arizona central.

La potencia de los motores del CAP varía entre los 700 y los 60 000 caballos de fuerza. La mayoría de estos fueron instalados a principios o mediados de los años 80 y el 25 % de estos no han sido revisados y ajustados en al menos 20 años. Debido a la criticidad y edad de estos motores, el CAP mantiene un programa activo de monitoreo de condiciones para motores. Este programa incluye pruebas de factor de potencia, mediciones en línea de descarga parcial y evaluaciones de circuitos del motor.

Uno de los motores del CAP es un motor síncrono Salt-Gila Unit 5 (SGL 5) de 5200 caballos de fuerza y manufacturado en 1984. Este motor mostraba algunos resultados de factor de potencia bastante altos y un aumento de descargas parciales. El CAP programó un corte de servicio para evaluar y resolver la situación ya que estas pruebas indicaban deterioro del aislamiento del bobinado dentro del estátor.

Figura 1: El estátor SGL 5 después de su reacondicionamiento

El motor SGL5 fue desensamblado y enviado a un taller externo para realizarle una evaluación eléctrica completa en diciembre de 2015. Justo antes de la Navidad de ese año, el taller le recomendó al CAP que rebobinaran el estátor del SGL 5, lo que costaría un aproximado de USD 225 000.

Esta situación creó un problema para la gerencia del CAP ya que su junta directiva acababa de aprobar el presupuesto para el año 2016 y este no incluía fondos para un rebobinado. Basados en evaluaciones anteriores con resultados similares, el equipo de mantenimiento del CAP había presupuestado una proyección de costos de reacondicionamiento de solo USD 30 000 para el estátor del SGL 5.

De esta manera, la gerencia del CAP tuvo que enfrentarse a una decisión difícil: pedir más dinero a la junta directiva antes de iniciar el nuevo periodo presupuestario o realizar el reacondicionamiento con el dinero ya presupuestado, aunque el contratista externo recomendara un rebobinado. Para ayudar a la toma de esta decisión, la gerencia hizo las siguientes preguntas a su personal de operaciones y mantenimiento:

  • Si el CAP solo reacondicionaba el SGL 5 en vez de rebobinarlo, ¿podrían cumplir con todas las entregas programadas a sus clientes, incluso si esta unidad fallaba al empezar su temporada de mayor bombeo durante el verano?
  • ¿Cómo se comparaban las lecturas de resultados más recientes de la unidad SGL 5 frente a sus resultados anteriores y a resultados de otras unidades similares dentro del sistema del CAP?
Figura 2: El rotor SGL 5

El equipo de operaciones informó que el CAP podría realizar sus entregas programadas durante el verano de 2016, incluso si el SGL 5 dejara de funcionar. Esta respuesta le dio a la gerencia algo de flexibilidad para decidir qué hacer con la unidad.

Sin embargo, y de manera interesante, la segunda pregunta fue más desafiante de sortear. A pesar de haber estado recogiendo datos de pruebas de motores durante al menos una década, no existía una forma fácil de comparar esos datos a través de las diferentes unidades y cronológicamente. A pesar de esto, los ingenieros de confiabilidad del CAP proporcionaron su respuesta a través de la compilación de todos los resultados de aquellas pruebas de motores dentro de una base de datos central. Igualmente, desarrollaron un sistema de clasificación de la condición de todos los 109 motores del CAP. Los datos y el sistema de clasificación mostraron que el SGL 5 estaba en mejor condición de lo que se había pensado anteriormente. Aunque algunas de las mediciones de factores de potencia eran bastante precarias, ellas no indicaban necesariamente que rebobinar el estátor fuese un requisito. Las mediciones de descarga parcial también eran menos preocupantes, ya que el sistema de clasificación indicó que la condición del SGL 5 estaba solo moderadamente deteriorada. Además, encontraron que los resultados de evaluaciones de descarga parcial eran significativamente altos para 10 motores del total analizado y esto hizo que la gerencia concluyera que el método de clasificación necesitaría ser ajustado para ese grupo.

Con esta nueva información disponible, la gerencia tomó la decisión de proceder con el reacondicionamiento del motor SGL 5 como habían planeado y presupuestado inicialmente. Sin embargo, instruyeron al equipo de mantenimiento para que realizaran evaluaciones y monitoreo de la unidad después de completar las reparaciones para evaluar su efectividad. De esta manera, el CAP pudo usar el motor SGL 5 como modelo para documentar futuras decisiones que se tomen sobre su envejecida flota de motores. Si el reacondicionamiento resultaba exitoso, entonces el CAP podría ser capaz de alargar la vida útil de sus demás motores a un costo relativamente bajo; sin embargo, si el resultado no era exitoso, entonces el CAP necesitaría empezar a presupuestar rebobinadas más costosas en un futuro cercano.

Entonces, ¿cuál fue el resultado del reacondicionamiento del SGL 5? Las lecturas de factor de potencia después del reacondicionamiento del motor mostraron un mejoramiento drástico al compararlas con los niveles obtenidos en el 2015. La tendencia de descarga parcial está siendo analizada antes de llegar a una conclusión definitiva.

En las Figuras 3 a 5 se muestra un fondo con gamas de colores aproximados al criterio de clasificación similar al de la base de datos de ingeniería. La zona verde indica un estado “como nuevo”, la azul un estado “usado”, la amarilla un estado “deteriorado” y la roja un estado “debilitado”. El CAP usa el criterio “debilitado” cuando cree que un activo ha llegado al punto “P”, o de “falla potencial”, en el intervalo P-F.


Figura 3: Factor de potencia GST del motor SGL 5


Figura 4: Factor de potencia UST del motor SGL 5


Figura 5: Tendencia de descarga parcial Qm del motor SGL 5m trend

Se realizaron dos mediciones de factor de potencia diferentes en cada bobinado del estátor: un grounded specimen test (GST, por sus siglas en inglés) o evaluación de muestra con un terminal conectado a tierra y un ungrounded specimen test (UST, por sus siglas en inglés) o evaluación de muestra sin terminal conectado a tierra. La evaluación del factor de potencia GST valora el aislamiento entre el bobinado y la tierra o base (p. ej. el núcleo). Esta es la mayoría del aislamiento en el motor y una falla podría requerir una reparación mayor o un rebobinado completo. La evaluación de factor de potencia UST valora el aislamiento entre fases, que principalmente es el fin del rebobinado. El factor de potencia GST es el mejor indicador sobre la condición general del aislamiento. En el caso del motor SGL 5, las lecturas del factor de potencia GST fueron buenas incluso antes del reacondicionamiento. Después de la reparación, las lecturas GTS del motor SGL 5 fueron casi un por ciento mejor de lo que se había obtenido durante los últimos diez años.

Las tendencias del factor de potencia UST para el motor SGL 5 fueron considerablemente peor que los resultados del factor de potencia GST, además de ser altas durante los últimos cinco años. Estos resultados fueron los que aceleraron la decisión de reacondicionar el motor.

Las últimas mediciones del factor de potencia después del reacondicionamiento del motor SGL 5 fueron mejores que las de hace 10 años. Algunas fueron un poco negativas, lo que no es inusual y que se presentan debido a la pintura semiconductora usada para minimizar el estrés de voltaje en el punto donde el alambre sale por la ranura del núcleo.

La descarga parcial es una medida de descargas eléctricas en el bobinado del estátor que indica los vacíos en el aislamiento del mismo. El fabricante que usa el equipo de evaluación del CAP recomendó usar el valor Qm como el primer criterio para evaluar la condición del aislamiento. El valor Qm se refiere a la magnitud de descarga más grade que ocurre con una frecuencia de al menos 10 por segundo. Las gamas azul y amarilla son donde al menos el 75 por ciento de todos los voltajes similares de motores dentro de la base de datos del fabricante tienen lecturas de Qm por debajo de ese valor. La tendencia está creciendo lentamente y tiene unos cuantos puntos elevados, pero en general la condición es buena.

La razón para realizar las mediciones de factor de potencia y descarga parcial en los motores es obtener información de condición del aislamiento. Cuando las medidas indican que se están presentando problemas, la intención es entender qué problemas se están presentado y así poder ejecutar un plan apropiado para corregirlos.

En este caso, el CAP tenía indicadores claros de un problema en desarrollo con el motor SGL 5. Otras opciones alternativas fueron evaluadas, teniendo en cuenta el riesgo operacional y un plan fue desarrollado y ejecutado. Hasta el momento, las mediciones tomadas después de completar el trabajo de reacondicionamiento muestran un alto grado de éxito en la mitigación del problema.

El CAP continúa monitoreando la unidad SGL 5 con evaluaciones semestrales para validar los resultados.

Jeff Guy

Jeff Guy has worked as an electrical engineer at Central Arizona Project (CAP) for over 30 years. Jeff has been a reliability engineer since the group was formed in 2013. Prior to that, he was a maintenance engineer. 
www.cap-az.com