Monitoreo de vibraciones en bombas de lodos: umbrales, frecuencias de falla y casos en minería de cobre

1. Por qué la vibración detecta fallas que la temperatura no ve

En la gestión de bombas de lodos, hay tres variables que el operador puede leer en pantalla: presión, caudal y corriente del motor. Hay tres variables que el sistema de protección registra: temperatura del housing, temperatura del motor y corriente. La vibración suele quedar fuera de las tres categorías, pese a ser la más sensible a fallas incipientes.

La diferencia es de tiempo. La temperatura del housing sube cuando el rodamiento ya está gastado y la grasa se descompone: el calor es consecuencia del daño, no causa. La vibración sube cuando aparece una irregularidad mecánica en el conjunto giratorio: una partida en el rodamiento, un impulsor con desgaste desigual, una desalineación que comienza. La vibración precede al calor por semanas.

Un caso típico en chancado: una bomba 8/6 E-AH trabajando a 700 RPM pasa de 1,8 mm/s a 4,5 mm/s en cinco semanas, sin cambio de presión ni de caudal. La temperatura del housing se mantiene en 65 °C, dentro del rango normal. El operador no nota nada. En la semana seis, la vibración salta a 7 mm/s y aparece ruido metálico. Cuando se abre el housing, el impulsor tiene un álabe con 60 % de desgaste y la contraparte del liner está picada en una zona de 80 mm. La falla tenía cinco semanas de evolución y los indicadores clásicos no la vieron.

El costo de no haber detectado la falla antes: ocho horas de parada no planificada, cambio de impulsor y liner, USD 4 500 a 6 500 en piezas y mano de obra. El costo de haber medido vibración semanalmente: USD 200 al mes en horas de técnico con sensor portátil. La cuenta es clara.

2. Umbrales ISO 10816 aplicados a bombas mineras

La norma ISO 10816-3 clasifica la severidad de vibración en máquinas rotativas de potencia entre 15 kW y 75 kW. Para bombas centrífugas montadas sobre base rígida, la velocidad RMS en mm/s define cuatro zonas operativas.

Para bombas de lodos en plantas concentradoras, la práctica de campo usa límites más estrictos que la norma general. La razón: la bomba trabaja con pulpa abrasiva que acelera el deterioro del impulsor. Una bomba en zona B (2 mm/s) durante meses desarrolla desgaste desigual antes que una bomba en una planta de agua clara. Por eso, en una concentradora de cobre se suele aceptar zona B con tendencia estable, pero se programa intervención cuando la vibración cruza 3,5 mm/s o sube a razón de más de 0,5 mm/s por mes.

Para bombas sobre base flexible o con soportes anti-vibración, los umbrales se multiplican por 1,5. La vibración en el housing es mayor porque la base no es rígida; comparar con una bomba sobre concreto sin aisladores lleva a conclusiones equivocadas.

La medición debe hacerse con sensor de velocidad (no acelerómetro) para evaluar según ISO 10816. La unidad correcta es mm/s RMS. Acelerómetros dan valores en g (aceleración RMS o peak), que sirven para detectar impactos pero no para clasificar la bomba según la norma.

3. Frecuencias características: desbalance, desalineación, soltura, rodamiento

La velocidad RMS indica que algo anda mal, pero no dice qué. Para identificar la falla se necesita el espectro, es decir, la vibración descompuesta en frecuencias. Cuatro patrones aparecen con más frecuencia en bombas de lodos.

Desbalance del impulsor (frecuencia 1X): la vibración predomina en la frecuencia de giro del motor (RPM/60). Si el motor gira a 900 RPM, el pico aparece a 15 Hz. La amplitud radial es alta, la axial baja (menos de 30 % de la radial). Es la firma más común en bombas de lodos: aparece cuando el impulsor pierde masa por desgaste desigual, o cuando se acumula material en un álabe. La fase entre los dos sensores radiales (vertical y horizontal) es estable.

Desalineación del acoplamiento (frecuencia 1X y 2X): aparece cuando el eje del motor y el de la bomba no están alineados con la precisión requerida. La vibración tiene componente alto en 1X pero también un pico significativo en 2X (dos veces la frecuencia de giro). La componente axial es elevada: 50 % o más de la radial. La fase entre los dos sensores radiales está cerca de 180° (opuestos), lo que es diagnóstico de desalineación paralela o angular.

Soltura mecánica (frecuencia 1X y armónicos): cuando los pernos de la base, el housing o el soporte están flojos, aparecen picos en 1X con bandas laterales a la frecuencia de giro. La diferencia con desbalance es la presencia de armónicos (2X, 3X) y la inestabilidad de la fase entre mediciones. Una bomba con soltura mecánica tiene vibración errática, con amplitudes que cambian entre una medición y la siguiente sin causa operativa clara.

Falla del rodamiento (frecuencias de paso de elementos): cuando aparece un defecto en la pista interna, pista externa o elemento rodante, la vibración se concentra en frecuencias específicas que dependen de la geometría del rodamiento. Para un rodamiento 22320 con pista externa, la frecuencia de defecto de pista externa (BPFO) está alrededor de 6 a 8 veces la frecuencia de giro. Estas frecuencias aparecen como picos agudos en el espectro, con bandas laterales a la frecuencia de giro. La detección temprana requiere sensor de aceleración de alta frecuencia (mayor a 10 kHz), no de velocidad.

La firma de desbalance es la más común en bombas de lodos por la naturaleza del desgaste. La firma de rodamiento es la que requiere equipo de mayor calidad para detectarse temprano, pero es la que más ahorra cuando se detecta a tiempo: un rodamiento de USD 1 500 reemplazado a tiempo evita una falla catastrófica del eje de USD 12 000.

4. Dónde instalar el sensor y qué dirección medir

La medición correcta requiere tres elementos: punto adecuado, dirección adecuada, y sensor adecuado. Un error en cualquiera de los tres lleva a conclusiones falsas.

El punto ideal es el housing del rodamiento, en la zona más cercana posible al rodamiento. En bombas Warman AH y KSB LCC, esto está sobre la tapa del housing, en posición horizontal, vertical y axial. La posición horizontal es la más sensible al desbalance; la axial es la más sensible a la desalineación. La vertical complementa.

La dirección se mide en tres ejes: horizontal (perpendicular al eje), vertical (paralela a la gravedad) y axial (paralela al eje de la bomba). Para diagnosticar desalineación, la dirección axial es indispensable. Para diagnosticar desbalance, la horizontal es la más sensible. La combinación de las tres es necesaria para llegar al diagnóstico correcto.

El sensor de velocidad sirve para ISO 10816. Rango de frecuencia 10 Hz a 1 kHz, sensibilidad 100 mV/mm/s. Para detección temprana de falla de rodamiento se necesita además un acelerómetro con rango hasta 10 kHz. En la práctica, los sensores portátiles modernos (CSI, Emerson, SKF) traen ambos en una sola unidad.

Un detalle práctico: el sensor debe montarse con base magnética o con perno, no sostenido a mano. La medición con sensor a mano introduce ruido que enmascara la señal real. La diferencia entre sensor montado y sensor a mano puede ser de 0,5 a 1 mm/s, suficiente para cambiar la clasificación de zona B a zona C.

5. Cavitación y recirculación: firmas que se confunden con falla mecánica

La vibración alta no siempre significa problema mecánico. En bombas de lodos hay dos fenómenos hidráulicos que generan vibración y se confunden con desbalance o desalineación: la cavitación y la recirculación.

La cavitación aparece cuando la presión en la succión cae por debajo de la presión de vapor del líquido. Se forman burbujas que colapsan contra el impulsor y generan una vibración de alta frecuencia, con espectro aleatorio (no picos definidos). La firma característica es vibración RMS alta con espectro sin patrón definido, acompañada de ruido audible similar a grava en la succión.

La recirculación aparece cuando la bomba opera fuera de su curva, a caudal muy bajo o muy alto. El fluido recircula dentro del impulsor y genera vibración de baja frecuencia, con pico en 0,2 a 0,4 veces la frecuencia de giro. La firma característica es vibración creciente cuando se reduce el caudal de operación, sin causa mecánica aparente.

El diagnóstico diferencial entre problema mecánico y problema hidráulico requiere comparar la vibración con las condiciones de operación. Si la vibración sube al cerrar la válvula de descarga (caudal bajo), es recirculación. Si la vibración sube sin cambio de caudal ni presión, es mecánico. Si la vibración es errática y aparece con ruido, es cavitación.

Una regla útil: antes de abrir el housing para cambiar el impulsor, verificar que la NPSH disponible sea suficiente. Una cavitación sostenida durante una semana puede gastar el impulsor más rápido que seis meses de operación normal.

6. Programa de monitoreo: portátil, fijo y análisis de tendencia

Hay tres niveles de monitoreo, cada uno con costo y cobertura diferentes. La elección depende de la cantidad de bombas y de la criticidad de cada una.

El monitoreo portátil con ruta fija es el más común en faenas con menos de 30 bombas. Un técnico con sensor portátil recorre las bombas críticas cada 7 a 30 días, mide en los cuatro puntos del housing (horizontal, vertical, axial lado mando, axial lado libre) y registra el espectro. El costo es de un día-hombre por semana más el equipo. La cobertura es buena pero el intervalo entre mediciones es largo.

El monitoreo fijo con acelerómetro permanente es adecuado para bombas críticas. Un acelerómetro triaxial instalado en el housing transmite señal a un sistema de adquisición que mide tendencia cada 5 a 15 minutos. El sistema dispara alarmas cuando la vibración cruza umbrales predeterminados. El costo inicial es mayor (USD 3 000 a 8 000 por bomba más el sistema central) pero la cobertura es continua.

El análisis de tendencia es lo que da valor al monitoreo. Una medición aislada dice poco; la secuencia temporal dice mucho. La pendiente de subida de la vibración RMS indica la velocidad de deterioro. Una pendiente de 0,1 mm/s por mes es deterioro lento; 0,5 mm/s por mes es deterioro rápido que requiere intervención en semanas.

El procedimiento mínimo recomendado para una faena con 20 a 40 bombas de lodos: ruta portátil mensual en bombas de chancado y molienda (las más críticas), ruta portátil trimestral en bombas de relave y espesador, sensor fijo en las cinco bombas más críticas de la planta.

7. Casos en faenas de cobre en Chile y Perú

En la concentradora de Chuquicamata, el monitoreo de vibración se implementó como parte del programa de mantenimiento centrado en confiabilidad hace más de diez años. La práctica que funciona allí es combinar sensor portátil mensual en bombas de molienda SAG y bolas (las más críticas) con sensor fijo en las bombas de relave que alimentan el espesador. La pendiente de vibración en las bombas SAG se cruza con la tendencia de corriente del motor: cuando ambas suben en paralelo, es desgaste del impulsor; cuando solo sube la vibración, es problema de rodamiento.

En Cerro Verde (Perú), el monitoreo se hace con sensores fijos en las bombas de las líneas de relave que cruzan los 3 800 metros de altitud. La vibración se cruza con la presión de descarga: cuando la vibración sube en 1X y la presión de descarga cae simultáneamente, es cavitación por bajo NPSH. El protocolo de respuesta es cerrar parcialmente la válvula de descarga para subir la presión de succión antes de detener la bomba.

En Collahuasi, la decisión de cambiar un impulsor se toma con base en la pendiente de vibración, no en la lectura puntual. Una bomba con vibración en 3,2 mm/s y pendiente plana puede operar tres meses más. Una bomba con 3,0 mm/s y pendiente de 0,4 mm/s por mes se programa cambio en cuatro semanas. Esta diferenciación evita cambios prematuros por una parte, y paradas catastróficas por la otra.

La recomendación operativa es la misma en los tres casos: medir, registrar, comparar con la historia. Una campaña de vibración durante tres meses entrega más información que cualquier ficha técnica del fabricante.

8. Conclusión y siguiente paso

La vibración es la variable que más informa sobre el estado mecánico de una bomba de lodos, y la más barata de medir. Una ruta mensual con sensor portátil cuesta USD 800 a 1 500 al mes para una planta de 20 a 30 bombas; el retorno viene de evitar tres a cinco paradas no planificadas al año, cada una con costo directo de USD 5 000 a 15 000.

Tres recomendaciones para implementar un programa desde cero. Primero, empezar con sensor portátil y ruta fija en las cinco bombas más críticas; la inversión inicial es baja y el aprendizaje operativo es alto. Segundo, cruzar la vibración con la temperatura del housing y la corriente del motor para distinguir problemas mecánicos de hidráulicos. Tercero, tomar la decisión de cambio de impulsor con base en la pendiente, no en la lectura puntual.

Para los repuestos compatibles con Warman AH, KSB LCC y Metso HM que cubren la mayor parte del parque instalado en minería de cobre en Chile y Perú, el catálogo en línea presenta las referencias dimensionales y las compatibilidades verificadas.

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