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Motores de alta confiabilidad para procesos críticos norma API
Por Jorge Ponce Riveros, Jefe Desarrollo Negocios en RHONA. www.rhona.cl
La ventaja de esta exigente norma es que ha sido creada por los usuarios de motores eléctricos tras décadas de acumular datos sobre fallas.

El conjunto normativo API aplicable a motores eléctricos es el único que ha sido desarrollado completamente por los usuarios tras décadas de acumular documentación de análisis a raíz de la industria petroquímica. Es importante destacar que este conjunto de normas aplica para motores de Media Tensión con foco especial en aplicaciones críticas o severas (aquellas en las que el costo de una detención no programada de la máquina accionada significa un perjuicio mucho mayor que el costo del motor). El costo de un motor API de hasta los 10.000 HP, puede representar 2 a 3 veces el de un motor regular de inducción y alrededor de un 20% más en el caso de máquinas del tipo síncrona.

A lo largo de los años, API ha sido considerado el “gold standard” de la industria de máquinas rotatorias, siendo mucho más exigente que las conocidas normas NEMA MG1 e IEC 60034, y considera tres normativas, principalmente bajo los numerales 541, 546 y 547. La primera hace referencia a motores de inducción para aplicaciones críticas sobre 500HP, la siguiente está referida a motores también de aplicación crítica pero del tipo síncrono por sobre los 500KVA, y, por último, API 547 se podría considerar una versión ligera de API 541 para aplicaciones severas en el rango entre 250 a 3000HP.

Las diferencias radican principalmente en los siguientes elementos:

Elementos antifricción: no se permiten rodamientos o bujes auto-lubricados, solo bujes de lubricación de alta presión (nivel de vibraciones aceptado es mucho menor que NEMA e IEC).

Bobinado/aislación: es difícil realizar una especificación para este punto, pero API da guías para buenas prácticas respecto al bobinado (API 541 y 546 contienen más de 600 páginas en total).

Fabricación: este es el mayor punto de impacto; API específica y requiere de estrictos protocolos de fabricación como también el registro de cada etapa de la manufactura. La trazabilidad de cada elemento y etapa ejecutada es altamente exigida.


La confiabilidad

La confiablidad de las máquinas API no reside en las exigencias o en la cantidad de pruebas; la clave está en el proceso de diseño y fabricación. El diseño bajo esta normativa exige una confiabilidad tal que el motor no se detenga inesperadamente durante, a lo menos, 5 años de servicio continuo y ofrezca una vida útil de 25 años.

Sobre las exigencias de bobinado, como fue mencionado anteriormente, API no cuenta con especificaciones para este punto, dedicándole solo media página con aspectos del tipo “debe” y “debe imperiosamente”. Da una guía sobre cómo con pequeños ajustes es posible obtener bobinados para una vida útil de más de 30 años mediante la mantención de una correcta temperatura de operación. Recordemos que se estima que cada 10 grados Celsius que se disminuya la temperatura de operación, se duplica la vida útil de los bobinados.

Continuando con los elementos antifricción, los bujes de lubricación de alta presión cuentan con una muy baja tasa de falla con las mantenciones adecuadas y pueden durar por décadas. Todos los usuarios de máquinas rotatorias conocen la relación directa entre menores vibraciones y mayor confiabilidad.

Obtener los niveles de vibración exigidos por API es mucho más que solo balanceo; es la suma y resultado de un correcto diseño y una perfecta ejecución en la fabricación. Por ejemplo, un motor de 2 polos en donde NEMA requiere de un nivel de vibración menor a 2.8mils e IEC inferior a 2.4mils, API541 solo tolera un nivel de vibración de 1.2mils (todas las medidas “peak to peak”). Para motores de velocidades más bajas, NEMA acepta un aumento hasta 3,5mils mientras que IEC mantiene los 2.4mils y API también mantiene una tolerancia máxima de solo 1.2mils.

¿Cómo se alcanza el nivel de vibración exigido por API? El proceso comienza con el diseño eléctrico donde se determina el largo y el diámetro de la máquina, para luego fijar el tamaño del frame. En esta etapa, ya podemos diferenciar que API requiere el uso de acero eléctrico de grado C5, mientras la gran mayoría de los motores industriales suele usar láminas de acero grado C4.


La importancia del frame

Existe un tipo de vibración que no es posible compensar lo suficiente para satisfacer la normativa API mediante balanceo mecánico: la vibración producida por la rotación del campo magnético. Esta vibración eléctrica debe ser reducida mediante un profundo análisis del campo magnético que producirá el motor.

Si vemos estructuralmente el frame del motor, podremos ver que el acero usado generalmente en máquinas industriales estándar es de alrededor de 6mm en la mayoría de los casos, mientras que en un motor API puede llegar a un espesor de 9mm. De igual manera, pueden existir otras fuerzas magnéticas dispares entre el rotor y el estator que pueden producir vibración eléctrica.

Para minimizar estas vibraciones, se deben realizar ciertos procedimientos durante el armado de las láminas de acero del motor. Adicionalmente, API exige que para asegurar que el eje esté estrictamente derecho, este no puede ser soldado y su mecanizado debe ser hecho lentamente para evitar flexiones (el enderezamiento mecánico no está permitido). Estas exigencias eliminan posibles tensiones en el campo que podrían crear vibración.

Finalmente, API solicita que el rotor sea balanceado cada vez que se le agregan elementos, lo que significa que este debe ser balanceado a lo menos 3 veces (los motores no API normalmente son balanceados una sola vez). Si el rotor será usado para altas velocidades debe adicionalmente ser bruñido, lo que significa a lo menos un día entero de mecanizado.

Para los soportes de montaje del motor se permite una tolerancia coplanaria de solo 0,005 pulgadas y una tolerancia de paralelismo de 0,002 pulgadas.

API no permite el aterramiento del eje. Sobre esto, si el motor es accionado por un variador de velocidad es importante que este cuente con a lo menos 5 niveles PWM para 2,4kV; 9 a 17 niveles PWM para el rango 3-4,16kV; y desde este punto, a lo menos 25 niveles PWM para los siguientes voltajes (6kV y más) para de este modo reducir dv/dt y la creación de corrientes de modo común en el eje que podría causar daño en este (niveles PWM peak to peak).

Otra consideración es que API puede ofrecer que el motor tolere 3 arranques en frío y 2 en caliente, mientras que normalmente un motor industrial tolera 2 arranques en frío y 1 en caliente (esta limitación de arranques se elimina al accionar el motor mediante un variador de velocidad).

El estándar API no considera factores de servicio dado que el motor debe ser diseñado para servicio continuo al 100% y, por otro lado, se requiere que el equipo esté sobredimensionado un 10%, por lo cual considerar un factor de servicio del 15% adicional solo produciría alejarse del punto de mayor eficiencia.

También ofrece una amplia lista de pruebas que pueden ser ejecutadas, desde las pruebas de rutina hasta pruebas opcionales. Sobre las pruebas opcionales es muy importante que al momento de solicitarlas solo se incluyan las que aseguren el éxito del proyecto y estudiar muy bien de qué se trata cada una. Asimismo, ofrece notas por cada prueba y advierte que algunas pueden generar daño prematuro o un daño ligero en la máquina. La norma ofrece una guía donde se explica detalladamente cuándo y por qué deben ejecutarse las pruebas.

Noviembre 2016
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