Vibraciones en turbinas de gas: cómo prevenir fallas y paradas

Desbalance y desalineación: interpretar antes de intervenir

El monitoreo permite identificar degradaciones mecánicas y operativas en vibraciones en turbinas de gas. Uno de los mayores errores en el diagnóstico de equipos rotativos consiste en asociar automáticamente una frecuencia determinada con una falla específica.

Por ejemplo, una componente dominante a 1× RPM puede ser compatible con desbalance, pero también puede aparecer por otras condiciones dinámicas. El diagnóstico debe considerar amplitud, fase, dirección de medición, velocidad, carga, comportamiento durante arranque y parada y respuesta de otros puntos de medición.

En un análisis de desbalance, la fase adquiere especial importancia. Cuando el comportamiento es consistente con una distribución de masa inadecuada, puede plantearse posteriormente un procedimiento de balanceo, pero esa decisión debe sustentarse primero en evidencia dinámica.

La desalineación requiere una evaluación igualmente cuidadosa. Una condición angular o paralela puede generar fuerzas adicionales sobre el acoplamiento y los cojinetes y modificar las componentes vibratorias del tren. Sin embargo, tampoco debe diagnosticarse únicamente a partir de la presencia de un segundo armónico.

La secuencia correcta es:

patrón vibratorio → hipótesis → medición complementaria → inspección → diagnóstico → intervención.

Esta metodología evita sustituir componentes sin haber determinado previamente el mecanismo físico que está provocando la anomalía.

Fallas en rodamientos y detección temprana

Los rodamientos pueden desarrollar defectos localizados en la pista exterior, pista interior, elementos rodantes o jaula. Cuando estos defectos comienzan a producir impactos repetitivos, la señal vibratoria puede contener información relacionada con las frecuencias características de cada componente.

En etapas tempranas, el análisis de aceleración y técnicas de procesamiento de señal pueden proporcionar información que no necesariamente resulta evidente en un valor global de velocidad RMS. La envolvente de aceleración, por ejemplo, puede utilizarse para resaltar impactos de alta frecuencia asociados con determinados defectos de rodamientos. La literatura reciente continúa investigando métodos de diagnóstico que combinan características temporales y espectrales para mejorar la identificación de fallas.

Pero la vibración no debería analizarse de forma aislada.

Una sospecha de deterioro de un rodamiento puede reforzarse mediante:

• Evolución de la temperatura.
• Análisis del lubricante.
• Presencia de partículas de desgaste.
• Cambios en la carga.
• Modificaciones en la frecuencia de giro.
• Comportamiento de la señal temporal.

La combinación de variables aumenta la confianza del diagnóstico.

Este principio es especialmente importante en turbinas de gas, donde una intervención sobre un componente de alta velocidad puede implicar una parada considerable, además de costos de desmontaje, inspección y reparación.

Tabla de diagnóstico vibratorio

Una herramienta práctica para mantenimiento consiste en relacionar el patrón observado con hipótesis de falla y mediciones complementarias.

Vibraciones, velocidad crítica y dinámica del rotor

Las vibraciones en turbinas de gas deben analizarse como un sistema rotor-cojinete-estructura, no como un conjunto de componentes independientes.

Durante el arranque y la parada, el rotor atraviesa diferentes rangos de velocidad. En determinados puntos puede aproximarse a frecuencias naturales del sistema y producirse una amplificación de la respuesta vibratoria.

Estos fenómenos tienen especial importancia en máquinas de alta velocidad porque una pequeña fuerza de excitación puede generar una respuesta considerable cuando existe una condición de resonancia.

Por eso, las curvas de vibración durante el arranque y la parada proporcionan información que no siempre puede obtenerse durante una operación estacionaria.

El análisis puede incluir:

• Amplitud frente a velocidad.
• Fase frente a velocidad.
• Identificación de velocidades críticas.
• Comportamiento del rotor durante aceleración.
• Comportamiento durante desaceleración.
• Desplazamiento relativo del eje.
• Respuesta de los soportes.

La dinámica del rotor constituye precisamente una disciplina especializada que estudia fenómenos como masas desbalanceadas, whirl, estabilidad y comportamiento vibratorio del sistema.

La evolución tecnológica está llevando el monitoreo de condición desde campañas periódicas hacia sistemas capaces de adquirir información continuamente.

En una arquitectura de monitoreo permanente, los datos pueden analizarse de manera automática para identificar desviaciones respecto del comportamiento normal de la máquina.

Esto permite construir una estrategia basada en tres niveles:

detección → diagnóstico → pronóstico.

La detección responde:

¿Existe una desviación respecto de la condición normal?

El diagnóstico pregunta:

¿Qué mecanismo puede estar produciéndola?

Y el pronóstico busca responder:

¿Cómo puede evolucionar la condición y cuándo debemos intervenir?

Esta última etapa representa uno de los mayores desafíos del mantenimiento predictivo. No basta con detectar una anomalía; es necesario determinar su importancia para la disponibilidad y confiabilidad del activo.

Los sistemas modernos pueden combinar vibración, temperatura, velocidad, carga y otras variables operativas para construir indicadores de condición. La investigación actual también explora técnicas de aprendizaje automático para diagnóstico y estimación de vida remanente, aunque estos modelos deben validarse cuidadosamente frente a cambios de velocidad, carga, sensores y condiciones operativas.

Protección de maquinaria no es mantenimiento predictivo

Esta diferencia merece especial atención. Un sistema de protección de maquinaria tiene como objetivo evitar que una condición peligrosa provoque daños mayores. En aplicaciones industriales, estándares como API 670 establecen requisitos para sistemas que monitorizan variables como vibración radial del eje, vibración de carcasa, posición axial, velocidad y otras variables críticas.

El monitoreo de condición tiene otro objetivo.

Busca reconocer cambios en el comportamiento de la máquina antes de que sea necesario activar una protección de emergencia.

Por ello, ambos sistemas son complementarios:

Protección:
condición peligrosa → alarma/trip → protección del equipo.

Monitoreo de condición:
cambio de comportamiento → diagnóstico → planificación del mantenimiento.

Confundir ambas funciones puede conducir a una estrategia deficiente. Esperar hasta alcanzar una condición de trip para descubrir una degradación significa renunciar a gran parte del valor que ofrece el mantenimiento predictivo.

Normas y criterios para evaluar la vibración

La evaluación de vibraciones debe realizarse utilizando criterios apropiados para el tipo de máquina, ubicación de medición y condición operativa. La familia establece principios para la medición y evaluación de vibraciones en diferentes tipos de maquinaria. La serie contempla distintas configuraciones y aplicaciones, incluyendo disposiciones específicas para turbinas de gas.

Sin embargo, un límite de vibración no constituye por sí mismo un diagnóstico.

Que una máquina se encuentre dentro de un límite no significa necesariamente que no exista degradación. Del mismo modo, superar un valor de referencia no identifica automáticamente la causa de la anomalía.

Los criterios de evaluación deben combinarse con:

• Histórico de la máquina.
• Condiciones de operación.
• Tendencia.
• Espectro.
• Fase.
• Características del rotor.
• Diseño del cojinete.
• Experiencia operacional.
• Recomendaciones del fabricante.

En otras palabras, el número es una señal de condición; el diagnóstico requiere contexto.

La digitalización cambia el análisis de vibraciones

La disponibilidad creciente de sensores y capacidad computacional permite analizar grandes volúmenes de información que anteriormente requerían intervención manual.

La inteligencia artificial puede utilizarse para clasificar patrones, detectar desviaciones y ayudar a priorizar activos que requieren revisión. Sin embargo, existe una condición indispensable: la calidad de los datos.

Una señal incorrectamente adquirida puede conducir a un diagnóstico incorrecto, independientemente de la sofisticación del algoritmo. Por eso están adquiriendo importancia las técnicas destinadas a identificar datos inválidos antes de alimentar los modelos de diagnóstico. Investigaciones recientes en monitoreo vibratorio industrial han mostrado precisamente la relevancia de detectar señales contaminadas por fallos del sensor, transitorios de parada o condiciones de adquisición anormales antes de realizar el diagnóstico automático.

¿Cómo prevenir fallas y paradas en turbinas de gas?

Un programa sólido debería comenzar con una línea base de comportamiento de la turbina. A partir de ella pueden establecerse tendencias y detectar desviaciones.

Posteriormente, el programa debe incorporar análisis periódico o continuo dependiendo de la criticidad del activo, revisión de espectros, seguimiento de variables operativas y correlación con inspecciones físicas.

Preguntas frecuentes (FAQs)

Referencias

1. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949822826004570
2. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/rotor-dynamics
3. https://www.istec.com/what-does-api-standard-670-state-about-overspeed-protection-systems/
4. https://arxiv.org/abs/2608.00480