Campo magnético residual en máquinas rotatorias - Instituto de ...

Artículos técnicos66Campo magnético residual enmáquinas rotatoriasEsteban A. González V. y Marcelino Apanco R.Presenta los conceptos generales sobre el magnetismo residual en máquinas eléctricas rotatorias,las causas que lo originan y los problemas que provoca, así como la desmagnetización delos componentes que tienen campo magnético residual. Se comentan los resultados obtenidospor el área de Equipos Eléctricos del IIE, durante la realización de trabajos relacionados con lamedición y eliminación del campo magnético residual en máquinas eléctricas rotatorias.ResumenEl magnetismo residual es un fenómeno en elque los dipolos magnéticos de una sustanciase encuentran orientados en un grado determinado.Por otro lado, cuando existen fuerzasinternas capaces de alinear los dipolos magnéticoselementales de un material, se tiene un imánpermanente. Al igual que en un conductor o unmaterial, en los elementos de una máquina eléctricarotatoria se pueden inducir campos magnéticosque producen un magnetismo residual omagnetización. En las máquinas eléctricas rotatorias,el fenómeno de magnetización causa gravesproblemas, como la generación de corrientesinducidas que propician el desgaste mecánicoen chumaceras, collarines, muñones e inclusiveen la flecha, por efectos conocidos como pitting,frosting y spark tracks, así como lecturas erróneasen sensores de vibración y temperatura, que enalgunos casos pueden provocar la salida de operaciónde la máquina.En este artículo se presentan los conceptos generalessobre el magnetismo residual en máquinaseléctricas rotatorias, las causas que lo originan ylos problemas que provoca, así como la desmagnetizaciónde los componentes que tienen campomagnético residual. Se comentan los resultadosobtenidos por el área de Equipos Eléctricos del IIE,durante la realización de trabajos relacionados conla medición y eliminación del campo magnéticoresidual en máquinas eléctricas rotatorias.

67 Boletín IIE, abril-junio del 2007IntroducciónDe acuerdo con la ley de Ampere, cuando unacorriente circula a través de un conductor, segenera un campo magnético alrededor del mismo,cuya dirección se establece con base a la regla de lamano derecha, como se observa en la Fig. 1.Figura 1. Campo magnético alrededor de unconductor.Por otro lado, cuando existen fuerzas internascapaces de alinear los dipolos magnéticos elementalesde un material, se tiene un imán permanente.Sabemos que un imán afecta a ciertos materialesy a otros no. Sabemos también que un clavo cercade un imán se comporta como otro imán; perocasi siempre pierde esta propiedad si se aleja delmismo.Al igual que en un conductor o un material, en loselementos de una máquina eléctrica rotatoria sepueden inducir campos magnéticos que producenun magnetismo residual o magnetización.En las máquinas eléctricas rotatorias, el fenómeno de magnetización causa gravesproblemas, como la generación de corrientes inducidas que atenúan en el desgastemecánico en chumaceras, collarines, muñones e inclusive en la misma flecha, por efectosconocidos como corrientes frosting, pitting o spark tracks, así como lecturas erróneas ensensores de vibración y temperatura, y que en algunos casos pueden provocar que lamáquina rotatoria salga de operación.En el ámbito mundial no existe una norma que establezca los valores del campo magnéticoresidual, permitidos en máquinas eléctricas rotatorias. Los valores recomendadosen la literatura del tema se han establecido con base en la experiencia de trabajos desarrollados,y según éstos, se ha determinado que una máquina no presenta mayoresproblemas con niveles de magnetismo residual inferiores a 3 Gausses (G).En caso de que los niveles de campo magnético residual sean superiores a los mencionadosen una máquina eléctrica rotatoria, es necesario llevar a cabo un proceso dedesmagnetización, hasta llegar a los niveles aceptables.Causas de la magnetización en máquinas eléctricasEl campo magnético residual en los elementos de una máquina eléctrica rotatoria, sonproducido por diferentes causas, entre las cuales podemos mencionar las siguientes:a) La utilización de herramientas con fuertes campos magnéticos en el estator y/orotor en áreas de la máquina donde se presentan altos niveles de campo magnéticodurante la operación.b) El soldar sobre los elementos de la máquina. Cuando es necesario hacerlo, el electrodode tierra debe colocarse lo más cerca posible al electrodo de fundición,tomando las medidas de seguridad necesarias. La soldadura debe realizarse antesde instalar el rotor, flecha, chumaceras, sellos, etc.En caso de que durante el proceso de soldadura, el electrodo de tierra se coloque enun lugar en el que la corriente de retorno pueda encontrar una trayectoria, a travésde la estructura compuesta de las partes rotativas y estacionarias de la máquina, sepueden provocar campos magnéticos.

Artículos técnicos68c) Los campos magnéticos originados por diferentes componentes, coincidentementepueden estar alineados de tal forma que induzcan mayores corrientes. En este casoes posible instalar componentes de repuesto que presenten campos de la mismaintensidad, pero orientados de una manera diferente para eliminar las corrientes deflecha.d) La circulación de una corriente directa puede alinear sus dipolos magnéticosdurante una falla a tierra en la flecha del rotor de un generador, de tal forma que laflecha se magnetice.e) Al realizar operaciones y pruebas con inducción magnética (pruebas de inspeccióncon partículas magnéticas).Problemas causados por altos niveles de campo magnéticoresidualEl problema mas común causado por la presencia de campo magnético residual enlas maquinas eléctricas rotatorias, se debe a los niveles de corrientes en la flecha, queprovocan el desgaste de las piezas mecánicas como son las chumaceras, collarines,muñones, sellos, etc., debido a los efectos conocidos como frosting, pitting o sparktracks:a) Frosting. El efecto frosting ocurre durante descargas de voltaje y es común referirsea éstas como descargas eléctricas o electrostáticas y cuando ocurren, el material esremovido. Este es el tipo de daño más común por corrientes en la flecha y las partesmás afectadas son las chumaceras, los sellos, el collarín y los muñones. La aparienciaes como de una superficie soplada con arena, caracterizada por una sobre posición,fundición y marcas de hoyos brillantes. Cuando se observa con un microscopio, lasuperficie brillante presenta varios craters pequeños e individuales. El fondo de loscraters es redondo y brillante.b) Pitting. Este daño es muy diferente del efecto frosting; generalmente es mucho másextenso ya que su fuente generadora es extremadamente potente. Frecuentementeocurre en los dientes de los engranes, en el reverso de las chumaceras o sellos y aveces entre los elementos desmontables por la mitad. Opuesto al efecto frostingdonde la superficie completa puede ser afectada, el efecto pitting ocurre aleatoriamentey a veces es posible contar el número de las descargas, lo cual es imposiblehacer con el efecto frosting. La apariencia de los hoyos es similar a los craters individualesdel efecto frosting. Generalmente, el efecto pitting eléctrico es el resultadode una fuente electromagnética crecidamente concentrada para formar hoyos másgrandes. Sin embargo, se han conocido fuentes electrostáticas de alto voltaje comocausa del efecto pitting.c) Spark tracks. La apariencia inicial de este efecto es como un rayado en las superficiesde metal babbit, como resultado de partículas extrañas en la lubricación oaceite sellador. Generalmente, el efecto de spark tracks está asociado con una fuenteelectromagnética de gran potencia, que se necesita para desarrollar la descarga devoltaje continuo y este daño es diagnosticado como abrasión mecánica.Este tipo de daños pueden pasar desapercibidos al hacer una inspección ordinaria demantenimiento y ser considerados simplemente como desgaste de las partes mecánicas.La solución más común al problema es el cambio de las piezas dañadas o en sucaso, éstas sean maquinadas o rectificadas, proceso que influye para que se incrementeel campo magnético residual en las piezas. Los daños provocados por la presencia delmagnetismo residual son más visibles con el paso del tiempo y finalmente catastróficos,hasta sacar de operación la máquina eléctrica rotatoria.Otro problema debido al campo magnético residual es el mal funcionamiento de lossensores instalados en la máquina para medición y protección, tales como los sensoresde vibración y temperatura. Éstos pueden verse afectados, enviando lecturas erróneasque pueden accionar alarmas falsamente y en el peor de los casos, sacar a la máquina deoperación.

69 Boletín IIE, abril-junio del 2007Medición del campo magnético residualLa medición del campo magnético residual en las máquinas eléctricasrotatorias, se realiza con un equipo llamado gaussmetro, el cual nosda valores denominados Gauss y puede ser de tipo digital o analógico.Los equipos digitales proporcionan resultados asociados a unapolaridad positiva (+) o negativa (-), dependiendo de la dirección, lacual sale del campo magnético residual. Los analógicos normalmentetienen una escala con cero central y la aguja se mueve dependiendodel sentido (positivo o negativo).El gaussmetro que se utiliza en el Instituto para la mediciones delcampo magnético residual es uno marca Hirst, tipo GM05 digital,que tiene una punta de prueba muy sensible, la cual funciona bajoel efecto Hall. Las puntas de prueba pueden ser planas o cilíndricas.Las puntas planas miden el campo magnético en forma perpendiculary las cilíndricas en forma paralela a las líneas de flujo magnético.Normalmente, el extremo de la punta de prueba es la zona mássensible.Niveles máximos de magnetismoresidual recomendadosLos valores máximos y mínimos del campo magnéticoresidual para maquinas eléctricas rotatorias nose encuentran normalizados. La literatura especializadaen el tema (Nippes, Paul, 1994; Mazlack, S.,1984) ha establecido valores recomendados conbase en la experiencia de los trabajos desarrolladosy publicados. Los criterios aceptados internacionalmente,establecen que una máquina no presentamayores problemas con niveles de magnetismoresidual inferiores a 3 G.Los valores máximos que el área de Equipos Eléctricosdel Instituto de Investigaciones Eléctricasrecomienda para el campo magnético residual, conbase en su experiencia y a los criterios en la medicióny desmagnetización de los componentes delas maquinas eléctricas rotatorias, se muestra en latabla I.Como puede observar, los valores son muy similaresy están basados en la experiencia, observacióny resultados obtenidos de diferentes trabajosrealizados internacionalmente.Tabla I. Niveles máximos de campo magnético residual recomendados.ComponentesValores máximospermitidos (G)Chumaceras, retenes de chumaceras, sellos,muñones, disco de empuje, collarín, flecha delrotor y superficies con película de aceite. 3Envolventes de las chumaceras, sellos, muñones,collarines y engranes. 4Áreas rodantes, diafragmas, etcétera. 6Carcazas, tuberías, etc., alejados de lassuperficies de película de aceite. 8Límite máximo aceptado para valores superioresa 10 G. Se recomienda la instalación de escobillasde puesta a tierra en la flecha del rotor paramonitorear y proteger contra daños por corrientesinducidas. 10

Artículos técnicos70DesmagnetizaciónFigura 2. Comportamiento del ciclo de histéresisdurante el proceso de desmagnetización.Una vez detectados niveles de magnetismo residualpor arriba de los valores máximos recomendadosen una máquina o partes de ella, resulta necesarioproceder a la eliminación o reducción de éstos.El objetivo del proceso de desmagnetización esremover el magnetismo residual presente en uncomponente o elemento de la máquina, de formasistemática, hasta lograr niveles dentro de loslímites recomendados.El proceso de desmagnetización consiste en aplicaruna intensidad de campo magnético H (amperesvuelta),para lograr una densidad de flujo B y unflujo φ de magnitud similar al campo magnéticomedido en el componente a desmagnetizar, perode sentido opuesto. Este proceso se observa gráficamenteen la Fig. 2.El proceso de desmagnetización resulta más efectivo,cuando se aplica por separado a cada componentede la máquina, por lo que se recomiendadesensamblarla durante este proceso.Medición en sitio del campo magnético residual y desmagnetización decomponetes de máquinas eléctricas rotatoriasComo parte de los trabajos que actualmente realiza el área de Equipos Eléctricos del IIE, se efectuó la medicióndel campo magnético residual del grupo turbina-soplador de la planta Catalítica II de 13,800 V, de loscuales 33 componentes fueron inspeccionados; 22 se encontraron con niveles de magnetismo residualsuperiores a los recomendados por la literatura especializada, por lo que se llevó a cabo su desmagnetización,quedando con niveles de magnetismo residual aceptables.Esta turbina-soplador presentaban niveles de magnetismo residual elevados, por lo que se procedió a lamedición del campo magnético residual en las siguientes partes:a) Laberinto Chumacera lado copleb) Laberinto chumacera lado contra coplec) Tapa de la chumacera sopladord) Tapa de la chumacera lado contra coplee) Laberinto lado coplef) Tapa de la chumacera turbinag) Laberinto lado copleh) Laberinto lado contra coplei) Porta chumacera radial superiorj) Porta chumacera radial inferiork) Puente de chumacera radial superiorl) Puente de la chumacera inferiorm) Puente de la chumaceran) Mitad superior del sello de vapor inferioro) Porta chumacera axial lado activo superiorp) Porta chumacera axial lado activo inferiorq) Porta chumacera axial lado inactivo superiorr) Porta chumacera axial lado inactivo inferiors) Radial porta chumacera superiort) Porta chumacera superioru) Deflector de aceitev) Porta chumacera inferior lado coplew) Porta chumacera lado contra coplex) Tambor de balance superiory) Tambor de balance inferiorz) Mitad de sello superioraa) Diafragma superior medianobb) Carcasa superiorcc) Carcasa inferiordd) Diafragma superioree) Rotorff) 14 zapatas de la chumacera lado activogg) 14 zapatas de la chumacera lado activoreconstruidas

71 Boletín IIE, abril-junio del 2007Figura 3. Medición de campo magnético en sitio.La medición de campo magnético residual detectó niveles de magnetizaciónsuperiores a los recomendados.a) En el tambor de balance superior, registró un valor de magnetismoresidual máximo de 41 G. Después del proceso de desmagnetización,se observaron valores de 7.5 G, por lo que se tienen valoresaceptables.b) Las zapatas reconstruidas de las chumaceras lado activo, presentaronniveles de magnetismo residual de 1.8 G, por lo que no fuenecesario la desmagnetización de éstas, ya que están dentro delos valores máximos recomendados.c) La fecha del rotor de la turbina presentó un nivel de magnetismode 3 G en el lado cople y de 2.8 G en el extremo libre y en algunospicos de los álabes. Estos valores se consideran aceptables, por loque no fue necesario su desmagnetización.En la Fig. 3 se muestra la medición de campo magnético realizada ensitio, en un grupo turbina soplador mediante un gaussmetro digital.ConclusionesSe encontraron componentes del grupo turbina-compresor de la Planta Catalítica II, conniveles de magnetismo residual superiores a los recomendados en la literatura especializada.Dichos componentes fueron sometidos a un proceso de desmagnetización, hastaque presentaran niveles de magnetismo residual aceptables.Para evitar la magnetización en máquinas y equipo rotatorio se recomienda lo siguiente:• No soldar sobre los elementos de la máquina. Cuando sea necesario hacerlo, debecolocarse el electrodo de tierra lo más cerca posible al electrodo de fundición,tomando las medidas de seguridad correspondientes. La soldadura debe realizarseantes de instalar el rotor, las chumaceras, los sellos, etc.• Extremar precauciones al realizar operaciones y pruebas con inducción magnética(pruebas de inspección con partículas magnéticas).• Realizar periódicamente mediciones de magnetismo residual en la flecha del rotor.• Verificar el magnetismo residual de las partes a instalar, nuevas y maquinadas, demodo que se instalen partes con niveles mínimos a los recomendados.Además, se recomienda medir los voltajes inducidos en la flecha del rotor y la corrienteen la escobilla de puesta a tierra. La medición de estos parámetros puede indicar elgrado de deterioro en las chumaceras.BibliografíaNippes, Paul I., Principles of Magnetism and Stray Currents in Rotating Machinery, P/PM Technology,Vol. 7, No. 3. June 1994.Costello, Michael J., Shaft Voltages and Rotating Machinary, IEEE Transactions on Industry Applications,Vol. 29, No. 2. March-April 1993.Sohre, John S., Electromagnetic shaft currents and demagnetization on rotors of turbines and compressors,Proceedings of the seventh Turbomachinary Symposium.Mazlack, S. W., Magnetically Induced Shaft Currents: Causses and Cures, Hrydrocarbon Processing,August 1984.García, Job; Carvajal, F. Antonio; Ramírez, Manuel, Magnetismo residual en máquinas eléctricas rotatorias,Instituto de Investigaciones Eléctricas.

Artículos técnicos72Esteban Alejandro González VázquezIngeniero Eléctrico egresado de la Universidad Autónoma del Estado deMorelos en 1992. Es investigador en la Gerencia de Equipos Eléctricos delInstituto de Investigaciones Eléctricas. Se especializa en sistemas aislantes demáquinas rotatorias de alta tensión.agv@iie.org.mxMarcelino Apanco RodríguezEgresado de la Universidad Tecnológica de Puebla como Técnico. en Electricidady Electrónica Industrial en 1997. En 1998 ingresó a la empresa Dowell.Realizó su Licenciatura en el Instituto Tecnológico de Puebla como IngenieroEléctrico. Ingresó al Instituto de Investigaciones Eléctricas en 2002 comobecario de prácticas profesionales en la Gerencia de Equipos Eléctricos. En2003 realizó el AIT en la Gerencia de Simulación y en 2004 se incorporó comoinvestigador por honorarios en la Gerencia de Equipos Eléctricos a la fecha.mapanco@iie.org.mx