Bomba de Tornillo Helicoidal

18 de abril de 2013 MANTENIMIENTOS DE EQUIPOS PETROLEROS BOMBAS DE TORNILLOS HELICOIDALES

Daniel Mauricio Cárdenas Forero Alex Gutiérrez Pinzón Escuela Colombiana de Carreras Industriales 18 de abril de 2013

MANTENIMIENTOS DE EQUIPOS PETROLEROS

INDICE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Introducción ¿Qué es una bomba de tornillo helicoidal? Advertencias de mantenimiento e funcionamiento y procedimientos Características técnicas y principios de funcionamiento Estructura de la bomba Funcionamiento irregular de la la bomba Fotos de bombas de tornillos helicoidales Bibliografía

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1. INTRODUCCIÓN Dentro del mantenimiento de equipos petroleros se tienen en cuenta los diferentes equipos que hacen parte de cada una de las etapas del sector tales como, excavación, perforación, explotación y transporte. Estos equipos debidos a las condiciones en las que son usados y la etapa a la que corresponden reciben un mantenimiento acorde a estas variables, para este caso se trataran los equipos de la parte de explotación de bombas de tornillos helicoidales

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2. ¿Qué es una bomba de tornillos helicoidal? Una bomba de tornillo es un tipo de bomba hidráulica considerada de desplazamiento positivo, Esta bomba utiliza un tornillo helicoidal excéntrico que se mueve dentro de una camisa y hace fluir el líquido entre el tornillo y la camisa. Está específicamente indicada para bombear fluidos viscosos, con altos contenidos de sólidos, que no necesiten removerse o que formen espumas si se agitan. Como la bomba de tornillo desplaza el líquido, este no sufre movimientos bruscos, pudiendo incluso bombear uvas enteras. Uno de los usos que tiene es la de bombear fangos de las distintas etapas de las depuradoras, pudiendo incluso bombear fangos deshidratados procedentes de filtros prensa con un 22-25% de sequedad. Este tipo de bombas son ampliamente utilizadas en la industria petrolera a nivel mundial, para el bombeo de crudos altamente viscosos y con contenidos apreciables de sólidos. Nuevos desarrollos de estas bombas permiten el bombeo multifatico. Adecuadas para el bombeo de líquidos contaminados o ligeramente abrasivos, lubricantes y no lubricantes o líquidos de baja o alta viscosidad que no ataquen químicamente los materiales de la bomba, como en la industria química y petroquímica, jabones y grasas, pinturas y barnices, alimentación y bebidas, fabricación de plásticos, azucareras, industria naval e ingeniería medioambiental (recuperación de aceites usados, disolventes y productos químicos) etc. Las bombas pueden suministrarse de acuerdo con API 676, así como otras especificaciones internacionales habituales o especificaciones particulares requeridas por los clientes. Bombas de un tornillo helicoidal o cavidad progresiva. Sus componentes principales son el rotor y el estator. El rotor es de una hélice externa simple y el estator es de una hélice interior. Las Bombas de un tornillo de volumen fijo, en esta clase de bombas la capacidad de volumen no varía. las bombas de un tornillo con capacidad variable. Un pistón regulador de la 18 de abril de 2013

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capacidad con movimiento horizontal acciona a la válvula deslizante. Esta modifica el tamaño del orificio de escape, regulando así la capacidad de volumen de transporte. Bombas de doble tornillo, estas bombas transportan su contenido en forma axial, uniforme y continua. Durante la rotación de los tornillos impulsores no se genera turbulencia. Bombas de triple tornillo, la bomba de triple tornillo genera cámaras estancas en el núcleo de la bomba, debido al perfilado especial de sus flancos. El diseño de las bombas de tornillos helicoidales reduce el diámetro del rotor e incrementa el tamaño de las cámaras para crear una muy baja velocidad de resbalamiento entre el rotor y el estator. Esto resulta en un mejor tratamiento del fluido bombeado, reduce el desgaste y la carga en la bomba y alarga la vida útil de las juntas cardánicas. Esta bomba cubre un gran rango de operación en lo que hace a caudal, presión, viscosidad y tipo de fluido.

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3. Advertencias de mantenimiento y de funcionamiento 1. Se debe asegurarse de que todos los trabajos de mantenimiento, inspección y montaje los realice personal especializado, autorizado y cualificado, que esté suficientemente capacitado. 2. El personal debe tener todos los elementos de protección personal y puestos 3. Verificar que la bomba no tenga fugas, o derrames y si los hay se debe actuar de acuerdo a los procedimientos de sustancias peligrosas e proteger el medio ambiente. Se debe descontaminar el área. 4. Los trabajos en la bomba deben efectuarse únicamente con la bomba parada. Tiene que haber dejado de estar bajo presión y haberse enfriado. 5. Tenga en cuenta que la bomba de tornillo es una bomba volumétrica y que como tal puede producir una presión teóricamente infinita. 6. Si, por cualquier motivo, la tubería de impulsión estuviera cerrada, por ejemplo debido a una obstrucción o al cierre accidental de una válvula, la presión generada por la bomba puede superar ampliamente la presión máxima admitida en la instalación; esto puede provocar la explosión de tuberías, lo cual debe evitarse sobre todo si se manejan fluidos peligrosos. 7. En la instalación, por consiguiente, deben instalarse adecuados dispositivos de seguridad como, por ejemplo, válvulas de seguridad, presostatos o discos de rotura con tuberías de retorno a la aspiración o al tanque. 8. Asegurarse que el motor de la bomba no puede conectarse accidental y/o indebidamente. 9. Al abrir la bomba, respetar todas las normas relacionadas con el manejo del producto bombeado (por ejemplo, prendas de vestir de protección, prohibición de fumar, etc.). 10. Antes de volver a poner en funcionamiento, comprobar que todos los dispositivos de protección mecánicos, eléctricos y de otro tipo (por ej. protección del acoplamiento) estén regularmente aplicados. 11. Durante el funcionamiento, el mantenimiento o la reparación piense siempre en su seguridad y, por lo tanto, aténgase siempre a las directivas generales 18 de abril de 2013

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europeas sobre máquinas, la norma europea EN 292, a las normas para la prevención de accidentes y a las instrucciones de las autoridades en materia de minas (cuando sean de aplicación) y cumpla las pertinentes reglas técnicas. 12. Para obtener un buen funcionamiento y duración de la bomba es necesario conocer y atenerse a las instrucciones del Manual. Debe guardarse el manual para futuras consultas y operaciones. Y para un buen funcionamiento de la bomba se deben tener en cuenta los siguientes factores: 1. La alineación de la bomba con el grupo de accionamiento es una condición esencial para un buen funcionamiento sin vibraciones ni desgaste de los elementos de transmisión. 2. Es importante en la fase de instalación y anclaje, controlar la alineación de la superficie sobre la que va ser asentado la bomba de tornillo helicoidal, y apretar correctamente las tuercas a los tornillos de fijación. 3. La tubería de aspiración debe ser como mínimo del mismo diámetro que la brida de la bomba, lo más corta y recta posible, de esta forma facilitaremos la entrada del producto en la bomba. 4. El diseño, trazado y montaje de las tuberías debe hacerse para que al conectarse a las bridas de la bomba no existan tensiones que puedan producir vibraciones y deformaciones. 5. La bomba puede girar en ambos sentidos, sin embargo es conveniente que lo haga según la placa de características, esto es, a izquierdas visto desde el lado del eje de accionamiento. Así la aspiración será por la brida central en alto y la impulsión por la brida axial del extremo. De este modo se evita que la zona de sellado esté sometida a la presión de descarga. 6. El sentido de giro correcto debe verificarse con una conexión y desconexión instantánea pues la bomba no debe trabajar nunca en seco para evitar el desgaste del estator. 7. La bomba de tornillo helicoidal es del tipo de desplazamiento positivo por lo tanto no se puede cerrar una válvula en la impulsión para regular su caudal. Si por condiciones de la instalación fuese imprescindible montar una válvula de corte en la impulsión ó existiese la posibilidad de una obstrucción en la tubería de impulsión, sería necesario el montaje de una válvula de seguridad en la bomba ó en el tramo de la tubería entre la bomba y el posible cierre.

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8. La bomba no debe trabajar nunca en seco, si existe la posibilidad de que durante un espacio de tiempo no le llegue producto y el estator se seque y pueda deteriorarse es conveniente montar un sistema de protección 9. Por su condición auto aspirante la bomba aspira no solo el producto a bombear sino también el aire que hay en la tubería de aspiración. Deben revisarse todas las uniones y la zona de sellado para eliminar la entrada de aire y obtener así el caudal nominal y una descarga continua del producto. 10. Si el producto bombeado está considerado como nocivo ó peligroso, el lugar de emplazamiento debe reunir las condiciones legales de seguridad e higiene. 11. La instalación eléctrica debe estar de acuerdo con el Reglamento legal aplicable. 12. Los motores en conformidad con la Norma IEC 34 ‐1 deben poder funcionar en las siguientes condiciones de trabajo: Temperatura ambiente comprendida entre – 16ºC y + 40 ºC. Altitud inferior a 1000 m. 13. Cuando se planifique el lugar donde va a instalarse la bomba se debe tener en cuenta el espacio que hay que prever para su desmontaje. 14. La bomba no debe funcionar nunca en seco. Antes de efectuar la puesta en marcha se debe llenar el cuerpo de la bomba con el producto a bombear ó con otro que sea compatible, así el estator estará suficientemente lubricado hasta que la bomba aspire el producto y éste pase a través del rotor y el estator. Esta operación debe hacerse también cuando la bomba ha estado un largo tiempo sin funcionar y cuando se ha desmontado para revisión. No es necesario hacerla cada día pues al pararse debe quedar suficiente cantidad de producto para la puesta en marcha del día siguiente. 15. El excelente rendimiento de la bomba se debe a la perfecta línea de cierre entre el rotor y el estator, ello implica que al ponerse en marcha por primera vez, ó al reemplazar ambas piezas, exista una gran resistencia que normalmente se vence haciéndola girar a mano unas cuantas vueltas (se debe desconectar previamente la conexión eléctrica). Cuando la bomba ha funcionado durante unos minutos esta resistencia desaparece. 16. En caso de instalar la bomba en una zona de bajas temperaturas que puedan provocar la congelación del producto en el interior de la bomba cuando ésta se pare, se debe vaciar el cuerpo de la bomba al terminar el ciclo de trabajo ó instalar un sistema de calorifugado para así protegerla.

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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES DE REPARACI N DE TORNILLO EXC NTRICO

ACTIVIDAD

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SEMANA 1 M J

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SEMANA 2 M J

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SEMANA 3 M J

Recepción en el taller Inspección general Diagnostico Programación de orden de trabajo Remover el recubrimiento de Babbit Preparación de la superficie Rectificacion del tornillo Estañado Aplicación del Babbit Mecanizado dimensional del babbit Control de calidad Pruebas de funcionamiento Cierre de orden de trabajo Entrega

Después de recibir la información del cliente, se realizan los siguientes pasos: PROCEDIMIENTO DE REPARACIÓN 1. Considerando en cada etapa un registro fotográfico: 2. Desensamble general; se debe identificar cada parte y marcar su posición 3. Limpiar Limpiar cada parte observando observando las restricciones restricciones pertinentes pertinentes. 4. Realizar una inspección visual general a cada elemento y registrar 5. Realizar metrología general a las partes a reparar o fabricar 6. Realizar END a las partes a recuperar 7. Generar un pre-i fnorme d le est dao act lua d le equipo 8. Mecanizar y fabricar las partes de recambio 9. Realizar metrología de control y aprobación 10. Realizar pre-ensamble de partes 11. Presentar el rotor en la carcasa base y realizar prueba de libertad 12. Ensamblar completamente y realizar verificación de sellos 13. Realizar prueba hidrostática 14. Generar informe final PROCEDIMIENTO DE RECOSTRUCCION DEL TORNILLO HELICOIDAL Por Soldadura por Arco Eléctrico a. Proceso en el cual la deposición del “babbitt” se realiza mediante el proceso de

soldadura por arco eléctrico con electrodo de tungsteno y gas inerte de protección (Comúnmente conocido como proceso TIG). b. Ajustar los parámetros de soldadura tal como se indica a continuación: 1. Material de aporte: varilla del mismo material del “babbitt”. 2. Electrodo no consumible: tungsteno puro (100 %). 18 de abril de 2013

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3. 4. 5. 6. 7.

Gas de protección: argón al 99,995 %. Flujo de gas: 118 – 197 cm3/seg (15 – 25 ft3/hr) Tipo de corriente: directa con electro negativo. Voltaje: 10 – 12 V. Amperaje: 30 – 40 Amp.

c. Sujetar el tornillo helicoidal adecuadamente con abrazaderas u otros dispositivos de tal manera de prevenir deformación en los mismos por el calor generado durante el proceso de soldadura. d. Precalentar, por su parte externa y con llama oxi –acetilénica, el cuerpo del tornillo helicoidal hasta obtener una temperatura de 150 °C (300 °F). Mantener el mismo a una temperatura entre 120 y 190 °C (250 y 370 °F) durante todo el proceso de soldadura, a fin de evitar un sobrecalentamiento local en el cojinete. Verificar constantemente la temperatura con lápices térmicos. e. Realizar la soldadura en un lugar con suficientemente ventilación, pero protegido de corrientes de aire fuertes. La misma deberá realizarse cubriendo la superficie con pases en sentido longitudinal. La limpieza entre pases deberá realizarse utilizando un cepillo de acero inoxidable. f. Aplicar un cordón de soldadura o “babbitt” en los bordes con un pase en sentido

circunferencial, sin hacer contacto con el metal base de la concha. g. Proceder con el mecanizado dimensional tal como se indica en el punto 5 de este procedimiento.

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4. Características técnicas principios de funcionamiento

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Las principales características técnicas de una bomba de bombeo helicoidal son:

1. Caudal uniforme y proporcional al número de revoluciones 2. Auto aspirantes, con una capacidad mínima de aspiración de 4 m.c.a. (NPSH), dependiendo del tamaño, el numero de etapas y el número de revoluciones de la bomba 3. Capacidad de bombeo de productos no homogéneos, que contienen gas, sólidos, abrasivos o substancias ácidas y fibrosas. 4. Bombeo de líquidos con viscosidad baja o alta. 5. Dosificación de líquidos 6. Bombeo sin pulsaciones, con un trato suave del producto 7. Presiones elevadas de bombeo (6 bares por cada etapa). Puede haber bombas de uno a ocho etapas, de acuerdo con la presión requerida. Los principios de funcionamiento

La bomba helicoidal de tornillo sencillo es una máquina volumétrica giratoria, auto aspirante, cuya parte "bombeadora" está constituida por dos elementos característicos llamados rotor y estator. El rotor, normalmente metálico, es un helicoide. El estator, normalmente fabricado en un material elástico, normalmente vulcanizado en un tubo de acero, tiene en su interior una cavidad en forma de helicoide de dos principios: doble paso con respecto al rotor y con igual excentricidad. El rotor, girando dentro del estator, es obligado a realizar un movimiento de roto translación hipocicloidal. El acople entre los dos elementos, presenta siempre una línea de contacto a lo largo de la cavidad que garantiza la hermeticidad entre los dos elementos. Dicho movimiento produce una cámara estanca que se desplaza con movimiento helicoidal, desde la zona de aspiración hasta la zona de impulsión. El caudal teórico es directamente proporcional al número de revoluciones. En las bombas helicoidales de tornillo sencillo el eje de rotación del rotor no coincide con el eje de rotación de la motorización. El rotor recibe su movimiento de un eje de transmisión de doble acoplamiento. La función de la unidad rotativa que incluye el eje de accionamiento (eje que conecta el accionamiento al rotor) es transferir el par dado por el accionamiento, 18 de abril de 2013


soportar la excentricidad de la unidad de bombeo (rotor/estator), soportar las fuerzas axiales generadas por la contrapresión y de la reacción que se genera en la roto‐translación entre rotor y estator. El nivel de potencia acústica ponderado y emitido por la máquina no supera los 85 dB(A)

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5. Estructura de la bomba Las bombas pueden estar acopladas a la motorización de dos formas diferentes (ver la Figura): Directamente a la brida del soporte, monoblock (M), con la transmisión acoplada directamente a la motorización (A) que tendrá que soportar el esfuerzo provocado por la transmisión. Este tipo de bomba es de diseño compacto y económico, la conexión entre bomba y motor es simple y rápida de realizar. A un eje independiente, con un acoplamiento semielástico entre bomba y motorización. Este tipo de bomba es menos compacta y más costosa, pero permite trabajar en la bomba sin tener que desmontar y/o mover la motorización. Además el soporte (S) presenta rodamientos de altas prestaciones, capaces de soportar todos los esfuerzos de la transmisión. Esta ejecución es más fiable y robusta que la anteriormente descrita. Los rodamientos necesitan una lubricación correcta para poder funcionar de forma eficiente.

Dentro del cuerpo de la bomba (C) hay 2 uniones ‐articulaciones (J) que permiten la transmisión del par motor del accionamiento al rotor. La forma y las dimensiones de las uniones‐articulaciones son el resultado de la máxima fiabilidad operativa, solidez y paso óptimo del fluido. Están selladas por medio de una protección de goma (mangón) y es necesario que la lubrificación en su interior sea perfecta. El sellado normal del eje (T) es un cierre mecánico sencillo, pero la máquina se puede configurar con empaquetadura y cierres mecánicos dobles. Se pueden 18 de abril de 2013

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montar cierres en cartucho u otros modelos. Tanto con cierre mecánico como con empaquetadura, se puede montar con lavado o refrigeración. Los componentes principales de la bomba, como la transmisión, el cuerpo de la bomba (C) y la brida de impulsión (B) se pueden diseñar y construir en formas diferentes.

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6. Funcionamiento irregular de la bomba El funcionamiento irregular de la bomba puede ser detectado por alguna de las causas que se indican y ser resuelto fácilmente con los propios medios del usuario, aplicando las soluciones que se indican para cada una de las posibles causas puede existir. SINTOMAS A El motor no llega a poner en funcionamiento la bomba. B La bomba no descarga. C El caudal se reduce. D La descarga se hace irregular. E La bomba no aspira después del arranque. F La bomba se calienta. G Excesiva potencia absorbida por la bomba. I Hay un ruido y/o vibración. J Excesivo desgaste de la empaquetadura ó del cierre. K Salida del producto por la empaquetadura. L La bomba se bloquea. M Duración limitada del estator. N Duración limitada del rotor. O Presión de salida insuficiente

POSIBLES CAUSAS 1 Sentido de giro incorrecto. 2 Bomba sin aspirar líquido. 3 N.P.S.H. disponible insuficiente. 4 Líquido vaporizándose en la línea de aspiración. 5 Entrada de aire en la línea de aspiración. 6 Altura de aspiración excesiva. 7 Válvula de pié obstruida ó bloqueada. 8 Viscosidad del producto por encima de lo previsto. 9 Temperatura del producto por encima de lo previsto. 10 Viscosidad del producto por debajo de lo previsto. 11 Presión de descarga por encima de lo previsto. 12 Sellado demasiado apretado. 13 Sellado poco apretado. 14 Limpieza del sellado inadecuada. 15 Velocidad de la bomba alta. 16 Velocidad de la bomba baja. 17 Correas patinando.

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18 Bomba mal alineada. 19 Bomba ó accionamiento inseguro. 20 Desgaste ó fallo del eje. 21 Pieza desgastada. 22 Castañeteo de la válvula de seguridad. 23 Tarado de la válvula de seguridad incorrecto. 24 Tensión baja. 25 Producto entrando en la zona de empaquetadura. 26 Accionamiento roto. 27 Altura de descarga negativa ó muy baja. 28 Tubería de descarga bloqueada ó válvula cerrada. 29 Estator girando. 30 Desgaste muy fuerte en empaquetadura. 31 Correas en mal estado. 32 Estator y rotor nuevos. Fuerte rozamiento entre ambos. 33 Conexión eléctrica desconectada. 34 Sólido extraño en el interior de la bomba. 35 Estator dilatado. Goma no compatible con el producto. 36 Producto con sólidos de excesivo tamaño ó en excesiva proporción. 37 El producto se endurece ó sedimenta. 38 La bomba gira en seco. 39 Estator desgastado. 40 Rotor desgastado. 41 Junta cardan con holgura. 42 Rodamientos en mal estado. 43 El tipo de sellado no es correcto SINTOMAS POSIBLES CAUSAS A. B. C. D. E. F. G. H. I. J. K. L. M. N. O.

12. 17. 20. 24. 26. 32. 33. 34. 35. 1. 2. 3. 6. 7. 17. 26. 28. 29. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 13. 16. 17.21. 22. 23. 39.40 3. 4. 5. 6. 7. 8. 13. 15. 29. 31. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 13. 15. 29. 39. 8. 9. 11. 12. 28. 38. 8. 9. 11. 12. 18. 20. 23. 24. 28. 8. 11. 12. 15. 18. 20. 36. 8. 11. 12. 15. 18. 19. 20. 21. 22. 26. 41.42 9. 14. 18. 20. 25. 37. 43. 13. 14. 20. 12. 14. 25. 34. 36. 37. 9. 15. 20. 34. 36. 38. 9. 15. 20. 34. 36. 1. 2. 29. 39. 40.

SOLUCIONES

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1 Invertir el sentido de giro del motor permutando dos fases. 2 Cerrar la posible entrada de aire por uniones, soldaduras ó el sellado del eje 3 Aumentar la altura de aspiración o reducir la velocidad y/o la temperatura 4 Incrementar el N.P.S.H. disponible. 5 Comprobar las uniones, soldaduras y el sellado del eje. 6 Elevar el depósito de aspiración y/o incrementar el diámetro de la tubería de

aspiración 7 Limpiar toda la línea de aspiración. 8 Reducir la velocidad de la bomba y/o incrementar la temperatura. 9 Enfriar el producto. 10 Aumentar la velocidad de la bomba y/o reducir la temperatura. 11 Verificar que no hay obstrucciones ó válvula cerrada en la línea de descarga 12 Ajustar el prensaestopas adecuadamente. 13 Ajustar el prensaestopas adecuadamente ó verificar el cierre. 14 Comprobar que el líquido de limpieza fluye adecuadamente a la zona de sellado 15 Reducir la velocidad de giro. 16 Aumentar la velocidad de giro. 17 Tensionar adecuadamente las correas. 18 Comprobar y corregir la alineación. 19 Comprobar y apretar todos los puntos de anclaje. 20 Revisar el eje y los rodamientos, cambiarlos si es necesario. 21 Cambiar la pieza desgastada. 22 Comprobar el estado de las piezas y su ajuste. 23 Ajustar (tarar) el muelle de la válvula. 24 Comprobar la tensión eléctrica y el diámetro de los cables. 25 Comprobar el estado de la empaquetadura y verificar que el tipo es adecuado 26 Comprobar y cambiar los elementos rotos. 27 Cerrar la válvula de descarga ligeramente. 28 Invertir el sentido de comprobar la válvula de descarga y limpiar las tuberías 29 Reemplazar las piezas desgastadas y apretar los tornillos del estator 30 Comprobar el estado del eje y de la empaquetadura y cambiar los que estén deteriorado 31 Comprobar y ajustar la tensión de las correas ó reemplazarlas. 32Llenar el cuerpo de la bomba con el producto u otro que sea compatible, y hacerla girar manualmente. En ocasiones es necesario lubricar el rotor y el estator con un lubricante compatible con sus materiales y el producto a bombear 33 Comprobar la instalación eléctrica.

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7. Fotos de bombas de tornillos helicoidales

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8. Bibliografía Libro bombas (selección, uso y mantenimiento). Autor Kenneth J. Mc Naugton Libro bombas centrifugas. Autor Ing. L Quantz Manual de instrucciones de instalación, puesta en marcha y mantenimiento serie B Manual de instrucciones de instalación, puesta en marcha y mantenimiento serie s+ Manual del usuario hidrostal soluciones con tegnologia. Bomba helicoidal tipo K y Q http://www.peisabue.com.ar/bombas/bomba.htm http://bornemann.files.wordpress.com/2009/09/manual-rev15-espanol.pdf

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