viernes, 25 de enero de 2019

LA NORMA API 613


                                                                                                Por Eduardo Niño de Rivera
                                                                                                Con colaboración especial de
                                                                                                John B. Amedola Sr.
                                                                                                Artec Machine-Systems

INTRODUCCIÓN.
La norma para engranajes API (American Petroleum Institute) 613 abarca reductores y multiplicadores de velocidad de ejes paralelos de una o dos etapas de engranes helicoidales o de doble hélice suministrados en caja cerrada, empleados para servicio especial en las industrias del petróleo, química y gas, y se aplica a maquinaria en operación continua para las que no hay un equipo de repuesto instalado. Esta norma no incluye equipos de uso general a velocidades inferiores a 60 m/s en el círculo de paso, que están contemplados en la norma API 677; o engranes integrados en otros equipos, como compresores, que están incluidos en las normas API 617 y 672.  Cada una de estas normas tiene su propio ámbito a aplicación y no debe emplearse en aplicaciones que corresponden a otra.

La norma API 613 abarca prácticamente todos los detalles referentes al diseño y construcción de las cajas de engranes y otros componentes como el sistema de lubricación, los controles, la instrumentación y otros equipos auxiliares. La 5ª edición (vigente) fue publicada en febrero del 2003. Actualmente, las modificaciones propuestas para la 6ª edición están en proceso de aprobación por parte de la junta de gobierno de API y se espera que la nueva versión sea aprobada y publicada durante el presente año. En este artículo veremos algunos aspectos de la norma vigente así como de  las modificaciones propuestas y sus implicaciones para diseñadores, fabricantes, compradores y usuarios de reductores y multiplicadores de  alta velocidad.

REQUISITOS BÁSICOS.
La norma API 613 se refiere a  cajas de engranes para aplicaciones que requieren una larga vida útil en operación continua y un alto nivel de confiabilidad. Comparada con otras, esta norma es más estricta en las reglas para realizar cálculos y fija límites más bajos para los esfuerzos admisibles, por lo tanto, los engranajes que cumplen con ella tienen un mayor tamaño y costo de adquisición que aquellos que solamente cumplen con normas menos exigentes, como  AGMA o, excepto para engranes tratados al núcleo, ISO [1].

CAPACIDAD API 613-5  VS. AGMA
La capacidad de transmisión de potencia de los engranajes que trabajan a alta velocidad está limitada por los esfuerzos de contacto entre los dientes, los esfuerzos derivados del momento flexionante que produce este contacto y la posibilidad de desgaste por roce metálico entre los dientes de los engranes. El apéndice J de la 5ª edición de API 613 explica las diferencias que hay entre el cálculo de esfuerzos en base a esta norma y en base a la norma AGMA2101-D06. Aunque las formulas de cálculo son muy similares, mientras que la norma AGMA permite factores basados en consideraciones de diseño, API impone valores fijos más restringidos. Además, API fija valores más bajos para los esfuerzos máximos permitidos. Como consecuencia de estas diferencias, la capacidad de transmisión conforme a esta norma resulta menor a la de AGMA, por ejemplo, en el artículo “A Comparison of Current AGMA, ISO and API Gear Rating Methods”, publicado en el número de Julio del 2018 de la revista Gear Techology [1],  John M. Rinaldo reporta capacidades calculadas conforme a los criterios de la norma AGMA 6011 aproximadamente al doble de las que obtiene usando API 613-5 para el mismo grupo de engranes.

LAS NORMAS ISO
De acuerdo a información proporcionada por John B. Amendola Sr, en el 2001, ISO publicó la norma 13691 para cubrir el ámbito de aplicación de API 613. La base para el cálculo de la capacidad de una transmisión conforme a la norma 13691 está contemplada en la norma ISO 6336, que no tiene un apartado especial para transmisiones de alta velocidad y realmente no ofrece buenos resultados para engranes con velocidades superiores a 50 m/s en el diámetro de paso. Por esta razón, es poco frecuente que se esta norma se incluya en especificaciones para turbo-maquinaria. Sin embargo, ocasionalmente se estipulan tanto la norma API 613 como la ISO 13691 para un mismo proyecto. Estas normas son incompatibles entre sí respecto al cálculo de la capacidad de transmisión, haciendo necesario manifestar excepción sobre la norma ISO en la documentación del proyecto.


PUREZA DEL MATERIAL
Las fracturas y el descascaramiento o pitting generalmente inician bajo la superficie de los dientes en puntos en que las impurezas en el material provocan concentración de los esfuerzos máximos, ya sean provocados por momento flexinante o por contacto. Otras fallas catastróficas pueden deberse a impurezas en el núcleo del material que no fueron debidamente tratadas en el proceso de forja. Por estas razones, la pureza del material es determinante en la vida útil y en la confiabilidad de los engranes.  La norma API 613-5 establece que, con excepción de los puntos que esta misma norma indica, los engranes deben cumplir con AGMA 6011 y otras normas AGMA relacionadas. Por su lado, la versión J14 de AGMA 6011 estipula que el material debe cumplir con un grado M3 según AGMA 923. Éste, desde luego, es un requerimiento mínimo y cualquier mejora en la pureza del material representará una mayor vida útil y confiabilidad en los engranajes.

Fotografías por cortesía de Artec Machine Systems


DAÑOS POR ROCE METÁLICO
Para evitar daño a causa del roce entre dos superficies que se deslizan entre sí, el lubricante debe formar una película suficientemente gruesa para separar las superficies evitando que haya contacto directo entre las partes más elevadas de las irregularidades microscópicas de ambas superficies. La 5ª edición de API 613 especifica que se debe cumplir con los requisitos de la norma AGMA 6011-J14, Anexo B pero reconoce que el proveedor puede usar otros métodos de cálculo e indica que el riesgo de daño por roce metálico depende de factores como los materiales de los engranes, el lubricante que se utilice, la viscosidad del lubricante, la rugosidad de las superficies en contacto, la velocidad de deslizamiento entre los dientes y la geometría de los dientes; y que cambios en cualquiera o en todas estas características puede disminuir el riesgo de desgaste por roce metálico.

Daño por roce metálico. Fotografía por cortesía de Artec Machine Systems


MODIFICACIONES PROPUESTAS PARA API 613-6
Desde hace 6 años, API formó un grupo de trabajo (Task Force) para preparar la 6ª edición de la norma 613. Este grupo ha entregado su propuesta para aprobación por parte de SOME, la junta de gobierno de la API. John B. Amendola Sr. miembro de este grupo de trabajo, indica que la mayoría de las modificaciones propuestas buscan mejorar la redacción para evitar malas interpretaciones en el método de cálculo para establecer la capacidad de la transmisión. Además, se está proponiendo una modificación este método de cálculo para alinearlo con la norma AGMA 6011-J14 pero aplicando un factor de disminución que generan capacidades en niveles similares a los de la 5ª edición.

La propuesta incluye un interesante anexo que discute las diferentes causas por las que los engranes de alta velocidad fallan, las condiciones que pueden imponer límites a la capacidad de transmisión por debajo de los que se establecen en base a los esfuerzos de contacto o los provocados por el momento flexionante, y algunos posibles remedios.

MODIFICACIÓN AL ÁNGULO DE HÉLICE Y AL PERFIL DE LOS DIENTES
Cortesía de Artec Machine Systems
Independientemente de la norma que se aplique, el cálculo de los esfuerzos supone que hay un contacto adecuado entre los dientes de los engranes. Sin embargo, los esfuerzos y las diferencias de temperatura que se dan en condiciones de operación a lo largo de los dientes provocan deformaciones que modifican el patrón de contacto respecto a un estado estático a temperatura ambiente. La norma API 613 reconoce que cuando estas deformaciones exceden ciertos límites, es necesario modificar el perfil de los dientes para que el contacto ideal se dé en condiciones normales de operación. Aunque la norma requiere que esta modificación se determine analíticamente, no dice cómo deben realizarse los cálculos correspondientes porque cada fabricante determina sus formulas de acuerdo de su propia experiencia e investigación.


OTROS COMPONENTES
La intención de esta norma es garantizar que el equipo cumplirá con las necesidades de operación y con la vida útil requerida. En base a la experiencia acumulada durante muchos años, la norma toma en cuenta todos los aspectos relevantes respecto a la fabricación, pruebas, embalaje,  transporte, instalación y puesta en marcha del reductor o multiplicador de velocidad. La norma también establece requisitos y ofrece sugerencias respecto a los demás componentes que conforman la transmisión, como la caja, las chumaceras, el lubricante, el sistema de lubricación, los acoplamientos, los embragues y la instrumentación.

INTERCAMBIO DE INFORMACIÓN ENTRE CLIENTE Y PROVEEDOR
No se puede exagerar la importancia de que el fabricante cuente con información adecuada sobre las condiciones de operación para las aplicaciones de alta velocidad que requieren altos niveles de confiabilidad. Pero igualmente importante es que el fabricante del equipo y el usuario puedan verificar que la transmisión propuesta cumpla con las especificaciones establecidas.  Con el objeto de promover el adecuado intercambio de información entre todas las partes involucradas, la norma API 613 estipula la información y documentación que ambas partes deben intercambiar  en su apéndice A propone un reporte de datos en que el cliente indica las condiciones de operación y los requerimientos adicionales, y el vendedor registra los detalles de diseño, fabricación, equipo periférico y pruebas  del producto. De esta manera se busca garantizar que todas las partes involucradas tengan claro el alcance de la propuesta.



CONSECUENCIAS DE ESPECIFICAR API 613 CUANDO NO SE REQUIERE
La discusión anterior puede llevarnos a la conclusión errónea de que al exigir que una transmisión cumpla con la norma API 613 o al especificar factores de servicio superiores a los necesarios, estaremos asegurando una mayor confiabilidad para la transmisión. Tratándose de engranajes de alta velocidad, una especificación superior a la requerida para su buen funcionamiento y una vida útil adecuada, implica que los engranes serán más anchos o de mayor diámetro. Los engranes más anchos no sólo son más sensibles a la desalineación, también provocan un mayor incremento en la temperatura del aceite, que ahora tiene que hacer un recorrido más largo en contacto con la superficie caliente de los dientes antes de ser expulsado para incorporarse al aceite en circulación. Los engranes de mayor diámetro tendrán velocidades más altas de deslizamiento entre las superficies de los dientes en contacto, condición que también provoca un incremento en la temperatura y en el riesgo de daño por roce metálico entre los dientes. Además, al ser sometidos a temperaturas elevadas durante periodos prolongados se corre el riesgo de que los dientes sufran cambios dimensionales permanentes [2]. Más que un mayor tamaño, los factores que importan son una distribución pareja de la carga, disminuir las velocidades de deslizamiento y una buena lubricación [3].

CONCLUSIÓN.
La norma API 613 se aplica a transmisiones para alta velocidad en máquinas en operación continua para los que no hay un equipo de reemplazo instalado; exige un mínimo de 5 años de operación ininterrumpida; se aplica a engranes helicoidales o de doble hélice suministrados en caja independiente; establece criterios de diseño más restringidos y por los tanto, exige transmisiones de mayor tamaño y costo que los equipos que solamente cumplen con normas orientadas a uso general, como AGMA o ISO. Esta norma contempla prácticamente todos los detalles necesarios para que la transmisión tenga un desempeño adecuado y para que todas las partes involucradas en la especificación, adquisición, venta, diseño, fabricación, transporte, instalación, puesta en marcha y operación conozcan claramente los alcances y responsabilidades que a cada uno le competen. Aplicada correctamente, la norma promueve un desempeño satisfactorio y un alto grado de confiabilidad pero deben reconocerse sus limitaciones y la importancia de la experiencia, investigación y desarrollo de los fabricantes de la transmisión.

De ser aprobadas, las modificaciones propuestas para la 6ª edición deben clarificar algunos conceptos, dar mayor certidumbre respecto al cálculo de la capacidad y ofrecer mayor información respecto a diferentes condiciones que imponen limites a la capacidad real de transmisión para los engranajes de alta velocidad