Análisis de arranques y paros: cómo leer diagramas de Bode y polar

En operación estable, una turbomáquina gira a velocidad casi fija y solo vemos una "foto" de su comportamiento dinámico. En un arranque o un paro, en cambio, el rotor recorre todo su rango de velocidades y atraviesa sus resonancias. Es cuando la máquina muestra dónde están sus velocidades críticas, cuánto amortiguamiento tiene y si algo cambió desde la última vez.

Las dos herramientas clásicas para leer un transitorio son el diagrama de Bode y el diagrama polar. Aquí explicamos cómo leerlos, qué es el factor de amplificación, por qué compensar el slow roll y cómo comparar arranques sucesivos.

El punto de partida: el vector 1X filtrado

Ambas gráficas muestran lo mismo: el vector 1X filtrado, la componente de vibración que ocurre una vez por vuelta, con su amplitud y su fase. Para obtenerlo se necesitan:

• Sondas de proximidad X e Y en cada cojinete, que miden el movimiento relativo del eje en µm pp o mils pp.
• Una referencia de fase (Keyphasor) con un pulso por vuelta. La fase es el ángulo entre ese pulso y el pico positivo de la señal 1X, normalmente expresado como retraso de fase.

Un filtro de seguimiento acompaña a la velocidad, así que a cada rpm tenemos un par amplitud/fase. Si quieres repasar cómo se combinan X e Y, lo explicamos en cómo interpretar órbitas del eje.

Cómo leer un diagrama de Bode

El Bode son dos gráficas apiladas con la velocidad en el eje horizontal: arriba la amplitud 1X y abajo la fase 1X.

Identificar una velocidad crítica

Una resonancia del rotor tiene dos firmas que deben aparecer juntas:

1. Un pico de amplitud 1X que sube al acercarse a la crítica y baja después.
2. Un cambio de fase en el mismo rango. En un modo simple, el retraso de fase aumenta unos 90° al pasar por la resonancia y cerca de 180° en total desde muy por debajo hasta muy por encima de ella.

La regla práctica: un pico sin cambio de fase no es una resonancia del rotor. Puede ser una resonancia estructural, un efecto de proceso o ruido. Y un giro de fase con poco pico suele indicar un modo muy amortiguado.

Matices a tener en cuenta:

• Si el cojinete tiene rigidez distinta en horizontal y vertical, X e Y pueden mostrar la crítica a velocidades algo diferentes. Revisa ambas.
• El valor absoluto de la fase depende del instrumento y la convención; lo que importa es cuánto gira y dónde.
• Las esperas de calentamiento generan zonas densas de puntos en el Bode; no son resonancias.

Factor de amplificación y margen de separación

El factor de amplificación (AF) mide qué tan aguda es la resonancia y, por tanto, cuánto amortiguamiento tiene el modo. API 684 describe el método de media potencia: se toman las velocidades a ambos lados del pico donde la amplitud cae a 0,707 veces el máximo, y el AF es la velocidad crítica dividida por la diferencia entre ellas. Pico estrecho y alto, AF alto; pico ancho y suave, AF bajo.

El AF alimenta el margen de separación, es decir, qué tan lejos debe quedar la crítica del rango de operación. API 617 y API 684 relacionan ambos: los modos suficientemente amortiguados (AF por debajo de 2,5) se consideran críticamente amortiguados y no exigen margen, y los más agudos sí. Las fórmulas exactas dependen de la edición, así que conviene consultar la norma vigente.

En campo, el AF medido sirve sobre todo para comparar: si aumenta con el tiempo, el amortiguamiento está bajando.

Cómo leer un diagrama polar

El polar muestra los mismos datos en coordenadas polares: cada punto es la punta del vector 1X, con la amplitud como distancia al centro y la fase como ángulo, unidos en orden de velocidad.

Qué buscar:

• Una resonancia aparece como un lazo. La crítica está cerca del punto más alejado del origen, con unos 90° de giro respecto a la fase a baja velocidad.
• Varios lazos indican varios modos; un lazo deformado puede delatar una resonancia estructural.
• El punto de partida no está en el origen: es el vector de slow roll.

Su gran ventaja es que muestra de un vistazo modos muy amortiguados y, sobre todo, cambios de vector entre transitorios. También es la gráfica natural para el balanceo.

Compensación de runout (slow roll)

A baja velocidad el rotor casi no responde dinámicamente, pero la sonda sigue leyendo algo: imperfecciones mecánicas de la superficie, runout eléctrico del material y cualquier arco del eje. Ese es el vector de slow roll, y se suma a la respuesta real en todas las velocidades. Para compensarlo:

1. Elige una velocidad baja, sin respuesta dinámica apreciable y con amplitud y fase estables.
2. Toma el vector 1X a esa velocidad como referencia.
3. Réstalo como vector (no solo en amplitud) de cada punto del Bode y del polar.

Así el lazo polar arranca en el origen y el Bode refleja la respuesta dinámica real. Además, el slow roll es un dato de diagnóstico: si cambia entre arranques, puede indicar un arco térmico o mecánico del eje.

La cascada como complemento

El Bode y el polar solo ven 1X. Para ver todo el espectro durante el transitorio se usa la cascada (waterfall): espectros apilados, uno por velocidad. En ella se ven las líneas de orden (1X, 2X, 3X), resonancias fijas que se encienden cuando una línea las cruza y componentes subsíncronas típicas de inestabilidad por película de aceite.

Por ejemplo, un corte de la cascada en el que 2X crece de forma anormal cerca de la mitad de la primera crítica merece investigarse:

Comparar arranques sucesivos

Un Bode aislado dice cómo es la máquina; dos superpuestos dicen qué cambió. Por eso conviene guardar un transitorio de referencia (tras un overhaul o una puesta en marcha sana) y superponer cada nuevo arranque o paro.

Cambio observado	Posible causa	Qué revisar
La crítica baja de velocidad	Pérdida de rigidez: holgura de cojinete, soporte flojo, grieta	Holguras, línea central, 2X
La crítica sube o el pico se aplana	Roce que añade rigidez en el contacto	Órbita, armónicos, fase 1X
AF mayor	Menos amortiguamiento	Cojinetes, temperatura y presión de aceite
Cambia el slow roll	Arco térmico o mecánico	Giro lento previo, historial de paros
Resonancia 2X a la mitad de la crítica	Posible grieta transversal	Tendencia de 1X y 2X

Varias de estas causas avanzan despacio, así que la tendencia en varios transitorios pesa más que una comparación puntual. Para ubicar estos hallazgos en el cuadro general, consulta cómo detectar fallas en turbocompresores.

Qué datos capturar y buenas prácticas

• Sondas X e Y en todos los cojinetes y la referencia de fase, sincronizadas.
• Muestreo por incremento de velocidad, no solo por tiempo, para tener resolución cerca de las críticas.
• La zona de slow roll completa, al inicio del arranque o al final del paro.
• Formas de onda, no solo valores 1X, para reconstruir órbitas y cascadas.
• Contexto: temperatura y presión de aceite, carga, tiempo de giro lento y si el arranque fue en frío o en caliente.

Y algunas prácticas:

• Usar el paro (coastdown) como referencia cuando sea posible: suele ser más repetible, porque el rotor desacelera sin influencia del accionador.
• Comparar en condiciones equivalentes (frío con frío, caliente con caliente).
• Revisar siempre amplitud y fase juntas; muchas fallas se notan primero en la fase.

Cómo lo hacemos en RotorMetrics

Tomamos la señal del sistema de protección existente (por ejemplo, un Bently Nevada 3500) sin intervenirlo, así que cada arranque y cada paro quedan registrados con formas de onda y referencia de fase, aunque nadie esté mirando en ese momento. Nuestros especialistas comparan cada transitorio con la referencia de la máquina y te avisan si la crítica se movió, si cambió el slow roll o si aparece algo nuevo, con una recomendación concreta.

Fuentes

• API RP 684, Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing. American Petroleum Institute.
• API Standard 617, Axial and Centrifugal Compressors and Expander-compressors. American Petroleum Institute.
• Bently, D. E. y Hatch, C. T. Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics. Bently Pressurized Bearing Press, 2002.
• Eisenmann, R. C. Sr. y Eisenmann, R. C. Jr. Machinery Malfunction Diagnosis and Correction. Prentice Hall, 1998.
• Vance, J. M., Zeidan, F. Y. y Murphy, B. Machinery Vibration and Rotordynamics. Wiley, 2010.