IDENTIFICACION DE CAUSA-RAIZ EN FALLAS TIPICAS DE COMPRESORES CENTRIFUGOS
MANUEL MARIN PDVSA INGENIERIA Y PROYECTOS
Maracaibo, Venezuela
Presentado en XIV Convención Internacional de Gas de la
Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo 10 - 12, 2000 Caracas, Venezuela
ASPECTOS OPERATIVOS Y OPTIMIZACION EN COMPRESION DE GAS
AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 2
IDENTIFICACION DE CAUSA-RAIZ EN FALLAS TIPICAS DE COMPRESORES CENTRIFUGOS
POR
Ing., M.S., MANUEL MARIN Ingeniería de Instalaciones.
Ingeniería y Proyectos Occidente. PDVSA
ABSTRACTO
Dentro de las actividades más importantes realizadas por nuestra industria petrolera
están las relacionadas con la compresión de gas de la cual depende la recuperación
secundaria de crudo y/o levantamiento artificial y el consumo interno/externo de gas
como combustible. El manejo del gas se hace principalmente a través de
compresores centrífugos de gran capacidad responsables de elevar la presión a
niveles que alcanzan las 5000 lppcm en algunos casos.
Debido a las exigencias de producción, estos compresores centrífugos están
sometidos a trabajo continuo y condiciones de operación extremas por lo que el
seguimiento a su comportamiento es imprescindible a fin de prevenir fallas que
pudieran afectar su disponibilidad y reducir su vida útil.
Según la experiencia operacional en la Unidad de Producción Occidente, las fallas de
mayor recurrencia son: inestabilidad rotodinámica, desplazamiento axial y alto
consumo de aceite.
El presente trabajo muestra las experiencias obtenidas en cuatro fallas que resumen
las indicadas anteriormente, haciendo énfasis en el análisis de los parámetros que
intervienen en el proceso de compresión y las condiciones observadas durante las
fallas, así como la recopilación de evidencias durante el desensamblaje del rotor que
permitieron identificar la causa-raíz de las fallas y generar recomendaciones para
evitar su recurrencia.
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INTRODUCCION
PDVSA Producción Occidente cuenta con 129 trenes de compresión de gas para
recuperación secundaria de crudo y/o levantamiento artificial y consumo
interno/externo de gas como combustible. Cada una de estas plantas posee dos
compresores, uno de baja presión y otro de alta presión, con el objeto de lograr
presiones de hasta 5000 lppcm. en algunos casos y un flujo volumétrico de 5576
MMPCED de gas natural.
Por estar sometidos a condiciones de operación extremas durante las 24 horas, y a
pesar de los programas de mantenimiento preventivo/predictivo aplicados, y los
modernos sistemas de control y protección que poseen, los compresores centrífugos
son susceptibles a fallar. Gracias a las experiencias acumuladas por el personal
operador/mantenedor de dichas plantas, la tasa de remoción se ha podido reducir,
sin embargo existen fallas, tales como, inestabilidad rotodinámica, desplazamiento
axial y alto consumo de aceite, las cuales, aun afectan la disponibilidad de dichas
plantas.
En la gráfica se muestra una distribución aproximada de las causas de remoción
correspondiente a los últimos 5 años en la Unidad de Producción Occidente.
Alto desplazamiento axial (30 %)
Alto consumo de aceite (15 %)
Vibración-Otros (10 %) Inestabilidad
rotodinámica (35 %)
Ineficiencia (10 %)
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La inestabilidad rotodinámica, específicamente la aparición de vibraciones sub-
sincrónicas, es un fenómeno que puede tener diversidad de causas: roce en sellos
interetapas, trabamiento o excesiva excentricidad en sello de aceite flotante, fricción
interna en partes rotativas, fuerzas aerodinámicas por interferencia/desalineación de
componentes a la descarga de los impulsores y entrada de líquido. Como caso
especial, se menciona la presencia de líquido en el compresor, diseñado
específicamente para el manejo de fluidos en estado gaseoso, el cual puede provenir
de los sistemas de post-lubricación, los cuales inyectan aceite a cojinetes y sellos
durante las paradas, ó a través de los sistemas de depuradores, ocurriendo en
ocasiones que parte de estos líquidos logran pasar hacia el lado interno del
compresor, inundándolo y provocando, al no ser drenados, alta vibración y ruido al
momento de arranque.
Alto desplazamiento axial es otro tipo de falla que produce grandes daños debido a
las magnitudes de las fuerzas que intervienen para ocasionarlo, y que usualmente
son el resultado de desequilibrios en el proceso de compresión.
El alto consumo de aceite se presenta al fallar los sellos de aceite, bien sea por
desgaste normal en servicio, daños inducidos durante el ensamblaje o degradación
del material antifricción por agentes químicos en el aceite o gas.
Estas tres causas de paro o remoción ocurridas en los compresores centrífugos,
serán analizadas separadamente, haciendo énfasis en la metodología utilizada para
el estudio de dichas fallas, factores que influyeron en la provocación de dichas fallas
y las medidas recomendadas para evitar su recurrencia.
A. INESTABILIDAD ROTODINAMICA
Generalmente la vibración en un sistema rotor-cojinete es producida por el
desbalance de las masas del rotor al girar o la desalineación del mismo, sin embargo
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existen otras causas de inestabilidad rotodinámica. A continuación se presenta una
lista de fuentes generadoras de inestabilidad rotódinamica:
- Cojinetes de deslizamiento (latigazo de aceite)
- Sellos del tipo aros flotantes con película de aceite.
- Fricción interna en partes rotativas.
- Fuerzas aerodinámicas por interferencia/desalineación de componentes a la
descarga de los impulsores.
- Líquidos atrapados en las cavidades del rotor.
- Sellos laberintos.
El resultado de la combinación de altas velocidades, altas presiones y elevadas
cargas de trabajo, ha incrementado la tendencia de los compresores a exhibir
problemas de inestabilidad, llamados por quienes analizan estos problemas como
vibraciones subsincrónicas, por presentarse a frecuencias menores a la velocidad de
operación, y no poderse resolver con el simple proceso de balanceo del rotor.
Por ser varias las causas que producen las vibraciones subsincrónicas, a veces
resulta difícil lograr la eliminación de dicha perturbación, siendo en ciertas ocasiones
necesario, operar las máquinas bajo estricto monitoreo, sin poder eliminar por
completo la inestabilidad.
Normalmente la aparición de la vibración subsincrónica no puede ser observada
directamente en el panel de control, ya que, se requiere de un analizador de espectro
para ser examinada, aunque puede ser percibida por los operadores al notar un
incremento en el valor total de vibración detectado por los sensores de vibración.
Cuando la vibración alcanza valores extremos puede estar acompañado de fuertes
ruidos, lo que es indicativo de severos roces internos, siendo inminente el paro del
equipo para su revisión. Durante el análisis de este tipo de falla es importante revisar
los espectros generados antes de ocurrir el paro. Un estudio detallado del espectro
de vibración que incluya análisis de la amplitud, frecuencia, ángulo de fase, órbitas,
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gráfico de cascada y tendencia de vibración serán de gran soporte para diagnosticar
finalmente la causa-raíz de la falla. En estudios realizados por especialistas se han
definido ciertas características que acompañan cada fuente de generación de
vibración subsincrónica, algunos de estas características son señaladas en la
bibliografía (1), (2) y (3). La Fig. 1 muestra una señal captada al momento de
presentarse la vibración sub-sincronica. Se puede observar como la señal (2) se
encuentra localizada a ½ de la velocidad de giro del rotor y con una amplitud mayor
que la señal (1).
FIGURA 1.- Espectro de vibración con señal subsincronica.
Los daños ocasionados por este tipo de vibración pueden ser de tal magnitud,
llegando hasta la destrucción total del rotor y partes estáticas como sellos, cojinetes y
diafragmas. En la Fig. 2 muestra los daños observados en un compresor que sufrió
los efectos de este tipo de fallas, requiriendo su completa reparación. Durante el
análisis de esta falla se pudo concluir que ciertas desviaciones en las holguras
diametrales entre los cabezales porta-cartuchos de sellos y los diafragmas del barril,
producían excentricidades del conjunto rotor-barril-cojinetes-sellos generando
(1)Velocidad de operación: 11.616 r.p.m. (1x) (2)Señal subsincrónica: 5.808 r.p.m. (0.5x)
(1)
(2)
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trabamiento en los sellos flotantes de aceite, los cuales, son una fuente conocida de
inestabilidad o vibración sub-sincronica. Corregida estas desviaciones se logró
eliminar dicha vibración, y el equipo esta actualmente operando perfectamente.
FIGURA 2.- Daños observados luego de una vibración subsincronica.
ALTA VIBRACION POR INGESTION DE LIQUIDO
Es bien sabido que los compresores centrífugos están diseñados para trabajar única
y exclusivamente con fluidos de baja densidad, o mejor dicho gases. La
introducción inadvertida de líquido a la cavidad interna del rotor, puede producir una
excitación tal que ocasionaría inestabilidad rotordinámica, provocando alta vibración
en el rotor, llevándole finalmente a paro por roce en las partes internas. Una
perspectiva del mecanismo de inestabilidad es mostrada esquemáticamente en la
Fig. 3. Para cierta deflexión nominal del rotor, el fluido es impulsado radialmente en
cas, Mayo
Direccrotació
FIGUR
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Amortiguamientoexterno
Centro de ejedeflectado
Fuerza centrífuga dellíquido
Fuerza elásticarestauradora
“Whirl ”
Componente desestabilizantede la fuerza del líquido
Fuerza centrifugadel rotor
ión den
Centro de eje nodeflectado
A 3.- Efectos del líquido atrapado en un rotor.
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dirección de la deflexión, pero el mismo no permanece en una simple
orientación radial, la superficie en movimiento giratorio del impulsor arrastra el fluido
en dirección de la rotación. El ángulo de avance generado por el fluido resulta en una
fuerza centrífuga con una componente en dirección tangencial a la dirección de
rotación. Esta fuerza es la base de la inestabilidad, ya que la misma induce pandeo
del rotor (“forward whirl”), el cual incrementa la fuerza centrifuga sobre el fluido y a su
vez incrementa la fuerza inducida del pandeo.
Al analizar la causa de esta falla, nos encontramos que en las plantas compresoras
de gas existen varias fuentes de líquidos que podrían generar la entrada de dicho
fluido al compresor. Entre estas fuentes se tienen:
- Líquido proveniente de los depuradores (separadores gas-líquido).
- Líquido acumulado en líneas de proceso debido al arrastre de crudo y partículas
de asfaltenos.
- Aceite lubricante utilizado en el sistema de sellos.
FIG Como se observa e
etapas. Al comprim
intercalar etapas de
DEPURADOR V-1
DEPURADOR
DEPURADOR
ENFRIADOR E-1
COMPRESOR1ª ETAPA
racas, Mayo 10 al 12, 2000.
URA 4.- Diagrama del proceso
n la Fig. 4, el proceso de compr
ir el gas, el mismo aumenta s
enfriamiento entre cada etapa
V-2
ENFRIADOR E-2
COMPRESOR2ª ETAPA
de compresión.
esión normalmen
u temperatura, s
de compresión
COMPRESOR3ª ETAPA
V-3
DRENAJE DE CONDENSADO
DRENAJE DE CONDENSADO
DRENAJE DE CONDENSADO
P
te ocurre
iendo ne
a fin de a
GAS A ALTAPRESION
GAS A BAJA PRESION
ágina 8
en tres
cesario
lcanzar
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las presiones deseadas al final del proceso. Durante cada etapa de enfriamiento se
genera gran cantidad de condensado el cual debe ser desalojado en los depuradores
o separadores de gas-líquido. Conectado a cada depurador existe un sistema de
control de líquido, el cual, actúa automáticamente cuando el líquido alcanza niveles
previamente indicados, abriendo las válvulas de drenaje del depurador. En caso de
falla de este sistema, existe la probabilidad de la entrada de líquido condensado al
compresor. Igualmente, al parar la planta por largos períodos, es posible encontrar
líquido en las tuberías de proceso debido al arrastre de crudos y asfáltenos
(partículas de alto peso molecular) y la incapacidad de los depuradores para separar
elementos contaminantes en el gas.
Otra fuente de líquido en el proceso de compresión es el proveniente del sistema de
aceite de sello, utilizado en la mayoría de compresores centrífugos, cuya función es
evitar que el gas comprimido entre al área de cojinetes y escape a la atmósfera. La
Fig. 5 muestra la ubicación de los sellos dentro del barril del compresor.
FIGURA 5.- Ubicación de sellos en compresores centrífugos.
El sistema de aceite de sello es un sistema completamente separado del sistema de
aceite lubricante, y esta considerado por tener tres niveles de operación: sellos,
suministro de aceite y retorno de aceite. Los compresores usan sellos laberintos y
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sellos del tipo película de aceite trabajando en combinación dentro de un cartucho de
sellos en contra de fugas de gas durante operación. Cada lado del compresor esta
equipado con un cartucho de sellos. La Fig. 6 muestra un esquema del cartucho de
sellos. Los sellos laberintos tienen una serie de dientes con holguras muy pequeñas
FIGURA 6.- Elementos del cartucho de s
con respecto al eje. El sello laberinto funciona similar a u
pasar el gas a alta presión a través del primer dient
aproximadamente la mitad y la velocidad es incrementada
es creada en la cavidad formada entre el primer y el segun
reduce la velocidad permitiendo al gas expandirse en la
repite para cada diente del sello laberinto. El resultado es
presión del gas a través del sello.
El sello de película de aceite esta compuesto por dos aros
cuales, son fabricados para tener muy pequeña holgura
limpio a alta presión es bombeado entre los aros y el eje. M
presión de aceite mayor que la del gas, el sello no permitirá
El aceite de sello es suplido por el agujero “C” y fluye entre
“B” y “D”. La mayor parte del aceite fluirá hacia el lado “D”,
está contaminado con gas, y retornará directamente el ta
donde el gas y el aceite entran en contacto. El sello laberin
alta presión del gas que se encuentra del lado “A”. El gas
FLUBAJA PRESION AROS FLOTANTES
SELLO LABERINTOPágina 10
ellos
n orificio en un tubo. Al
e la presión decrece a
. Una turbulencia natural
do diente, dicha cavidad
misma. Este proceso se
una gran reducción de la
que flotan libremente, los
alrededor del eje. Aceite
ientras se mantenga una
fugas de gas.
los aros de sellos hacia
en este caso el aceite no
nque. En el lado “B” es
to en ese lado reduce la
a baja presión en el lado
JO
ALTA PRESION
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“B” es sellado por la alta presión de aceite pasando a través del aro del sello de
aceite.
Cuando el compresor se encuentra en operación, la presión interna dentro del barril
no permite la entrada de aceite al interior del mismo, pero al cesar la operación, el
sistema de protección de sellos y cojinetes descarga aceite por un período corto de
tiempo, existiendo la posibilidad de que cierta cantidad de aceite puede pasar a
través de los sellos laberintos e introducirse en las cavidades internas del compresor,
siendo necesario drenar dicho aceite antes de iniciar nuevamente la operación.
Luego de ocurrir fallas ocasionadas por la presencia de líquido en compresores
centrífugos, existen ciertas evidencias tales como severo roce entre sellos laberintos
interetapas y rotor, fuerte fricción en cojinetes radiales y rastros de líquido
(condensado de hidrocarburo o aceite) en las cavidades del barril, las cuales
FIGURA 7.- Daños en sellos laberintos y rotor causados por entrada de líquido.
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apuntan a inferir que el compresor operó bajo la ingestión de líquido. Las figuras 7,8,
y 9 muestran algunos daños observados durante el desarme luego de ocurrir este
tipo de falla.
FIG
Durante el anális
más propensas a
FIGURA 8.- Severo roce en cojinetes radiales.
s, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 12
URA 9.- Evidencias de líquidos en cavidades del barril.
is de este tipo de falla se ha podido constatar que las mismas son
ocurrir, luego de un paro ocasionado por otra causa, y al tratar de
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realizar los intentos de arranque para poner en operación nuevamente la unidad, se
ha obviado el proceso de drenaje del compresor resultando en los daños señalados.
También puede existir la posibilidad que, aunque se realice el proceso de drenado,
los drenajes se encuentren obstruidos, no permitiendo la salida de los líquidos.
B. DESPLAZAMIENTO AXIAL
Los compresores centrífugos están diseñados para operar con una carga axial
balanceada, la cual, es soportada por el cojinete de empuje que generalmente es del
tipo de zapatas pivotantes recubiertas con material antifricción y lubricadas por
aceite. Dicho material esta diseñado normalmente para soportar temperaturas de
hasta 266 º F; rangos de temperatura superiores a este valor debido a excesivas
cargas axiales, ocasionarían rápido deterioro del material antifricción terminando
finalmente en falla del mismo y severo roce en las partes internas, tales como
impulsores y diafragmas.
Una de las causas más comunes que ocasionan alto desplazamiento axial en
compresores centrífugos es la aparición del fenómeno conocido como oleaje
(“surge”). Dicho fenómeno es una condición de operación inestable en donde se
presentan oscilaciones en el flujo manejado por el compresor y fluctuaciones de la
presión en el sistema de tuberías que a éste se conectan. Esta condición ocurre
cuando existe una inestabilidad aerodinámica dentro del compresor, siendo incapaz
de producir adecuada presión para liberar flujo continuo a la descarga del sistema.
Entonces el sistema y el compresor interactuan, causando la condición de oleaje, con
grandes y algunas veces violentas oscilaciones de flujo en el sistema. Oleaje, pues,
es un fenómeno general del sistema y no esta confinado solo al compresor.
En experiencias acumuladas durante los análisis de este tipo de falla, se ha
determinado que entre las causas más comunes de oleaje, no relacionadas con el
diseño del compresor, están las siguientes:
- Mal funcionamiento del sistema de protección antioleaje.
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- Restricción en la succión o descarga del sistema.
- Restricciones en pasajes internos del compresor.
- Variación en procedimientos normales de operación.
Los efectos en compresores relacionados con este fenómeno pueden ser desde, una
simple baja en la eficiencia hasta serios daños al equipo o al sistema conectado al
mismo. Normalmente se presenta como una vibración excesiva y un audible sonido.
Se han experimentado daños internos en sellos laberintos, diafragmas, cojinete de
empuje y rotor, también se han reportado casos de rotores doblados por causa de
violentos oleajes. Este fenómeno frecuentemente excita vibraciones laterales del eje,
y puede producir daños torsionales en piezas como acoplamientos y engranajes.
Externamente, pueden ocurrir devastadoras vibraciones en tuberías, causando
daños estructurales, desalineación de ejes y fallas en uniones e instrumentos.
A fin de evitar el fenómeno de oleaje, se protege el compresor mediante una
desviación del flujo de gas desde la descarga dirigida a la línea de succión, a través
de una válvula de recirculación, con el objeto de incrementar el flujo manejado por el
mismo y evitar la operación en condiciones de oleaje. La Fig. 10 muestra un
esquema del arreglo más común utilizado para proteger el compresor.
FIGURA 10.- Sistema de recirculación
DEPURADOR
ENFRIADOR
COMPRESOR
DRENAJE DE CONDENSADO
VALVULA DE RECIRCULACION
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en compresores.
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En diversas oportunidades, a pesar de los sistemas de protección antioleaje, este
fenómeno ha ocurrido, resultando en graves daños para el compresor involucrado,
tales como los observados en la Fig. 11. Durante la investigación de dicha falla se
pudo constatar que un paro de emergencia, ocasionado por una falla eléctrica,
combinado con un retraso en la respuesta del sistema de recirculación y venteo, no
pudo evitar la aparición del fenómeno oleaje, provocando los costosos daños
observados y la indisponibilidad de la planta.
FIGURA 11.- Daños en el cojinete de empuje debido a desplazamiento axial.
C. ALTO CONSUMO DE ACEITE
En el punto A se explicó detalladamente el funcionamiento de los sellos de aceite, los
cuales cumplen un importante rol a fin de evitar las fugas de gas a la atmósfera. La
Fig. 4 muestra los aros que conforman el sello, con una holgura diametral muy
pequeña con respecto al eje, normalmente menor que la existente entre cojinetes y
eje, lo cual, significa que están sometidos a temperaturas medianamente altas
debido a la fricción interna del aceite al cumplir su función sellante/lubricante entre
los aros y el eje. Por esta razón el aceite debe poseer características especiales a fin
de evitar daños en los sellos.
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La contaminación del aceite con agua proveniente del sistema de enfriamiento ó
infiltrada en el reservorio de aceite por alguna otra razón (lluvia, lavado,
contaminación en almacenaje, condensación del gas de proceso en el tanque
desgasificador,ect.), puede conducir a reducir la calidad del aceite, afectando su
condición lubricante.
El ataque del material antifricción de los aros de sello por agentes químicos tales
como el H2S presente en el gas de proceso, es otro causante de la perdida de
holgura entre los aros y el eje, resultando finalmente en un alto consumo de aceite.
FIGURA 12.- Aro de sello atacado por H2S.
En este caso se debe analizar la posibilidad de eliminar la fuente que genera el H2S
en el gas o en su defecto fabricar aros recubiertos con material antifricción con base
plomo, el cual es más resistente al ataque de sulfuros que el base estaño. La fig. 12
muestra un aro de sello atacado por H2S. Cuando se sospecha la presencia de este
agente contaminante en el proceso, es necesario realizar análisis químicos de las
muestras de los depósitos de material tomadas de las partes en contacto con el gas.
Otro factor que influye en el rápido deterioro de los sellos de aceite son los daños
producidos durante el ensamblaje de los mismos. Se debe tener sumo cuidado al
reemplazar dichos sellos, y en esto es muy enfático el fabricante, debido a que
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existe muy pequeña holgura entre éstos y el eje (de 1.5 a 2 milésimas de pulgada
radiales) son muy propensos a ser golpeados o quedar desalineados al momento de
la instalación, lo cual provoca daños irreversibles en la superficie de contacto y solo
puede ser remediado con el reemplazo. En la fig. 13 muestra un sello de aceite con
evidencias de golpes ocasionados durante su instalación.
FIGURA 13.- Da
CONCLUSIONE
• En la búsqu
debe segui
operación, h
comportamie
técnica del
laboratorio,
causa-raíz d
as, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 17
ños ocasionados en aro de sello de aceite durante su instalación.
S
eda de la causa-raíz de las fallas en compresores centrífugos, se
r una metodología que incluya: revisión de las condiciones de
istoria de la planta, incidentes previos, modificaciones implantadas,
nto de equipos similares, entrevista con operadores, información
fabricante, examinación visual de las partes dañadas y análisis de
lo cual, nos llevará finalmente a confirmar hipótesis factibles sobre la
e la falla.
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• A pesar de todos los sistemas de protección y control existentes, los trenes de
compresión requieren para lograr una operación continua y segura, un
seguimiento estricto a su comportamiento en servicio y a los procedimientos de
mantenimiento y operación.
• A la causa-raiz de una falla, normalmente se asocian otros elementos que
contribuyen al deterioro del equipo y que deben ser identificados para generarse
acciones y evitar su impacto.
• Las implicaciones asociadas a las fallas en los compresores centrífugos, hacen
imperativo la investigación a fondo de sus causas y divulgación de los resultados.
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