SOUTHWEST RESEARCH INSTITUTE

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Los ingenieros del Southwest Research Institute (SwRI) realizaron investigaciones coordinadas multidisciplinarias para determinar la causa raíz de las fallas y proporcionar dirección a las acciones correctivas. Las turbinas de gas operan a condiciones extremas, frecuentemente en el límite del diseño de los álabes, chumaceras y componentes de combustión, lo que significa que tales componentes tienen una vida útil limitada y tienen muchas probabilidades de presentar más fallas que otras piezas menos estresadas.

• Los álabes de sección caliente suelen fallar por fractura intragranular (creep), oxidación, fatiga por bajo ciclaje (LCF, por sus siglas en inglés) y fatiga por alto ciclaje (HCF, por sus siglas en inglés). Los factores coadyuvantes suelen incluir el ataque ambiental, la corrosión, cargas cíclicas, arranques excesivos o reconstrucción inadecuada. Los álabes de sección caliente son aditamentos con vida útil limitada y requieren de reconstrucción o reemplazo a intervalos que dependen de la exposición térmica.

• Las chumaceras de rodillo utilizadas en turbinas de gas aeroderivativas suelen fallar por falta de lubricación, contaminación del aceite, sobrecarga o  carga inferior (derrape), enfriamiento insuficiente y control de calidad de manufactura.  Las chumaceras son artículos con vida útil limitada y fallarán eventualmente.

• Los combustores o componentes de

  	Los ingenieros del SwRI determinan que se requiere de enfriamiento adicional en las piezas de  transición de combustión.

   combustión fallan por encendidos excesivos, control inadecuado del flujo de enfriamiento, inyección de agua para el control de NOx, patrón defectuoso de rocío de las toberas de combustible y por inestabilidades en la combustión. Muchos componentes de combustión también tienen una vida útil limitada.

Típicamente, una investigación para determinar la causa raíz de las fallas en álabes se desglosan en una serie de pasos que involucran a distintas disciplinas de la ingeniería:

• Investigación forense

• Examen metalúrgico

• Análisis mecánicos/térmicos

• Análisis de vibración por fatiga de alto ciclado

• Análisis de mecánica de fractura

Con frecuencia, la primera evidencia de una falla suele verse rebasada por el daño consecuencial, por lo que se requiere de una serie de pruebas y análisis exhaustivos para aislar la causa raíz de la falla, antes de que puedan tomarse acciones correctivas. La investigación de otros componentes seguiría una serie de pasos similar.

• Investigación Forense. Una investigación

  	Investigación forense de falla de álabe de compresor identifica daño inicial y subsecuente en componente.

   inicial del sitio de la falla resulta esencial para determinar el escenario de la secuencia de eventos más probable - cuál componente falló primero, cómo falló, las trayectorias de las partes que fallaron y la secuencia del daño consecuencial. La investigación incluye la recopilación y evaluación de los componentes de la turbina de gas que falló, entrevistando al personal operativo y de mantenimiento y revisando los registros de operación y mantenimiento. Los equipos de ingeniería del SwRI están a disposición a corto plazo para trasladarse al sitio para recopilar información, antes de que los recuerdos se desvanezcan, de que ocurra un daño ambiental o que desaparezcan las piezas.

   

• Examen Metalúrgico. Se utiliza tecnología de punta para establecer las directrices para exámenes más profundos de la causa de la falla. El examen metalúrgico incluye la observación microscópica para determinar el mecanismo y el sitio de inicio de la falla [LCF, HCF, falla termomecánica (TMF), fractura intragranular (creep), corrosión, sobrecalentamiento, oxidación/corrosión]. Se realizan pruebas mecánicas y químicas para determinar si las propiedades del material cumplen con las especificaciones. Los recursos de inspección metalúrgica del SwRI incluyen microscopios electrónicos y escáners ópticos (SEMs, por sus siglas en inglés), etc., para identificar los modos de falla. El personal de ingeniería metalúrgica del SwRI se especializa en materiales, recubrimientos, soldaduras, análisis de falla y evaluación de vida útil remanente de turbinas de gas.

TMF		Arrastre		Oxidación
El SwRI identifica los modos de falla utilizando el examen fractográfico de gran aumento. Se muestran los modos de falla típicos.

 

• Análisis Mecánico/Térmico. Los métodos

  	Análisis de perfil de temperatura de álabe, basado en la corriente de flujo externo, el enfriamiento interno y el TBC.

  de prueba y análisis del SwRI cuantifican las funciones de las fuerzas subyacentes de los ambientes de operación del componente en falla. Los perfiles de temperatura de los componentes de sección caliente se definen como funciones de la temperatura ambiental, condiciones de operación, flujo de enfriamiento, condición del recubrimiento de barrera térmica (TBC, por sus siglas en inglés), etc. El esfuerzo constante de los álabes rotatorios se basan en cargas centrífugas y conformadas y en los gradientes térmicos. El personal del SwRI tiene experiencia en el diseño de motores, en el análisis de cargas térmicas basadas en el ciclo de Brayton y en los modelos aerodinámicos de flujo de línea media, así como el análisis de elemento finito y el modelado de dinámica computacional de fluidos (en inglés). [Ver tutorial. (en inglés)]

   

  	Prueba de impulsos realizada por ingeniero del SwRI para predecir los esfuerzos oscilantes en operación.

• Análisis de Vibración por Fatiga de Alto Ciclado. Una extensa variedad de recursos para la evaluación de los esfuerzos vibratorios de piezas rotatorias está a disposición en el SwRI, incluyendo la calibración telemétrica de esfuerzo rotatorio, análisis de elemento finito y pruebas de impulso modal. Este último método combina las pruebas de impulso vibratorio estacionario con las predicciones de pulsaciones causadas por estelas del estator y la distorsión del flujo. Las pruebas de pulsaciones pueden realizarse en los laboratorios del SwRI o en el sitio del cliente, utilizando equipo portátil. (Ver Tecnología de Auditoría de Vibración de Álabes del SwRI.)

   

• Análisis de Mecánica de Fractura. La medición o estimación del espaciado entre las estrías de las grietas proporcionan un medio para estimar la vida útil por fatiga y la duración bajo condiciones dañinas. En combinación con el conocimiento de la velocidad, la temperatura y otras condiciones de operación, puede

  	Gran aumento (1000X o más) para medir el espaciamiento de estrías que se requiere al examinar la superficie de la fractura SEM.

   determinarse el tiempo real de la aparición de la falla y los niveles de esfuerzo oscilatorio. Éstos pueden compararse con la falla experimentada y los niveles de esfuerzo deducidos de las pruebas de impulsos o del análisis de elemento finito.

Si tiene alguna pregunta sobre tecnología de turbinas de gas o aseguramiento de diseño, sírvase enviar un correo electrónico a Klaus Brun o llamar al (+210) 522-5449.

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Southwest Research Institute® (SwRI®), Con oficina principal en San Antonio, Texas, es una organización multidisciplinaria, independiente, no lucrativa de investigación de ingeniería aplicada y ciencias físicas con divisiones técnicas 12.

September 09, 2009