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Desde hace varios años, el Southwest Research Institute (SwRI) ha evaluado una cantidad importante de turbinas de gas para diagnosticar la causa raíz de las fallas, los problemas de operación correcta o
para mejorar la vida útil de los componentes. A continuación presentamos breves descripciones de algunos de los problemas más significativos que se solucionaron y de los programas de investigación que se llevan a cabo: El SwRI desarrolló métodos y software para predecir la vida útil de álabes de sección caliente
de turbinas de gas para turbinas de armazón GE™. Se realizaron pruebas exhaustivas de materiales de componentes nuevos y trabajados para desarrollar las propiedades pertinentes de los materiales, mismas que se utilizaron en el algoritmo y el software de evaluación de
vida útil. Los participantes del consorcio pudieron utilizar estos datos en los programas administración de vida útil de su flota de turbinas para lograr beneficios económicos mediante la programación prudente de los intervalos de inspección y mantenimiento, en tanto
que conservaban la disponibilidad y confiabilidad de sus motores.
Análisis de Causa Raíz de Falla de Álabes y Paletas de Motor Aeroderivativo:Se realizaron análisis de falla en álabes, paletas y cubiertas agrietadas de sección caliente mediante investigaciones individuales para identificar los mecanismos del daño en los componentes de motor de la mayoría de los fabricantes de éstos. Los mecanismos de las fallas o la degradación incluyen fatiga por alto ciclaje, corrosión caliente, fractura intragranular (creep), oxidación por alta temperatura y fatiga térmica. Se identificó la causa más probable de falla y se recomendaron a los usuarios de turbinas las acciones correctivas. Se recomendaron programas de investigación ulteriores, según se requiriera para entender mejor las causas raíz de las fallas poco comunes.
Modelo de Evaluación de Vida Útil de Recubrimiento de Sección Caliente de Turbina de Gas:En las turbinas de gas, la vida útil e integridad de los recubrimientos, mismos que se aplican para proteger a los componentes del ataque ambiental y la degradación, norman la vida útil y los intervalos de mantenimiento de la sección caliente. El SwRI desarrolló los más innovadores métodos de predicción de vida útil para diversos sistemas de substratos/recubrimientos. Este modelo ha sido calibrado con la experiencia de servicio y puede utilizarse para predecir la vida útil de recubrimientos específicos de álabes en turbinas de gas en operación.
Calificación de Materiales Substitutos de Álabes de Turbina:El propietario de turbinas buscaba mejorar la confiabilidad y reducir los costos de mantenimiento de su flota de turbinas de gas de armazón grande mediante la substitución de materiales y recubrimientos. El SwRI evaluó materiales, recubrimientos y datos de vibración para calificar alternativas de materiales y diseño para la primera fila de álabes de sección caliente. Se evaluaron y calificaron a los vendedores para que fabricaran los álabes y aplicaran los recubrimientos seleccionados. Como resultado de ello, el propietario de turbinas se dio cuenta del incremento en la vida útil de los álabes y de la reducción en costos de mantenimiento.
Se investigó un problema de falla de álabes de compresoras en turbinas de gas de armazón grande, presente en la industria de manera general, mediante un programa de $1'000,000 patrocinado por EPRI. Un estudio realizado sobre
los procedimientos de reparación de turbinas reveló diversas prácticas que pueden dañar los dispositivos de retención de los álabes. El SwRI monitoreó los claros de la punta de los álabes, la distorsión de carcazas y los sensores de gradiente térmico durante un lapso de
tres años de operación de la turbina. Este monitoreo controlado por computadora mostró que el roce de las puntas de los álabes constituía también un elemento importante del problema de desplazamiento de los álabes. El roce de las puntas se debía a un enfriamiento
inadecuado de la unidad después de la operación. Se produjeron videos para capacitar al personal de servicio acerca de las medidas necesarias para evitar daños, tanto durante la operación como durante la reparación.
Una turbina de energía experimentaba vibración excesiva que fue diagnosticada por el SwRI como desbalanceo excesivo. Se calcularon los pesos de balance con base en los datos registrados en el
sitio y se resolvió el problema agregando pesas a la flecha de acoplamiento. Se descubrió también una grieta en el pedestal de soporte y se reparó una soldadura durante el paro subsecuente. La falla de la chumacera de rodillos principal se atribuyó a la desalineación de los soportes, causada por un enfriamiento desigual y distorsión de la carcaza de la turbina. La disfunción resultante de la
compresión de la película amortiguadora ocasionaba cargas dinámicas excesivas y una corta vida útil de la chumacera. Las chumaceras de rodillos y de bolas adyacentes sufrieron daño consecuencial leve. La causa de la falla se documentó para dar soporte a la revisión de
los procedimientos de alineación. SwRI reEl alizó una detallada auditoría y calificación de diversos recubrimientos de varios componentes para aeronaves. Se revisaron órdenes técnicas,
documentos de control de trabajo, hojas de operación de procesos, procedimientos de calificación de recubrimientos y especificaciones de recubrimientos. Se descubrieron varias anomalías en los documentos y se recomendaron acciones correctivas. También se revisaron los
resultados de una evaluación metalúrgica "round-robin", mismas que dieron como resultado el rechazo de algunos procedimientos de recubrimiento en razón de problemas de calidad. Se desarrolló un sistema de captación de datos bajo una cooperativa EPRI de asignación de fondos. Se analizaron los datos adquiridos de un sistema no vigilado en cuanto al tiempo de rotación de
engranes, velocidades críticas, integración del tiempo de carga y otros parámetros. Se estableció la tendencia de los niveles pico y un sistema experto diagnosticó la causa raíz de los problemas cuando se presentaron vibraciones excesivas. Se integró al sistema un
programa de fácil uso para el balanceo. Se han instalado varios sistemas en unidades con acceso telefónico vía módem para ingresar a los datos del personal de ingeniería y mantenimiento. En un sitio, se instalaron sistemas de diagnóstico en cuatro unidades que luego se
interconectaron con un LAN. Una serie de paros forzados debidos a vibración excesiva ocasionaron una reducción en el servicio de transmisión de gas y un costo excesivo por reparaciones y mantenimiento. Una
investigación en sitio reveló saltos vibratorios severos debido a deslizamientos en las juntas del rotor, la falta de linealidad de la estructura de la chumacera principal y a cables de señal defectuosos. Se desarrolló un plan correctivo para mejorar los cables y se
estableció un criterio de tolerancias más estrechas para reducir los niveles de excitación del rotor. Se implementó una instalación de pruebas de sellos a 15,000- rpm para un importante fabricante de motores de avión y se realizaron pruebas en diversos sellos de descarga del compresor. El programa de pruebas
proporcionó datos críticos para la verificación de los algoritmos preventivos para el control de los parámetros de los sellos y mejorar el desempeño del motor. Esta investigación combinó la evaluación metalúrgica de las superficies con daño térmico con el análisis de la tubería de energía en las piezas afectadas del difusor. Los análisis revelaron
el derretimiento de componentes críticos debido a una combustión no controlada en cámaras inadecuadas, lo que se debió a una purga incompleta durante el arranque. La inspección visual indicó que la vibración de los álabes jugó un papel importante en el desgaste de los mismos. Los puntos de desgaste eran consistentes con la ubicación del inicio de la fractura
del disco que había causado un rechazo prematuro de piezas costosas. Se recomendó el reacondicionamiento del amortiguador de vibración de álabes. El examen de las partes en falla reveló un desgaste severo en segmentos de la cubierta interior de las paletas del compresor y falla por fatiga de alto ciclado en un plano aerodinámico. El diagnóstico de
vibración de turbina reveló que se presenta un paro de rotación en operación a baja potencia, misma que era la condición de operación seleccionada. Se dedujo que la operación en baja potencia por períodos prolongados lleva a la acumulación de daño por desgaste. El
problema se resolvió mediante el ajuste del programa de operación para evitar el paro de rotación. Una falla recurrente de álabe en la sección caliente de cuarta etapa se rastreó hasta llegar al roce de la punta del álabe debido a la alineación y a problemas de control de claros relacionados con el diseño
y la instalación. La revisión del diseño para aumentar los claros eliminó el roce y la falla del álabe.
El examen visual indicó que varias toberas presentaban distorsión debida a exposición térmica. Las pruebas de flujo revelaron que las paletas distorsionadas eran significativamente deficientes en
cuanto a su capacidad de enfriamiento del flujo. La imagen térmica de la tobera reveló un bloqueo del paso interno de flujo. El examen metalúrgico de las paletas de la sección reveló pasos de flujo bloqueados por una acumulación de depósitos de calcio y sílice,
indicando ingestión de partículas finas de polvo. Se recomendó un mejor sistema de filtración de aire para el motor.
El examen metalúrgico reveló que las picaduras de corrosión habían reducido los límites de duración efectivos del material del álabe. Una estimación de los esfuerzos vibratorios se comparó con
los de otras etapas, indicando que el álabe en falla tenía probabilidades de soportar esfuerzos vibratorios aceptables si pudiera eliminarse la concentración de esfuerzo debida a las picaduras de corrosión. Se recomendó un recubrimiento resistente a la corrosión. Una flama en la sección del compresor dañó los bujes de las paletas variables y evitó que el rotor funcionara después del apagado. La investigación del SwRI identificó que la causa más probable de la flama fue una fuga
de las boquillas de gas en la sección del combustor. Fallas de Chumaceras / Cojinetes de Turbina de Gas Aeroderivativa:Se examinó una serie de cuatro chumaceras de empuje y de rodillos. Todas las chumaceras mostraron evidencia de sobrecalentamiento que se atribuyó a excesivas cargas radiales y/o de empuje y a una cantidad inadecuada de lubricante. Parte del daño se debió al uso de material inadecuado, al tratamiento de calor o a reacondicionamiento excesivo de las chumaceras. Se recomendó un mejor control de calidad y se tomaron medidas para evitar la contaminación del aceite lubricante.
Análisis de Diseño para Modificaciones del Sistema de Aceite Lubricante:Los propietarios de un compresor de gas aeroderivativo para tubería deseaban reducir costos mediante la separación del sistema de lubricación de aceite sintético para la turbina de gas por un sistema de aceite mineral. El SwRI rediseñó el sistema de aceite lubricante para proporcionar un control de flujo adecuado a ambos componentes del tren rotatorio.
Falla de Sección Caliente de Turbina de Gas Aeroderivativa:Se encontró un daño severo en los álabes y paletas de la primera y segunda etapas con menos daño en los planos aerodinámicos de las etapas tres y cuatro. Un sólo álabe de primera etapa falló en una sección de extensión de raíz, creando un daño masivo consecuencial que incluyó repercusión en la carcaza de la turbina. La falla del álabe aislado se atribuye a deficiencias en el material y a una excitación excesiva a partir de las toberas de primera etapa.
Integridad de Álabe y Tobera en Turbina Aeroderivativa para Servicio de Generación de Energía:Se experimentaron fallas repetidas de álabe y tobera en motores de combustible líquido. Un análisis de causa raíz reveló que el combustible o la contaminación aérea causó fallas por corrosión caliente en álabes y toberas HP y PT . Un programa de pruebas de arcoiris de recubrimientos proporcionó datos para dar soporte a las recomendaciones alternativas de recubrimiento de paletas y álabes para mitigar el problema de corrosión caliente. Los nuevos recubrimientos mejoraron la confiabilidad de la sección caliente, lo que mejoró significativamente la disponibilidad de la turbina.
Falla de Compresor de Turbina de Gas Aeroderivativa:Se rastreó la falla hasta llegar a una fatiga del plano aerodinámico en una paleta del compresor de tercera etapa que comenzaba a presentar corrosión en la línea media. El plano aerodinámico suelto causó daño secundario consecuente al compresor y a las secciones calientes. El nivel del daño se documentó y se hicieron recomendaciones para reparación y reemplazo. Se proporcionaron recomendaciones sobre los recubrimientos para mitigar daños de corrosión a futuro.
Prueba para Validación de Flujo de Entrada al Compresor de Turbina de Gas Aeroderivativa:Se diseñó y fabricó un modelo a escala de un rollo de entrada; se ajustó un ventilador de corriente de aire inducida y se perfilaron las velocidades de flujo. Unas leves modificaciones en la entrada, con base en estos datos, proporcionaron una disminución substancial en las pérdidas de flujo y mejoraron el desempeño de la turbina.
Fatiga de Quemador de Turbina Industrial de Gas:El examen metalúrgico mostró evidencia de que una combinación de fatiga por alto ciclado y puntos calientes eran las causas principales del daño. Se realizó una investigación utilizando transductores de presión dinámica y acelerómetros ubicados en la sección de combustión. Se identificó que el problema era el rugido de un combustor generado por un flujo pulsátil en la línea de suministro de combustible. Se recomendó la instalación de dispositivos supresores de pulsación en las líneas de combustible.
Erosión del Domo de Combustión:El combustor de una turbina aeroderivativa había presentado erosión en el domo debida a la inyección de agua para controlar el NOx. Las pruebas del SwRI indicaron que tanto la corrosión como la erosión afectan el proceso de acumulación de daño. Estos hallazgos dieron otra dirección al enfoque de la OEM para un mejor rediseño de combustores.
Fallas de Coples en Tren Compresor Energizado por una Turbina Industrial de Gas:Se identificaron problemas como resultado de errores de análisis en el cálculo de la velocidad crítica torsional. Se anexó al cople un sistema de calibración telemétrica de tensión, lo que mostró que tres velocidades críticas torsionales de diversas severidades estaban dentro del rango de velocidad de operación de la turbina. Se recomendó una reparación transitoria para limitar la velocidad de operación y evitar una excitación excesiva de las velocidades críticas torsionales más severas, mientras se pudiera contar con un cople rediseñado.
Evaluación de la Degradación por Servicio y Restauración de Álabes de Sección Caliente:Se realizaron pruebas en álabes y recubrimientos de sección caliente para entender el nivel de degradación y para cuantificar los efectos de la exposición de los álabes al servicio. El SwRI realizó pruebas metalúrgicas y mecánicas para determinar la calidad del proceso de restauración utilizado por la OEM para revertir el daño de los álabes. Se hicieron recomendaciones al usuario de la turbina acerca de la adecuación de los componentes para un servicio prolongado.
Altas Vibraciones en una Turbina de Gas Grande para Generación de Energía:Dos trenes turbina-generador presentaron alta vibración en operación y problemas de arranque debidos a vibración excesiva al pasar por sus velocidades críticas. Se utilizó un balanceador de rotor de velocidad y planos múltiples desarrollado por el SwRI para reducir la vibración hasta niveles aceptables a velocidades críticas y en velocidad de operación.
Vibración del Armazón del Intercambiador de Calor en una Planta de Separación de Aire:Los altos niveles de ruido, vibración y pulsación en el enfriador de primera fase se asociaron con ajustes bajos en las paletas guía de entrada. Las pruebas incluyeron la frecuencia de resonancia del armazón del enfriador, mediante pruebas de impacto, mapeo del contorno del modo acústico a lo largo del enfriador y del compresor, el mapeo de los modos acústicos circunferenciales, de la paleta guía de entrada y el mapeo de presión estática a lo largo del IGV y en otros puntos del compresor. Se determinó que la causa más probable era excitación por efusión del vórtice a partir de la separación del flujo en el IGV. Se recomendaron varias soluciones alternativas, incluyendo el ahogamiento mediante restricción alternativa de flujo, el rediseño del IGV, del impulsor o la sección de difusor o bien la asintonía de la acústica dominante y de la resonancia estructural, alejándolas de las frecuencias de excitación seleccionadas.
Diagnóstico de Daño del Sello Turbo-Expansor y de la Punta del Álabe:Un turbo-expansor en una planta de procesos presentó vibración excesiva que causó daño en sellos y roce de las puntas de los álabes. La prueba modal confirmó que las frecuencias resonantes de la flecha estaban dentro del rango de velocidad de operación. Una investigación de diagnóstico reveló que la cubierta y soportes del rotor estaban sometidos a cargas excesivas debidas a la expansión térmica de las tuberías de conexión que estaban inadecuadamente aisladas mediante juntas de expansión. El rediseño de las juntas de expansión solucionó el problema.
Fuego Cruzado de Fuelles de Tubería en Turbina Industrial de Gas:Un examen metalúrgico reveló fallas de fuego cruzado en fuelles. La fatiga por alto ciclado, el diagnóstico de vibración a partir de sensores instalados en sitio y pruebas ulteriores en las instalaciones del SwRI revelaron excitación de efusión del vórtice en correspondencia con las frecuencias naturales de la estructura de los fuelles.
Falla de álabes en el Difusor de Escape en Turbina de Gas:Una investigación diagnóstica en sitio utilizando calibradores de tensión por temperatura en el álabe del difusor mostró altos niveles de tensión en correspondencia con las frecuencias naturales identificadas mediante pruebas modales de impacto. Los datos de pulsación revelaron una intensa fuente acústica en correspondencia con niveles tensionales en un rango de frecuencia de 200-Hz. Estas pulsaciones se atribuyeron a mecanismos de efusión del vórtice. 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. |
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September 09, 2009 |
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