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 SOUTHWEST RESEARCH INSTITUTE

Tecnologías para Maquinaria Rotacional

Análisis de Falla con Causa Raíz

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En el Southwest Research Institute (SwRI) se llevan a cabo investigaciones multidisciplinarias para determinar las fallas de causa de raíz y proporcionar una guía de acción correctiva. Las turbinas de gas operan en condiciones extremas, con frecuencia al límite del diseño de los álabes, chumaceras y componentes de combustión, lo que significa que dichos componentes tienen un límite de vida y es más común que experimenten fallas que otras partes sujetas a menor estrés.

Causas de Falla

  • Los álabes de las secciones calientes fallan típicamente debido al avance lento, la oxidación, la fatiga de bajo ciclo (LCF) y la fatiga por alto ciclado (HCF). Los factores que contribuyen con frecuencia incluyen ataques ambientales, corrosión, cargas cíclicas, sobre-cocción o renovación inadecuada. La sección caliente de las aspas son elementos limitados en el tiempo y que requieren de renovación o reemplazo a intervalos que dependen de la exposición térmica.

  • Las chumaceras con elementos giratorios que se emplean en las turbinas de gas aeroderivadas fallan con frecuencia debido a la falta de lubricación, contaminación del aceite, sobrecarga, carga demasiado baja (derrapado), enfriamiento insuficiente y control de calidad de manufactura. Las chumaceras los elementos con vida limitada y fallarán eventualmente.

  • Los combustores y componentes de la combustión fallan debido a una sobre-cocción, un control inadecuado de enfriamiento del flujo, inyección de agua para control NOx, un patrón defectuoso de atomización de la boquilla del combustible, e inestabilidades en la combustión. Muchos de los componentes de la combustión también tienen vidas limitadas.

Un examen de los álabes con falla por parte de los ingenieros de SwRI reveló el inicio de agrietamiento por un ataque ambiental y su propagación mediante fatiga por alto ciclado.   Ingenieros del SwRI examinaron los elementos giratorios de las chumaceras en turbinas de gas en busca de un servicio continuo aceptable.  

Los ingenieros del SwRI determinaron que se requiere de un enfriamiento adicional en las piezas de transición en la combustión

Un examen de los álabes con falla por parte de los ingenieros de SwRI reveló el inicio de agrietamiento por un ataque ambiental y su propagación mediante fatiga por alto ciclado.

 

Ingenieros del SwRI examinaron los elementos giratorios de las chumaceras en turbinas de gas en busca de un servicio continuo aceptable.

 

Los ingenieros del SwRI determinaron que se requiere de un enfriamiento adicional en las piezas de transición en la combustión

Pasos de Investigación

Comúnmente, una investigación para determinar la causa de raíz de la falla de un álabe se descompone en una serie de pasos que involucra distintas disciplinas de la ingeniería:

Con frecuencia, la evidencia primaria de una falla es eliminada por los daños consecuenciales, y por tanto se requiere de una serie de pruebas y análisis amplios para aislar la causa de raíz de la falla antes de poder tomar acciones correctivas. La investigación de otros componentes debería seguir una serie similar de pasos.

 

La investigación forense de la falla de un álabe de compresor identifica al componente iniciador y los daños subsecuentes.

 

La investigación forense de la falla de un álabe de compresor identifica al componente iniciador y los daños subsecuentes.

Investigación Forense

Una investigación inicial del sitio de la falla es esencial para desarrollar un escenario de la secuencia más probable de eventos – qué componente falló primero, cómo fue la falla, las trayectorias de las partes con falla y la secuencia de los daños consecuenciales. La investigación incluye recabar y evaluar los componentes de la turbina de gas que tuvieron la falla, entrevistar a los operadores y personal de mantenimiento y revisar los registros de operación y mantenimiento. Los equipos de ingenieros de SwRI tienen disponibilidad para viajar al sitio, mediante una notificación con un breve lapso de tiempo, para recabar información antes de que se disipe la memoria, ocurran daños ambiental o las partes desaparezcan.

 

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Examen Metalúrgico

 

image of failure mode (TMF)

   

 

TMF

 

Avance lento

 

Oxidación

Con frecuencia, es la tecnología que nos guiará para establecer la dirección de un examen más amplio de la causa de la falla. El examen metalúrgico incluye un examen microscópico para determinar el mecanismo de la falla y el sitio de inicio [LCF [Fatiga de Bajo ciclo], HCF [Fatiga por alto ciclado], falla térmica mecánica (TMF por sus siglas en inglés), avance lento, corrosión, sobrecalentamiento, oxidación/corrosión]. Se realizan pruebas mecánicas y químicas para determinar si las propiedades de los materiales cumplen con las especificaciones. Las capacidades de examen metalúrgico de SwRI incluyen microscopios ópticos y de electrones para escaneo (SEMs por sus siglas en inglés), etc., para identificar los modos de falla. El equipo de ingenieros metalúrgicos de SwRI se especializan en materiales de turbina de gas, recubrimientos, soldadura, análisis de falla y evaluación del tiempo de vida útil.

Los modos de falla son identificados por SwRI usando un examen fractográfico con alta magnificación. Los modos de falla típicos se muestran arriba.

 

El análisis del perfil de temperatura de los álabes se basa en el flujo externo, el enfriamiento interno y el TBC [recubrimiento de barrera térmica, por sus siglas en inglés].

 

El análisis del perfil de temperatura de los álabes se basa en el flujo externo, el enfriamiento interno y el TBC [recubrimiento de barrera térmica, por sus siglas en inglés].

Análisis Mecánicos y Térmicos

Los métodos de pruebas y análisis de SwRI cuantifican las funciones de las fuerzas subyacentes en el ambiente operativo del componente con la falla. Los perfiles de temperatura de los componentes de la sección caliente se definen como funciones de la temperatura ambiente, condiciones de operación, flujo de enfriamiento, condiciones del recubrimiento de la barrera térmica (TBC), etc. Los esfuerzos constantes de los álabes giratorios se basan en cargas de flexión del gas y centrífugas y los gradientes térmicos. El personal de SwRI tiene experiencia en el diseño de motores y en los análisis térmico y de cargas basándose en el ciclo de Brayton y en los modelos aerodinámicos de flujo de línea media, así como en el análisis del elemento finito y el modelado computacional de dinámica de los fluidos. 
 

image of impulse testing conducted by SwRI engineer to predict operating oscillating stresses

 

Pruebas de impulso realizadas por ingenieros de SwRI para predecir los esfuerzos oscilatorios de operación.

  image of high magnification (1000X or more) to measure striation spacing, which requires an examination of the fracture surface with SEM

 

Pruebas de impulso realizadas por ingenieros de SwRI para predecir los esfuerzos oscilatorios de operación.

Análisis de Vibración de Fatiga por Alto Ciclado

Se cuenta en SwRI con una gama de capacidades para evaluar los esfuerzos vibratorios de las partes giratorias, incluyendo telemetría para medición de deformación giratoria, análisis de elementos finitos y pruebas de impulso modal. Este último método combina las pruebas de impulso de la vibración estacionaria con las predicciones sobre la pulsación provocada por las oleadas del estator y la distorsión del flujo. Las pruebas de impulso pueden llevarse a cabo en los laboratorios del SwRI o en el sitio del cliente, usando equipo portátil. Ver Tecnología de Auditorías de Vibración de álabes del SwRI. Ver Tecnología de Auditorías de Vibración de álabes del SwRI.

Análisis de Mecánica de Fracturas

Las mediciones o estimaciones de espaciamiento en las estrías de agrietamiento proporcionan un medio para estimar la vida por fatiga y la duración bajo condiciones de avería. Al combinarse con el conocimiento de la velocidad, temperatura y otras condiciones operativas, podrán determinarse los niveles de tiempo real para que ocurra la falla y los niveles de esfuerzo oscilatorio. Estos podrán compararse con la experiencia de la falla y los niveles de esfuerzo deducidos de las pruebas de impulso o del análisis de elementos finitos.

SwRI puede ofrecerle una amplia gama de capacidades y experiencia en tecnologías de maquinaria rotatoria, incluyendo convertirse en una extensión de su departamento de ingeniería. Para mayor información sobre las tecnologías de maquinaria rotativa en SwRI o sobre cómo contratar con SwRI, favor de comunicarse con Klaus Brun, Ph.D., en la siguiente dirección kbrun@swri.org o llamar al +1 210 522-5449.

 

maquinaria.swri.org

  

Información de Contacto

Klaus Brun, Ph.D.

Tecnologías para Maquinaria Rotacional

+1 210 522-5449

kbrun@swri.org

maquinaria.swri.org

Terminología Relacionada

turbinas de gas

turbomaquinaria

dinámica estructural

dinámica de rotores

fallos en las chumaceras

análisis de transferencia de calor

fatiga de álabes por alto ciclado

vibración inducida por flujo

Sitios Web Relacionados

IGTI

PRCI

WTUI

Asociados Gas/ Electricidad

Vínculos SwRI Relacionados (en inglés)

Departamento de Ingeniería de Fluidos y Maquinaria

División de Ingeniería Mecánica

Otras Capacidades en Análisis de Fallas en SwRI

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August 07, 2014