SOUTHWEST RESEARCH INSTITUTE

Tecnologías para Maquinaria Rotacional

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Desde el siglo pasado, los generadores de turbinas de vapor han adquirido una envidiable reputación respecto a su economía y confiabilidad al convertir la energía calórica en energía eléctrica bajo las condiciones de servicio más exigentes. Southwest Research Institute (SwRI) aporta su experiencia y sus amplias instalaciones de laboratorio para cubrir los desafíos impuestos por el diseño, ensamble, y operación confiable de turbinas de todos los tamaños.

Capcidades

• Evaluación del tiempo de vida restante

• Evaluación no destructiva

• Estudio de degradación de materiales

• Análisis de integridad estructural

• Análisis de fallas

• Evaluación de materiales y pruebas

• Realización de pruebas y replicación de dureza de campo

• Diagnóstico de problemas de vibración

• Realización de Pruebas de TelemetríaRemaining life assessment

Evaluación del Tiempo de Vida Restante

Deben evaluarse los componentes críticos de la turbina para asegurar su operación segura a lo largo del tiempo de vida de la misma. Los procedimientos para una evaluación precisa del tiempo de vida, aunados al conocimiento de las propiedades de los materiales específicos del rotor, evitan el retiro prematuro de los rotores, que es sumamente costoso.

 

En SwRI se usa una amplia gama de programas de elementos finitos para realizar las evaluaciones estructurales y la evaluación del tiempo de vida restante, incluyendo:

• ANSYS^®: Análisis estructural

• NASTRAN^®: Análisis estructural

• STRAP/SAFER: Análisis de tiempo de vida e integridad del rotor EPRI

• BIGIF: Mecánica de fracturas EPRI

• ADINA/ADINA-T: Análisis térmico / estructural

• ABAQUS: Análisis estructural no lineal

• NESSUS^®: Análisis probabilístico estructural

Las instalaciones computacionales incluyen computadoras VAX, MICROVAX, IBM, y Cray.

 

Especimenes de prueba, utilizados para obtener las propiedades críticas de los materiales, son trepanados de la periferia del rotor viejo en el plano de balance.		Un rotor de turbina de vapor a alta presión en servicio por más de treinta años, fue sometido a la evaluación del tiempo de vida restante. Tales evaluaciones son fundamentales para determinar qué tanto más allá de la vida diseñada pueden operarse estos rotores en forma segura y confiable.		Especimenes de piezas en blanco desplegadas después de haber sido trepanadas.

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El agrietamiento del disco de una turbina de vapor de baja presión (LP) provocado por corrosión por tensión es experimentado por los rotores que se usan en plantas tanto nucleares como de energía de combustibles fósiles. El agrietamiento ocurre en discos de rotor LP en los chaveteros, en las áreas de unión de los álabes con los rines, en las superficies perforadas y en las superficies de la red. Bajo un proyecto de investigación cooperativa industrial, fundado por un consorcio de servicios eléctricos, SwRI ha desarrollado la tecnología requerida para realizar las predicciones de vida restante para discos contraídos de turbina de baja presión. Heat transfer analysis and stress analysis determine shrink-fit stresses, thermal stresses, and stress due to blade and disc mass. Disc integrity and remaining life assessment are conducted and recommendations are provided to help determine run, replacement, or reinspection intervals.

La vista axial revela las ubicaciones de las fisuras en discos con entrada axial para álabe tipo árbol.		El diagrama muestra las ubicaciones del agrietamiento típico de una corrosión por tensión en el área del rin y capitel del rotor de una turbina de vapor de baja presión.		Contornos de estrés tangencial en estado estable del disco (ksi).
El agrietamiento de estrés corrosivo se propaga en direcciones radiales desde la corona de los chaveteros de un disco encogible.		La rejilla de elemento finito se usa para el análisis elástico-plástico de los chaveteros.		Isotermos de disco en estado estable (oF).

Evaluación No Destructiva

El sistema de evaluación/examen del rotor de la turbina de SwrI (TREES) posee capacidades únicas de examen y una excelente resolución de fallas lograda mediante los lentes de enfoque diseñados por computadora, unidos a transductores ultrasónicos. Se emplean configuraciones de seis lentes para examinar las zonas dentro del rotor con diámetros de haz de luz de 0.031 a 0.125 pulgadas.

SwRI ofrece una gran cantidad de técnicas de evaluación no destructiva para inspeccionar los rotores de las turbinas, los capiteles del disco, y las chaveteras, incluyendo servicios periferia ultrasónica, penetración de pigmentos, partículas magnéticas y servicios de inspección de corriente parásita.

SwRI desarrolló el sistema de examen/evaluación de rotores de turbina (TREES), un sistema automatizado de examen ultrasónico de calibre de rotor para turbinas de vapor que incorpora características tales como unidades de búsqueda focalizada y una estructura volumétrica de células que produce capacidades únicas de examen y una excelente resolución de fallas. Las unidades de búsqueda con rayo focalizado nos proporcionan medios confiables de detección y dimensionamiento de fallas sin usan las técnicas convencionales de amplitud de señal. Un sistema de cómputo automatizado de adquisición y procesamiento de datos procesa la información. SwRI puede ensamblar el paquete TREES y brindar servicios de inspección calibra-sónica.

SwRI cuenta con una amplia experiencia en campo y en laboratorio en el desarrollo e implementación de procedimientos de evaluación e inspección de reconocimiento internacional. Bajo el programa de consorcio de servicios, se desarrolló un sistema ultrasónico de inspección de rines de discos, el cual detecta y dimensiona las fisuras en las áreas de unión de los álabes, sin necesidad de retirar los mismos.
SwRI también realiza mediciones de dureza, replicación y evaluaciones micro estructurales en campo usando equipo portátil.

Realización de mediciones de dureza in situ en rotores de turbina de baja presión y en un diafragma fijo.		Los discos de turbina de vapor pueden inspeccionarse en busca de fisuras en el área del rin sin necesidad de desmontar los álabes, mediante el uso de un nuevo sistema de inspección ultrasónica desarrollado por SwRI.

Control de la Vibración y Balanceo del Rotor

Mediante el uso de técnicas avanzadas para la medición en campo, el procesamiento de señales, el análisis diagnóstico y otra herramientas predictivas, SwRI puede identificar y solucionar problemas de rotor, álabes y de dinámica estructural que ponen fuera de servicio a los generadores de turbinas de vapor. Estas técnicas se usan para resolver problemas en campo, en tanto que brindan la confianza, en la fase de diseño, de que los trenes de la turbina mostrarán bajos niveles de vibración.

• Análisis de laboratorio de los problemas de vibración en maquinaria rotatoria y tubería

• Balanceo del rotor del generador de turbinas de vapor

• Diseño sobre medida de la instrumentación y componentes para aplicaciones especiales

• Prueba de componentes de válvulas, bombas, campanas de inmersión e instrumentos

Un láser de baja potencia y el sistema de objetivos ópticos construido por SwRI continuamente monitorea los cambios en la alineación entre la turbina y el generador para definir y resolver los problemas de vibración provocados por el desalineamiento.		Un analizador de espectro portátil se utiliza en estudios de vibración de los rotores del generador de las turbinas. SwRI regularmente realiza estos estudios para ofrecer asistencia en el balanceo de los rotores.		Este equipo de análisis de impacto modal in-situ mide la resonancia de los álabes y las formas modales. Aquí aparece el rotor de una turbina de alta presión de una unidad de 580 MW, a la que se le están realizando pruebas de resonancia en álabes fijos.

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Análisis de Falla y Prevención

Las fisuras en el disco de esta turbina se iniciaron en diámetro interior y se propagaron mediante corrosión por tensión hasta un tamaño crítico previo a una falla catastrófica.

SwRI utiliza un enfoque multidisciplinario al análisis de falla metalúrgica en una amplia gama de componentes para calderas y turbinas de vapor. Se combinan metalurgia, corrosión SwRI, análisis de esfuerzos, la mecánica de fracturas y la evaluación no destructiva para identificar los mecanismos y las causas de raíz de una falla. Dichos análisis ayudan a predecir y monitorear la vida restante de los componentes.

SwRI cuenta con un laboratorio de sustancias radioactivas certificado para el manejo de materiales contaminados por radiación.

Diversos componentes de las turbinas de vapor se someten a análisis de falla para identificar la causa de la falla y recomendar las acciones correctivas. Los componentes incluyen álabes de turbinas de alta presión, pernos, capiteles y discos.		El microscopio de escaneo de electrones se une con un sistema de análisis de imágenes para estudiar la morfología de las fracturas y realizar un análisis de imagen y espectroscópico de dispersión de energía de las muestras.
La corrosión por tensión provocó un gran agrietamiento transversal ramificado en este perno de la carcasa de la turbina de alta presión.		La micrográfica del escaneo de los electrones revela un agrietamiento inter granular de corrosión por tensión en el perno de la carcasa de una turbina a alta presión.

 

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Pruebas y Evaluación de Materiales

La fuerza estática, fractura intragranular, fatiga, impacto, la tenacidad de la fractura, el índice de crecimiento de la fisura, la dureza macro y micro y otras técnicas de evaluación y pruebas están disponibles en los amplios laboratorios de SwRI.

Los ambientes de prueba controlados incluyen temperatura, humedad, vacío, alta presión e inmersión en medios gaseosos o acuosos químicamente controlados. Las capacidades de pruebas especializadas incluyen condiciones controladas de esfuerzo multi-axial, índices de deformación continuamente variables de 10^-6 a 10^-4 s^-1, junto con pruebas mecánicas y térmicas, carga del espectro programado y carga directa uniaxial a 1,650^°C (3,000^°F).

Se cuenta con sofisticados sistemas de pruebas servo-hidráulicas controlados por computadora, y muchas mediciones de propiedades térmico-físicas, realizadas de acuerdo con los estándares ASTM. El equipo especializado de pruebas puede diseñarse y ensamblarse para cumplir con los requerimientos únicos de la pruebas.

Las pruebas de fatiga de bajo ciclo con control de deformación se realizan a altas temperaturas.		Una amplia gama de diseño de especimenes está disponible para la realización de pruebas de los materiales.		Se obtiene la medición de las propiedades de crecimiento de las fisuras por fracturas intragranulares de alta temperatura de los materiales del rotor de las turbinas de Clase C y D para contribuir a la base de datos empleados en la evaluación de la vida restante de HP y rotores IP.

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 al teléfono +1 210 522-5449.

maquinaria.swri.org

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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 11.

January 03, 2013