Averias en Turbinas de Vapor
La
turbina de vapor es un equipo sencillo, bien conocido y en general con un
sistema de control que tiene como objetivo evitar las averías graves.
Igual
que sucede en otras máquinas térmicas, detrás de cada avería grave suele haber
una negligencia de operación, ya que las turbinas suelen ser equipos diseñados
a prueba de operadores.
Dentro
de esas negligencias graves están: repetir el arranque de una turbina una y
otra vez a pesar de que el sistema esté indicando un problema; desconectar
seguridades o elevar los límites de disparo de éstas; entrada de agua por la
entrada de vapor, debido a fallo en el control de temperatura de vapor vivo y
del enclavamiento oportuno; y por último, no llevar un control adecuado de la
calidad del vapor.
Entre
las negligencias de mantenimiento que conducen a averías más o menos
importantes están: no analizar el aceite o no hacer caso a las recomendaciones
del analista, no analizar las vibraciones o no hacer caso de las
recomendaciones del informe realizado tras el análisis, no reparar averías
menores y esperar a que se conviertan en graves y no realizar adecuadamente
determinadas tareas, como el alineamiento o el mantenimiento de válvulas.
1.1.1 Alto nivel de
vibraciones
La
vibración en una turbina de vapor no es una avería en sí misma, sino un síntoma
de un problema que existe en la turbina y que pude derivar en graves
consecuencias. Por esta razón, las turbinas de vapor están especialmente
protegidas para detectar un alto nivel de vibraciones y provocar la parada de
ésta antes de que lleguen a producirse graves daños.
La
vibración tiene muy diversas causas, por lo que cuando se presenta hace
necesario estudiar cuál es la que está provocando el fenómeno, para, por
supuesto, corregirlo.
La
vibración se hace especialmente evidente durante el proceso de arranque, ya que
durante este periodo se atraviesan una o varias velocidades críticas de la
turbina, velocidades en las que la vibración, por resonancia molecular, se ve
notablemente amplificada. Es un error muy habitual no estudiar y corregir el
problema que está provocando ese anormalmente alto nivel de vibraciones y
limitarse a tomar alguna medida puntual que facilite el arranque; los daños que
pueden producirse pueden llegar a ser muy altos. Igual que en el caso del
gripado de motores, detrás de una avería grave de turbina suele estar una
negligencia grave de operación y/o mantenimiento.
Las
causas más habituales que provocan un alto nivel de vibración son las
siguientes:
-
Mal estado de los sensores de vibración o de las tarjetas
acondicionadoras de señal. Es posible que lo que estemos considerando como
una vibración sea en realidad una falsa señal, que tenga como origen el mal
funcionamiento del sensor encargado de detectarlo. Cuando se produce un disparo
por altas vibraciones es conveniente estudiar detenidamente la gráfica de
vibraciones del sensor que ha provocado el disparo del periodo anterior a éste
(quizás 2-4 horas antes). Una indicación del mal estado de un sensor suele ser
que el aumento de vibración no se produce de forma gradual, sino que en la
gráfica se refleja un aumento momentáneo muy alto de la vibración.
Mecánicamente es muy difícil que este fenómeno se produzca (el aumento
instantáneo del nivel de vibración), por lo que si esto se observa,
probablemente sea debido a una señal espúrea provocada por el mal estado del
sensor o por la influencia de un elemento externo que está provocando una
alteración en la medición.
-
Desalineación entre turbina y caja de engranajes desmultiplicadora
(reductor). Es la causa de al menos el 20% de los casos de altos niveles de
vibración en turbina. A pesar de que el acoplamiento es elástico y en teoría
soporta cierta desalineación, casi todos los fabricantes de acoplamientos elásticos
recomiendan alinear éste como si fuera un acoplamiento rígido. Es importante
respetar las tolerancias indicadas por el fabricante, tanto horizontal como
vertical, con el reductor. También hay que tener en cuenta que la alineación en
caliente y en frío puede variar. Por ello, es necesario realizar una alineación
inicial en frío, preferentemente con un alineador láser (por su precisión), y
realizar después una alineación en caliente para ver la variación. Si en esta
segunda es necesario corregir algo, es conveniente anotar la desalineación que
es necesario dejar en frío (en el eje horizontal y/o en el eje vertical) por si
en el futuro hay que realizar un desmontaje y es necesario repetir estas
alineaciones
-
Mal estado del acoplamiento elástico entre turbina y
desmultiplicador. Es conveniente realizar una inspección visual
periódica del acoplamiento (al menos una vez al año) y vigilar sobre todo la
evolución de las vibraciones
-
Mal estado del acoplamiento desmultiplicador-alternador. Este
es un caso típico de vibración inducida por un equipo externo a la turbina pero
unido a ésta. La vibración no es realmente de la turbina, sino que proviene de
una causa externa. Igual que en el caso anterior, es conveniente realizar
inspecciones visuales periódicas del acoplamiento y vigilar la evolución del
nivel de vibración.
-
Vibración del alternador o del desmultiplicador, que se transmite a
la turbina. Es otro caso de vibración detectada en la turbina pero
proveniente de un equipo externo a ésta. La vibración en el alternador o en
desmultiplicador se verá más adelante
-
Problema en la lubricación de los cojinetes, que hace que el
aceite de lubricación no llegue correctamente (en caudal o en presión) a dichos
cojinetes. Hay que diferenciar los problemas relacionados con caudal y presión
con los problemas relacionados con la calidad del aceite. En referencia a los
primeros, la obstrucción de los conductos por los que circula el aceite, el mal
estado de los filtros y una avería en las bombas de lubricación (recordemos que
una turbina suele llevar varias: una bomba mecánica cuya fuerza motriz la
proporciona el propio eje de la turbina; una bomba de prelubricación,
eléctrica, para arranques; y una bomba de emergencia, que se pone en marcha
ante un fallo eléctrico). Al ser la cantidad de aceite insuficiente, la
posición del eje y el cojinete varían de forma cíclica, dando lugar a la
vibración. En casos más graves, el eje y el cojinete se tocan sin película
lubricante, que provoca una degradación del eje de forma bastante rápida.
-
Mala calidad del aceite. El aceite lubricante, con el tiempo,
pierde algunas de sus propiedades por degradación de sus aditivos y se
contamina con partículas metálicas y con agua. La presencia de agua, de
espumas, la variabilidad de la viscosidad con la temperatura, el cambio de
viscosidad en un aceite degradado suelen ser las causas que están detrás de una
vibración provocada por la mala calidad del aceite. De ellas, es la presencia
de agua la más habitual, por lo que el análisis periódico del aceite, el
purgado de agua y la reparación de la causa que hace que el agua entre en el
circuito de lubricación son las mejores medidas preventivas.
-
Mal estado de cojinetes. Los tres cojinetes de los que suele
disponer una turbina de vapor de las usadas en plantas de cogeneración
(delantero, trasero o de empuje o axial) sufren un desgaste con el tiempo, aún
con una lubricación perfecta. Estos cojinetes están recubiertos de una capa de
material antifricción, que es la que se pierde. Por esta razón, es necesario
medir periódicamente las holguras entre eje y cojinetes, y el desplazamiento
del eje, para comprobar que los cojinetes aún están en condiciones de permitir
un funcionamiento correcto de la turbina. Estas tolerancias están indicadas
siempre en el libro de operación y mantenimiento que el fabricante entrega, y
es necesario respetar los intervalos de medida de estas holguras y el cambio si
esta comprobación revela la existencia de un problema. El adecuado
mantenimiento del sistema de lubricación contribuye de una manera innegable a
alargar la vida de estos cojinetes, y de la misma forma, un mantenimiento
incorrecto del aceite, sus presiones y sus caudales provoca una degradación
acelerada de éstos (Figura 6.1).
Cojinete
radial o de apoyo en mal estado, con marcas de roce metal-metal
entre el eje y el
cojinete
-
Mal estado del eje en la zona del cojinete. Si una turbina ha
estado funcionando con el aceite en mal estado, o con una lubricación
deficiente, es posible que sus cojinetes estén en mal estado, pero también es
posible que hayan terminado por afectar al eje. Si uno y otro rozan en algún
momento, es posible que este último presente arañazos o marcas que provocarán
vibraciones y pueden dañar el nuevo cojinete. En caso de detectarse daños en el
eje, es necesario repararlos, con un lijado, un rectificado in situ o en
taller, aporte de material, etc. La mejor forma de prevenir este daño es
análisis periódico de la calidad del aceite y en caso necesario su sustitución,
el adecuado mantenimiento del sistema de lubricación, y la sustitución del
cojinete cuando se detecta que la holgura supera los límites indicados por el
fabricante o cuando una inspección visual de éste así lo aconseja.
-
Desequilibrio del rotor por suciedad o incrustaciones en álabes. El
desequilibro es la causa más habitual de vibraciones en máquinas rotativas,
representando aproximadamente un 40% de los casos de vibración. Un
tratamiento químico inadecuado del agua de caldera y del vapor que impulsa la
turbina termina dañando no solo ésta, sino también el ciclo agua-vapor y la
propia caldera. El tratamiento químico del agua de caldera es tan importante
como el control del aceite de lubricación: sin estos dos puntos perfectamente
resueltos es imposible mantener adecuadamente una instalación de cogeneración
equipada con una turbina de vapor. El primer problema que se manifestará por un
tratamiento químico inadecuado será la presencia de partículas extrañas
depositadas en los álabes de la turbina. Como esta deposición no se hará nunca
por igual en todos los elementos rotativos, el rotor presentará un
desequilibrio que se traducirá en alto nivel de vibraciones. Las
incrustraciones en los álabes de la turbina pueden estar provocadas por niveles
inadecuados de carbonatos, sílice, hierro, sodio u otros metales. Para
eliminarlas, será necesaria una limpieza de los álabes,
y si el problema es grave, puede significar un chorreado de éste.
Posteriormente a la limpieza, será necesario realizar un equilibrado dinámico
de la turbina.
-
Desequilibrio en el rotor por rotura de un álabe. No es
frecuente, pero si una partícula extraña entra la turbina y golpea un álabe
puede provocar una pérdida de material o un daño que afectará al equilibrado
del rotor. Para evitarlo, se colocan unos filtros que retienen objetos de
cierto tamaño que puedan estar en circulación por las tuberías de vapor. Si
este filtro está dañado o se ha retirado, partículas grandes podrían dañar los
álabes. La reparación significa sustituir los álabes dañados, realizar una
limpieza interior de la turbina y equilibrar. Se trata de una avería cara. Para
evitarla, hay que asegurarse de que no puede desprenderse ningún elemento que
pueda estar en circulación por las tuberías de vapor y que el filtro de vapor
se encuentra en condiciones de realizar perfectamente su función. Es
conveniente realizar inspecciones visuales con la un boroscopio o endoscopio,
para poder observar el estado de la superficie de los álabes sin necesidad de
desmontar la carcasa de la turbina. (Ver apartado dedicado al mantenimiento
predictivo)
En otras ocasiones el daño en álabes puede estar
provocado por roce entre éstos y partes fijas de la turbina (Figura 6.2). En
estos casos el origen del fallo pudo ser el mal estado de cojinetes de apoyo o
de empuje que hicieron que la posición del eje rotor estuviera fuera de su
especificación. El síntoma que revela que está habiendo un problema es un alto
nivel de vibración. Si se detecta un nivel de vibración elevado y aún así se
mantiene la turbina en marcha, se está dejando la puerta abierta a que se
produzca este grave fallo.
Fig 6.2 Turbina de vapor cuyos álabes
presentan marcas de rozaduras con partes fijas
de la turbina
-
Desequilibrio en rotor por mal equilibrado dinámico, o por
pérdida o daño en algún elemento que gira (tornillos, arandelas, tuercas). El
desequilibrio puede ser un fallo de origen (el equilibrado inicial de la
turbina fue deficiente) o puede ser un fallo sobrevenido. En ese segundo caso,
es importante que al efectuar reparaciones en el rotor de la turbina no quede
ningún elemento sin montar o montado de forma inadecuada. Es incluso
conveniente numerar los tornillos y arandelas que se desmontan para montarlos
exactamente igual. Si es el eje el que está dañado, hay que reparar el daño
aportando material, rectificando, limpiando, lijando, etc. Es conveniente tener
un espectro de vibraciones desde la puesta en servicio del equipo. Este primer
espectro será de gran utilidad, y siempre será una referencia para saber si hay
problema inicial o sobrevenido.
-
Curvatura del rotor debido a una parada en caliente con el sistema
virador parado. Las turbinas de vapor están equipadas con un sistema
virador que facilita que el eje no se curve cuando está caliente. La misión de
este sistema es redistribuir los pesos uniformemente sobre el eje de rotación,
y evitar curvaturas que desequilibrarían el rotor. Si la turbina se para en
caliente y el sistema virador no entra en marcha es posible que el eje se curve
hacia arriba. El problema se detecta siempre al intentar arrancar, y comprobar
que el nivel de vibración es más alto del permitido. Si es así, la solución más
adecuada es mantener la turbina girando sin carga y a una velocidad inferior a
la nominal durante varias horas. Transcurrido ese tiempo, si ésta es la causa
del problema, la vibración habrá desaparecido y volverá a valores normales.
-
Eje curvado de forma permanente. El eje puede estar curvado de
forma permanente, es decir, con una deformación no recuperable siguiendo el
procedimiento indicado en el apartado anterior. No es fácil que esto suceda
después de la puesta en marcha inicial de la turbina, y habitualmente se debe a
un fallo preexistente, y que proviene del proceso de fabricación. Es habitual
que el equilibrado dinámico haya enmascarado el problema, aunque en el espectro
inicial de vibración, el que es recomendable realizar el inicio de la operación
del equipo, es seguro que estará presente.
-
Fisura en el eje. En ocasiones, un defecto superficial del eje
avanza y termina convirtiéndose en una fisura o grieta, que provoca un
desequilibrio en el eje. Puede ocurrir por un defecto de fabricación del eje
(lo más habitual) o puede estar relacionado con corrosiones que el rotor puede
estar sufriendo. Cuando esto ocurre, se detecta a través del análisis de
vibraciones, y en la mayoría de los casos son visibles a simple vista o con
ayuda de algún elemento de aumento. La solución suele ser cambiar el eje del rotor,
aunque en algunos casos es posible la reparación en empresas especializadas en
este tipo de trabajos en metales especiales, mediante saneamiento, aportación
de material, rectificado y tratamiento de alivio de tensiones. Será necesario
volver a realizar un equilibrado del eje. Como medida preventiva para evitar
corrosiones que convierten un defecto superficial en una grieta o fisura, está
el control químico del vapor a turbina.
-
Corrosión o incrustaciones en el eje, álabes, etc. Si el acondicionamiento
del vapor no ha sido el adecuado, pueden producirse corrosiones en los álabes o
deposiciones de materiales extraños a la turbina en éstos. Estas incrustaciones
y corrosiones desequilibran la turbina al modificar el reparto de pesos a lo
largo del eje de rotación. Cuando esto se produce la solución es la limpieza
del conjunto rotor por chorreado o por limpieza mecánica. Habitualmente hay que
extraer el rotor y realizar esta limpieza fuera de la turbina. En caso de
incrustación, es conveniente tomar muestras de los materiales depositados y
analizarlos, para conocer el origen de las partículas extrañas y tomar las
medidas correctoras oportunas. Una vez limpiado el eje, será necesario
equilibrarlo de nuevo. La mejor medida preventiva es realizar un cuidadoso
control químico en el agua de aportación, en el desgasificador, en los
condensados, en el agua del calderín y en el vapor.
-
Presencia de agua o partículas en el vapor. Si el vapor a la
entrada a turbina tiene partículas de agua líquida, el choque de las gotas
contra la turbina puede provocar vibraciones y desequilibrios. El vapor puede
contener agua líquida por fallo en el sobrecalentamiento, por una atemperación
excesiva, porque la válvula de atemperación esté en mal estado, o porque en el
camino entre la válvula de atemperación y la entrada a turbina sufra un
enfriamiento anormal. Si esto se produce es necesario detectarlo y corregirlo
cuando antes, pues provocará una erosión en los álabes de la turbina, y se
dañarán. El análisis de vibración y las inspecciones boroscópicas ayudarán en
la tarea de detección temprana del problema. La solución consiste
inevitablemente en corregir el problema que esté causando la presencia de agua
en el vapor.
-
Defecto en la bancada. Una bancada mal diseñada o mal ejecutada
pueden provocar vibración. Cuando se detecta una vibración, es conveniente en
primer lugar verificar el estado de la bancada, intentando descubrir grietas,
falta de material, etc. Si la vibración está presente desde la puesta en marcha
y se han descartado otras causas, es muy probable que el problema esté
relacionado con el diseño o con la ejecución de la bancada. La solución, en
este caso, será revisar el diseño de la bancada, y si éste es correcto, volver
a ejecutarla.
-
Defecto en la sujeción a la bancada. A pesar de que la bancada
pueda estar bien ejecutada, la turbina puede no estar convenientemente sujeta a
esta. Esto puede ocurrir porque los tornillos de sujeción no tengan el par de
apriete apropiado o porque los tornillos no anclen correctamente a la bancada.
Este fallo es mucho más habitual de lo que pueda parecer. Algunos autores
denominan a este fallo ‘pedestal cojo’, y el análisis de vibración revela este
fallo con relativa facilidad. Cuando este problema ocurre, se observa que
aflojando uno de los tornillos de sujeción (el que causa el problema) el nivel
de vibraciones extrañamente disminuye.
-
Tensión de tuberías de vapor. Si el alineamiento de tuberías no
es perfecto o no se han considerado correctamente los efectos térmicos de la
dilatación, pueden provocarse tensiones en tuberías que hagan que se ejerza una
fuerza extraña sobre la carcasa de la turbina. Estas fuerzas pueden provocar
vibraciones, entre otras cosas. La tubería de entrada de vapor en turbinas
pequeñas suele ser flexible, y la salida suele ir equipada con un compensador
que une la carcasa de la turbina a la tubería de salida. Para comprobar si
existe algún problema en este sentido, es conveniente soltar las tuberías de
entrada y salida y comprobar cuál es su posición natural sin estar unidas a la
turbina.
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