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VIBRACIONES en turbinas de vapor
de plantas de cogeneración
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 antes de que lleguen a producirse graves daños. La
vibración es sin duda el problema más habitual de una turbina de vapor
de una planta de cogeneración.
La vibración tiene muy diversas causas, por
lo que cuando se presenta se hace necesario estudiar cual es la que
está provocando el fenómeno, para por supuesto, corregirla.
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 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 la
vibración y limitarse a tomar alguna medida puntual que facilite el
arranque, los daños que pueden producirse pueden llegar a ser muy altos.
Para poder distinguir entre problemas de origen, problemas que
evolucionan negativamente, o pequeños defectos que no evolucionan es
conveniente realizar análisis del espectro de vibración cuando la
turbina se pone en servicio, para compararla con las que se van
obteniendo más adelante. Hay que recordar que las técnicas predictivas,
como el análisis de vibraciones, son comparativas y necesitan unos
valores de referencia.
Espectro de vibración de una turbina de vapor
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 se
esté considerando como una vibración sea en realidad una falsa señal,
que tenga como origen el mal funcionamiento del sensor encargado de
detectarla o la tarjeta que acondiciona la señal.
Desalineación entre turbina y caja de engranajes desmultiplicadora (caja reductora), o entre reductora y alternador.
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, e igualmente importante es
tener en cuenta que la alineación en frío y en caliente varía.
Problema del caudal o presión en el aceite de lubricación.
Puede tener su origen en
la obstrucción de los conductos por los que circula el aceite, en el
mal estado de los filtros o en una avería en las bombas de lubricación
(bomba mecánica, bomba de prelubricación eléctrica o bomba de
emergencia). Al ser la cantidad de aceite insuficiente, la posición del
eje y del cojinete varían de forma cíclica, dando lugar a la vibración.
En casos más graves, el eje y el cojinete se tocan sin película
lubricante, lo que provoca una degradación del eje de forma bastante
rápida.
Mala calidad del aceite.
El aceite lubricante, con
el tiempo pierde alguna 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.
Mal estado de cojinetes.
Los tres cojinetes de los
que suele disponer una turbina de vapor (dos de apoyo y uno de empuje)
sufren un desgaste con el tiempo, aún con una lubricación perfecta.
Estos cojinetes están recubiertos de una capa de material antifricción
(metal babbitt), que se deteriora. 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. El mal estado del
cojinete y la inadecuada lubricación pueden haber afectado al eje en la
zona del cojinete, por lo que es necesario comprobar el estado
superficial de éste.
Desequilibrio del rotor por suciedad o incrustaciones en álabes.
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. 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. Las incrustaciones
pueden ser por carbonatos, hierro, sodio u otros metales.
Desequilibrio en el rotor por rotura de un álabe.
No es frecuente, pero si
una partícula extraña entra en 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.
Desequilibrio en el rotor por mal equilibrado dinámico.
El desequilibrio puede
estar producido también por pérdida o daño en algún elemento que gira
(tornillos, arandelas, tuercas). El desequilibrio puede ser de origen
(el equilibrado inicial de la turbina fue deficiente) o puede ser
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. En ocasiones, el eje puede haberse curvado de
forma permanente, bien por un problema de origen o por un calentamiento
excesivo. La vibración, en este caso es difícilmente corregible.
Fisura en el eje.
Un defecto superficial
puede progresar y convertirse en una fisura o grieta. Puede ocurrir por
un defecto de fabricación del eje (lo más habitual) o puede estar
relacionado con corrosiones o tensiones térmicas que puede estar
sufriendo. Suelen ser visibles con ayuda de algún elemento de aumento o
aplicando algún ensayo no destructivo (líquidos penetrantes, etc.) Es
una avería muy grave que suele suponer la sustitución del rotor.
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.
Puede estar causado 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.
La presencia de agua provoca la erosión acelerada de los álabes.
Defecto en la bancada.
Una bancada mal
diseñada o mal ejecutada puede provocar vibración. Si la vibración se
ha detectado 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.
Defecto en la sujeción a la bancada.
A pesar de que la
bancada pueda estar bien efectuada, 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.
Tensión de tuberías de vapor.
Si el alineamiento de
tuberías no es perfecto o no se han considerado correctamente los
efectos térmicos de dilatación pueden provocarse tensiones en tuberías
que hagan que se ejerza una fuerza extraña sobre la carcasa de la
turbina.
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