Fallas en turbinas de vapor: causas y medidas de prevención

Este artículo se publicó originalmente en Modern Power Systems.

Las turbinas de vapor son componentes críticos para la generación de energía y diversos procesos industriales. Sin embargo, pese a los avances en el diseño, los materiales y las prácticas de mantenimiento, las fallas de estos equipos siguen ocurriendo. Con frecuencia, estas fallas ocasionan importantes períodos de inactividad no planificada, daños en los equipos, pérdida de generación e interrupción del negocio.

Las turbinas de vapor están diseñadas para funcionar dentro de parámetros específicos, entre ellos, de temperatura, presión, calidad y pureza del vapor, vibración y perfiles operativos. Las desviaciones respecto de los parámetros de diseño pueden aumentar los esfuerzos mecánicos, acelerar la degradación de los componentes y ser precursoras de mecanismos de falla mecánica.

En este artículo, se analizan las tendencias de fallas que FM ha observado, con especial atención a las tres causas raíz más comunes. Además, se describen estrategias prácticas para mitigar los riesgos, con el objetivo de mejorar la confiabilidad, prolongar la vida útil de los equipos y reducir las interrupciones operativas.

¿Cuáles son algunas de las principales causas de pérdida en las turbinas de vapor?

Daños en los componentes de la trayectoria del flujo de vapor

Los daños en los componentes de la trayectoria del flujo de vapor siguen siendo una de las principales causas de falla de las turbinas de vapor. Estas fallas suelen atribuirse a daños causados por objetos de origen interno (DOD), derivados de fallas de componentes internos, y a daños causados por objetos de origen externo (FOD), provocados por residuos que ingresan a la turbina desde el exterior.

Aunque la falla inicial puede estar localizada, los daños en los componentes situados aguas abajo pueden ser considerables y, con frecuencia, dar lugar a interrupciones prolongadas y reparaciones costosas.

Entre los factores contribuyentes se incluyen la fatiga térmica/cíclica, la fatiga de alto y bajo número de ciclos, la termofluencia, los daños por impacto, la corrosión, la erosión y los programas inadecuados de exclusión de materiales externos.

Muchas turbinas de vapor operan en un mercado energético desafiante. Como resultado, están sujetas a incrementos de carga más rápidos, operación a baja carga y ciclos diarios de arranque y parada. Esto aumenta el esfuerzo al que están sometidos los componentes críticos y contribuye a algunos de los factores mencionados anteriormente.

Los ciclos diarios de arranque y parada son necesarios para satisfacer los picos de demanda de electricidad. Este modo de operación afecta considerablemente la integridad operativa, ya que acelera la degradación de los componentes. Esto puede aumentar el esfuerzo térmico y la fatiga, lo que puede provocar fallas mecánicas prematuras y contribuir a los daños por objetos de origen interno.

La operación a baja carga es necesaria cuando la demanda disminuye. Esto ayuda a mantener la estabilidad de la red eléctrica y permite aumentar con rapidez la carga. Sin embargo, operar a baja carga puede generar ineficiencias, incrementar la tasa de consumo térmico y elevar la susceptibilidad a la fatiga. Estas condiciones pueden deteriorar el desempeño y reducir la vida útil de la turbina.

Es fundamental mantener un control preciso de la química del agua y la pureza del vapor. Un tratamiento inadecuado del agua o la presencia de contaminantes pueden provocar corrosión, incrustaciones y depósitos, lo que afecta la eficiencia y la confiabilidad de la turbina. La corrosión también puede contribuir a la falla de los componentes y a los consiguientes daños por objetos de origen interno. En particular, puede provocar picaduras y evolucionar hacia la corrosión bajo tensión (CBT). Se trata de un mecanismo de falla grave que se produce bajo esfuerzos de tracción en entornos corrosivos. Los álabes de la última etapa son especialmente susceptibles debido a su exposición al vapor húmedo y a las elevadas cargas de tracción.

Algunas medidas para mitigar los daños en los componentes de la trayectoria del flujo de vapor incluyen:

• Implementación y cumplimiento riguroso de un programa sólido de Exclusión de Materiales Externos (FME), que abarque todos los sistemas que alimentan la turbina. Revisar y auditar el programa, incluidas inspecciones periódicas, para verificar su cumplimiento.
• Operación dentro de los parámetros de diseño. Cualquier desviación debe revisarse exhaustivamente con el fabricante del equipo o con especialistas externos. Los cambios deben documentarse mediante un proceso formal de Gestión del Cambio (MoC), incluidos los estudios de riesgos de proceso correspondientes.
• Revisión y actualización continua del plan de mantenimiento en función de los hallazgos derivados de paradas y eventos no planificados.
• Uso de piezas aprobadas por el fabricante del equipo o contar con un procedimiento de revisión exhaustivo para los componentes de terceros, a fin de garantizar que cumplan o superen las especificaciones de diseño originales.
• Monitoreo y mantenimiento de la química del agua y la calidad del vapor, con planes de acción predefinidos para responder a desviaciones en los parámetros químicos.
• Contar con un programa sólido de gestión de paradas que incluya procedimientos de inspección de componentes y control de calidad.
• Implementación de los boletines informativos pertinentes para clientes emitidos por el fabricante del equipo. Estos indican que probablemente se haya producido un problema en una turbina de vapor similar.

Daños en los cojinetes

Los cojinetes lisos y de empuje soportan las cargas radiales y axiales del rotor de la turbina de vapor. Los cojinetes lisos utilizan una película hidrodinámica de aceite para minimizar la fricción y reducir el calor durante la rotación a alta velocidad. Los cojinetes de empuje, generalmente del tipo de segmentos oscilantes, mantienen la posición axial frente a las fuerzas inducidas por la presión.

Existen diversos mecanismos de daño, como la desalineación, el sobrecalentamiento, las condiciones deficientes del aceite, la vibración y la pérdida de aceite lubricante. Según el historial de siniestros de FM, el modo de falla más frecuente es la pérdida de aceite lubricante. Esta suele deberse a la contaminación del aceite, la pérdida del suministro de aceite o una viscosidad inadecuada, factores que pueden provocar el contacto entre superficies metálicas.

Los sistemas de aceite lubricante de corriente continua (CC) son fundamentales para brindar protección ante una pérdida de aceite lubricante. Por lo general, estos sistemas entran en funcionamiento cuando disminuye la presión de aceite debido a la pérdida de las bombas de aceite lubricante de corriente alterna (CA) y permiten una parada segura de la turbina de vapor.

El historial de siniestros de FM muestra numerosos casos en los que los sistemas de CC no han funcionado. Estas fallas suelen provocar el barrido del metal Babbitt de las superficies de los cojinetes y daños en el rotor de la turbina. Entre las causas más frecuentes se encuentran el mantenimiento y las pruebas inadecuados del sistema de baterías. En algunos casos, determinados requisitos de la lógica de operación han impedido el funcionamiento de las bombas de aceite lubricante de CC.

Algunas medidas para mitigar las fallas de los cojinetes incluyen:

• Tomar muestras y analizar periódicamente el aceite lubricante y de control, e implementar medidas correctivas para mantener una calidad óptima del aceite.
• Implementar procedimientos rigurosos de aseguramiento de la calidad y control de calidad durante las actividades de mantenimiento para garantizar una instalación y alineación adecuadas.
• Realizar pruebas periódicas de las bombas de aceite lubricante de CC y asegurarse de contar con una estrategia adecuada de mantenimiento de las baterías y de que esta se cumpla.
• Revisar con frecuencia las tendencias de temperatura y vibración de los cojinetes.
• Asegurarse de que la descarga de la bomba de emergencia de aceite lubricante de CC no pase por el enfriador ni por el filtro de aceite.
• Retirar la protección contra sobrecarga térmica del motor de la bomba de aceite lubricante de CC para evitar que la bomba se desconecte durante una emergencia.
• Retirar o bloquear en posición abierta todas las válvulas instaladas en las descargas de las bombas de aceite lubricante de CA y CC. Esta medida debe gestionarse mediante un sistema de permisos de bloqueo y etiquetado (LOTO).

Motorización y sobrevelocidad

Entre los eventos operativos no deseados más críticos en los sistemas de generador y turbina de vapor se encuentran la motorización y la sobrevelocidad. Ambos pueden provocar daños mecánicos graves e interrupciones no planificadas prolongadas. El historial de siniestros de FM muestra que la respuesta inicial de los operadores de la planta influye considerablemente en la posibilidad de limitar o prevenir los daños.

La motorización ocurre cuando el interruptor del generador no se activa ante una condición de flujo inverso de potencia. En esta condición, el generador absorbe potencia de la red eléctrica y pasa a operar como un motor. Si las válvulas de vapor están cerradas, como suele ocurrir durante una parada, se pierde el efecto de enfriamiento que proporciona el flujo de vapor. Esto genera pérdidas por ventilación, que provocan el sobrecalentamiento de los componentes rotativos debido a la fricción con el aire o vapor residual. A medida que aumenta la temperatura, la expansión térmica puede hacer que los álabes entren en contacto con la carcasa, provocando rozamiento intenso, desprendimiento de álabes y daños considerables en los componentes de la línea de ejes. La medida de mitigación más eficaz consiste en abrir de inmediato el interruptor del generador (o un interruptor pertinente situado aguas abajo) para detener la condición de motorización.

La sobrevelocidad ocurre cuando se admite vapor inadvertidamente en la turbina mientras el generador está desconectado de la red eléctrica. Al no haber carga eléctrica que se oponga a la rotación, la turbina acelera rápidamente. Las fuerzas centrífugas resultantes pueden superar los límites de diseño y provocar el desprendimiento de álabes, el desequilibrio del rotor y, posteriormente, daños en los componentes de la línea de ejes.

Las investigaciones de siniestros de FM han demostrado que es fundamental distinguir entre la motorización y la sobrevelocidad. Si los operadores centran su atención en las válvulas de vapor durante un evento de motorización, la turbina seguirá funcionando en esa condición. Si los operadores activan el interruptor mientras todavía se está admitiendo vapor en la turbina, puede producirse un evento de sobrevelocidad.

Algunas medidas para mitigar la motorización y la sobrevelocidad incluyen:

• Desarrollar procedimientos operativos de emergencia claros y concisos.
• Realizar capacitación basada en escenarios con los distintos equipos de turno para reforzar los protocolos de respuesta correctos.
• Realizar pruebas eléctricas periódicas de los interruptores y relés críticos para garantizar la operación confiable.
• Realizar el mantenimiento general y la inspección de las válvulas de la turbina de vapor en los intervalos recomendados por el fabricante del equipo para garantizar un sellado y accionamiento adecuados.
• Realizar las pruebas de protección contra sobrevelocidad con las frecuencias correspondientes y efectuar el mantenimiento de todos los equipos relacionados con la seguridad.

¿Se encuentran disponibles recomendaciones adicionales?

Los hallazgos del análisis de datos sobre turbinas de vapor, las mejores prácticas de ingeniería y la experiencia adquirida en la industria se incorporan a la Ficha técnica de prevención de siniestros de FM 13-3, Steam Turbines. Esta ficha técnica también incluye recomendaciones adicionales y medidas para mejorar los riesgos que contribuyen a mitigar la posibilidad de una pérdida grave en sus ubicaciones.

Fichas técnicas de FM