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Las turbinas de gas son en general equipos robustos y fiables, A pesar de su relativa juventud técnica, han demostrado sobradamente una altísima fiabilidad, con un bajo número de incidentes graves y catastróficos. RENOVETEC.COM publica una serie de artículos dedicados a las averías más habituales en turbinas de gas, tratando de aportar información de utilidad para técnicos implicados en el mantenimiento de turbinas de gas. 

 Por Santiago García Garrido  

www.santiagogarciagarrido.com  

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Las turbinas de gas son, como se ha dicho, equipos robustos y fiables. Sin duda, el hecho de provenir en muchos casos del mundo aeronáutico ha contribuido a estos buenos resultados, por la altísima exigencia técnica a los equipos que componen una aeronave. Pero también contribuye positivamente la estrategia de mantenimiento en este tipo de equipos, que se basa en una parada periódica para sustituir muchos de sus componentes de desgaste. Hay que recordar que cada pocos años se sustituyen todos los elementos de las partes calientes de la turbina, y que la turbina está completamente monitorizada, por lo que es posible detectar un fallo en sus primeros estadios de gestación.

No obstante, las turbinas también sufren averías, unas de poca importancia y frecuentes, y otras de carácter catastrófico que destruyen completamente el equipo.

La mayor parte de los fallos en turbinas de gas están relacionados con las altas temperaturas que se emplean en la cámara de combustión y en las primeras filas de álabes de la turbina de expansión. Otro gran grupo se refiere al ajuste del proceso de combustión, y así el rendimiento y la estabilidad de llama se ven relacionados con estos ajustes. Otra parte de las averías son las típicas de los equipos rotativos: vibraciones, desalineaciones, etc. Y por último, al igual que ocurre con otros motores térmicos, las negligencias de operación y mantenimiento están detrás de muchos de los problemas que se viven con turbinas de gas, y especialmente, detrás de las averías más graves. Así, tratar de arrancar una y otra vez con alarmas presentes sin solucionar el problema, o retrasar las inspecciones programadas es la causa de muchas grandes averías en turbinas de gas.

Este conjunto de artículos analizará los fallos habituales en turbinas de gas  clasificándolos por la zona afectada por el fallo. Este primer artículo aborda los fallos y averías que pueden registrarse en el compresor de la turbina, que puede llegar a tener fallos cuya reparación suponga un alto coste, o que pueden afectar notablemente a las prestaciones de la turbina.

Suciedad (fouling)

El ensuciamiento del compresor no es un fallo en sí mismo, sino un fenómeno que se produce periódicamente de forma normal y que se soluciona con limpiezas periódicas.

El ensuciamiento de los álabes del compresor se produce por la entrada de partículas a través de la casa de filtros. Por supuesto, cuanto menor sea la suciedad ambiental, mejor sea el diseño del sistema de filtrado, mejores sean los filtros y mejor estado presente todo el sistema de filtrado, menores será el ensuciamiento de los álabes.

La suciedad en la superficie de los álabes modifica ligeramente la aerodinámica de estos, provocando pequeñas turbulencias en el aire de admisión que hacen que éste no avance, sino que gire. La presión que se alcanza al final del compresor es menor, pero su temperatura es mayor. Como la presión es realmente la responsable del rendimiento de la turbina en su conjunto, el ensuciamiento provoca que la presión en la salida del compresor disminuya, su temperatura aumente, la potencia neta en el eje de la turbina disminuya, el rendimiento también disminuya y la salida de los gases de escape presente una temperatura mayor.

La suciedad puede ser de varios tipos:

  • Hidrocarburos y mezclas aceitosas: los peores problemas de ensuciamiento son causados por mezclas de líquidos y aceites ó hidrocarburos generalmente, que se depositan en los álabes y forman una capa aceitosa capaz de atrapar más suciedad. Su origen puede estar en los gases de combustión emitidos por la turbinas y puede ser particularmente severo si se utiliza combustibles menos limpios, como gasóleo o fuelóleo. Las fugas de aceite de los cojinetes al interior del compresor pueden ser otra fuente. Por último, los humos de otras industrias cercanas, de ciudades y vehículos contribuyen a este tipo de suciedad.
  • Agua salada. En zonas cercanas al mar, el contenido en humedad y sales inorgánicas del aire de admisión puede llegar a ser muy elevado. Al ingresar en el compresor, el aire se calienta y la humedad del aire se evapora, dejando sal y elementos disueltos que se depositan en los álabes. Cuando se exponen a las altas temperaturas de operación dentro del compresor, estos depósitos se pueden adherir firmemente a la superficie del compresor. La sal también causa corrosión y oxidación, por lo que hay que ser especialmente cuidadoso si se detecta este tipo de suciedad.
  • Otras causas. El polvo y la arena generalmente causan erosión y pueden conducir al ensuciamiento cuando se combina con otros elementos como vapores de aceites. La atmósfera contiene otros numerosos contaminantes incluyendo químicos usados en cultivos, esporas de las plantas, 0 insectos. Incluso algunos de los aditivos de los productos de limpieza, si no se enjuagan adecuadamente, pueden contribuir al ensuciamiento.

El ensuciamiento en los álabes se evita o se disminuye con un buen filtrado, y con el mantenimiento exhaustivo de la casa de filtros. Los efectos del ensuciamiento se disminuyen con un buen plan de limpiezas periódicas, que pueden ser de cuatro tipos:

  • Limpiezas en línea, en las que se suministra agua líquida pulverizada en la entrada del compresor para que disuelvan la suciedad acumulada principalmente en las primeras filas de álabes
  • Limpiezas fuera de línea (o limpiezas off-line) con turbina parada. El lavado fuera de línea se lleva a cabo con la turbina de gas en estado frío, inyectando la solución de limpieza al compresor mientras se hace girar a la velocidad de arranque. Una vez los químicos son inyectados en el compresor, se apaga la turbina de gas y se le permite detenerse, se deja en remojo de 20 a 30 minutos, antes de enjuagar completamente con agua desmineralizada o desionizada. El mayor inconveniente es el tiempo que la turbina debe permanecer fuera de operación para permitir el enfriamiento y la preparación para el lavado. La eficacia de este tipo de lavado es muy alta y la recuperación de potencia es cercana al nivel original o el nivel alcanzado después de un mantenimiento mayor.
  • Limpieza manual de las primeras etapas del compresor. En estas limpiezas el técnico se introduce al plenum y limpia a mano la primera fila de álabes, que es precisamente la que presenta un ensuciamiento mayor.
  • Limpieza total de álabes del compresor durante grandes revisiones. No es posible extraer toda la suciedad acumulada en los álabes con las limpiezas en línea o fuera de línea. En las grandes revisiones se extrae el rotor y con él fuera de la turbina se puede realizar una cuidadosa limpieza de los álabes que hace que se recupere toda la potencia perdida.

Las turbinas suelen estar equipadas con un sistema de limpieza que suministra agua pulverizada aditivada con determinados productos químicos  a la entrada de la turbina. Es un sistema sencillo, fácil de manejar, pero que se vuelve trascendental para la operación eficiente de una turbina de gas.

Congelación de las primeras filas de álabes

Cuando la temperatura baja por debajo de un determinado valor y la humedad ambiental es alta, puede producirse la congelación de la humedad contenida en el aire de entrada a la turbina. El hielo formado se deposita en los primeros álabes de la turbina, que en muchos casos son móviles, provocando una dificultad para su movimiento y un cambio en su forma aerodinámica.

El fallo se evita fácilmente utilizando adecuadamente el sistema anti-hielo.

Entrada en bombeo (surge)

Se denomina bombeo (o surge, en inglés) a la interrupción periódica de la salida de aire del compresor hacia la cámara de combustión. Si su incidencia se limita a períodos de corta duración puede ser soportable y no provocar daños. Sin embargo, con altas velocidades, como los que se registran en las turbinas de gas más habituales, la entrada en bombeo durante un tiempo prolongado puede causar daños de cierta magnitud en la turbina.

El bombeo se produce básicamente porque el gradiente de presión a lo largo desde la entrada a la salida se hace muy grande. Es decir, hay una gran diferencia de presión entre la entrada, que normalmente está a una presión inferior a la atmosférica, y la salida. Así, si la entrada disminuye su presión o el aire comprimido no circula correctamente hacia la salida por una obstrucción o cualquier tipo de defecto en la circulación del aire en la salida del compresor o a través de la cámara de combustión, el gradiente de presión es mayor de lo que el compresor puede soportar, y el aire retorna desde la salida o desde algún punto intermedio hacia la entrada, en vez de continuar su camino. El retorno de aire se produce hasta que el gradiente de presión cae por debajo de un valor, en ese momento, el aire vuelve a circular con normalidad hasta que nuevamente el gradiente es alto y el aire retorna. Este fenómeno se puede producir varias veces por segundo.

La entrada en bombeo produce varios efectos perjudiciales:

  • Impide el normal flujo de aire hacia la cámara de combustión.
  • La temperatura y la presión a la salida del compresor y en la cámara de combustión presentan bruscos cambios, que provocan inestabilidad de funcionamiento en la turbina, fallo en las prestaciones de ésta y estrés térmico.
  • Aumentan las vibraciones en el compresor, que daña cierres laberínticos, y retenes, y provoca fuerzas cíclicas que provocan fatiga en determinados componentes.
  • Cambian las fuerzas axiales en el eje, que se desplaza bruscamente afectando a los cojinetes o rodamientos axiales.
  • Se aumenta el nivel de ruido, que puede perjudicar a las personas que trabajan en las inmediaciones.
  • Provoca la parada de la turbina, con la pérdida de producción correspondiente, por activación del sistema de protección. La parada de emergencia en sí misma ya es un problema para la turbina, por el estrés que provoca. Las paradas de emergencia además, reducen el periodo entre inspecciones programadas, haciendo que la disponibilidad disminuya y el coste de mantenimiento aumente.

Hay que tener en cuenta que el compresor trabaja muy cerca de su zona de entrada de entrada en bombeo, tal y como puede verse en la figura adjunta.

Al trabajar el compresor tan cerca de su punto de bombeo, cualquier pequeño problema que afecte al normal flujo de aire puede provocar su entrada en bombeo. Las causas que provocan la entrada en bombeo de un compresor son fundamentalmente cuatro:

  • Obstrucción de aire a la entrada del compresor, provocada habitualmente por el bloqueo de los filtros de entrada por suciedad excesiva. También puede estar provocada por un fallo en los elementos mecánicos de la casa de filtros, que pueden haberse desplazado o desprendido dificultando el normal paso del aire hacia en interior de la turbina.
  • Obstrucción del paso del aire a la salida del compresor, y antes de la entrada en la cámara de combustión. En ocasiones el aire debe realizar un recorrido antes de entrar en la cámara de combustión para refrigerar ésta por su parte externa.
  • Obstrucción del paso de aire a los quemadores, por suciedad de estos, deformaciones, etc.
  • Presión excesiva en la salida, por alta densidad en el aire de entrada. Esto ocurre en ocasiones cuando el aire está por debajo de una determinada temperatura, lo que provoca que el compresor comprima más aire que el que es capaz de soportar su diseño. La relación de compresión aumenta y se desplaza en el gráfico adjunto a la zona de bombeo.

Para evitarlo, la mayoría de los compresores axiales de turbinas de gas están equipados con una o varias etapas de álabes variables en el estator, que modifican la geometría y la aerodinámica de las primeras etapas del compresor haciendo que la relación de compresión disminuya, y haciendo por tanto que el compresor vuelva a trabajar por debajo de la zona línea de bombeo. Los sistemas de control están equipados además para alertar de la entrada en esta zona, o para detener la turbina con parada de emergencia si detectan que se está produciendo este fenómeno en el interior de la turbina.

Daños provocados por un objeto extraño (FOD)

Uno de los fallos más dañinos y más fáciles de prevenir son los provocados por la entrada de un objeto externo, FOD según al terminología habitual (Foreign Object Damage). Los efectos que puede tener la entrada de un objeto extraño y los riesgos asociados varían en función del tamaño y localización del objeto. Así, objetos pequeños y blandos provocarán pequeños daños o incluso nulos. Por el contrario, si un objeto de cierto tamaño ingresa en el interior de la turbina los daños pueden conducir incluso a la destrucción completa de los álabes, por la reacción en cadena que puede provocar al chocar contra un álabe y desprender de éste nuevos fragmentos.

Prevenir este fallo es relativamente sencillo. En primer lugar, la entrada de aire debe conservarse siempre en perfecto estado, y debe realizarse una inspección periódica para asegurar que ningún objeto extraño puede pasar al interior de la turbina. E segundo lugar, es conveniente asegurar la integridad estructural de la casa de filtros, del plenum y del sistema de lavado, para asegurar que ninguna pieza de estos elementos se puede desprender y dañar la turbina.

El origen de la pieza extraña que causa el FOD puede estar en la la realización de los mantenimientos programados con apertura de turbina. Al realizar trabajos que supongan la apertura de la turbina o la entrada en la casa de filtros es necesario observar una serie de precauciones:

  • Es conveniente retirar de los bolsillos cualquier objeto que pueda caerse.
  • Es necesario tener una lista de las herramientas usadas, y controlar que todas ellas están en su sitio una vez finalizada la inspección, realizando si es preciso un inventario.
  • Es conveniente limpiar y controlar la casa de filtros antes de abandonar el recinto.
  • La limpieza y el orden en los alrededores de la turbina y de la casa de filtros son otro aspecto esencial a cuidar.

 Daños provocados por un objeto propio (DOD)

En ocasiones es un objeto del propio compresor el que ingresa en la zona rotativa y causa los daños. Normalmente se trata de una parte rota o desprendida de álabe, bien fijo o móvil, o de elementos de sujeción internos.  El fallo se denomina habitualmente DOD (Domestic Object Damage).

Las revisiones internas periódicas mediante boroscopio, identificando posibles daños, fracturas y cualquier señal posible desprendimiento son la mejor estrategia de prevención. La mayoría de los DOD no ocurren de forma súbita, sino que son consecuencia de la evolución de un fallo que puede detectarse mucho tiempo atrás. El control de la corrosión, mediante el uso de las técnicas apropiadas, es otro de los factores importantes para evitar DOD.

Fracturas en álabes (cracking)

Por efecto de la velocidad, de impactos, de falos en construcción o de cualquier otro problema estructural puede producirse grietas longitudinales o trasversales en los álabes del compresor de una turbina. Si la grieta progresa, el fallo puede llegar a ser muy grave si una parte del álabe se desprende e impacta con el resto de las filas de álabes, que giran a gran velocidad. El fallo en cadena, puede llegar a significar la destrucción completa de la turbina.

Roces entre álabes móviles y estator (rubbing)

Como consecuencia de una dilatación no prevista, una curvatura o un desplazamiento del rotor se puede producir un roce entre partes fijas y partes móviles. El roce en sí mismo no es un gran problema, pero puede ser indicativo de otros problemas mayores:

  • Puede indicar que hay dilataciones no consideradas que pueden originar un problema mayor.
  • Puede indicar que hay deformaciones en el eje o en determinadas partes (álabes o cierres) que pueden suponer una pérdida de la forma inicial. La deformación puede ser indicativo de un problema en el material o de un sobrecalentamiento de alguna zona concreta, cuyo origen será necesario conocer.
  • Un roce siempre puede degenerar en una grieta o fractura, por lo que es necesario hacer un seguimiento de cualquier roce que se observe para estudiar su evolución.
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