AVERIAS HABITUALES EN TURBINAS DE VAPOR 

La turbina de vapor es un equipo sencillo, bien conocido y equipado con un sistema de control que tiene como objetivo evitar las averías graves. Igual que sucede en otras máquinas térmicas, tras un periodo inicial de funcionamiento, detrás de cada avería grave suele haber una negligencia de operación o de mantenimiento.

foto turbina

En un equipo con tecnología madura como es una turbina de vapor, suele tener un sistema de control que protege la turbina frente a los fallos graves más comunes, así que las averías graves siempre están relacionadas con negligencias que en la mayoría de los casos no están cubiertas por un seguro. Entre las negligencias habituales en operación están las siguientes: 

  • 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; 
  • no llevar un control adecuado de la calidad del vapor.

Entre las negligencias de mantenimiento que conducen a averías más o menos importantes están las siguientes:

  • no realizar las revisiones programadas en los plazos indicados por el fabricante 
  • 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.


Veamos ahora cada uno de los fallos habituales en turbinas de vapor


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.

Espectro de vibración de una turbina de vapor

Figura 1 Espectro de vibración de una turbina de vapor ligeramente desequilibrada. Fuente: Renovetec

 

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 detectarlo. 
  • 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. Hay que tener en cuenta que la alineación en caliente y en frío puede variar. 

 Alineación de una turbina de vapor

Figura 2 Alineación de una turbina de vapor. Fuente: Curso Renovetec de turbinas de vapor

 

  • Mal estado del acoplamiento elástico entre turbina y reductor. Es conveniente realizar una inspección visual periódica del acoplamiento (al menos una vez al año) y vigilar sobre todo la evolución de las vibraciones
  • Vibración del alternador o del reductor, que se transmite a la turbina. Es otro caso de vibración detectada en la turbina pero proveniente de un equipo externo a ésta. 
  • 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 casos más graves, el eje y el cojinete se tocan sin película lubricante, lo que provoca una degradación del eje de forma bastante rápida.

Equipo de lubricación de una turbina de vapor

Figura 3 Equipo de lubricación de una turbina de vapor de 50 MW en una central termosolar. Fuente: Archivo Renovetec

 

  • 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. 
  • 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. 

Cojinete radial con marcas y arañazos

Figura 4 Cojinete radial con marcas y arañazos. Fuente: Archivo Renovetec

   

  • 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. 
  • 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. 
  • Desequilibrio en el rotor por rotura de un álabe. 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. La rotura de álabe también puede estar provocada por problemas de corrosión, que tendrán su origen generalmente en un tratamiento químico inadecuado. En otras ocasiones el daño en álabes puede estar provocado por roce entre éstos y partes fijas de la turbina. 

Rotura de un álabe

Figura 5 Rotura de un álabe provocado por una fuerte corrosión. Fuente: Curso Renovetec Ciclo Agua-Vapor

 

  • 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.  
  • 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. 
  • 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. Es sin duda el fallo más importante que puede sufrir una turbina de 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. 
  • 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. 
  • 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. 
  • 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. 

 

Desplazamiento excesivo del rotor por mal estado del cojinete de empuje o axial

Si el cojinete de empuje sufre un desgaste en exceso, el eje de la turbina puede desplazarse en la dirección axial más de su límite permitido, aplicando una fuerza adicional sobre el acoplamiento del reductor y sobre el propio reductor. Un tope que forma parte del eje llamado collarín apoya sobre este cojinete. Para evitar que se aplique sobre el acoplamiento esta fuerza adicional, un sensor inductivo mide la posición del eje, y especialmente de ese tope en todo momento, y cuando éste supera el valor previsto por el fabricante, se produce en primer lugar una alarma en el sistema de control de la turbina. Si el desplazamiento aumenta todavía más, la alarma se transforma en disparo, y el sistema de control para la turbina por seguridad. 

Cojinetes combinados

foto cojinetes

Figura 6 Cojinetes combinados Axial-Radial. Fuente: Curso Renovetec turbina de vapor

 

Fallos diversos de la instrumentación

Un fallo erróneo de la instrumentación suele estar detrás de uno de cada tres problemas detectados por el sistema de control. Entre los fallos habituales detectados erróneamente por la turbina por de vapor están los siguientes:

  • Alto nivel de vibraciones
  • Desplazamiento del eje superior al límite
  • Temperaturas y/o presiones del vapor fuera de límites
  • Temperaturas y/o presiones del aceite de lubricación fuera de límites
  • Indicación incorrecta de la velocidad de la turbina


El fallo de la señal puede provenir del elemento sensor o del acondicionador de señal (transmisor de señal). Tanto uno como otro tienen una probabilidad de fallo similar

 

Vibración en reductor

El reductor no es más que un conjunto de engranajes de diferentes diámetros y número de dientes cuya función es reducir adaptar el número de revoluciones por minuto de la turbina de vapor y el alternador. Por tanto, cualquiera de las causas que provocan vibración en una máquina rotativa pueden provocar la vibración del reductor, que puede transmitirse a la turbina y provocar el paro de ésta. 

Reductor unido a turbina de alta presión en una central termosolar.

Figura 7 Reductor unido a turbina de alta presión en una central termosolar. Fuente: Archivo Renovetec

 

Entre las causas comunes del aumento del nivel de vibración en un reductor están:

  • Mal estado de cojinetes o rodamientos de uno de los dos ejes (eje rápido o de entrada y/o eje lento o de salida). Esta es la causa más frecuente de este fallo. 
  • Desequilibrios, debidos a defectos en los dientes de piñones, mal estado de eje, etc.
  •  Problemas en la lubricación (falta de caudal o de presión, presencia de partículas extrañas o presencia de agua).
  • Mal alineamiento con cualquiera de los otros dos elementos del conjunto generador (alternador o turbina).
  • Mal estado de alguno de los dos ejes (el de entrada o el de salida).
  • Problemas en la bancada o problemas de sujeción del reductor a ésta

 

Vibración en alternador

El alternador es una máquina muy sencilla, y por tanto, el número de problemas que suele dar es también pequeño. Una vibración en el alternador puede estar provocada por:

  • El centro magnético del alternador no coincide con el centro mecánico
  • Mal estado de cojinetes o rodamientos del eje (ésta es con diferencia la causa más frecuente)
  • Curvatura del eje
  • Defecto en el eje
  • Problemas de lubricación, como exceso de grasa en rodamiento, no renovación de la grasa del rodamiento, mal estado de ésta, grasa inadecuada o presencia de partículas extrañas en la grasa
  • Problemas en la bancada o de sujeción del alternador a ésta 

 

Fuga de vapor

Una fuga de vapor por los sellos de la turbina, que pueden ser de carbón o laberínticos, además de provocar una pérdida de rendimiento (se escapa energía útil) puede provocar otras averías mayores: el vapor puede entrar en el circuito de lubricación o la fuga de vapor puede calentar excesivamente algún elemento que no esté preparado para soportar ese calor adicional (la instrumentación, por ejemplo).

La inspección periódica de los sellos y la reparación inmediata del problema en cuanto se detecta la fuga son las mejores tareas de mantenimiento para prevenir este fallo.

 

Funcionamiento incorrecto de la válvula de control

La válvula de control, que regula el caudal de entrada de vapor a la turbina, y su sistema hidráulico suelen ser responsables de un gran número de incidencias, que provocan intervenciones correctivas y pérdidas de disponibilidad. Se observa en el equipo un funcionamiento errático de la turbina, abriendo la entrada de vapor o cerrándolo cuando no corresponde, o vibrando de forma anormal.

Es conveniente mantener en buen estado el grupo hidráulico al que suele estar conectado el aceite de control de esta válvula. Un mantenimiento programado periódico se hace imprescindible para el buen funcionamiento de la turbina, así como un análisis del aceite hidráulico de control. Un aceite inadecuado o una temperatura muy alta o muy baja de este aceite también pueden causar problemas en esta válvula.  

Por último, en muchas ocasiones el problema no está en la válvula, sino en el sistema de control, que da orden de abrir o cerrar de acuerdo a otras señales que está recibiendo. Se hace necesario, pues, un conocimiento muy exhaustivo del sistema de control y sus señales. Así, el mal estado del detector inductivo que mide las revoluciones de la turbina puede estar detrás a veces de un funcionamiento errático de la válvula de control.

Turbina de vapor

Figura 8 Turbina de vapor de alta presión Siemens SST-700, muy habitual en centrales termosolares. Fuente: Archivo Renovetec

 

Dificultad o imposibilidad de la sincronización

Para que se produzca el acoplamiento entre el alternador accionado por la turbina y la red eléctrica es necesario que ambos estén sincronizados. Para ello, es necesario que ambos giren a la misma velocidad. Cuando hay problemas en el proceso de sincronización, puede deberse a un problema cuyo origen está en la válvula de admisión de vapor.

Si revisada esta se comprueba que su funcionamiento es correcto, puede ser debido a un problema de ajuste de PID  de la válvula de admisión. Es posible igualmente que el problema esté localizado en el equipo de sincronización. También es posible que el problema tenga su origen en el alternador porque las tensiones de generación y red no coincidan. Por último es posible que haya un problema en el control, que la turbina gire a una velocidad distinta (ligeramente superior o inferior) a la velocidad de sincronismo.

 

Funcionamiento incorrecto de la válvula de cierre

Esta válvula, que suele estar antes de la válvula de control es una válvula todo-nada. En su posición ‘cerrado’ puede dejar pasar algo de vapor que puede afectar al equipo. Es conveniente comprobar periódicamente, aprovechando una revisión de la instalación, que esta válvula y sus elementos internos de cierre se encuentran en buen estado

 

Bloqueo del rotor por curvatura del eje

 

Rotor de una turbina de vapor de alta presión

Figura 9 Rotor de una turbina de vapor de alta presión, durante una revisión. Foto: Carolina Beguelin

 

Las holguras entre los álabes fijos (toberas) y móviles de la turbina son muy pequeñas. Si el eje se curva por cualquier razón, especialmente por paradas de la turbina sin mantener el sistema virador en marcha, la curvatura del eje puede ser suficiente para que álabes fijos y móviles topen y se impida el movimiento del rotor. Esta curvatura puede ser de dos tipos:

  • Recuperable, cuando la deformación no ha superado el límite elástico del material. Se soluciona simplemente dejándola enfriar, y manteniendo posteriormente el virador en marcha (sistema de giro lento cuya finalidad es que el eje de rotación y el eje de inercia coincidan) durante al menos 24 horas
  • No recuperable, cuando la deformación ha superado el límite elástico. Cuando ocurre es más habitual que presente un alto nivel de vibraciones, y rara vez provoca el bloqueo del rotor

 

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