Actualizaciones de análisis e ingeniería Resuelva la falla de la bomba de la sección del anillo

Una importante planta de energía en los Estados Unidos experimentó problemas de alta vibración y recirculación con varias bombas de alimentación de calderas de sección anular (BB4), lo que resultó en múltiples fallas catastróficas e interrupciones no planificadas. Este estudio de caso detalla una de las bombas que se envió a un centro de servicio de bombas del mercado de accesorios para un análisis completo, resolución de problemas, plan de reparación, reconstrucción y pruebas de rendimiento.

Las plantas de energía de ciclo combinado son los "nuevos chicos en el bloque" de la industria de generación de energía. Diseñadas para combinar turbinas de gas y vapor, las centrales eléctricas de ciclo combinado pueden producir hasta un 50 por ciento más de electricidad con el mismo uso de combustible que las centrales eléctricas de ciclo simple. Las plantas de ciclo combinado modernas también pueden reaccionar rápidamente a las demandas de la red eléctrica con la capacidad de comenzar a producir energía en menos de 10 minutos y funcionar a plena capacidad en menos de 60 minutos. Esto proporciona un complemento eficiente a la tecnología renovable intermitente.

A medida que la demanda de electricidad ha cambiado y las plantas de ciclo combinado han comenzado a reemplazar las centrales térmicas y fósiles convencionales, el tipo de bombas utilizadas también ha cambiado. Las plantas de energía fósil a menudo usan bombas de barril robustas y duraderas. Estas bombas funcionan durante períodos prolongados e ininterrumpidos, y las plantas generalmente están equipadas con dos bombas instaladas al 100 por ciento o tres al 50 por ciento por unidad.

En las plantas de ciclo combinado, la demanda de bombas de barril robustas, pero costosas, disminuyó a medida que la industria avanzaba hacia bombas de anillos segmentados menos costosas. Debido a los cambios recientes en la industria de la energía, los operadores a menudo se enfrentan a un tiempo medio entre reparaciones (MTBR) más corto, desgaste interno y problemas de alta vibración en las unidades recién instaladas.

Fondo Después de experimentar numerosos problemas de rendimiento y confiabilidad de la bomba de alimentación de la caldera en su planta de energía, el propietario de la planta optó por realizar un análisis integral de la causa principal y un plan de reparación con un centro de servicio de bombas del mercado de accesorios en Los Ángeles, California. La investigación finalmente reveló una serie de problemas subyacentes vinculados a los problemas de rendimiento y fallas inesperadas de la bomba.

Hallazgos, soluciones de ingeniería y recomendaciones Durante la inspección y el análisis inicial de la primera unidad, se observó que el manguito de equilibrio tenía un ajuste cónico en relación con el eje. Este tipo de diseño es poco común porque requiere alta presión y una herramienta especial para instalar o quitar el manguito de equilibrio del eje. Esta es también una preocupación importante de seguridad.

Además, se instaló un manguito de equilibrio de ajuste cónico cerca del límite elástico en el eje. La alta presión y el ajuste cónico dieron como resultado un ajuste no deseado en el eje, lo que produjo áreas de alta concentración de tensión. El diámetro exterior no coincidía con el eje, lo que generaba una presión o fuerza periférica desigual alrededor del manguito de equilibrio. A cambio, creó un escenario en el que el eje podría doblarse. La fuerza inversa, o momento de flexión, se acumula 3550 veces por minuto, lo que provoca momentos de flexión significativos en la raíz del manguito de equilibrio, lo que finalmente fatiga el eje de la bomba.

Se hizo una propuesta para rediseñar el manguito de equilibrio haciéndolo de ajuste recto y más largo para reducir el espacio axial entre el impulsor de última etapa y el manguito de equilibrio (Imagen 1). Esto evita el "desacoplamiento" del anillo de desgaste, lo que provoca la desestabilización del rotor.

El fenómeno donde los impulsores saltan hacia adelante y luego regresan a su posición original aún existe, pero debido a la reducción del espacio, el impulsor no puede restringir el flujo al dispositivo de equilibrio.

El centro de servicio descubrió que el diseño original de la bomba requería un ensamblaje cara a cara usando pasadores antirrotación. Debido a que el difusor de la última etapa de la bomba no tenía un pasador en el diseño original, la cubierta necesitaba "apretar" el difusor para evitar la rotación. El espacio producido por este diseño resultó en una falla prematura de la junta tórica y también limitó la capacidad de carga de presión. Para mejorar tanto la confiabilidad de la bomba como la capacidad de transporte de presión de la junta de la última etapa, las caras del difusor se rectificaron con precisión. Al ajustar las tolerancias de apilamiento, también se mejora la capacidad de carga de presión de la junta de la última etapa.

Otro hallazgo importante fue que los impulsores de ajuste deslizante se sujetaban entre sí en el eje en el lugar adecuado con la ayuda de las caras del cubo. Sin embargo, las caras no eran perpendiculares, lo que obligaba a doblar el rotor, lo que provocaba problemas de alta vibración.

Cuando el rotor se colocó sobre los rodillos para verificar el descentramiento, el TIR (descentramiento total del indicador) parecía estar dentro de la tolerancia. Sin embargo, el eje se doblaría debido a que las caras no estaban exactamente perpendiculares al orificio una vez que la bomba estuviera funcionando y se aplicaran fuerzas hidráulicas a los impulsores. El problema fue difícil de detectar sin imitar la fuerza hidráulica.

El centro de servicio diseñó y desarrolló una herramienta de tensión especial para verificar la perpendicularidad y el paralelismo de todos los impulsores. El uso de esta herramienta evitó que el rotor se doblara en condiciones dinámicas (Imagen 2).

El centro de servicio recalculó y mecanizó las caras de la cubierta para producir un pandeo artificial de la cubierta que seguía perfectamente el pandeo natural del rotor.

Las compensaciones recalculadas para las cubiertas permitieron el uso de espacios libres más estrechos entre el manguito de equilibrio y el buje de equilibrio, por lo tanto, se redujo el flujo a través de la línea de equilibrio. La presión de la línea de equilibrio en promedio se redujo en unas 30 libras por pulgada cuadrada manométrica (psig), lo que también extendió el MTBR.

Desafíos Inicialmente, la planta de energía dudaba en modificar el diseño original de la bomba y ejecutar una actualización de ingeniería, lo que creó un desafío para el centro de servicio para resolver completamente el problema y la posible rotura del eje. Durante las negociaciones de actualización, otra de las unidades de alimentación de calderas de la planta falló inesperadamente con un eje roto. Como anticipó el centro de servicio, esta falla adicional sirvió para confirmar el problema en cuestión y enfatizó la necesidad urgente de una modificación de diseño.

Debido a la urgencia de la situación y los datos proporcionados, la planta de energía optó por enviar la bomba adicional para un análisis más detallado y procedió con las mejoras de diseño propuestas.

Pruebas de rendimiento para la validación Las centrales eléctricas utilizan la presión de la línea de equilibrio como punto de referencia principal para establecer una línea de base para la salud general de una bomba BB4. La presión de la línea de equilibrio aumentará junto con mayores holguras internas de ajustes críticos, tolerancias y otros factores mitigantes que pueden pasarse por alto fácilmente durante el montaje. Por lo tanto, las pruebas de rendimiento que duplican fielmente las condiciones reales de una bomba en servicio son un paso crítico en el proceso de reparación.

Después de la reparación, la bomba se envió a un laboratorio de pruebas de bombas certificado por el Instituto Hidráulico en Chicago. Aquí, las bombas se sometieron a protocolos de prueba estándar para medir la vibración, la presión y el flujo. Para mayor confiabilidad, el punto de datos más importante recopilado es la presión de la línea de equilibrio, una característica única en las pruebas de bombas de anillo segmentado. Con el apoyo de ingeniería del laboratorio de pruebas, el centro de servicio pudo diseñar y establecer un procedimiento de prueba que imitaba fielmente las condiciones de campo de la bomba instalada.

De vuelta en servicio Una vez que se completaron la reparación y las pruebas y se instalaron las bombas, el centro de servicio recibió varias bombas de sección de anillo segmentado idénticas de varias plantas de energía que presentaban los mismos problemas. Usando el conocimiento de las reconstrucciones anteriores, el centro de servicio pudo ejecutar una serie de reparaciones similares para estas bombas de alimentación de calderas adicionales en un marco de tiempo acelerado.

Hoy, todas las bombas de sección de anillo segmentado se han vuelto a poner en servicio y funcionan correctamente sin problemas de confiabilidad.

El centro de servicio utilizó un proceso de inspección exhaustivo, amplios procedimientos de control de procesos y estrictos criterios de aceptación para realizar estas reparaciones.

Robby Byrom es el vicepresidente de ventas de Evans Hydro. Ubicada cerca de Los Ángeles, California, Evans Hydro es una instalación de reparación de bombas dedicada a atender a los usuarios de bombas en la costa oeste y otras áreas de América del Norte. Para obtener más información, visite www.evans-hydro.com.