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DEPARTAMENTO DE POSGRADOS MAESTRÍA EN GESTIÓN DE MANTENIMIENTO I VERSIÓN
“ METODOLOGÍA PARA EVALUACIÓN DE CONDICIÓN DE RUEDAS PELTON; FUNDAMENTO TÉCNICO PARA PROCEDER CON SU CAMBIO”
TRABAJO DE GRADUACIÒN REVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE MÁGISTER EN GESTIÓN DE MANTENIMIENTO
AUTOR:
ING. MEC. PATRICIO MARCELO OYERVIDE OJEDA
DIRECTOR:
RAÚL ANDRÉS CASTILLO NÚÑEZ Msc.
CUENCA – ECUADOR 2016
Oyervide, I
DEDICATORIA A mi padre que está en el cielo, a mi querida madre que me dio la existencia y a mi pequeña familia que son parte importante en mi vida, mi esposa Doris e hijos Alison y Patrick.
Oyervide, II
AGRADECIMIENTO A mi esposa e hijos que me tuvieron mucha paciencia y entendieron que este tiempo que utilice para esta maestría, fue para crecer como profesional, tener nuevas alternativas de trabajo, brindarles a ellos los frutos de este sacrificio y por último, darme cuenta que el tiempo de ausencia que tuve que sacrificar para lograr culminar este proyecto, me indicó que como padre de familia solo viviré para ellos.
Orgullosamente agradezco de corazón la orientación, el tiempo y la dedicación que me brindo mi director de tesis el Ingeniero Raúl A. Castillo N. Msc., persona enteramente comprometida con el desarrollo de la evaluación de la condición de las ruedas Pelton, sin este personaje no hubiese alcanzado a finalizar la presente investigación que es de valiosa ayuda para tomar decisiones sobre el activo dentro de la unidades de generación de la Central Hidroeléctrica Paute Molino.
A la Unidad de Negocio HidroPaute por brindarme el apoyo necesario para cursar la Maestría en Gestión de Mantenimiento. Un reto más que cumplo en mi vida y por el cual mi gratitud y compromiso hacia la empresa se verán siempre reflejados con el trabajo del día a día.
Oyervide, III
RESUMEN
La Central Hidroeléctrica Paute Molino es la mayor generadora hidroeléctrica en Ecuador. Esta cuenta con diez unidades de generación con turbinas Pelton de eje vertical. Cada turbina dispone con una rueda considerada como repuesto crítico para este sistema. Sin embargo, actualmente no se cuenta con una metodología que permita evaluar la condición de dicha rueda. De esta manera se dificulta extraer las ruedas, maximizar su vida útil, reducir el riesgo de fallos que podrían afectar los índices de disponibilidad y confiabilidad de la planta. Además se afecta la inversión económica.
La presente investigación propone una metodología de evaluación de la condición de las ruedas Pelton. La metodología se basa en la medición del perfil hidráulico con ensayos no destructivos normalizados de ejecución periódica. Así, no habrá necesidad de desmontar el repuesto y se minimizan los tiempos de indisponibilidad. Adicionalmente se propone la utilización de los ciclos de carga para conocer la vida útil teórica de las ruedas.
La aplicación conjunta de los ensayos y técnicas planteados en esta investigación proveen un criterio técnico que permite adelantarse a un fallo por un lado y tomar una decisión objetiva respecto a su cambio, por otro lado.
PALABRAS CLAVE
Rueda Pelton, mantenimiento basado en condición, ciclos de vida, ensayos no destructivos.
Oyervide, IV
ABSTRACT
KEYWORD
Oyervide, V
ÍNDICE DE CONTENIDO DEDICATORIA ...................................................................................................................................... I AGRADECIMIENTO ............................................................................................................................. II RESUMEN ........................................................................................................................................... III PALABRAS CLAVE ............................................................................................................................. III ABSTRACT ........................................................................................................................................ IV KEYWORD ......................................................................................................................................... IV ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................................................... VI ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................................... VI ÍNDICE DE ECUACIONES ................................................................................................................ VII ÍNDICE DE ANEXOS......................................................................................................................... VII 1.
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1
2.
MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................................. 3
2.1.
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN. ............................................................................ 3
2.2.
CORPORACIÓN ELÉCTRICA DEL ECUADOR CELEC EP .................................................. 3
2.3.
UNIDAD DE NEGOCIO HIDROPAUTE: PROYECTO PAUTE INTEGRAL ............................ 4
2.3.1.
CENTRAL HIDROELECTRICA PAUTE MOLINO (CHPM) .................................................... 5
2.3.2.
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA NETA –COSTOS kW-h. DE LA CHPM .................................. 6
2.3.3.
HORAS DE OPERACIÓN DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DE LA CHPM. .............. 7
2.3.4.
PROCESO DE GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELECTRICA DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DE LA CHPM. ................................................................................................ 7
2.3.5.
RUEDA PELTON .................................................................................................................... 8
2.3.6.
ANÁLISIS DE INDISPONIBILIDAD DE LAS RUEDAS PELTON. ........................................ 12
2.4.
MANTENIMIENTO BASADO EN LA CONDICIÓN ............................................................... 13
2.4.1.
NORMA CCH 70-3 ............................................................................................................... 14
2.4.2.
CONTROL DE PERFIL HIDRÁULICO.................................................................................. 17
2.4.3.
VIDA UTIL DE LAS RUEDAS PELTON ................................................................................ 17
2.4.4.
APLICACIÓN DE LOS METODOS DE CONTROL A LAS RUEDAS PELTON .................... 18
3.
RESULTADOS ..................................................................................................................... 20
3.1.
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ......................................................................................... 20
3.1.1.
TINTAS PENETRANTES E INSPECCIÓN VISUAL. ............................................................ 20
3.1.2.
PARTÍCULAS MAGNETICAS .............................................................................................. 21
3.1.3.
PERFIL HIDRAULICO. ......................................................................................................... 21
3.1.4.
VIDA UTIL DE LAS RUEDAS PELTON................................................................................ 23
3.2.
METODO PARA LA EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN DE LA RUEDA PELTON ............. 24
4.
DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 25
5.
CONCLUSIONES ................................................................................................................. 27
6.
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 29
7. ANEXOS ......................................................................................................................................... 30
Oyervide, VI
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. CELEC EP UNIDADES DE NEGOCIO .................................................................... 4 Figura 2 Disposición geográfica de los proyectos paute integral ............................................ 4 Figura 3 Estructura orgánica de la Unidad de Negocio HidroPaute ........................................ 5 Figura 4 Producción de energía neta CHPM vs Energía total del País ................................... 6 Figura 5 Valor cobrado por venta de energía y producción neta facturada (GWh) CHPM ..... 6 Figura 6 Horas de operación de unidades de generación acumuladas de CHPM.................. 7 Figura 7 Generación de Energía Eléctrica ............................................................................... 8 Figura 8 Rueda Pelton de la CHPM ......................................................................................... 9 Figura 9 Zonas críticas de los alabes de la rueda Pelton ........................................................ 9 Figura 10 Desglose jerárquico de turbina hidráulica ............................................................. 10 Figura 11 Áreas del álabe sujetas a inspección .................................................................... 15 Figura 12 Medición de holguras en el perfil hidráulico con plantillas..................................... 17 Figura 13 Unidades escogidas para la aplicación de ensayos .............................................. 18 Figura 14 Calificación general de las discontinuidades por unidad de generación. .............. 21 Figura 15 Ponderación ajuste de criterios de aceptación de las diferentes clases ............... 21 Figura 16 Ruedas Pelton que sobrepasaron los ciclos de carga .......................................... 23
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Datos generales de las ruedas Pelton ........................................................................ 9 Tabla 2 Análisis de modos de falla y sus efectos (AMFE) ..................................................... 11 Tabla 3 Horas de indisponibilidad y funcionamiento de las ruedas Pelton ........................... 12 Tabla 4 Costo por indisponibilidad ......................................................................................... 13 Tabla 5 Métodos no destructivos de inspección. ................................................................... 14 Tabla 6 Tipo de indicaciones de acuerdo a CCH 70-3 para ruedas Pelton de la CHPM. ..... 14 Tabla 7 Criterios de aceptación para ensayos de tintas penetrantes .................................... 15 Tabla 8 Criterios de aceptación para ensayos de partículas magnéticas ............................. 16 Tabla 9 Frecuencias de las discontinuidades presentadas en las unidades de generación por clase ................................................................................................................................. 20 Tabla 10 Frecuencias ponderadas de las discontinuidades presentadas en las unidades de generación por clase. ............................................................................................................. 20 Tabla 11 Medidas fuera de tolerancia correspondientes a los espesores de los álabes de la ruedas Pelton. ........................................................................................................................ 22 Tabla 12 Medidas fuera de tolerancia correspondientes a las holguras de los álabes de la ruedas Pelton. ........................................................................................................................ 22 Tabla 13 Ciclos de las ruedas Pelton hasta la fecha noviembre-2015 .................................. 23 Tabla 14 Matriz para evaluación de la condición de la rueda Pelton .................................... 24
Oyervide, VII
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1 Número de ciclos de carga para una rueda Pelton............................................. 17 Ecuación 2. Modelo para calcular la muestra de una población finita ................................... 18
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1. Corte lateral de casa de máquinas de la CHPM .................................................... 30 Anexo 2. Resultados de las rueda Pelton U06-U10-U05-U09-U03 identificando la clase a la que pertenecen ...................................................................................................................... 31 Anexo 3 Gráfico de referencia para utilización de plantillas .................................................. 34
Oyervide, 1
Autor: Patricio Marcelo Oyervide Ojeda Trabajo de graduación Director: Raúl Andrés Castillo Núñez Mayo, 2016 “Metodología para evaluación de condición de ruedas Pelton; fundamento técnico para proceder con su cambio”
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad la Unidad de Negocio HidroPaute (UNH) está conformada por cuatro proyectos hidroeléctricos en cascada: Paute Molino (1100 MW), Paute Mazar (170 MW), Paute Sopladora (487 MW) y Paute Cardenillo (596 MW). Esta investigación se enfoca en la central más grande de nuestro país, es la Central Hidroeléctrica Paute Molino (CHPM) que cuenta con diez unidades de generación que emplean turbinas hidráulicas Pelton que impulsan los generadores eléctricos. Cada rueda Pelton tiene un valor económico superior a un millón de dólares americanos lo cual representa un 12% del presupuesto anual promedio de a la Subgerencia de Producción y al ser un repuesto crítico debe disponerse en stock por su periodo de fabricación superior a un año. Las ruedas Pelton se encuentran sometidas a desgaste, cavitación, erosión, abrasión, fatiga de material e impacto, siendo lo más frecuente la erosión y cavitación; sin embargo el que mayor riesgo presenta para su operación es la fatiga del material, que conlleva a la iniciación y propagación de fisuras que afectan su integridad estructural (Vargas Ávila, y otros, 2005). En la actualidad las ruedas son cambiadas sin considerar su vida útil nominal, siendo el único criterio de recambio la aparición de fisuras visibles y para lo cual no se cuenta con una metodología de control, ni parámetros normalizados para tomar la decisión de cuando es oportuno el cambio.
Las actividades necesarias para el cambio de este repuesto requieren de tiempos de indisponibilidad que representan una tasa de salidas forzadas (FOR) mayor al 4%; el FOR para centrales hidráulicas según lo dispuesto por el CENTRO NACIONAL DE CONTROL DE ENERGÍA (CENACE) debe ser en promedio, igual o menor a 1.5%. De aquí la importancia de que la periodicidad de esta intervención se fundamente en un análisis técnico de los parámetros mínimos que reflejan la condición del repuesto. De lo antes anotado surgen las preguntas:
¿La metodología propuesta en la presente investigación permite evaluar la condición de las ruedas Pelton empleadas en la CHPM?
Al conocer la condición de las ruedas Pelton, ¿es posible determinar el periodo dentro del cual es oportuno proceder con su cambio?
Oyervide, 2
Identificado el activo que tiene un alto costo y que ocasionaría graves daños en la turbina y por ende la indisponibilidad de la unidad de generación si llegará a desprenderse un álabe de la rueda Pelton, se presentan los objetivos de esta investigación:
Analizar la aplicación de las metodologías de inspección visual, tintas penetrantes, partículas magnéticas, y medición de perfil hidráulico, para evaluar la condición de ruedas Pelton de la CHPM.
Evaluación de la metodología con su aplicación real sobre una de las ruedas Pelton de la CHPM.
Sistematizar los conocimientos vinculados con la condición de ruedas Pelton para mejorar la información disponible en la toma de decisiones de montaje y desmontaje de la rueda Pelton.
Oyervide, 3
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN.
Este proyecto de investigación se ejecutó siguiendo las actividades:
Revisión de las hojas de vida de las ruedas Pelton registradas en el software de gestión de mantenimiento APIPRO y archivo técnico, para tener una visión general de los acontecimientos sucedidos en las ruedas durante sus periodos de funcionamiento.
Inspección visual de las ruedas Pelton para corroborar la fidelidad de la información registrada en el software de mantenimiento e identificar si los perfiles hidráulicos de los álabes han sido reparados.
Revisión bibliográfica relacionada al monitoreo de condición de turbinas tipo Pelton de eje vertical y potencia nominal aproximada a 105 MW, para conocer el estado del arte asociado a este tema de investigación.
Ejecución de las mediciones asociados a los ensayos no destructivos de tintas penetrantes y partículas magnéticas definidos en esta investigación por parte de una empresa especialista para conocer el estado actual de las ruedas Pelton.
1
Ejecución de las mediciones del perfil hidráulico de la rueda Pelton de la U06 por parte del personal técnico de la institución para conocer el estado de las holguras y espesores.
Comparar los resultados de las mediciones respecto a lo definido a la norma CCH70-3 y el fabricante de las ruedas.
Revisión de las horas de funcionamiento de las ruedas Pelton y de las horas acumuladas de las unidades de generación.
Analizar la información recopilada para presentar un diagnóstico de la condición de las ruedas Pelton de la CHPM.
2.2. CORPORACIÓN ELÉCTRICA DEL ECUADOR CELEC EP
La Empresa Pública Estratégica Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP, en la actualidad es responsable por la generación de fuente hidro, térmica y eólica de energía eléctrica del país, así como su transmisión a las subestaciones de distribución. En la Figura 1 se proporciona la conformación de las unidades de negocio que integran de la Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP.
1
Por sus siglas “Unidad de Generación U06”
Oyervide, 4
Figura 1. CELEC EP UNIDADES DE NEGOCIO Fuente: https://www.celec.gob.ec/quienes-somos/estructura-organizacional.html
2.3. UNIDAD DE NEGOCIO HIDROPAUTE: PROYECTO PAUTE INTEGRAL Ubicado al Sur – Este del Ecuador entre las provincias de Azuay, Cañar y Morona Santiago. El sitio de las obras del Proyecto Paute Integral inicia aproximadamente en el Km 105 de la carretera Cuenca – Paute – Guarumales – Méndez y está conformado por cuatro proyectos hidroeléctricos en cascada Paute Molino (1100 MW), Paute Mazar (170 MW), Paute Sopladora (487 MW) y Paute Cardenillo (596 MW). Los dos primeros en operación, el tercero en construcción y el último en estudios definitivos. En la Figura 2 se esquematiza la disposición geográfica de los proyectos.
Figura 2 Disposición geográfica de los proyectos paute integral Fuente: https://www.celec.gob.ec/hidropaute/perfil-corporativo/paute-integral.html
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Con aproximadamente 325 personas la Unidad de Negocio HidroPaute gestiona los procesos para la operación y construcción de sus centrales de generación. Su estructura orgánica funcional se indica en la Figura 3
Figura 3 Estructura orgánica de la Unidad de Negocio HidroPaute Fuente:http://intranethpa.celec.com.ec/index.php?option=com_content&view=article&id=46& Itemid=427
2.3.1.
CENTRAL HIDROELECTRICA PAUTE MOLINO (CHPM)
La CHPM es la más importante del Ecuador, cuenta con diez (10) unidades de generación con una potencia nominal instalada de 1100 MW; agrupadas en unidades de Fase AB de 105 Mw y unidades de Fase C de 115 MW, cada fase cuenta con 5 unidades de generación tecnológicamente diferentes ya que fueron construidas con 3 años de diferencia y se encuentran en operación hace más de 32 años la Fase AB y 23 años la Fase C (https://www.celec.gob.ec/hidropaute/, 2015).
En el año 2014, la matriz energética del Ecuador tuvo un 45.57% de generación de energía eléctrica con fuentes hidráulicas (http://www.conelec.gob.ec/, 2015); esto totaliza un valor de 11457.90
GWh,
de
los
cuales
el
46.63
%
fue
generado
por
la
CHPM
(https://www.celec.gob.ec/hidropaute, 2015), la cual, al ser la mayor generadora hidroeléctrica del país aportó en ese año con el 21.25% a la matriz energética. En la Figura 4 se indica la energía neta generada por la CHPM versus el total de energía generada por el resto de centrales de generación disponibles en el país.
5400
GWh
5900
4900
23872.4
23086.16
22969.49
6400
21838.73
24000 21000 18000 15000 12000 9000 6000 3000 0
20382.76
GWh
Oyervide, 6
4400 3900
2010
2011
2012
2013
AÑO
Energía total del País (GWh)
2014
Producción Neta CHPM (GWh)
Figura 4 Producción de energía neta CHPM vs Energía total del País Fuente: http://sardomhpa.celec.gob.ec/sardom/WebForms.aspx; SARDOM (Sistema de Análisis y Registro de Datos de Operación y Mantenimiento de Centrales Hidroeléctricas); interno de la empresa.
2.3.2.
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA NETA –COSTOS kW-h. DE LA CHPM
La CHPM durante el periodo 2010 - 2014 recibió $ 52.048.480,00 USD por la generación de energía eléctrica, reconociéndosele un valor de 0.002 USD/kW-h; mientras lo facturado por las distribuidoras representó al país un total $2.094.914.079,00 USD pues el precio de comercialización fue 0.085 USD/ kW-h.
En promedio la UNH recibió $10.409.696,00 USD/año; considerando el valor cobrado a las distribuidoras del país por venta de energía.
La Figura 5 muestra la producción de energía neta correspondiente a cinco años de generación de la CHPM versus el valor cobrado por venta de energía por parte de las
Valor Total Cobrado al Cliente
AÑO
2013
6500 6200 5900 5600 5300 5000 4700 4400 4100 3800 3500 3200 2900 2600 2300 2000
GWh
2012
$ 419,082,890
2011
$ 415,192,804
$ 490,795,635
2010
$ 456,130,554
$ 500,000,000 $ 450,000,000 $ 400,000,000 $ 350,000,000 $ 300,000,000 $ 250,000,000 $ 200,000,000 $ 150,000,000 $ 100,000,000 $ 50,000,000 $0
$ 313,712,196
empresas distribuidoras.
2014
Producción Neta Facturado (GWh)
Figura 5 Valor cobrado por venta de energía y producción neta facturada (GWh) CHPM Fuente: Informe interno de modernización de los reguladores de velocidad y tensión de la CHPM.
Oyervide, 7
2.3.3.
HORAS DE OPERACIÓN DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DE LA CHPM.
Las unidades de generación a la fecha 18 de octubre del 2015 cuentan con las siguientes
210000 180000
133056
154571
149313
148747
U03
60000
149789
U02
205027
U01
198036
90000
200183
120000
199477
150000 196100
HORAS DE FUNCIONAMIENTO
horas de funcionamiento según se muestra en la Figura 6.
30000 0 U04 U05 U06 U07 U08 UNIDADES DE GENERACIÓN
U09
U10
Figura 6 Horas de operación de unidades de generación acumuladas de CHPM Fuente: http://sardomhpa.celec.gob.ec/sardom/WebForms.aspx; SARDOM (Sistema de Análisis y Registro de Datos de Operación y Mantenimiento de Centrales Hidroeléctricas); interno de la empresa
2.3.4.
PROCESO DE GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELECTRICA DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DE LA CHPM.
El proceso de Generación de Energía Eléctrica se
aprecia en la Figura 7; la CHPM
aprovecha la energía potencial del agua almacenada en la represa Daniel Palacios, para luego ser transformada en energía eléctrica mediante las siguientes etapas:
1. Conducción de agua por medio de túneles hacia las unidades de generación con una altura neta de 668m.
2. Inyección de agua a presión hacia la rueda Pelton para provocar su giro a 360 rpm y obtener energía mecánica.
3. Giro del rotor para convertir la energía mecánica en eléctrica.
Oyervide, 8
Figura 7 Generación de Energía Eléctrica Fuente: Autor
Adicional a la Figura 7, se presenta en el Anexo 1 un corte lateral de casa de máquinas de la CHPM, donde se puede apreciar los diferentes niveles y sistemas con los que cuentan las unidades de generación.
2.3.5.
RUEDA PELTON
Cada unidad de generación de la CHPM cuenta con una turbina tipo Pelton de eje vertical como la indicada en la Figura 8 y Figura 9, encargada de transformar la energía cinética en energía mecánica; el costo de compra de una rueda pelton se aproxima a un millón novecientos mil dólares americanos (SERCOP, 2015). Es un repuesto crítico por su importancia en los sistemas electromecánicos de generación, su prolongado periodo de fabricación superior a los 365 días y costo asociado a la indisponibilidad de generación eléctrica en sus cambios programados que duran 15 días. El costo total por indisponibilidad en cambio representa un monto aproximado de dos millones de dólares americanos en 2
3
costo local y seis millones en costo internacional , costo que se ve incrementado por el uso de centrales térmicas e importación de energía; en función de las condiciones que presente el Sistema Nacional Interconectado (SNI) (CENACE, 2013); en la Tabla 1 se muestran sus características.
2 3
Costo local diario es $ 116,684.16 (CENACE, 2013) Costo internacional diario es $ 418,559.55 (CENACE, 2013)
Oyervide, 9
Figura 8 Rueda Pelton de la CHPM Fuente: Archivo fotográfico del autor
Figura 9 Zonas críticas de los alabes de la rueda Pelton Fuente: Archivo fotográfico del autor
Tabla 1 Datos generales de las ruedas Pelton
Fuente: Archivo Técnico de la CHPM (Campamento Guarumales) CARACTERÍSTICA
FASE
Diámetro de la RUEDA
UNIDAD mm
Cantidad de álabes FASE AB FASE C
Velocidad rotacional
ton
14.6
m
657
m
650
3
Caudal de agua Potencia
m /s
20
FASE AB
Mw
105
FASE C
Mw
115
rpm
360
Material Rendimiento
3630 22
Peso Caída neta
ESPECIFICACIÓN
(ASTM A 743 Grade CA-6 NM) %
92.1
Oyervide, 10
La rueda Pelton es un componente de la unidad funcional Turbina Hidráulica como se 4
muestra en la Figura 10. La estructura está configurada acorde a la norma ISO 14224 , adoptada en la CELEC EP como guía para la definición de la estructura de los sistemas de sus centrales de generación
Figura 10 Desglose jerárquico de turbina hidráulica Fuente: Estructura de objetos homologada de la CELEC EP
4
Industrias de petróleo y gas natural-Recolección e intercambio de datos de confiabilidad y mantenimiento de equipos.
Oyervide, 11
La Tabla 2 presenta los modos de fallos y sus efectos de la rueda Pelton
Tabla 2 Análisis de modos de falla y sus efectos de la rueda Pelton (AMFE)
Fuente: Autor RUEDA PELTON FUNCIÓN
Hacer girar al generador a la velocidad nominal (360 rpm)
FALLA FUNCIONAL
MODOS DE FALLO
CAUSA DE FALLO
Fallo en operación
1. Rotura de un alabe.
1. La unidad de generación se dispara. 2. Inyectores afectados por el impacto de un alabe deben ser cambiados, tiempo aproximado para cambiar un inyector 4 días 3. Se debe cambiar el rodete, este trabajo tomaría alrededor de 15 días. 4. Los cojinetes guía deben ser revisados para verificar su calibración y recubrimiento babit; trabajo toma 5 días en calibrar y 15 días en cambiar los cojinetes. 5. Tuberías de inyección de aceite y de grasa de ser impactadas deben ser cambiadas. Adicional habría contaminación de aceite hacia los efluentes; el tiempo de fabricación y montaje para un inyector 3 días. 6. Rejillas quiebrachorros de ser afectada deben cambiarse, dependiendo del daño puede tomar de 3 días a 15 días este cambio.
Vibración
1. Desbalanceo. 2. Fallo en los cojinetes guía. 3. Fallo en el Acoplamiento. 4. Instalación defectuosa
Las vibraciones pueden ser controladas hasta que se presente alarma, de requerir balanceo se estima dos días para ejecutar este trabajo.
Vibración
1. Desbalanceo. 2. Fallo en los cojinetes guía. 3. Fallo en el Acoplamiento. 4. Instalación defectuosa
Las vibraciones pueden ser controladas hasta que se presente alarma, de requerir balanceo se estima dos días para ejecutar este trabajo.
Incapaz de girar a la velocidad nominal
Incapaz de soportar una sobrevelocidad (415 rpm)
EFECTOS DE FALLO
Es importante mencionar que si llegase a desprenderse un álabe de la rueda Pelton, es probable que genere daños en los sistema de inyección, por lo que el tiempo de recambio sería superior a 20 días incrementando las pérdidas económicas por no generación, uso de repuestos no programados y los costos de reparación.
Oyervide, 12
2.3.6.
ANÁLISIS DE INDISPONIBILIDAD DE LAS RUEDAS PELTON.
En la Tabla 3 se presenta un análisis de las fisuras presentadas y las horas de funcionamiento de las ruedas hasta el 18 de octubre del 2015; datos obtenidos de las hojas de vida de las unidades de generación. Tabla 3 Horas de indisponibilidad y funcionamiento de las ruedas Pelton Fuente: Software de mantenimiento CMMS APIPRO; interno de la empresa
#
HORAS DE HORAS DE OPERACIÓN OPERACIÓN ACUMULADAS RUEDAS UNIDADES DE PELTON GENERACIÓN
NOVEDADES EN LAS RUEDAS PELTON
HORAS DE INDISP.
FASE AB 1 2 3 4
5
196.100 199.477 200.183 198.036
196.100 199.477 200.183 198.036
No ha presentado No ha presentado No ha presentado No ha presentado
0 0 0 0
126.406
El 03 de mayo del 2003 se presenta una fisura en el álabe #13 en la embocadura inferior de 75 mm de longitud
21
78.621
Horas de funcionamiento de la segunda rueda reemplazada
535
205.027
FASE C
6
7 8 9
10
149.789
148.747 149.313 154.571
44.621
Fisura en el álabe #14 en la embocadura superior con una longitud de 20 milímetros
12
88.087
Fisura en el álabe #1 en la embocadura superior con una longitud de 11 centímetros
19
95.835
Horas de funcionamiento de la primera rueda. Cambio
404,5
22.444
Fisura en el álabe #7 en la embocadura inferior con una longitud de 32 milímetros
26,5
28.158
Fisura en el álabe #7 en la embocadura inferior con una longitud de 85 milímetros
69,5
38.538
Horas de funcionamiento de la segunda rueda. Cambio
480,5
15.416
Horas de funcionamiento de la tercera rueda Pelton
0
148.747 149.313 154.571
No ha presentado No ha presentado No ha presentado
0 0 0
90.180
Fisura en el álabe #11 en la embocadura superior con una longitud de 12 milímetros
8
91.877
Fisura en el álabe #11 en la embocadura superior con una longitud de 30 milímetros
9,5
93.531
Horas de funcionamiento de la primera rueda. Cambio
415
39.525
Horas de funcionamiento de la segunda rueda
0
133.056
Oyervide, 13
En la Tabla 4 se presentan los costos locales e internacionales que generaron las horas por intervención de reparación de las fisuras y cambio de las ruedas Pelton de las unidades de generación. Tabla 4 Costo por indisponibilidad Fuente: Autor
HORAS DE HORAS DE UNIDAD FUNCIONAMIENTO INDISPONIBILIDAD DE LAS RUEDAS 5
6
10
COSTO NETO LOCAL
COSTO NETO INTERNACIONAL
126.406
21
$
102,098.64
$
366,239.61
78.621
535
$
2,601,084.40
$
9,330,389.97
44.621
12
$
58,342.08
$
209,279.78
88.087
19
$
92,374.96
$
331,359.64
95.835
404,5
$
1,966,614.28
$
7,054,472.42
22.444
26,5
$
128,838.76
$
462,159.50
28.158
69,5
$
337,897.88
$
1,212,078.70
38.538
480,5
$
2,336,114.12
$
8,379,910.99
90.180
8
$
38,894.72
$
139,519.85
91.877
9,5
$
46,187.48
$
165,679.82
93.531
415
$
2,017,663.60
$
7,237,592.22
TOTAL $
9,726,110.92
$ 34,888,682.49
2.4. MANTENIMIENTO BASADO EN LA CONDICIÓN El Mantenimiento Basado en la Condición (CBM) proviene de un supuesto lógico, en el cual la reparación o reemplazo preventivo de los componentes de la maquinaria, sería oportuno si se realiza justo antes que aparezca una falla. El objetivo del CBM es obtener la máxima vida útil de cada activo físico antes de ponerlo fuera de servicio (BUREA VERITAS, 2016).
Particularmente para ruedas Pelton se ha escogido como base de referencia la norma CCH 70-3-2006 denominada “Especificación para la inspección de piezas de fundición de acero para máquinas hidráulicas” por su especificidad para ser utilizadas en esta investigación.
Acogiendo la sugerencia del fabricante en la referencia técnica del 04 de octubre del 2010 de monitorear el desgaste del perfil hidráulico de las ruedas Pelton, se propone como un criterio adicional para la evaluación de la condición, el control del perfil de los álabes mediante plantillas que permiten medir las holguras y espesores de los álabes.
Adicionalmente se evalúa la vida útil de las ruedas Pelton en base a sus horas de funcionamiento, las cuales son una medida del riesgo de sufrir un fallo (E. Parkinson & S. Lais, 2015) (Vargas Ávila, y otros, 2005).
Oyervide, 14
2.4.1.
NORMA CCH 70-3
La norma detalla las especificaciones de procesos que deben efectuarse para la inspección y ensayos de partes de máquinas hidráulicas fabricadas en hierro fundido (rueda Pelton) para evaluar su condición, se han escogido los indicados en la Tabla 5 en vista que son procesos con los que se cuentan los equipos para su realización periódica, estos son:
Tabla 5 Métodos no destructivos de inspección. Fuente: Autor
Método
Objetivo Se utiliza para verificar el estado de la superficies de los cangilones de cada uno de los álabes, identificando cavitaciones, erosiones, abrasiones y desgastes Identificar discontinuidades superficiales (fisuras) Identificar discontinuidades superficiales a niveles que no son alertados por las tintas penetrantes.
Inspección visual
Tintas Penetrantes Partículas Magnéticas
La norma divide los álabes en 10 zonas diferentes identificadas con números romanos como se muestra en la Tabla 6 y la Figura 11. Para cada zona el fabricante señala la clase máxima permitida, el cual es un valor que oscila de 1 al 5, siendo 1 la mejor y 5 la peor condición.
Tabla 6 Tipo de indicaciones de acuerdo a CCH 70-3 para ruedas Pelton de la CHPM.
REFERENCIA
ARISTA MEDIA
VISUAL 1 1 LIQUIDOS 1 2 PENETRANTES PARTÍCULAS 1 1 MAGNETICAS 1d= SIN INDICACIONES
VI
VII VIII
2
1
2
1
2
2
1
2
1d
2
2
2
2
1d
BORDE EXTERNO FONDO DEL CANGILON
2
IX
X
RAIZ
V
DORSO DEL CANGILON
IV
RAIZ
III
FONDO DEL CANGILON
II
BORDE INTERNO
I
FONDO DEL CANGILON
AREA
ESCOTADURA
Fuente: Norma CCH 70-3
3
2
2
2
Oyervide, 15
Figura 11 Áreas del álabe sujetas a inspección Fuente: NORMA CCH 70-3
En la Tabla 7 y en la Tabla 8 se muestran los criterios de aceptación para cada clase que se indica en la Tabla 6.
Tabla 7 Criterios de aceptación para ensayos de tintas penetrantes
Fuente: Norma CCH 70-3
NATURALEZA DEL CLASES DE DEFECTO CALIDAD Densidad 1. Umbral de indicaciones a tomarse en cuenta
MÁXIMA DIMENSIÓN DE INDICACIÓN 1
2
3
4
5
0,63%
1,60%
4,00%
10%
25%
a=0,5 mm a=1 mm a=1,5 mm a=1,5 a 2 mm
a=2 mm
2. Ninguna indicación redondeada con una dimensión de
a>2 mm
a>3 mm
a>4 mm
a>6 mm
a>8 mm
3. Ninguna indicación lineal 4.- Ninguna indicación alineada
Ninguna Ninguna
Ninguna Ninguna
Ninguna Ninguna
Ninguna L>10 mm
a>7 mm L>16 mm
5.- Superficie total de las indicaciones en el rango de
a= Largo de indicación b= Ancho de indicación d= Distancia entre indicaciones
2
6 a 7 mm
16 mm
2
40 mm
2
100 mm
2
250 mm
Indicación redondeada = a/b < 3 Indicación lineal = a/b > o igual a 3 Alineada= 0 < d< o igual 2 mm
2
Oyervide, 16
Tabla 8 Criterios de aceptación para ensayos de partículas magnéticas
Fuente: Norma CCH 70-3
MAXIMA DIMENSION DE INDICACION
NATURALEZA DEL DEFECTO
CLASES DE CALIDAD Umbral de indicaciones a tomarse en cuenta DISCONTINUIDADES LINEALES
1(Nota 1)
2
3
4
5
0,5 mm
1 mm
1,5 mm
2 mm
3 mm
No se admite (Nota 2 )
Máxima longitud de indicaciones
_
3 mm
5 mm
10 mm
15 mm
Máxima suma total de longitud de indicaciones (Nota 3) E
_
18 mm
30 mm
60 mm
90 mm
_
10 L
8L
5L
4L
3 mm
5 mm
5 mm
5 mm
Mínima distancia entre los extremos de dos indicaciones alineadas (Nota 4) POROSIDAD Máxima longitud de indicaciones
No se admite _
División entre: Suma de _ 2% 5% 10% 20% indicaciones superficiales/E Mínima distancia entre los bordes de dos indicaciones _ 9 mm 15 mm 15 mm 15 mm vecinas Contracciones superficiales No se admite n° II-1 n° II-2 n° II-3 n° II-4 (Nota 5) Inclusiones (Nota 5) No se admite n° III-1 n° III-2 n° III-2 n° III-3 Clases especiales (Altos esfuerzos, áreas críticas, por ejemplo áreas a ser soldadas), concentraciones de numerosas pequeñas indicaciones incluso de agujeros de alfiler (pin holes), dará lugar a Nota 1 una remoción de la superficie en cuestión para examinar la evolución de las indicaciones: En caso que las indicaciones tienden a alargarse y se reúnan con las otras, será reparada la zona afectada. Nota 2 Fisuras y faltas de fusión no son aceptables en la clase 1 Nota 3 Nota 4 Nota 5
E: Superficie de referencia idéntica a la superficie de las fotografías de referencia ASTM E 125 i.e aprox 100 X 160 mm L: Longitud de la indicación más larga Se compara con fotografías de ASTM E 165 y deben cumplir lo indicado en la tabla. En caso de desacuerdo y si la naturaleza del defecto no se puede identificar, se considera que la indicación es lineal
a= Largo de indicación b= Ancho de indicación d= Distancia entre indicaciones
Indicación redondeada = a/b < 3 Indicación lineal 3
= a/b > o igual a
5
Los ensayos fueron realizados por una empresa especialista en ensayos no destructivos , y el resumen de los resultados se indican en el Anexo 2 de esta investigación.
5
Ensayos no destructivos del Ecuador ENDE CIA. LTDA.
Oyervide, 17
2.4.2.
CONTROL DE PERFIL HIDRÁULICO
El perfil hidráulico corresponde a la superficie del álabe que resulta atacado por la inyección de agua a presión durante el proceso de generación eléctrica. Se controla mediante la comparación de sus dimensiones entre periodos de utilización.
El fabricante de las ruedas Pelton da recomendación expresa de controlar el perfil hidráulico de cada uno de los álabes, como un parámetro que determina tanto la vida útil como la perdida de la eficiencia de la turbina debido al desgaste.
El control se efectúa con plantillas proporcionadas por el fabricante, que corresponden al perfil hidráulico original de la rueda Pelton y sirven para efectuar mediciones de las holguras máximas permitidas para la rueda, tal como se muestra en la Figura 12.
Figura 12 Medición de holguras en el perfil hidráulico con plantillas Fuente: Autor
2.4.3.
VIDA UTIL DE LAS RUEDAS PELTON
Según (E. Parkinson & S. Lais, 2015) resulta delicado operar ruedas Pelton por más de 1 x 10
10
ciclos de carga. Los ciclos se calculan de acuerdo a la siguiente formula (VATECH
HYDRO, S/F):
Ecuación 1 Número de ciclos de carga para una rueda Pelton #𝒄𝒊𝒄𝒍𝒐𝒔 = 𝒏 ∗ 𝒊 ∗ 𝟔𝟎 ∗ 𝒉𝒐 𝑛 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑟𝑝𝑚 𝑖 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 ℎ𝑜 = ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Oyervide, 18
2.4.4.
APLICACIÓN DE LOS METODOS DE CONTROL A LAS RUEDAS PELTON
A. CRITERIO PARA LA APLICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE LA NORMA CCH 70-3 Aplicando el modelo matemático indicado en la Ecuación 2 con un nivel de confianza del 90%, la muestra a tomar serían las ruedas Pelton de 9 unidades de generación, sin embargo, los métodos definidos en la Tabla 5 fueron aplicados a cinco de las 10 ruedas Pelton por motivos presupuestarios. El criterio para escoger las ruedas sujetas a ensayo fue en base a sus horas de funcionamiento, para asegurar que se analice la evolución del deterioro superficial en el tiempo. En la Figura 13 se indican las unidades escogidas para efectuarse los métodos.
Ecuación 2. Modelo para calcular la muestra de una población finita
n=
𝑍 2 𝑝(1−𝑝)𝑁 𝑁𝑒 2 +𝑍 2 𝑝(1−𝑝)
n= tamaño de la muestra N= población (unidades generación) Z= valor Z para el nivel de confianza establecido (1.65) e= error a partir del nivel de confianza (0.1) p= proporción del evento de interés (0.5)
Figura 13 Unidades escogidas para la aplicación de ensayos Fuente: Autor
Estos ensayos fueron ejecutados por una empresa especializada en ensayos no destructivos que fue contratada para este fin y que cuenta con técnicos certificados.
Oyervide, 19
B. CRITERIO PARA LA APLICACIÓN DEL METODO DEL CONTROL DEL PERFIL HIDRAULICO.
Para el control se escogió la rueda Pelton de la unidad 06 debido a que es la única que posee un juego de plantillas particular provista por el fabricante, que permitió la comparación de las mediciones de fábrica con las del equipo en funcionamiento.
La muestra de álabes que deben ser controlados asciende a 16 aplicando la Ecuación 2 para un nivel de confianza del 90%, sin embargo por el tiempo de indisponibilidad que implicaría efectuar estas mediciones en la rueda Pelton, solo pudieron efectuarse las mediciones a 4 álabes distribuidos equidistantemente.
C. CRITERIO PARA PARA LA EVALUACIÓN DE LA VIDA UTIL.
La evaluación se efectuó a las 10 ruedas Pelton instaladas, en vista de que se cuenta con la información suficiente para la aplicación del modelo matemático de la Ecuación 1.
Oyervide, 20
3. RESULTADOS
3.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 3.1.1.TINTAS PENETRANTES E INSPECCIÓN VISUAL.
Los resultados de la aplicación de tintas penetrantes se proporcionan en el Anexo 2. En la Tabla 9 se consolida para cada unidad de generación las discontinuidades de las ruedas Pelton por clase.
En la Tabla 10 se efectúa una calificación a las frecuencias indicadas en la Tabla 9 , a través de la ponderación lineal indicada en la Figura 15, con la cual se puede obtener para cada unidad de generación de la CHPM una evaluación general de su estado, siendo la menor calificación el mejor estado y la mayor el peor estado. En la Figura 14 se presenta la calificación general por unidad de generación.
Tabla 9 Frecuencias de las discontinuidades presentadas en las unidades de generación por clase Fuente: Autor
FRECUENCIAS
CLASES
U06
U10
U05
U09
U03
1
195
189
141
142
165
2
3
5
7
2
0
3
1
4
5
2
0
4
4
13
26
28
2
5
7
6
20
6
10
S
10
3
21
40
43
TOTAL
220
220
220
220
220
Tabla 10 Frecuencias ponderadas de las discontinuidades presentadas en las unidades de generación por clase. Fuente: Autor
PESO 0.05 0.10 0.14 0.19 0.24 0.29 1
CLASES
U06
U10
U05
U09
U03
1
9.29
9.00
6.71
6.76
7.86
2
0.29
0.48
0.67
0.19
0.00
3
0.14
0.57
0.71
0.29
0.00
4
0.76
2.48
4.95
5.33
0.38
5
1.67
1.43
4.76
1.43
2.38
S RESULTADO PONDERADO
2.86
0.86
6.00
11.43
12.29
15.00
14.81
23.81
25.43
22.90
Oyervide, 21
Figura 14 Calificación general de las discontinuidades por unidad de generación. Fuente: Autor La Figura 15 muestra la ponderación con la cual se ajustó a cada clase de la Tabla 10.
Figura 15 Ponderación ajuste de criterios de aceptación de las diferentes clases Fuente: Autor
3.1.2.PARTÍCULAS MAGNETICAS
Los resultados de las partículas magnéticas son similares a los correspondientes a tintas penetrantes de la Tabla 9, por lo tanto la calificación fue idéntica como se muestra en la Figura 14.
3.1.3.PERFIL HIDRAULICO.
En el Anexo 3 se proporciona los gráficos referenciales para la medición de holguras y espesores de los álabes de las ruedas Pelton según el fabricante. En la Tabla 11 y en la Tabla 12 se indica con código de colores los puntos de medición que se encuentran fuera de tolerancia de acuerdo a lo recomendado por el fabricante para cada grupo de plantillas utilizadas sobre los álabes.
Oyervide, 22
Tabla 11 Medidas fuera de tolerancia correspondientes a los espesores de los álabes de la ruedas Pelton. Fuente: Autor TOLERANCIAS DEL FABRICANTE MEDIDA
Tc
NOMINAL
T
109.1
s1
177.5
s2
25
25
b
I
Ba
660
38.4
250.8
MIN
107.8
107.8
174.2
174.2
25
25
25
25
660
36.9
250
MAX
110.4
110.4
180.8
180.8
27.5
27.5
27.5
27.5
664
39.9
251.6
CANGILÓN
SUP
INF
SUP
INF
SUP
INF
SUP
INF
-----
-----
-----
MEDIDAS DE FABRICA 1
108.5
109.0
175.5
176.0
25.3
25.2
25.0
25.0
661.8
36.9
250.8
7
109.4
109.2
175.5
175.0
25.8
26.4
26.4
25.7
662.2
39.8
250.5
12
109.4
109.1
177.0
176.5
25.9
26.6
26.3
25.8
660.1
37.6
250.5
18
109.1
108.8
177.0
177.5
25.5
25.8
26.2
25.2
662.2
37.8
251.0
1
109
109
177
177
25.19
42
251
7
109.8
109.8
176
176
12
109
109
177
177
18
109
109
176
176
MEDIDAS A LA FECHA 26-10-2015 25.23
25.83
26.84
660
25.55
26.2
26.8
25.55
660
40
251
25.17
25.88
26.3
26.15
660
41.9
251
25.1
25.4
26.12
25.33
660
42
251
DENTRO DEL LIMITE
FUERA DEL LIMITE
Tabla 12 Medidas fuera de tolerancia correspondientes a las holguras de los álabes de la ruedas Pelton. Fuente: Autor TOLERANCIA DEL FABRICANTE LUGAR
ARISTA
PLANTILLA
C1
C4
C5
C6
CANGILÓN INTERNO C7
C8
C9
C10
C11
C12
C13
DORSO C14
C15
CANGILÓN
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
+1.3
0.9
1.0
0.6
1.3
1.0
0.9
0.8
1.3
0.8
0.6
1.3
1.0
1.3
0.9
1.3
1.2
MEDIDAS DE FABRICA 1 7 12 18
SUP INF SUP INF SUP INF SUP INF
0.6 0.6 0.6 1.3
0.8
0.6
0.6
0.6
1.2
0.6
1.2
0.6
0.5
1.3
1.1
0.9
0.6
1.0
0.9
0.6
0.9
0.8
0.6
0.6
0.8
0.6
0.8
0.8
0.9
0.8
0.6
1.0
0.4
0.6
0.8
0.8
0.6
0.9
0.9
0.6
0.4
0.4
0.4
0.8
0.8
0.9
0.6
0.9
0.4
0.8
0.8
0.6
0.8
0.6
0.8
0.8
0.8
0.4
0.4
0.6
0.4
0.6
1.0
0.6
0.6
0.8
0.6
0.4
0.6
0.6
0.9
0.9
0.4
0.8
1.0
0.8
0.6 1.2 0.6 1.3
MEDIDAS A LA FECHA 26-10-2015 1 7 12 18
SUP INF SUP INF SUP INF SUP INF
3 2.05 2.4 2.45
DENTRO DEL LIMITE
1.5
0.6
0.8
0.6
1.3
1.3
1.1
1
0.6
1.1
0.7
0.4
0.9
0.6
0.8
1.15
0.4
0.6
0.9
0.8
0.6
0.5
0.5
0.9
0.8
0.9
0.8
0.6
0.8
0.7
0.5
0.6
0.5
0.7
1
0.6
0.6
0.7
1
1
0.6
1.49
0.6
0.6
1
0.8
0.85
0.9
1
1.05
0.6
1
1
0.6
1
0.7
1
0.6
0.9
1
0.6
0.8
1
0.8
0.9
1.2
1
0.7
0.6 1.4 0.7 1.25
0.9
1.1
0.8
1.35
1.1
1
0.9
1.4
0.9
0.7
1.35
1.1
1.4
0.9
1.4
1.3
FUERA DEL LIMITE
Oyervide, 23
3.1.4.VIDA UTIL DE LAS RUEDAS PELTON
En la se proporcionan los ciclos de carga de las ruedas Pelton calculado según la Ecuación 1. En la Figura 16 se indican las ruedas Pelton que sobrepasaron el número de ciclos recomendado.
Tabla 13 Ciclos de las ruedas Pelton hasta la fecha noviembre-2015 Fuente: Autor
Horas de Unidad funcionamiento de la rueda Pelton U01 U02 U03 U04 U05 U06 U07 U08 U09 U10
196861 200193 200841 198855 79527 16286 149440 150012 155437 40214
# rpm chorros 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6
360 360 360 360 360 360 360 360 360 360
60 min
Ciclos
60 60 60 60 60 60 60 60 60 60
2.55 x 10 10 2.59 x 10 10 2.60 x 10 10 2.58 x 10 10 1.03 x 10 09 2.11 x 10 10 1.94 x 10 10 1.94 x 10 10 2.01 x 10 09 5.21 x 10
Figura 16 Ruedas Pelton que sobrepasaron los ciclos de carga Fuente: Autor
10
Oyervide, 24
3.2. METODO PARA LA EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN DE LA RUEDA PELTON
Posterior a la aplicación de los ensayos y metodologías indicados en los apartados anteriores de este capítulo, sus resultados serán evaluados en la Tabla 14, denominada matriz para evaluación de la condición de la rueda Pelton, la cual identifica las decisiones a tomar en función de la información expuesta en este documento.
Tabla 14 Matriz para evaluación de la condición de la rueda Pelton Fuente: Autor
END
PERFIL HIDRÁULICO
# DE CICLOS
X
X
X
X
X
X
X
X
< a clase 2
> a clase 2
ACCIONES A TOMAR Reparación en sitio de las áreas afectadas durante el periodo de mantenimiento programado Reparación en sitio de las áreas afectadas durante el periodo de mantenimiento programado y seguimiento de las horas de funcionamiento de la rueda Pelton. Reparación condicionada al tiempo de disponibilidad de la unidad de generación. En caso de requerir extensas reparaciones deberá programarse la parada de la unidad de generación. Cambio de rueda Pelton para análisis de estructura de material, de los resultados definitivos evaluar la factibilidad de su reparación. Reparación condicionada al tiempo de disponibilidad de la unidad de generación. En caso de requerir extensas reparaciones deberá programarse la parada de la unidad de generación. Reparación condicionada al tiempo de disponibilidad de la unidad de generación. En caso de requerir extensas reparaciones deberá programarse la parada de la unidad de generación y seguimiento de las horas de funcionamiento de la rueda Pelton. Cambio de rueda Pelton para recuperación del perfil hidráulico con procesos de soldadura y soldadores calificados. Cambio de rueda Pelton para análisis de estructura de material, de los resultados definitivos evaluar la factibilidad de su reparación
Leyenda
*
Condición acorde a los niveles de aceptación, se toma el nivel 2 como referencia de acuerdo a la norma CCH 70-3 y al informe de recepción del fabricante de la rueda Pelton X Incumplimiento de las tolerancias o limites Cumplimiento de las tolerancias o limites
Oyervide, 25
4. DISCUSIÓN
Las ruedas Pelton de las unidades de generación U06 y U10 son las que menor discontinuidad tienen en su perfil hidráulico y esto se puede deber a que son las ruedas con menor ciclo de carga como se muestra en la Figura 16. Sin embargo, la rueda de la unidad U06 al evaluar su perfil hidráulico ya presenta desgaste que requiere reparación, pues ya superó las tolerancias definidas por el fabricante, esto se puede evidenciar en las 4 mediciones de la arista I y C1 indicadas en la Tabla 11 y Tabla 12. Este prematuro desgaste se debe a que el agua que llega a su rueda Pelton de U06, es transportada a través de un túnel de carga sin revestimiento provocando que los desprendimientos de rocas ataquen directamente al perfil hidráulico de la rueda Pelton. Sería recomendable efectuar un análisis de las posibles soluciones técnicas para minimizar la llegada de material solido a las ruedas como podría ser el revestimiento del túnel de carga o la estabilización de las zonas afectadas. Los métodos de tintas penetrantes y partículas magnéticas utilizados permiten evaluar la condición de las ruedas Pelton siempre y cuando los ensayos se efectúen por técnicos certificados de forma sistemática y siguiendo la normativa relacionada que se encuentra definida en CCH 70-3.
Basándose en los resultados que presenta la Figura 14, la ruedas Pelton de las unidades de generación U03 y U09 deberían cambiarse ya que la mayoría de los resultados de los ensayos no destructivos indican que varias zonas no cumplen con la normativa CCH 70-3 y los resultados que se presentan en la Figura 16 referente a los ciclos de carga superan lo recomendado por el fabricante, además no se puede contrastar el desgaste del perfil hidráulico con el original de fábrica por no disponerse de las plantillas, en cambio la U05 debe entrar en una etapa de reparación para prolongar su vida útil ya que los resultados de ensayos no destructivos indican que no cumplen con la normativa CCH 70-3.
El éxito en la aplicación de esta metodología para la toma de decisiones está muy ligada a la fiabilidad de los datos y mediciones en los cuales se basan los ensayos, y para esto resulta necesario que en la gestión de mantenimiento de la institución, se establezca un plan específico para el monitoreo de condición de las ruedas Pelton, capacitando a sus técnicos en el control del perfil hidráulico y contando con el equipamiento necesario para realizar las mediciones según la periodicidad que se determine apropiada.
El método planteado evalúa la condición de la rueda Pelton sin considerar periodicidades para la ejecución de los ensayos, pues mide puntualmente el estado de la rueda Pelton, la frecuencia de los ensayos debe estar sujeta al plan de mantenimiento, pues las mediciones se hacen con la unidad detenida. Los ciclos de carga resultaran en un criterio adicional pues
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una vez sobrepasado el límite máximo permitido, debería cambiarse la frecuencia de los controles ya que el riesgo de falla se incrementa. El alcance se ha cumplido presentando un método para la evaluación de la condición de las ruedas Pelton en funcionamiento en la CHPM, sin embargo se requiere que este estudio se complemente con el análisis de los métodos necesarios para la reparación de superficies y recuperación del perfil hidráulico, así como para la evaluación estructural y de fatiga del material de las ruedas que deberán ser extraídas conforme los criterios del método propuesto.
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5. CONCLUSIONES
Esta investigación sirvió para establecer criterios importantes que no se manejan actualmente para el cambio de una rueda Pelton en las unidades de generación de la CHPM.
Los resultados obtenidos en esta investigación serán soporte para proceder a presentar un plan de mantenimiento basado en la condición para el cambio de las ruedas Pelton que ya culminaron su ciclo de vida y que no cumplen con la norma CCH 70-3, el cambio de las ruedas Pelton se ejecutara para la U03 y U09.
La metodología de esta investigación ayuda a minimizar el riesgo ya que aplicándola se puede contar con resultados oportunos, antes de que exista un fallo catastrófico como sería el desprendimiento de uno de sus álabes.
De los resultados que se presentan en la Figura 16 la institución debe tener repuestos para planificar el cambio de ruedas Pelton en un corto plazo ya que el número de ciclos que presentan las unidades de generación U03-U02-U04-U01-U09-U08 y U07 por sus horas de funcionamiento superan los ciclos recomendados por los diferentes fabricantes de ruedas Pelton (Voith-Andritz). Ante este escenario se debe completar los ensayos no destructivos a las ruedas que no fueron inspeccionadas para completar el análisis y tomar las decisiones del cambio de las ruedas.
Actualmente la CHPM es la más grande de nuestro país y por tal es necesario hacer la inversión en las ruedas Pelton y equipamientos para un control de perfil hidráulico y evitar paradas inesperadas que provoquen indisponibilidad de energía para el país. Es necesario garantizar que este activo maximice la disponibilidad y confiabilidad que la planta y el país lo exige.
La empresa ENDE CIA.LTDA., a través de sus especialistas nivel III, calificados según la SNT-TC-1A publicado por la AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING afirma que los resultados de los ensayos de tintas penetrantes y partículas magnéticas aplicados en las ruedas Pelton son fiables para defectos que están en la superficie, pues son similares en ambos casos a pesar de que son ensayos que tienen aplicaciones diferentes.
No es posible dar seguimiento al perfil hidráulico si no se cuenta con las plantillas del fabricante, ante esto la institución debe considerar como obligatorio el suministro de las plantillas en cada proceso de adquisición de ruedas Pelton. Adicionalmente estas plantillas deben ser manipuladas ya que requieren cuidados especiales, pues resultan ser el patrón
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para la medición de las holguras. Al no contar con las plantillas del fabricante es necesario que la CHPM elabore plantillas para el control del perfil hidráulico; además se incrementen las inspecciones con ensayos no destructivos. Las cinco unidades que debieron ser consideradas en las muestras que por motivos presupuestarios quedaron exentas deben ser evaluadas conforme a lo recomendado en la metodología al igual que los álabes, ya que por el tiempo de indisponibilidad de máquina solo pudieron controlarse 4. Los resultados de medición del desgaste del perfil hidráulico en los 4 álabes muestran que el desgaste es evidente en I y C1, por lo tanto debe completarse estas mediciones. De aplicarse la metodología, comenzará a generarse una base de datos con la información de los resultados de medición del perfil hidráulico de los diferentes álabes de cada una de las ruedas pelton, permitiendo desarrollar modelos estadísticos que proyectarán el comportamiento del desgate y una posible falla. Esto es posible aplicando la distribución de datos que mejor describa el perfil hidráulico en simulaciones como Montecarlo u otras.
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6. BIBLIOGRAFÍA
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7. ANEXOS Anexo 1. Corte lateral de casa de máquinas de la CHPM
Fuente: Archivo Técnico de la CHPM (Campamento Guarumales)
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Anexo 2. Resultados de las rueda Pelton U06-U10-U05-U09-U03 identificando la clase a la 6 que pertenecen ALABES
II
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ALABES
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DISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U06 I
DISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U10
En las tablas del Anexo 2 la letra “S” representa que esta sobre las 5 clases definidas por la norma CCH 70-3
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ALABES
DISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U05 I
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DISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U09
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Fuente: Informe de ensayos no destructivos proporcionado por la empresa ENDE.
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Anexo 3 Gráfico de referencia para utilización de plantillas
Fuente: Archivo Técnico de la CHPM (Campamento Guarumales).