Vibración
en Turbinas de Vapor
La vibración en
una turbina de vapor no es una avería en sí misma, sino un síntoma de un
problema que existe en la máquina 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 ésta antes de que
lleguen a producirse graves daños.
Figura 0: Interior de una turbina SKODA de 3,5 MW.
Se ha sacado el rotor completo para comprobar su estado. Pueden apreciarse las
diferentes filas de álabes
La vibración tiene muy diversas causas, por lo que cuando se presenta es hace
necesario estudiar cuál de ellas está provocando el fenómeno, para, por
supuesto, corregirlo.
La vibración se hace especialmente evidente durante el proceso de arranque, ya
que durante este periodo se atraviesan una o varias velocidades críticas de la
turbina, velocidades en las que la vibración, por resonancia molecular, se ve
notablemente amplificada. Es un error muy habitual no estudiar y corregir el
problema que está provocando ese anormalmente alto nivel de vibraciones y
limitarse a tomar alguna medida puntual que facilite el arranque; los daños que
pueden producirse pueden llegar a ser muy altos. Normalmente, detrás de una
avería grave de turbina suele estar una negligencia grave de operación y/o
mantenimiento.
Las once 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
estemos considerando como una vibración sea en realidad una falsa señal, que
tenga como origen el mal funcionamiento del sensor encargado de detectarlo.
Cuando se produce un disparo por altas vibraciones es conveniente estudiar
detenidamente la gráfica de vibraciones del sensor que ha provocado el disparo
del periodo anterior a éste (quizás 2-4 horas antes). Una indicación del mal
estado de un sensor suele ser que el aumento de vibración no se produce de
forma gradual, sino que en la gráfica se refleja un aumento momentáneo muy alto
de la vibración. Mecánicamente es muy difícil que este fenómeno se produzca (el
aumento instantáneo del nivel de vibración), por lo que si esto se observa,
probablemente sea debido a una señal espúrea provocada por el mal estado del
sensor o por la influencia de un elemento externo que está provocando una
alteración en la medición.
- Desalineación entre turbina y caja de
engranajes des multiplicadora (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. Es importante respetar las tolerancias
indicadas por los fabricantes, tanto horizontales como verticales, con el
reductor. También hay que tener en cuenta que la alineación en caliente y en
frío puede variar. Por ello, es necesario realizar una alineación inicial en
frío, preferentemente con un alineador láser (por su precisión), y realizar
después una alineación en caliente para ver la variación. Si en esta segunda es
necesario corregir algo, es conveniente anotar la desalineación que es
necesario dejar en frío (en el eje horizontal y/o en el eje vertical) por si en
el futuro hay que realizar un desmontaje y es necesario repetir estas
alineaciones
Figura 1. Técnico comprobando la alineación
entre turbina y reductor, con un alineador láser SKF
- Mal estado del acoplamiento elástico entre turbina
y des multiplicador. Es conveniente realizar una inspección
visual periódica del acoplamiento (al menos una vez al año) y vigilar sobre
todo la evolución de las vibraciones
- Mal estado del acoplamiento des
multiplicador-alternador. Este es un caso típico de vibración
inducida por un equipo externo a la turbina pero unido a ésta. La vibración no
es realmente de la turbina, sino que proviene de una causa externa. Igual que
en el caso anterior, es conveniente realizar inspecciones visuales periódicas del
acoplamiento y vigilar la evolución del nivel de vibración.
- Vibración del alternador o del des
multiplicador, que se transmite a la turbina. Es otro caso de
vibración detectada en la turbina pero proveniente de un equipo externo a ésta.
La vibración en el alternador o en des multiplicador se verá más adelante
- 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
referencia a los primeros, la obstrucción de los conductos por los que circula
el aceite, el mal estado de los filtros y una avería en las bombas de
lubricación (recordemos que una turbina suele llevar varias: una bomba mecánica
cuya fuerza motriz la proporciona el propio eje de la turbina; una bomba de pre
lubricación, eléctrica, para arranques; y una bomba de emergencia, que se pone
en marcha ante un fallo eléctrico). Al ser la cantidad de aceite insuficiente,
la posición del eje y el cojinete varían de forma cíclica, dando lugar a la
vibración. En casos más graves, el eje y el cojinete se tocan sin película
lubricante, que provoca una degradación del eje de forma bastante rápida.
- 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. De ellas, es la presencia de agua la más habitual, por lo que el
análisis periódico del aceite, el purgado de agua y la reparación de la causa
que hace que el agua entre en el circuito de lubricación son las mejores
medidas preventivas.
- 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. Estos cojinetes están
recubiertos de una capa de material antifricción, que es la que se pierde. Por
esta razón, es necesario medir periódicamente las holguras entre eje y
cojinetes, y el desplazamiento del eje, para comprobar que los cojinetes aún
están en condiciones de permitir un funcionamiento correcto de la turbina.
Estas tolerancias están indicadas siempre en el libro de operación y
mantenimiento que el fabricante entrega, y es necesario respetar los intervalos
de medida de estas holguras y el cambio si esta comprobación revela la
existencia de un problema. El adecuado mantenimiento del sistema de lubricación
contribuye de una manera innegable a alargar la vida de estos cojinetes, y de
la misma forma, un mantenimiento incorrecto del aceite, sus presiones y sus
caudales provocan una degradación acelerada de éstos.
Figura 2: Cojinete radial o
de apoyo en mal estado, con marcas de roce metal-metal
entre el eje y el cojinete
- 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. Si uno y otro rozan
en algún momento, es posible que este último presente arañazos o marcas que
provocarán vibraciones y pueden dañar el nuevo cojinete. En caso de detectarse
daños en el eje, es necesario repararlos, con un lijado, un rectificado in-situ
o en taller, aporte de material, etc. La mejor forma de prevenir este daño es
análisis periódico de la calidad del aceite, su sustitución en caso necesario,
el adecuado mantenimiento del sistema de lubricación, y la sustitución del
cojinete cuando se detecta que la holgura supera los límites indicados por el
fabricante o cuando una inspección visual de éste así lo aconseja.
Figura 3. En la figura puede apreciarse el eje
de una turbina apoyando sobre el cojinete radial o de apoyo. El eje presentaba
marcas. Aunque se cambie el cojinete, mientras el eje esté dañado y presente
marcas provocará turbulencias en el aceite y hará que la capa de lubricante no
sea continua y homogénea. Esto provocará vibraciones. En la figura se aprecia
muy bien el cojinete de apoyo o radial, y en la parte inferior, el comienzo del
cojinete axial o de empuje
- 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. El tratamiento químico del agua de caldera es tan importante
como el control del aceite de lubricación: sin estos dos puntos perfectamente
resueltos es imposible mantener adecuadamente una instalación de cogeneración
equipada con una turbina de vapor. El primer problema que se manifestará por un
tratamiento químico inadecuado será la presencia de partículas extrañas
depositadas en los álabes de la turbina. Como esta deposición no se hará nunca
por igual en todos los elementos rotativos, el rotor presentará un
desequilibrio que se traducirá en alto nivel de vibraciones. Las incrustaciones
en los álabes de la turbina pueden estar provocadas por niveles inadecuados de
carbonatos, sílice, hierro, sodio u otros metales. Para eliminarlas, será
necesaria una limpieza de los álabes, que en ocasiones severas puede significar
un chorreado de éste. Posteriormente a la limpieza, será necesario realizar un
equilibrado dinámico de la turbina.
- Desequilibrio en el rotor por rotura de un
álabe. No es frecuente, pero 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. Para evitarlo, se colocan unos filtros que
retienen objetos de cierto tamaño que puedan estar en circulación por las
tuberías de vapor. Si este filtro está dañado o se ha retirado, partículas
grandes podrían dañar los álabes. La reparación significa sustituir los álabes
dañados, realizar una limpieza interior de la turbina y equilibrar. Se trata de
una avería cara. Para evitarla, hay que asegurarse de que no puede desprenderse
ningún elemento que pueda estar en circulación por las tuberías de vapor y que
el filtro de vapor se encuentra en condiciones de realizar perfectamente su
función. Es conveniente realizar inspecciones visuales con la un boroscopio o
endoscopio, para poder observar el estado de la superficie de los álabes sin
necesidad de desmontar la carcasa de la turbina. (Ver apartado dedicado al
mantenimiento predictivo)
En otras ocasiones el daño en álabes puede estar provocado por roce entre éstos
y partes fijas de la turbina. En estos casos el origen del fallo pudo ser el
mal estado de cojinetes de apoyo o de empuje que hicieron que la posición del
eje rotor estuviera fuera de su especificación. El síntoma que revela que está
habiendo un problema es un alto nivel de vibración. Si se detecta un nivel de
vibración elevado y aún así se mantiene la turbina en marcha, se está dejando
la puerta abierta a que se produzca este grave fallo.
Figura 3. Las marcas de rozaduras entre partes
fijas y partes móviles de la turbina pueden apreciarse en esta figura. Pueden
apreciarse los arañazos en el 'shroud' o aro que protege la parte más exterior
de los álabes. Esos arañazos y esas rozaduras eran las responsables de las
vibraciones que se apreciaban en esta turbina de 3,5 MW, marca SKODA, instalada
en una planta de producción de energía eléctrica con biomasa
- 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. Es incluso conveniente numerar los tornillos y arandelas que se
desmontan para montarlos exactamente igual. Si es el eje el que está dañado,
hay que reparar el daño aportando material, rectificando, limpiando, lijando,
etc. Es conveniente tener un espectro de vibraciones desde la puesta en
servicio del equipo. Este primer espectro será de gran utilidad, y siempre será
una referencia para saber si hay problema inicial o sobrevenido.
- 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. Si es así, la solución más adecuada es
mantener la turbina girando sin carga y a una velocidad inferior a la nominal
durante varias horas. Transcurrido ese tiempo, si ésta es la causa del problema,
la vibración habrá desaparecido y volverá a valores normales.
- 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. La solución suele ser cambiar
el eje del rotor, aunque en algunos casos es posible la reparación en empresas
especializadas en este tipo de trabajos en metales especiales, mediante
saneamiento, aportación de material, rectificado y tratamiento de alivio de
tensiones. Será necesario volver a realizar un equilibrado del eje. Como medida
preventiva para evitar corrosiones que convierten un defecto superficial en una
grieta o fisura, está el control químico del vapor a turbina.
- Corrosión o incrustaciones en el eje, álabes,
etc. Si el acondicionamiento del vapor no ha sido el adecuado,
pueden producirse corrosiones en los álabes o deposiciones de materiales extraños
a la turbina en éstos. Estas incrustaciones y corrosiones desequilibran la
turbina al modificar el reparto de pesos a lo largo del eje de rotación. Cuando
esto se produce la solución es la limpieza del conjunto rotor por chorreado o
por limpieza mecánica. Habitualmente hay que extraer el rotor y realizar esta
limpieza fuera de la turbina. En caso de incrustación, es conveniente tomar
muestras de los materiales depositados y analizarlos, para conocer el origen de
las partículas extrañas y tomar las medidas correctoras oportunas. Una vez
limpiado el eje, será necesario equilibrarlo de nuevo. La mejor medida
preventiva es realizar un cuidadoso control químico en el agua de aportación,
en el desgasificador, en los condensados, en el agua del calderín y en el
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. Si esto se produce es necesario detectarlo y
corregirlo cuando antes, pues provocará una erosión en los álabes de la
turbina, y se dañarán. El análisis de vibración y las inspecciones boroscópicas
ayudarán en la tarea de detección temprana del problema. La solución consiste
inevitablemente en corregir el problema que esté causando la presencia de agua
en el vapor.
- 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. Si la vibración
está presente desde la puesta en marcha y se han descartado otras causas, es
muy probable que el problema esté relacionado con el diseño o con la ejecución
de la bancada. La solución, en este caso, será revisar el diseño de la bancada,
y si es éste es correcto, volver a ejecutarla.
- 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. Este fallo es mucho más habitual de lo que pueda
parecer. Algunos autores denominan a este fallo ‘pedestal cojo’, y el análisis
de vibración revela este fallo con relativa facilidad. Cuando este problema
ocurre, se observa que aflojando uno de los tornillos de sujeción (el que causa
el problema) el nivel de vibraciones extrañamente disminuye.
- 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. Estas fuerzas pueden provocar vibraciones, entre otras
cosas. La tubería de entrada de vapor en turbinas pequeñas suele ser flexible,
y la salida suele ir equipada con un compensador que une la carcasa de la
turbina a la tubería de salida. Para comprobar si existe algún problema en este
sentido, es conveniente soltar las tuberías de entrada y salida y comprobar cuál
es su posición natural sin estar unidas a la turbina.
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