Aplicación práctica / Practical Issues
Recibido: 30-09-2018, Aprobado tras revisión: 16-01-2019
Forma sugerida de citación: Toapanta, M. (2019). “Plan de control y aseguramiento de la calidad para la recuperación de un
rodete de turbina Francis de una central hidroeléctrica”. Revista Técnica “energía”. No. 15, Issue II, Pp. 57-65.
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2019 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Quality control and assurance plan for the recovery of a Francis turbine
runner from a hydroelectric power plant
Plan de control y aseguramiento de la calidad para la recuperación de un
rodete de turbina Francis de una central hidroeléctrica
M. Toapanta
1
1
Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP, Unidad de Negocio Hidroagoyán, Centro de Investigación y
Recuperación de Turbinas Hidráulicas y Partes Industriales, CIRT, Baños de Agua Santa, Ecuador
E-mail: marcelo.toapanta@celec.gob.ec
Abstract
The purpose of this paper is to establish the
procedure for the inspection and execution of tests to
control and assurance of quality, during the recovery
process of the Francis runners, which are elements
used as a fundamental part in hydraulic turbines for
the generation of electric power. The recovery is
based on executing the dimensional control over
runner geometry, the material characterization, the
metallographic analysis and non-destructive tests
(NDT) on welds based on the guidelines of the
specification for hydraulic machines CCH 70-4; to
determine the zones of wear affected by phenomena
such as: cavitation, corrosion and erosion; as well as
areas damaged by failure mechanisms as a result of
efforts to design, loads and operating factors of the
machines. In addition, this creates a reference in
terms of technical and technological capabilities in
the country, which is projected at the regional level
to provide services and specialized engineering
solutions, achieving to break the dependence of big
foreign companies, creating an added value with the
transfer of knowledge; obtaining in this way a
substantial saving in costs and time in the process of
runner’s recovery.
Index terms Hydraulic turbines, Francis runner,
ITP Inspection and testing plan, Non-destructive
tests NDT, Failure analysis, Metallography,
Characterization of materials.
Resumen
El propósito del presente trabajo es establecer el
procedimiento para el plan de inspección y ejecución
de pruebas, para el control y el aseguramiento de la
calidad, durante el proceso de recuperación de los
rodetes de las turbinas Francis, que son elementos
empleados como parte fundamental en las turbinas
hidráulicas para la generación de energía eléctrica.
El procedimiento de recuperación se basa en
ejecutar el control dimensional sobre la geometría
del rodete, la caracterización del material, el análisis
metalográfico y los ensayos no destructivos END
sobre los cordones de soldadura en base a las
directrices de la especificación para máquinas
hidráulicas CCH 70-4; para determinar las zonas de
desgaste, afectadas por los fenómenos de cavitación,
corrosión y erosión; así como las áreas dañadas por
los mecanismos de falla como consecuencia de
esfuerzos inherentes a factores de diseño, cargas y
funcionamiento de las máquinas. Además, con esto
se crea una referencia en cuanto a las capacidades
técnicas y tecnológicas en el país, que se proyecta a
nivel de la región para brindar servicios y soluciones
de ingeniería especializados, logrando romper la
dependencia de las grandes empresas extranjeras,
creando un valor agregado con la transferencia del
conocimiento; obteniendo de esta manera un ahorro
sustancial en costos y tiempo en el proceso de
recuperación de un rodete.
Palabras clave
Turbinas hidráulicas, rodete
Francis, Plan de inspección y pruebas ITP, Ensayos
no destructivos END, Análisis de fallas,
Metalografía, Caracterización de materiales.
57
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue II, Enero 2019
1. INTRODUCCIÓN
La Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP,
creó el Centro de Investigación y Recuperación de
Turbina Hidráulicas y Partes Industriales CIRT, con la
finalidad de brindar servicios especializados de
ingeniería a la creciente demanda del sector eléctrico del
país, a las actuales y futuras centrales de generación
eléctricas, en base a las políticas gubernamentales que
fomentan la soberanía, la eficiencia y el cambio de la
matriz energética, al desarrollo y uso de prácticas y
tecnologías ambientalmente limpias y sanas.
La creciente industria energética, en especial las
hidroeléctricas, hace prever que a mediano plazo, los
componentes de las turbinas hidráulicas deberán ser
sometidos a una reparación o recuperación de los
componentes desgastados o en cuya integridad existan
daños provocados por los mecanismos de fatiga o por
cumplir su ciclo de vida útil.
En la transición hacia el desarrollo, el CIRT se
encuentra ahondando esfuerzos para poder solventar la
problemática provocada por el desgaste de los
componentes, que es una condición inherente desde que
entran en funcionamiento, sumados el aparecimiento de
ciertos fenómenos como la cavitación, las picaduras
“pitting”, la corrosión, la erosión, entre otros, que
pueden llevar a una disminución del ciclo de los
componentes y que comprometen la integridad del
componente y de la máquina por el aparecimiento de
defectos como las fisuras que son provocadas
principalmente por la fatiga del material.
Las nuevas tecnologías en la construcción de rodetes
combinan la fundición de partes con componentes
fabricados que posteriormente son soldados entre sí.
Además, ciertas áreas de los rodetes son recubiertos con
materiales cerámicos como el carburo de tungsteno para
proporcionarles una mayor resistencia al desgaste. Entre
los materiales utilizados para el diseño y fabricación de
rodetes, álabes directrices y más componentes de las
turbinas se tiene el ASTM A743 gr. CA6NM [1], que es
un acero inoxidable martensítico 13-4, que proporciona
una buena soldabilidad, una buena resistencia a la
cavitación y una resistencia mecánica alta.
Al utilizar un material de aporte martensítico para
soldar sobre este material, se requiere una elevada
temperatura de precalentamiento y un tratamiento
térmico post-soldadura para evitar el agrietamiento
debido a la generación de tensiones. Para realizar
reparaciones en campo con material de soldadura
austenítica son factibles, con un mínimo de
precalentamiento y sin tratamiento térmico post-
soldadura; sin embargo, el material depositado no tiene
la misma resistencia mecánica que el CA6NM [2].
Para determinar la fiabilidad y factibilidad de un
proyecto de reparación o recuperación de un elemento,
componente, parte o zona deteriorada, se basa en el
estricto cumplimiento de un plan de control y
aseguramiento de la calidad.
El área de Control de Calidad y Laboratorios del
CIRT, ha desarrollado procedimientos que intervienen
en todas las etapas de los proyectos de recuperación; la
etapa inicial comprende la inspección mediante END
como: macroataque, inspección visual VT, líquidos
penetrantes PT, partículas magnéticas MT, ultrasonido
convencional y con arreglo de fases UTPA, con lo que
se logra identificar e interpretar las indicaciones
relevantes para ser evaluadas si cumplen con los
criterios de aceptación de normas y/o especificaciones
técnicas, lo que conlleva a una definición preliminar de
factibilidad del proyecto; etapas intermedias en donde
se realiza la caracterización del material, mediante la
prueba de espectrometría para determinar la
composición química del material y el porcentaje de sus
aleantes, así como la medición de la dureza superficial y
la preparación metalográfica in-situ sobre la superficie
del componente para analizar la microestructura, que
revelará tratamientos mecánicos y térmicos, en esta
etapa también se hace un control del procedimiento de
soldadura WPS (Welding Procedure Specification),
desbaste y pulido grueso; y una etapa final donde se
hace un control dimensional y geométrico mediante
plantillas, una nueva inspección con END, para
continuar con el tratamiento térmico post-soldadura para
el alivio de tensiones residuales y finalmente realizar un
control del acabado superficial (rugosidad).
2. ESTADO DEL ARTE
2.1. La Cavitación
Entre los principales problemas encontrados en los
rodetes de las turbinas de reacción de las hidroeléctricas
operan fuera del punto de eficiencia se encuentra el
desgaste por cavitación (burbujas de vapor), que es un
fenómeno físico no deseado, que provoca vibraciones,
disminución de la eficiencia y rendimiento,
inestabilidad operativa, producción de ruido y daños a la
superficie del material de los componentes de las
turbinas, especialmente en el lado de succión de los
álabes del rodete, después de pocos años de operación.
Figura 1: Daños provocados por cavitación – picaduras “pitting”
– erosión, en la superficie de los laberintos de un rodete Francis.
58
Toapanta M./ Plan de control de calidad para la recuperación de un rodete de una turbina Francis de una central hidroeléctrica
La cavitación es la formación y posterior colapso
repentino (implosión) de burbujas de vapor (cavidades)
en el seno de un líquido. Este fenómeno ocurre cuando
la presión estática local en un fluido alcanza la presión
de vapor del líquido a la temperatura local. En la zona
de alta velocidad de una turbina, la presión puede bajar
a un valor muy bajo formando pequeñas burbujas de
vapor, que luego colapsan generándose la cavitación
que conduce a picaduras de erosión en la superficie,
como se puede apreciar en la Fig. 1.
Existen estudios [3], [4], [5] que dan cuenta que
existen cuatro tipos de cavitaciones que pueden ocurrir
en los rodetes de las turbinas Francis como son: 1) la
cavitación en el borde de ataque por la separación del
flujo en el lado de succión o de presión debido al ángulo
de incidencia del flujo entrante; 2) la cavitación debido
al desplazamiento de las burbujas que se generan en el
lado de succión del rodete e implosionan cerca del
borde de salida en condiciones de sobrecarga; 3) la
cavitación debido a la formación de un remolino en el
tubo de aspiración que se produce justo debajo del cono
del rodete en el centro del tubo de aspiración, que puede
no afectar a los álabes pero que causan fluctuaciones de
presión provocando ruido y vibraciones; y 4) la
cavitación de vórtice entre álabes que ocurre en
condiciones de carga parcial debido a la separación del
flujo en el borde de ataque que puede llegar al centro de
los álabes y causar la erosión.
Algunos modelos [6], métodos y experimentos han
sido desarrollados por varios autores para predecir y
estimar los diferentes tipos de cavitación en los rodetes
de una turbina Francis; induciendo altas frecuencias de
vibración y emisiones acústicas [7]; usando el análisis
de señales ultrasónicas en lugar de pulsos de alta
frecuencia y la aplicación de máquinas de aprendizaje
para la detección de la cavitación [8]; instalando punto
de acceso visual a escala completa en el tubo de
aspiración para observar el fenómeno de cavitación [9];
la inyección de aire sobre los álabes del rodete
trabajando a cargas parciales, lo que reduce
efectivamente las vibraciones [10].
2.2. Análisis Numérico de los Efectos de la
Cavitación sobre el Rodete la Turbina Francis.
Para los diseñadores de turbinas es crítico identificar
las regiones en las que se producen la cavitación para
lograr un diseño óptimo del rodete bajo condiciones
cambiantes y personalizadas. Un diseño eficiente
consiste en considerar múltiples escenarios, el uso de
softwares especializados para simulaciones es una
alternativa para abordar estas necesidades de analizar
condiciones de carga, efectos de eficiencia y cavitación.
Una de las formas de analizar los daños superficiales
que causa la cavitación es realizando la simulación
numérica de un modelo utilizando un software de
análisis de dinámica de fluido CFD (Computational
Fluid Dynamics) para analizar los efectos de la
variación de la velocidad del fluido, carga y presión
sobre las partes del rodete. Para que el modelo sea
considerado válido, los resultados numéricos deben ser
comparados con mediciones experimentales [11], [12],
[13].
En la Fig. 2, se hace un análisis numérico de las
presiones que actúan sobre el álabe del rodete y la
evolución de la velocidad del flujo aguas abajo.
Figura 2: Distribución de la presión en el álabe del rodete y
evolución de la velocidad del flujo aguas abajo.
3. METODOLOGÍA
3.1. Inspección de Daños y Desgaste en el Rodete
Un buen plan de reparación de los daños y desgaste
ocasionados por picaduras de cavitación sobre los
componentes de las turbinas, deben ser considerados en
los mantenimientos programados de las centrales
hidroeléctricas. Si estos daños se dejan de reparar o son
reparados inapropiadamente, éstos se extenderán muy
rápidamente, disminuyendo el rendimiento, la eficiencia
y vida útil de la unidad. Cuando los daños por picaduras
se aproximan al 20% del espesor de los álabes o ½” de
profundidad, cualquiera que sea menor, entonces se
deben tomar medidas correctivas de inmediato.
La aplicación de un correcto plan de mantenimiento
puede efectivamente minimizar los problemas futuros,
pero si se excede en la reparaciones puede conducir a un
degrado y disminución de las propiedades físicas,
químicas y mecánicas de los materiales. Una aplicación
de soldadura sin control sobre los álabes del rodete
puede conducir a la distorsión del perfil hidráulico
acelerando los daños por cavitación; además del
aparecimiento de esfuerzos residuales en el rodete cuyo
resultado será el aparecimiento de fisuras.
Las reparaciones en sitio deben ser realizadas de una
manera lógica y metódica, cumpliendo algunos pasos:
1) Limpieza e inspección para reportar la integridad de
componente; 2) Identificar las posibles causas de las
59
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue II, Enero 2019
zonas afectadas por las picaduras; 3) Planificar un
adecuado procedimiento para la reparación; 4) Realizar
una reparación eficiente respetando estrictamente el
procedimientos de soldadura e inspección con ensayos
no destructivos. Durante la reparación debe considerar
dos opciones; una es restaurar al componente al perfil
original, y otra, modificar el perfil para eliminar o
reducir las causas de los daños. En la Tabla 1, se
presenta un resumen de los diversos métodos para
reparar las áreas afectadas en una turbina Francis como:
rellenar el área dañada con material de soldadura;
rellenar el área dañada con materiales no fusionados
(por ejemplo: sistemas poliméricos); soldadura de
placas o refuerzos en las áreas afectadas; o mediante la
sustitución de las secciones con material nuevo.
Tabla 1: Métodos de reparación por picaduras de cavitación
Reparación
con
soldadura
Material
no
fusionado
Soldadura
de placas,
refuerzos
Reemplazo
secciones
dañadas
- Álabes
del rodete
x
x
- Corona
x
x
x
- Banda
x
- Álabes
directrices
x
x
- Anillo de
descarga
x
x
x
- Tubo de
succión
x
x
x
Excesivas intervenciones con procesos de soldadura e
incluso una vez que se ha cumplido el ciclo de vida útil
indicada por el fabricante, los rodetes deber ser retirados
de las turbinas y sometidos a una recuperación integral.
En la Fig. 3, se muestra un rodete, en donde las
excesivas reparaciones de las fisuras de los álabes
ocasionó la fatiga del material (alteración de la
microestructura). La operación del rodete fuera del
punto de diseño ocasionó una degradación excesiva de
la superficie, en la misma figura se puede apreciar el
desgaste por picaduras ocasionadas por la cavitación.
Este es un caso práctico en donde el rodete ha sido
desmontado de la turbina de la Central Hidroeléctrica
San Francisco y sometido a labores de recuperación en
el Centro de Investigación y Recuperación de Turbinas
Hidráulicas y Partes Industriales CIRT.
Figura 3: Rodete Francis, con fisura en los álabes en el lado de
salida y picaduras por cavitación – erosión en la banda.
3.2. Ingeniería Inversa para el Análisis Numérico
Para efectos de obtener información en forma
precisa y eficiente del desgaste, daños superficiales,
desviaciones en la geometría y dimensiones de rodete,
se realiza ingeniería inversa digitalizando mediante un
escáner 3D (HandySCAN de Creaform) Fig. 4, para
obtener una nube de puntos, que posteriormente serán
convertidos en un sólido a través de un software CAD
poder realizar el estudio del diseño.
Figura 4: Ingeniería inversa, colocación de targets y escaneo sobre
un rodete de la turbina Francis.
La digitalización de los componentes de la turbina
utilizando el escáner 3D nos permite utilizar el diseño
asistido por computador para obtener el sólido de las
piezas, Fig. 5, que generalmente tienen diversas formas
y variada complejidad, lo que permitirá recrear el diseño
de la máquina hidráulica y realizar un análisis y
simulación numérica de su comportamiento en variadas
condiciones.
Figura 5: Ingeniería inversa, modelado en 3D (nube de puntos)
para procesarlo en CAD y ser utilizado en simulación numérica.
En la Fig. 6, se observa un modelo escaneado en 3D
de la turbina Francis ensamblado con sus componentes
principales, sobre lo que se puede realizar la simulación
numérica para calcular distintos parámetros, como
velocidad del flujo, cargas, presiones, movimiento de
partículas en cada componente, etc.
60
Toapanta M./ Plan de control de calidad para la recuperación de un rodete de una turbina Francis de una central hidroeléctrica
Figura 6: Ensamble de un modelo de turbina Francis
En la Fig. 7, se puede observar la simulación de la
trayectoria y la velocidad del flujo, desde el ingreso del
agua a la caja espiral simulado una cota (caída) de 213
metros y un caudal de 58 m
3
/s, pasa por la caja espiral a
través de la válvula esférica, luego continua por el pre-
distribuidor y álabes directrices, posteriormente el flujo
ingresa al rodete Francis, cuya velocidad de rotación
nominal es de 327 rpm para generar una potencia
nominal de 115 MW, y finalmente llega a la tubería de
succión, salida del agua. En la simulación numérica del
fluido, se observa que a la salida del rodete se presenta
una mayor velocidad de flujo del agua.
Figura 7: Simulación de la trayectoria del flujo en una turbina
hidráulica Francis.
El paso del agua a través de la turbina, genera áreas
que están sometidas a altas presiones, como se puede
apreciar en la Fig. 8, en donde se realiza un análisis
numérico estructural; estas áreas evidencian en donde se
producen grandes esfuerzos durante el funcionamiento a
plena carga y dan cuenta las zonas en donde se va a
producir el fenómeno de la cavitación, debido al cambio
de presiones.
La simulación numérica del fluido en el rodete
indica que en borde de ataque y en los bordes de la
corona y banda, existe una gran presión del fluido y que
es una de las zonas donde se produce las picaduras por
cavitación y erosión en forma real en un rodete de
turbina Francis, como se evidencia en la Fig. 9.
Figura 8: Localización de presiones en el rodete de la turbina
Francis al atravesar el fluido a carga nominal.
Figura 9: Zona de desgaste por picaduras de cavitación – erosión.
3.3. Limpieza y Ensayos No Destructivos
Una de las etapas para la recuperación es realizar
una limpieza exhaustiva y el control inicial del estado
del rodete con END, mediante una inspección visual,
tintas penetrantes PT Fig. 10, para encontrar
defectología superficial; y ultrasonido por arreglo de
fases UTPA Fig. 11, para defectos internos.
Figura 10: Ensayo de tintas penetrantes PT
Figura 11: Ensayo de ultrasonido con arreglo de fases UTPA.
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Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue II, Enero 2019
Los defectos encontrados son inspeccionados,
evaluados e interpretados mediante la especificación
técnica de máquinas hidráulicas CCH 70-4 por un
inspector nivel II o III calificado bajo la práctica
recomendada SNT-TC-1A de la ASNT.
En la primera etapa en la que se realiza la limpieza e
inspección con END, se determina la factibilidad de
reparación de rodete y la sustitución del material
fatigado de los 13 álabes, la sección cerca al borde de la
salida que presentaron fisuras y defectos fuera de los
criterios de aceptación en el lado de succión .
3.4. Caracterización del Material
Previo a iniciar con el proceso de soldadura para la
recuperación de los álabes del rodete, se realizar la
caracterización del material para determinar la
composición química, dureza superficial, propiedades
mecánicas, microestructura, etc.
En la Fig. 12, se muestra el análisis de la composición
química del material de los álabes, utilizando un
espectrómetro de emisión óptica, dando como resultado
los componentes del acero así como sus porcentajes.
Con la espectrometría se determinó que el material
pertenece a un acero inoxidable ASTM A743 gr.
CA6NM, indicado en la Tabla 2.
Figura 12: Espectrometría sobre la superficie de los álabes.
Tabla 2: Composición química de los álabes fatigados que
corresponden a un acero ASTM A743 gr. CA6NM
%C
%Mn
%Si
%P
%S
%Cr
%Ni
%Mo
0,05
0,76
0,43
0,02
0,01
12,48
3,80
0,43
Dentro de las pruebas de caracterización está la
medición de la dureza superficial, Fig.13. Según la
norma el acero ASTM A743 gr. CA6NM debe tener una
dureza máxima de 285 HB. Sin embargo, la dureza
medida estuvo en un rango de 295 a 325 HB, lo que da
cuenta la afectación del material debido a la falta de
tratamiento térmico y al uso de distintos materiales de
aporte en varias reparaciones con soldadura.
Figura 13: Medición de la dureza en los álabes fatigados.
La metalografía sobre la superficie de los álabes
fatigados permite observar su microestructura y
determinar la calidad del acero y la existencia de
procesos de soldadura o tratamiento térmicos anteriores.
En la Fig. 14, se observa la microestructura con la
matriz martensítica (agujas) del acero inoxidable ASTM
A743 gr. CA6NM.
Figura 14: Microestructura martensítica de los álabes del rodete.
3.5. Proceso de Recuperación por Soldadura de
Insertos Nuevos
Los controles previos a la recuperación definen el
área de corte de los álabes, siendo en este caso
aproximadamente 1/3 de su ancho. Con los datos de la
composición química, dureza y metalografía se definen
las características de las nuevas secciones “insertos” que
generalmente deben ser del mismo material.
Figura 15: Corte con plasma de las áreas afectadas de los álabes.
Definidas las secciones fatigadas, mediante una
plantilla se cortan con plasma los álabes de forma
62
Toapanta M./ Plan de control de calidad para la recuperación de un rodete de una turbina Francis de una central hidroeléctrica
alternada de modo que no se provoque deformaciones
geométricas; se deja una franja de 5 mm en el cono y la
banda para evitar la afectación de la microestructura
debido a la temperatura de corte, Fig.15.
Con anterioridad, los insertos que deben pasar por el
proceso de forja son fabricados en plantas de fundición
con similares características químicas, mecánicas y
geométricas de los álabes. Sobre los insertos nuevos, se
realiza un control de calidad con END, la
caracterización del material y el levantamiento
dimensional con el escaneo en 3D para contrastar la
geometría del perfil hidráulico con el anterior. En la Fig.
16, se aprecia el escaneo de los insertos nuevos, luego
de haber sido inspeccionados con END.
Figura 16: END y control dimensional de los insertos nuevos.
Los insertos son colocados en la misma posición de
las secciones retiradas, controlando mediante los planos
de fabricación el espaciamiento en puntos de control
entre la banda y el cono para no afectar el diseño
original, como se observa en la Fig. 17.
Figura 17: Posicionamiento y presentación de los insertos.
Figura 18: Proceso de soldadura de los insertos.
El proceso de soldadura de los insertos, Fig. 18, se
realiza mediante un procedimiento calificado de
soldadura WPS. El tipo de unión es una junta a tope con
bisel doble V, el cordón de la raíz se realiza mediante el
proceso SMAW con material de aporte E410NiMo-15,
para los pases de relleno se realiza con el proceso
GTAW con varillas ER410NiMo, finalmente la última
capa o sobre monta se recubre con electrodo revestido
E410NiMo-15.
El control de temperaturas en muy importante
durante el proceso de soldadura, un control óptimo
evitará el aparecimiento de fisuras. Se debe controlar la
temperatura de precalentamiento que debe estar entre
80°C a 120°C, la temperatura entre pases de los
cordones debe ser máximo entre 80°C a 120°C como se
muestra en la Fig. 19.
Figura 19: Control de temperaturas durante la soldadura.
Durante el proceso de soldadura se debe realizar
controles intermedios con END para evitar dejar
defectos en los cordones de soldadura, como se observa
en la Fig. 20. Cuando se termine todos los pases de los
cordones de soldadura, la inspección con ultrasonido
asegurará la ausencia de defectos internos.
Figura 20: Control intermedios de la soldadura con END
Al finalizar la soldadura se unión de los insertos, un
desbaste y pulido de los cordones es necesario. Para
asegurar que el perfil hidráulico se realiza un control de
la geometría mediante plantillas que son ubicados en
distintos puntos de control. En el caso de desviaciones,
se debe recuperar con soldadura en caso de que las
medidas sean inferiores o retirar material con desbaste y
pulido en el caso que las dimensiones sean superiores.
63
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue II, Enero 2019
En la Fig. 21, se puede apreciar la ubicación de las
plantillas sobre los álabes del rodete.
Figura 21: Control del perfil hidráulico mediante plantillas.
Una vez terminada la reparación se da un acabado
superficial inferior a 12,5 µm, mediante un pulido fino;
el acabado superficial es importante debido el agua debe
encontrar la menor resistencia en la superficie de los
álabes; posteriormente se debe dar un tratamiento
térmico post-soldadura para el alivio de tensiones y
evitar el aparecimiento de fisuras. En la Fig. 22, se
observa un rodete Francis sometido a un tratamiento
térmico a una temperatura de 600°C, con un gradiente
de temperatura de 50°C/h como máximo.
Figura 22: Tratamiento térmico post soldadura al rodete.
4. ANÁLISIS ESTADÍSTICO
Aplicar un correcto plan de control y aseguramiento
de la calidad bajo normas internacionales en la
reparación de un rodete considerado como chatarra,
además de garantizar que los trabajos realizados sean
los más óptimos, se logra un ahorro económico del 70%
al 80% en referencia al valor de un rodete nuevo.
Un rodete nuevo de las características técnicas de un
rodete tipo Francis como el abordado en este trabajo
tiene un valor aproximado en el mercado de USD.
2’000.000,00.
Los costos en la reparación de un rodete Francis en
el exterior ascienden a USD. 1’228.200,00 mientras que
los costos de la reparación en el Ecuador en el CIRT, la
fuente de los datos fueron tomados del área financiera
de la Unidad de Negocios Hidroagoyán, se recuperó el
rodete con un costo de USD. 493.724,60 como se
muestra en la Fig. 23. El ahorro para el país fue de
USD. 734.475,40.
Figura 23: Costos de reparación de un rodete tipo Francis
5. RESUMEN DE RESULTADOS
- Con la ayuda de ingeniería inversa, se puede
realizar una simulación numérica de los efectos
del fluido sobre las turbinas, especialmente de las
zonas que se encuentran sometidas a daños por
efectos de la cavitación. En la Tabla 3, se puede
resumir los daños, causas y posible solución para
evitar y disminuir las consecuencias de la
cavitación.
Tabla 3: Localización de cavitación, picaduras, erosión en un
rodete de turbina Francis.
Se implementó un plan de pruebas de inspección y
control de calidad para ser utilizado durante la
recuperación de los álabes de un rodete Francis, que
pasa desde un control inicial con END para identificar
los defectos y daños de la superficie y determinar la
factibilidad de ejecución del proyecto de recuperación;
una etapa de controles intermedios que permiten
caracterizar el tipo de material, control sobre el proceso
de soldadura, ejecución de END para evitar el
Localización
Posibles causas
Posible solución
Lado de succión del
álabe cerca de la
banda y el borde
posterior
- Presión general muy
baja.
- Reducir la
potencia de salida
Borde de ataque del
álabe cerca de la
banda en el lado de
succión
- Contorno incorrecto
del álabe
- Operación en cotas
mucho más altas que
el diseño
- Perfil de borde de
ataque incorrecto
- Corregir el
contorno
- Modificar el perfil
del borde de ataque
- Modificar el perfil
del borde de ataque
Borde de ataque del
álabe cerca de la
banda en el lado de
presión
- Operación en cotas
mucho más bajas que
el diseño
- Perfil de borde de
ataque incorrecto
- Modificar el perfil
del borde de ataque
- Modificar el perfil
del borde de ataque
Borde posterior del
álabe
- Contorno incorrecto
del borde posterior
- Ajustar el
contorno
Corona o borde de
ataque del álabe cerca
de la corona
- Operación por
períodos prolongados
con cargas bajas
- Reducir la
operación de carga
baja
En respiraderos de la
corona
- Discontinuidad en la
corona
64
Toapanta M./ Plan de control de calidad para la recuperación de un rodete de una turbina Francis de una central hidroeléctrica
atrapamiento de discontinuidades en los cordones de
soldadura y un control del perfil hidráulico para ajustar
al diseño original; y un control final del acabado
superficial y un tratamiento térmico para el alivio de
tensiones y homogenización de la dureza en los
cordones de soldadura.
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
- Aplicar un correcto plan de control y aseguramiento
de la calidad bajo normas internacionales en la
reparación de un rodete, se recuperan rodetes
considerados como chatarra, además se garantiza
que los trabajos realizados sean los más óptimos;
logrando un ahorro económico del 60% al 70% en
referencia al valor de un rodete nuevo.
- Con estas experiencias e información adquirida se
crea un precedente para desarrollar planes de control
y aseguramiento de la calidad para turbinas Pelton y
Kaplan que también se encuentran instaladas en las
centrales hidroeléctricas del país.
- El CIRT contribuye al desarrollo tecnológico e
investigación del sector eléctrico, además de romper
la dependencia tecnológica y a convertirse en un
referente nacional y de la región en cuanto a brindar
servicios especializados de ingeniería.
AGRADECIMIENTOS
Un agradecimiento especial al CIRT, a la Unidad de
Negocio Hidroagoyán - CELEC EP, en donde se realizó
la reparación del rodete de la turbina Francis de la
Central San Francisco, a sus especialistas quienes
realizan ingeniería y han proporcionado la información
para realizar el presente trabajo.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Marcelo Toapanta Defaz.-
Nació en Saquisilí, Ecuador en
1984. Recibió su título de
Ingeniero Mecánico de la
Universidad de las Fuerzas
Armadas, Ecuador en 2008; de
Máster en Ingeniería
Electromecánica de la
Universidad Politécnica de Madrid, España en 2014.
Sus campos de investigación están relacionados con el
sector eléctrico, a la reparación y recuperación de
turbinas térmicas e hidráulicas, a la inspección con
ensayos no destructivos para el control de la calidad y al
análisis de los mecanismos de fallas y desgaste.
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