ESTUDIO DE LA CORROSIÓN DE UNA TURBINA FRANCIS DEL LABORATORIO DE MÁQUINAS HIDRÁULICAS DE LA ESCUELA DE MECÁNICA UIS.

D. Molano.

Agosto 17 de 2010.

RESUMEN.

Se estudia de forma teórica la corrosión que sufrió una turbina Francis, esta turbina se encuentra en el laboratorio de máquinas hidráulicas de la escuela de ingeniería mecánica. Se analizan los posibles tipos de corrosión, la incidencia de los materiales así como del ambiente y los efectos ocasionados por la velocidad de flujo en la máquina y consiguiente cavitación. Se mencionan los métodos de medición de corrosión en casos industriales y por último se dan algunas recomendaciones bajo conceptos teóricos para prevenir el daño.

INTRODUCCIÓN.

En la industria energética uno de los equipos principales es la turbina hidráulica ya que permite la obtención de energía eléctrica a través de grandes cantidades de agua represada en embalses. La turbina Francis es la turbina hidráulica típica de reacción de flujo radial basada en la acción centrípeta y tiene como función principal convertir la energía hidráulica del agua en energía mecánica siendo la cavitación un modo de falla crítico para este tipo de turbinas que está directamente relacionado con la eficiencia y máximo rendimiento. La cavitación ocasiona corrosión por cavitación, erosión e impacto-fatiga poniéndolo como tema central de investigación de este tipo de turbinas especialmente respecto a modos de formación, consecuencias y monitoreo.

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MARCO TEÓRICO

FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINAEn un turbina Francis el agua a presión va a una cámara espiral en forma de caracol que reparte el caudal por toda la periferia del rodete, el agua va al distribuidor constituido por una serie de alabes directores en forma de persiana circular cuyo paso se puede modificar para distribuir y regular el flujo hacia el rodete.

Figura 1. Turbina Francis, anillo distribuidor y rodete.

El rodete es una pieza giratoria única hecha por fundición o soldadura sin uniones ni fijaciones accesorias usualmente de bronce donde se obtiene la energía mecánica. Finalmente un tubo de descarga curvo metálico proporciona la salida del agua de la turbina.

CAVITACIONLa cavitación es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan, esta implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido pueden disiparse en la corriente o

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chocar con una superficie lo cual debilita metalúrgicamente el material y se inicia una erosión.

DESCRIPCIÓN DEL CASO

En el laboratorio de máquinas hidráulicas de la escuela de mecánica se encuentra una turbina a la intemperie a condiciones ambientales que no está en funcionamiento. Esta turbina estuvo en funcionamiento anteriormente con agua como fluido de trabajo, lo que permite observar la corrosión ocasionada por el agua y a la vez la ampliación de esta debido al ambiente y a la falta de una capa de protección interna.

Figura 2. Parte delantera de la turbina Francis de estudio.

La turbina mide aproximadamente 1.5 metros de diámetro exterior. El material de la cámara en espiral y el anillo giratorio es acero y el del rotor es bronce

ESTUDIO TEÓRICO DEL CASO.

Teniendo en cuenta las condiciones en las que se encontraba la turbina y los materiales que la componen se descartan y se establecen algunas posibles causas de la corrosión.

En parte interna de la turbina, y el anillo distribuidor la exposición atmosférica ya ha hecho daños evidentes a pesar de la capa de pintura q lo cubre, pero a pesar de esto hay otros motivos de corrosión y estos serán analizados a continuación.

Corrosión uniforme: El material que compone el armazón de la turbina (sin el rodete) es acero. En el exterior de la turbina se aprecia protección con una capa gruesa de pintura pero el interior se encuentra desprotegido debido a que no está supuesto a tener contacto con el medio. De esta forma se lleva a cabo la

corrosión uniforme del material por contacto con el aire Fig. 3.

Fig 3. Corrosión uniforme en el tubo de entrada.

El ataque uniforme es una forma de corrosión electroquímica que ocurre con igual intensidad en toda la superficie expuesta y suele producir herrumbre o deposito. A nivel microscópico, las reacciones de oxidación y de reducción tienen lugar al azar sobre la superficie metálica. Debido a la gran presencia de hierro en este tipo de aleaciones, las reacciones que tienen lugar son las siguientes:

Reacción anódica (oxidación):Fe Fe2+ + 2e-

Reacción catódica (reducción): ½ O2 + H2O + 2e- 2 OH-

Reacción global: Fe(s) + ½ O2 (g) + H2O (l) Fe (OH)2(s)

Corrosión por rendijas: Se puede observar en la parte trasera del distribuidor Fig 4. y Fig 5. ya que el mecanismo de este tipo de corrosión son los espacios confinados y ángulos marcados en donde se queda estancado el fluido en rendijas formadas por ciertas configuraciones geométricas. También se puede observar corrosión en los bordes de la tuerca no confinados pero que sobresalen del resto y experimentan mayor flujo de aire.

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Fig 4. Parte trasera del distribuidor.

Fig 5. Rendijas del anillo distribuidor.

Se puede ver que las regiones con diferenciales de oxígenos se comportan como una cupla de corrosión que actúa como ánodos y es donde el metal se oxida.

Corrosión por fatiga: Se presenta en el interior de la turbina debido al esfuerzo mecánico al que ha tenido exposición y al medio que acelera su daño. Este efecto conjunto conduce la rotura de las capas pasivas que favorece la formación y desarrollo de grietas Fig 6.

Fig 6. Grietas en el interior de la cámara espiral y en el anillo de distribución.

Corrosión cavitación: En las turbinas es algo común encontrar este tipo de corrosión debido a la alta velocidad de flujo manejada, altas presiones y variaciones de presión. La cavitación se produce por una pérdida de presión por debajo de la presión de saturación del líquido y esto ocurre especialmente cerca a los álabes de la turbina.

Fig 7. Erosión debido a la cavitación entre los álabes.

Fig 8. Erosión por cavitación en el anillo distribuidor.

Se evidencia por medio de le erosión de la superficie sólida del material (Fig. 7) que se produce al colapsar las burbujas ante un nuevo aumento de la presión.

El acero presenta mayor desgaste ante los distintos tipos de corrosión aquí analizados pero el rodete de bronce también es propenso a corroerse aunque en menor medida, por inspección visual se determina que el rodete se ha corroído levemente por cavitación, Fig 9.

Fig 9. Corrosión por cavitación en el rodete de bronce

ESTUDIOS RECOMENDADOS PARA LA DETECCIÓN DE CAVITACIÓN EN TURBINAS

El método de medición y monitoreo más usado es el de vibraciones que utiliza sensores de aceleración y presión que detectan el fenómeno debido a las pulsaciones generadas por el colapso de las burbujas.

Se encuentra también un electrodo básico con núcleo de acero ideal para reparar turbinas Francis sometidos a desgaste combinados de cavitación, erosión, corrosión e impacto - fatiga.

La Esso Mobil recomienda el uso de aceites como el DTE Light, Medium, Heavy Medium y Heavy, que poseen propiedades de desaireación, lo que permite una rápida separación del agua introducido en el sistema,

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evitando la cavitación y por tanto un mejor funcionamiento.

RECOMENDACIONES

Para evitar la corrosión por fatiga es recomendado remover tensiones cíclicas y eliminar vibraciones.

Es importante mejorar el perfil de los álabes con un mejor diseño especialmente al borde de salida para prevenir cavitación.

Monitoreo constantes de la turbina para que no se presenten sorpresas debidas a cavitación fuerte.

Para mitigar los daños por el ambiente, fluido y tensión se debería recubrir todo el material tanto interior como exteriormente o realizar un estudio profundo de los mejores materiales para el caso.

CONCLUSIONES

Aunque la cavitación se torne inevitable se debe tener en cuenta en el diseño de una máquina.

Se asocia corrosión debido al funcionamiento de la turbina por rendijas, fatiga, cavitación y corrosión uniforme debido a la exposición al ambiente.

El materia presenta desgaste fuerte debido a las velocidad manejadas y a las variaciones de presión dentro de la turbina.

BIBLIOGRAFÍA

Caracterización de una turbina del tipo Francis utilizada por un empresa local de generación de energía. Juan Esteban Gallego. Universidad EAFIT

Quantification of sand erosion in Francis turbine. Hari Prasas Neopane.

Blibliografía de internet:

Turbina Francis. Wikipedia

Animacion turbina Francis - Montaje del distribuidor, y Animacion turbina Francis montaje completo. Youtube

Turbinas hidráulicas. Buenas tareas

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