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ÁNALISIS TEÓRICO DE LA
REPARACIÓN MEDIANTE
SOLDADURA DE LOS ÁLABES DE
LA ÚLTIMA ETAPA DE LA TURBINA
DE VAPOR DE BAJA PRESIÓN ALICIA RICO PALACIOS
Curso 2017/2018
The State University of Applied Sciences (PWSZ)
RESUMEN Alicia Rico Palacios
1
ÍNDICE
CONCEPTO DE LA TURBINA DE VAPOR ......................................................................................... 2
CLASIFICACIÓN .............................................................................................................................. 2
PARTES Y FUNCIONAMIENTO ........................................................................................................ 4
TURBINA DE BAJA PRESIÓN ........................................................................................................... 5
Álabes de la turbina de baja presión ......................................................................................... 5
CONDICIONES DE TRABAJO DE LA TURBINA DE BAJA PRESIÓN .................................................... 7
MATERIAL UTILIZADO EN LOS ÁLABES .......................................................................................... 7
DAÑO PRODUCIDO EN EL MATERIAL ............................................................................................ 8
REPARACIÓN DEL MATERIAL DAÑADO: PROCESOS DE SOLDADURA ........................................... 9
Soldadura láser .......................................................................................................................... 9
Soldadura TIG .......................................................................................................................... 10
Soldadura MIG/MAG ............................................................................................................... 12
CONCLUSIÓN ............................................................................................................................... 13
RESUMEN Alicia Rico Palacios
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CONCEPTO DE LA TURBINA DE VAPOR
Se define el concepto de turbina de vapor, así como sus partes y el funcionamiento de las mismas
para situar el equipo objeto de estudio.
La turbina de vapor (Figura 1) es un equipo encargado de transformar la energía de un flujo de
vapor en energía mecánica. Se trata de una turbomáquina, una máquina que funciona de
manera continua, cuyo elemento principal es un rotor, o parte móvil destinada a realizar el giro.
En este tipo de equipos el fluido transforma su cantidad de movimiento a través de la acción de
la máquina.
Figura 1. Turbina de vapor
Este equipo debe cumplir unas condiciones básicas para su correcto funcionamiento: un fluido
de trabajo adecuado, con una fuente que proporcione una fuente de energía a elevada presión
y un sumidero para expulsar la energía a baja presión. Así, se pueden intentar alcanzar tres
principios básicos para la turbina de vapor: la máxima eficiencia, por medio de una planta de
máximo rendimiento a un precio mínimo. Además estos dispositivos tratan de cumplir otros
objetivos como una supervisión mínima y un mínimo tiempo de arranque.
CLASIFICACIÓN
En cuanto a la clasificación de la turbina de vapor puede ser de distintos tipos: en función del
número de cuerpos de los que consta, es una turbina multietapa (Figura 2); en función de la
forma de aprovechar la energía, puede ser una turbina de acción o una turbina de reacción, es
una turbina de reacción pues el vapor se expande tanto en los álabes móviles como en los álabes
fijos; en función de la presión de salida del vapor puede ser una turbina de condensación o de
contrapresión, ya que el vapor sale a una presión menor que la presión atmosférica se trata de
una turbina de condensación (Figura 3); en función de la trayectoria que sigue el vapor por el
interior de la turbina puede ser una turbina tanto axial como radial, utilizándose en este caso
una turbina axial (Figura 4), pues utiliza vapor que fluye en una dirección paralela al eje de la
turbina.
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Figura 2. Cuerpo de una turbina multietapa
Figura 3. Sección de una turbina de condensación, en la que la sección de salida es mayor que en las turbinas de contrapresión
Figura 4. Trayectoria axial del flujo de vapor
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PARTES Y FUNCIONAMIENTO
La turbina de vapor a estudiar consta de tres turbinas diferentes atendiendo a la fuerza con la
que golpea el vapor, la turbina de alta, media y baja presión (Figura 5). La finalidad de añadir
diferentes fases es disminuir la velocidad que tiene que soportar la máquina, pues sino no sería
viable mecánicamente para elevadas presiones. El vapor se va expansionando a medida que
avanza por las diferentes etapas de la turbina.
Figura 5. Diferentes etapas de la turbina de vapor. Turbinas de alta, media y baja presión
El cuerpo de cada turbina consta de varias partes, entre las que el rotor, el estátor y los álabes
son las principales en cuanto al funcionamiento.
El rotor es el elemento móvil, constituido por un eje macizo, de acero. Es el encargado de
producir el giro y a él van acoplados los álabes.
Los álabes son palas metálicas que se incorporan al eje (Figura 6) y le transmiten el movimiento
mediante el contacto del vapor con las mismas.
Figura 6. Álabes acoplados al rotor
El estátor es la parte fija de la turbina, forma parte de la estructura exterior de la misma y
protege al sistema interno (Figura 7). También se disponen álabes acoplados al estator.
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Figura 7. Estátor de una turbina
El vapor entra en la turbina a través de la tobera, a una presión muy elevada y lo distribuye hacia
los álabes, este fluido golpea los álabes a una presión cada vez menor a medida que avanza por
las diferentes fases de la turbina, golpea los álabes a gran velocidad, y los hace girar, haciendo
así que se transmita el giro al rotor.
Los álabes se distribuyen formando pares entre los álabes fijos y los álabes móviles, de manera
que el vapor va pasando por cada pareja de hélices curvas y expandiéndose, estas parejas de
álabes formada primero por un álabe del estator y a continuación por un álabe del rotor se llama
escalonamiento o etapa. La expansión en los álabes conlleva un aumento de volumen por lo que
a medida que se avanza en el proceso los álabes son de mayor tamaño.
TURBINA DE BAJA PRESIÓN
Todas las etapas de la turbina son importantes. La caída de entalpía se distribuye por las
diferentes etapas, tratando una parte de esta caída de entalpía cada una de las etapas y
explotando sólo una parte de la energía total disponible, se logra así un aumento de la eficiencia.
La etapa de alta presión tiene gran importancia porque genera alrededor del 90% del trabajo
total que se genera en la turbina de vapor multietapa. Pero la etapa de baja presión también es
muy importante y se relaciona con la eficiencia de la turbina, ya que el área de salida de la
turbina es la principal fuente de pérdidas de energía.
Álabes de la turbina de baja presión
Los álabes de la turbina de baja presión tienen una longitud mayor que en las etapas anteriores,
y su longitud va en aumento a medida que el flujo avanza por los diferentes escalonamientos
(Figura 8). Esta decisión de diseño se explica porque la densidad del fluido, a medida que avanza,
es menor debido a la expansión, por lo que el volumen específico es mayor y el vapor empleado
ocupa más espacio. Esto lleva a aumentar la altura del álabe acorde a la expansión. Además
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estas etapas sufren los efectos de la humedad del vapor, cuestión en la que hay que detenerse
más adelante.
Los álabes tienen un diseño torsionado en las últimas coronas de trabajo. Ya que la velocidad en
la punta es mayor que en la raíz, los triángulos de velocidades son significativamente diferentes
en las últimas etapas (Figura 9).
Figura 8. (a) Últimas etapas de una turina de vapor de alta velocidad. (b) Álabe de la última etapa con sus perfiles en la raíz, parte media y punta
Figura 9. Perfiles de velocidad de la última etapa de la turbina de baja presión
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CONDICIONES DE TRABAJO DE LA TURBINA DE BAJA PRESIÓN
Existen diferentes modelos de turbinas de vapor, fabricadas por diferentes empresas, a
continuación se detallan las condiciones de trabajo de algunas de ellas:
- Una turbina con condiciones de vapor principal supercríticas y recalentamiento de vapor
de una etapa (23.5 MPa; 540/560 ºC), su velocidad de giro es 3000 rev/min, su presión
dentro del condensador es de 3.4 kPa y la pérdida de velocidad a la salida de 45 kJ/kg,
la eficiencia de la turbina en esta etapa es 150 MW.
Se diseñan modelos en los que la velocidad de giro de la turbina alcanza 3600 rev/min,
pero la eficiencia disminuye a 105 MW. Por lo tanto, para turbinas de dos cilindros de
baja presión con flujo doble, la eficiencia será hasta 600 MW en el caso de una velocidad
de giro de 3000 rev/min y una eficiencia de 420 MW para turbinas de 3600 rev/min.
- Turbinas “tándem-compound” de alta velocidad, fabricadas con aleaciones de titanio,
en la que la longitud del cucharón es de 1200 mm, con una sección de salida anular de
11.31 m2. Su eficiencia es de 1200 MW, en el caso de presiones supercríticas y 1000 MW
para vapor húmedo.
Existe una variación de estas turbinas de titanio que desarrollan longitudes de 1500 mm
de longitud con un área de salida anular de 17.9 m2 para 3000 rev/min.
- Empresas como Turboatom, Alsthom y KWU fabrican álabes con longitudes de 1450-
1500 mm y una sección de salida de hasta 20.3 m2, para velocidades del rotor de 1500
rev/min.
- Las empresas ABB, GE, Hitachi, Westinghouse han conseguido desarrollar álabes con
longitud de 1320-1270 mm, con un área de salida anular de 16.46 m2 y con una velocidad
de giro de 1800 rev/min.
MATERIAL UTILIZADO EN LOS ÁLABES
El material empleado para los álabes de la turbina de vapor es una decisión importante. Esta
elección se basa en tres factores básicos: la temperatura a la que opera, los efectos del vapor de
agua y la tensión a la que se someten. En las últimas etapas, etapas objeto de estudio, operan a
baja temperatura, se someten a una tensión variable y se ven afectadas por la acción del vapor
húmedo.
El material elegido es acero inoxidable con alto contenido en cromo. En los álabes que se deben
estudiar, de la última etapa de la turbina de baja presión, se aplican materiales de aleaciones de
titanio WT-3 o WT-5 y también acero inoxidable 12%Cr AISI 403. Estos materiales son elegidos
teniendo en cuenta las extremas condiciones de carga y corrosión, además de la temperatura
de trabajo. Por ello, se exige que el material escogido cumpla una serie de condiciones de
funcionamiento: elevada plasticidad a la hora de distribuir la tensión; baja sensibilidad para
soportar las concentraciones de tensión; elevada resistencia a la temperatura a la que opera;
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elevada resistencia tanto a la corrosión como a la erosión; garantía de propiedades mecánicas
uniformes; propiedades tecnológicas adecuadas; y coste bajo por unidad de material.
En cualquiera de los materiales elegidos para los álabes, el componente principal es el cromo.
Este elemento es imprescindible para la formación de la capa de pasivación, encargada de
proteger al material base. Además, se utilizan otros aleantes, encargados de mantener la
película formada o reconstruirla si se hubiese destruido y confieren mayor resistencia.
Estos materiales tienen excelente resistencia mecánica y dan la posibilidad de ser soldados a
elevadas temperaturas por su resistencia a la fluencia. El acero inoxidable AISI 403 es muy
recomendable para estas partes críticas, pues puede soportar grandes esfuerzos y resistir el
calor y el desgaste por erosión.
DAÑO PRODUCIDO EN EL MATERIAL
El problema que afecta a los álabes de la turbina de vapor es la erosión. Este efecto perjudicial
se produce en la última etapa de la turbina de vapor de baja presión, pues es la etapa de la
turbina en la que la aparece humedad.
Se produce la presencia de gotas condensadas ya que la presión en esta zona es mucho menor
que en las etapas iniciales y el vapor se condensa, dando lugar a pequeñas gotas de agua, que
impactan a gran velocidad contra los álabes de las turbinas, provocando así la erosión de las
mismas.
Los parámetros de operación que intervienen en la erosión han de ser modificados para prevenir
dicho efecto. Estos parámetros son: la velocidad del flujo de las gotas de vapor, el ángulo del
flujo, el diámetro de la gota y el porcentaje de humedad.
Este fenómeno produce el desgaste del material y conlleva a la erosión, principal causante de
daños (Figuras 10 y 11) y fallos producidos en la turbina de baja presión. Por lo que a
continuación se estudia la forma de reparar dicho daño.
Figura 10. Daño producido en los álabes de la turbina de vapor. Imagen tomada de la empresa General Electric.
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Figura 11. Imagen detallada de los daños en los álabes
REPARACIÓN DEL MATERIAL DAÑADO: PROCESOS DE SOLDADURA
Dado que la erosión provoca consecuencias significativas para el funcionamiento de la turbina,
estos daños han de ser reparados. El método elegido para la reparación del material es la
soldadura.
En todos los procesos que se van a explicar a continuación tiene lugar la acción de soldar, que
consiste en unir la pieza de fabricación, garantizando la continuidad en el material.
La soldadura es un procedimiento complejo que requiere un estudio del material a soldar, y unas
etapas anteriores y posteriores al soldeo. El precalentamiento y el postcalentamiento.
Para reparar los álabes de las últimas etapas de la turbina de baja presión se recurre a diferentes
métodos de soldadura por fusión, esto quiere decir que la temperatura de operación a la que se
une el material es mayor que la temperatura de la fase líquida del metal base y del metal de
aportación. Los procesos de soldadura mediante los que se podría reparar el daño son:
- Soldadura por láser.
- Soldadura TIG
- Soldadura MIG/MAG
Soldadura láser
La soldadura por láser utiliza partículas de luz, que son los fotones, que al ser excitados con la
intensidad de la corriente emiten la energía que se expresa en forma de luz. Se forma el rayo
láser, ya que la energía se concentra en un haz. Esta explicación da nombre al término láser:
“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”.
Este proceso necesita una alta densidad de energía y utiliza una fuente luminosa. La soldadura
por haz láser utiliza como fuente de calor un rayo láser de alto poder y produce la soldadura por
fusión, que consiste en fundir y recristalizar el material que se desea soldar. Se calienta la zona
de trabajo y se ejerce presión entre los puntos.
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Es un método muy preciso, pues utiliza espejos para focalizar la energía del haz láser, se focaliza
en un punto con un diámetro de escasos milímetros, por lo que proporciona alta densidad de
energía. Cuando el material alcanza la temperatura de fusión se produce la formación de plasma,
resultante de la ionización de la mezcla del material vaporizado y el gas de protección. La forma
de operación básica se detalla en la “Figura 12”.
Figura 12. Soldadura láser
El proceso no necesita material de aporte. Sin embargo si necesita un gas protector, protege a
los espejos de salpicaduras y protege al material para que no reaccione con el aire. Los más
utilizados son helio o argón. Estos gases también sirven para formar cierta porosidad y así dejan
escapar las burbujas de oxígeno que se forman en la fase líquida del proceso.
La soldadura por rayo láser se utiliza para soldar aceros inoxidables y aleaciones de titanio, por
lo que es idónea para los álabes de la turbina que se estudia.
Aunque a continuación se describirán otros procesos de soldadura como alternativa a la
soldadura por haz láser, esta es la más adecuada. El aporte térmico es mucho más preciso ya
que genera alta densidad de energía y la zona afectada térmicamente es mucho menor, por lo
que para la reparación de fisuras es una técnica muy aconsejable. El motivo principal por el que
se usa este tipo de soldadura es que al reparar el material le confiere una resistencia al desgaste
y a la erosión muy elevada.
Soldadura TIG
Tanto este proceso como el que se detallará a continuación son procesos de soldeo por arco
eléctrico. Los procesos por arco eléctrico trabajan de la siguiente forma: la fusión se produce
porque se genera una energía al poner en contacto un electrodo con la pieza de trabajo. El
contacto hace saltar el arco eléctrico debido a la diferencia de potencial causada al cerrar el
circuito: tanto el electrodo como la pieza están conectados a un generador de tensión.
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Al proceso de soldadura con electrodo de tungsteno se le llama soldadura TIG (Tungsten Inert
Gas) o también GTAW (Gas Tungsten Arc Welding). El soldeo TIG (Figura 13) hace saltar el arco
eléctrico entre un electrodo de tungsteno y la pieza que se va a soldar. El electrodo de tungsteno
no se consume y se utiliza a través de una pistola de soldeo. No es imprescindible la utilización
de un material de aporte, en el caso de utilizarlo se fundirá con la pieza a soldar. Este proceso
utiliza un gas de protección para mantener en las condiciones óptimas el baño de fusión, sin que
se contamine.
Figura 13. Esquema de una soldadura TIG
Los electrodos utilizados para TIG deben cumplir las siguientes condiciones: alto punto de fusión,
baja resistencia eléctrica, buena conductividad térmica y buena emisión de electrones.
Existen tres tipos atendiendo a su composición: electrodo de wolframio puro, electrodo de
wolframio aleado con torio y electrodo de wolframio aleado con circonio. Los primeros tienen
menos coste y se suelen utilizar en corriente alterna y con corrientes no muy elevadas ya que el
arco es más estable. Los segundos al tener una composición de torio hacen que el arco sea más
estable, se utilizan para corriente continua y soportan intensidades de corriente muy elevadas.
Los últimos tienen una intensidad de corriente media o baja.
En cuanto a los gases de protección, los más utilizados para soldar acero inoxidable y titanio son
el helio y el argón. También se utilizan mezclas de hidrógeno con helio y/o argón.
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Soldadura MIG/MAG
El soldeo por varilla continua bajo atmósfera gaseosa recibe el nombre MIG/MAG: Metal
Inert/Active Gas, o también GMAW: Gas Metal Arc Welding.
El proceso MIG/MAG es un proceso de soldadura semiautomático, en el que el arco eléctrico
salta entre un electrodo de aporte continuo y la pieza a soldar. A este proceso se le caracteriza
por la utilización de un gas de protección. Un gas inerte en el caso de la soldadura MIG y activo
en el caso de la soldadura MAG.
El equipo de soldadura está formado por los elementos que se distinguen en la “Figura 14”. La
fuente de alimentación (5) conecta su polo positivo al tubo de contacto (6) de la pistola de
soldadura (4), que contiene al electrodo. Y el polo negativo se conecta a la pieza de trabajo, así
salta el arco eléctrico que hace posible la fusión para la soldadura. El tubo de contacto
mencionado sirve para hacer pasar la energía eléctrica al electrodo, que suministra al arco.
Para que el electrodo de alambre (8) se esté utilizando de manera continua se utiliza un carrete
(1). El carrete suministra de manera continua alambre a través de unos rodillos de
accionamiento (2), que hacen pasar dicho alambre por el paquete de la maguera (3) hacia la
pistola de trabajo.
El gas de protección (10) protege al proceso, protege el arco (9) y el baño de metal fundido (11).
Saliendo a través de una boquilla de gas (7) que cubre al tubo de contacto ya mencionado.
Figura 14. Esquema de un equipo de soldadura MIG/MAG
El gas de protección para este proceso de soldeo es un componente muy importante, ya que
protege al electrodo y al baño de soldadura. Hay dos tipos de gases de protección. Los gases
inertes (MIG: Metal Inert Gas), estos gases son el helio y el argón, son los más utilizados y no
reaccionan. Y los gases activos (MAG: Metal Active Gas) que reaccionan químicamente, estos
gases pueden ser: H2, CO2, O2 o N2.
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CONCLUSIÓN
La turbina de vapor empleada para una central eléctrica es una máquina que produce trabajo a
partir de un fluido. De manera que el fluido, que inicialmente se encuentra a una presión muy
elevada, se expansiona y mediante los álabes unidos al rotor gira y produce energía mecánica.
Las turbinas empleadas para en estas plantas son grandes turbinas, formadas por etapas de alta
media y baja presión, para lograr así mayor potencia y obtener una eficiencia mucho mayor. La
turbina de baja presión, objeto de estudio, es importante pues está estrechamente relacionada
con la eficiencia de la máquina.
Las condiciones de trabajo de las turbinas de vapor varían según las empresas fabricantes y
utilizan condiciones de entrada diferentes. Se consiguen velocidades de giro de hasta 3000
rev/min y 1010mm de longitud para los álabes de la última etapa, reduciéndose la longitud a
841mm si el giro se produce a 3600 rev/min. Es importante tener en cuenta la sección anular de
salida.
El material más adecuado para trabajar bajo las condiciones de vapor de la turbina de baja
presión es el acero inoxidable 12%Cr. Pues tiene una resistencia mecánica y unas propiedades
óptimas para responder con éxito a las condiciones de trabajo de la turbina.
Aunque este material es el más adecuado, también sufre daños que han de ser reparados.
Además de los daños ocasionados por la vibración, el flujo de vapor golpea a los álabes de la
turbina con mucha fuerza. Al ser la turbina de vapor un equipo en el que disminuye la presión y
la temperatura se produce la presencia de gotas de agua en el vapor. Estas gotas provocan la
erosión de los álabes de las últimas etapas.
Por ello, es necesario utilizar procesos de soldadura para su reparación. La soldadura por láser
es la mejor opción, ya que incluso comparada con la soldadura TIG o MIG/MAG produce muy
buenas calidades y no necesita procesos posteriores de mejora. La velocidad de soldeo es mucho
mayor que en los otros métodos y es un proceso automatizado.
Por último, es muy importante para aumentar la vida útil de la máquina un control exhaustivo
de la misma. Los métodos de inspección de la soldadura son necesarios para garantizar el éxito
de la soldadura empleada. Además, debe revisarse la máquina para evitar posibles daños, que
si no se detectan a tiempo pueden provocar grandes fallos.
