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. 

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].

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. 

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 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 

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. 

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.

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 m³/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. 

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. 

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 .

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 

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. 

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 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. 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.