INSTITUTO TECNOLGICO DE PACHUCADEPARTAMENTO DE METAL MECNICA
IMPORTANCIA DEL ESTUDIO DE LA PROPAGACIN DE GRIETAS EN LABES DE
TURBINAS DE GAS
Elaboraron: Odulfo Garcia Arteaga a Gerardo Ernesto Flores
Resndiz [email protected] [email protected]
INDICE
ResumEn
En el presente trabajo se analizan algunos casos de propagacin
de grietas de un conjunto de labes de turbina , bajo criterios
establecidos para su experimentacin, y as explicar el problema de
su crecimiento, haciendo nfasis en no despreciar la importancia de
su estudio. Este estudio se realiz sobre un labe que compone un
grupo de labes de la ltima etapa de baja presin de una turbina de
gas. Para el clculo de tiempo de inicio de grieta o tiempo de
propagacin de grieta, se usaron las teoras de Aproximacin de
Esfuerzo Deformacin Local y Mecnica de fractura Lineal elstica,
respectivamente. Los resultados obtenidos de los clculos numricos
permitieron establecer un diagnstico de la falla en un labe. El
anlisis fractogrfico revel que el fallo del primer labe se haba
producido por un mecanismo de fatiga termo mecnica habindose
iniciando en una de las cavidades internas de refrigeracin del
labe.
INTRODUCCIN
La propagacin de una grieta en un labe de una turbina de gas en
operacin provoca paros forzados y grandes prdidas econmicas.
Afectando directamente al sistema motor en el que se encuentra, con
repercusiones a los labes subsiguientes de la misma turbina. A
consecuencia de ello los labes poseen una vida sensiblemente
inferior a la de la turbina, debiendo ser sustituidos o reparados
por soldadura en el momento en que se juzga que ya no se hallan en
las debidas condiciones para poder trabajar en las condiciones
idneas. El origen de una falla, en especfico la propagacin de una
grieta en dichos sistemas de turbina, puede surgir porque que se
hallan sometidos a esfuerzos de fatiga multiaxial, as cmo las
condiciones en que se encuentran, con influencia de la elevada
temperatura y el ambiente corrosivo en que operanEn la actualidad
con el desarrollo de las computadoras y de los mtodos numricos, es
posible calcular el tiempo en que un labe puede fallar para evitar
posibles catstrofes en su estructura, que pudiesen provocar desde
fallas, hasta lamentables incidentes.. Este trabajo de investigacin
esta enfocado al anlisis de algunos casos de propagacin de grietas
en labes de turbina. El estudi se realiza sobre algunos casos de
labes que son sometidos a experimentacin en el origen de las
grietas, bajo diferentes condiciones en las que se encuentra. por
parte de los labes conduce a que deban de afrontar unas
solicitaciones de operacin sumamente duras, ya que se hallan
sometidos a esfuerzos de fatiga multiaxial, por la superposicin de
los de fatiga de bajo nmero de ciclos en su direccin longitudinal,
asociada las dilataciones y contracciones que experimenta el labe
al cambiar sus condiciones de trabajo, y de las vibraciones que
sufre en su direccin transversal, como consecuencia del paso de los
gases.
2.- marco teorico
2.1.-CASOS DE PROPAGACIN DE GRIETAS DE ALABES DE TURBINAS DE
GASLa mayora de las fallas de los alabes de turbinas de gas son
causadas por la combinacin de diferentes mecanismos, debido a que
la carga de los alabes en la turbina es un proceso complejo que
incluye la carga trmica cclica sobrepuesta a la alta carga
centrfuga. Adems, cada uno de estos mecanismos est afectado por el
ambiente al que estn expuestos los alabes. Si el alabe est expuesto
a un ambiente corrosivo, ste puede atacar de manera agresiva la
aleacin del alabe y reducir drsticamente su capacidad de carga. En
algunos casos, la microestructura y morfologa de los granos
desempean un papel principal para la iniciacin y propagacin de la
falla. Esto es especialmente cierto si se presenta alguna variacin
de la microestructura y morfologa de los granos en el cuerpo
(volumen) del material del alabe y cuando esta variacin de la
microestructura est relacionada con la variacin de las propiedades
mecnicas del material del alabe. En los alabes mviles de las
turbinas de gas, fabricados por el proceso de vaciado convencional
(granos equiaxiales), uno de los elementos controlados que tienen
una influencia directa sobre el comportamiento de los alabes a
temperatura elevada es el tamao de los granos, su forma y nmero
[1]. El uso de superaleaciones base nquel en componentes de
turbinas de gas que operan bajo unas condiciones de elevada
temperatura y alta presin, tales como labes y vanos, se halla
ampliamente extendido. Estas aleaciones son capaces de operar de
forma satisfactoria bajo carga a temperaturas muy cercanas a las
del inicio de su fusin (del orden del 85% de esta cifra en grados
Kelvin), valor que resulta netamente superior a los que ofrecen
otros materiales alternativos. No obstante, el lgico deseo de
aumentar el rendimiento de la turbina ha llevado a forzar las
condiciones de trabajo de estos componentes, buscando que pudieran
trabajar a temperaturas an ms altas.
Si bien se han logrado algunas mejoras en este sentido gracias
al desarrollo de nuevas super aleaciones o a la aplicacin de
recubrimientos que acten a modo de barrera trmica, el principal
avance se ha conseguido mediante la introduccin de un sistema de
refrigeracin, que permite la circulacin de aire a alta presin por
los canales practicados en los labes. De esta forma se logra
disminuir la temperatura de la sper aleacin del labe y facilita que
estos puedan trabajar en un ambiente en que la temperatura supera a
la mxima de operacin de la misma.
Como regla general, conforme las condiciones de operacin del
componente se hacen ms exigentes se requiere una mayor cantidad de
fase y que sta sea ms estable. Lo primero se consigue incrementando
la cantidad de elementos formadores de esta fase. Lo segundo
restringiendo en primer lugar la presencia de niobio, que tiende a
formar la fase , y aumentando la relacin entre los contenidos de
aluminio y titanio. La adicin de tntalo tambin contribuye a la
consecucin de ambos objetivos, motivo por el cual este elemento
entra en la composicin de los materiales producidos por
solidificacin unidireccional o de los monocristales.
La misin de los labes mviles es reaccionar al paso del gas de
combustin, rotando, y transmitiendo de esta forma la energa al
disco que, a su vez, hace girar al eje de la turbina. La potencia
as obtenida en la turbina se emplea para el movimiento del
compresor y las unidades auxiliares de potencia La realizacin de
este trabajo por parte de los labes conduce a que deban de afrontar
unas solicitaciones de operacin sumamente duras, ya que se hallan
sometidos a esfuerzos de fatiga multiaxial, por la superposicin de
los de fatiga de bajo nmero de ciclos en su direccin longitudinal,
asociada las dilataciones y contracciones que experimenta el labe
al cambiar sus condiciones de trabajo, y de las vibraciones que
sufre en su direccin transversal, como consecuencia del paso de los
gases. A esto hay que aadir la elevada temperatura y el ambiente
corrosivo en que operan. A consecuencia de ello los labes poseen
una vida sensiblemente inferior a la de la turbina, debiendo ser
sustituidos o reparados por soldadura en el momento en que se juzga
que ya no se hallan en las debidas condiciones para poder trabajar
en las condiciones idneas.
Entre los mecanismos de fallo de los labes que se han sealado se
incluyen fluencia, oxidacin, fatiga de bajo y alto nmero de ciclos
o una combinacin de dos o ms de ellos. Adems, en muchsimos casos,
la rotura de un componente acarrea una sucesin en cadena de fallos
de otros. Ello implica que la identificacin del componente que fall
en primer lugar sea una tarea imprescindible para determinar la
secuencia completa y poder aplicar las medidas correctoras
convenientes con vistas a evitar que se produzcan nuevas roturas
[2]. La Fig. 1 Ilustra el dao catastrfico en un motor, originado
por la propagacin de grietas en lo albes.
Fig. 2. La vista general de los daos catastrficos en los labes
de la turbina de gas.
Fig. 2. Muestra la vista de primer plano de las hojas daadas de
la turbina de gas.
Fig. 3. Gravemente daado labes de la turbina del estator y
carcasa. [4].
2.2.- CRITERIOS EN RELACION CON LA DETERMINACION DE PROPAGACION
DE GRIETAS DE ALABES DE TURBINAS DE GAS
2.2.1.-EL ANLISIS FRACTOGRFICOEl anlisis fractogrfico permite
definir los puntos donde parece hallarse el origen de la rotura y
elegir los cortes a efectuar sobre los labes para la extraccin de
las probetas metalogrficas. Tambin existen otros criterios para
analizar el fenmeno de propagacin de grietas, los cuales son dados
enseguida [2].
2.2.2.- FATIGA PARA INICIO DE GRIETAY PROPAGACIN DE LA
GRIETAEste parmetro de anlisis se realiza con base en las
condiciones de trabajo y las propiedades fsicas y mecnicas de los
labes, los datos utilizados son los que se han obtenido
experimentalmente para diferentes materiales . La teora usada en la
estimacin del nmero de ciclos para la iniciacin de grieta se llama
aproximacin de esfuerzo deformacin local. El concepto de esfuerzo
local y deformacin local es la aproximacin adecuada para predecir
la iniciacin de la grieta en cuerpos sujetos a cargas de fatiga. La
aproximacin se basa en la suposicin de que la fatiga local
resultante del material en un punto crtico, como una fisura o algn
otro defecto, que es la localizacin de la iniciacin de la grieta,
es anloga a la fatiga resultante de un pequeo espcimen liso sujeto
a los mismos esfuerzos y deformaciones cclicos. Las deformaciones
cclicas en la localizacin del inicio de la grieta no se pueden
medir, en cambio las deformaciones nominales si son medidas en
estos puntos. Por otra parte se pueden medir las fuerzas externas
aplicadas y los esfuerzos pueden ser calculados por medio de
programas de elemento finito. El SIF es uno de los parmetros
principales para determinar la vida til de los labes con propagacin
de grieta en este trabajo. Cuando se alcanza el valor crtico del
factor de intensidad de esfuerzo, conocido como tenacidad a la
fractura [3].
3. metodologa
EL DESARROLLO EXPERIMENTAL SE PROYECTA EN LOS SIGUIENTES PASOS.
(Esquema 1)
(Esquema 1)
3.1.-ANLISIS FRACTOGRFICO.El primer paso en el estudio consisti
en un examen visual de todos los labes del conjunto, centrndose en
sus superficies de fractura pero sin dejar desatendidos otros
aspectos que contribuyan a identificar el origen del fallo y el
mecanismo responsable del mismo. El examen se realiz principalmente
a simple vista, acudiendo a la ayuda de un pequeo microscopio
estereoscpico con una modesta capacidad de aumento (x50), en
aquellos casos en que se consider conveniente una observacin ms
detallada de alguna faceta fractograffica. Finalizado este examen
visual, las superficies de fractura de los labes seleccionados
fueron objeto de un anlisis fractogrfico en el microscopio
electrnico de barrido. Este equipo incorpora un espectrmetro por
dispersin de energa de rayos X facilitando la identificacin de las
fases que han contribuido al proceso de fractura. Este anlisis
fractogrfico permiti definir los puntos donde parece hallarse el
origen de la rotura y elegir los cortes a efectuar sobre los labes
para la extraccin de las probetas metalogrficas. Se extrajeron
probetas longitudinales del labe que el anlisis fractogrfico
identific como origen probable del fallo y de dos de los restantes.
Estas probetas fueron examinadas en primer lugar en el microscopio
ptico y posteriormente en el electrnico de barrido para poder
identificar aquellas fases que han jugado un papel importante en la
rotura.
3.2.- ANLISIS DE FATIGA PARA INICIO DE GRIETAPara determinar el
nmero de ciclos de inicio de la grieta en el grupo de labes con
esfuerzos alternativos se uso la regla de Neuber modificada usando
el factor de concentracin de esfuerzo a la fatiga (Kf).
Se presenta la simbologa, presente las frmulas a desarrollar.[3]
Con la ecuacin (1) se determina el rango de esfuerzo local real ( )
[9,10].
Con la ecuacin (2) se determina la deformacin local ( )
Finalmente, con la ecuacin (3) se determina el nmero de ciclos
(Ni) cuando se iniciar la grieta [11].
Fig. 4 Nmero de ciclos para que inicie la grieta:(a)condiciones
estables, (b) en resonancia.
El nmero de ciclos para el inicio de la grieta cuando la turbina
est trabajando en forma continua y estable se muestran en la Figura
4a. En ambos casos se uso un rango del factor de concentracin de
esfuerzo a la fatiga de 3 a 4.5. Se observa que no se presenta
grieta cuando la turbina se encuentra operando de forma continua
puesto que el nmero de ciclos es muy grande. Sin embargo en el
arranque o paro de la turbina si existe posibilidad de presencia de
grieta o fractura a consecuencia de los esfuerzos vibratorios que
se presentan por resonancia, aunque esto depende en la frecuencia
con que se detiene la operacin de la turbina. En estas grficas
tambin se observa que para pequeos incrementos en el factor de
concentracin de esfuerzo a la fatiga existen grandes incrementos en
el nmero de ciclos, lo cual puede incrementar la incertidumbre en
la determinacin de la vida por fatiga. ANLISIS DE LA PROPAGACIN DE
LA GRIETA El SIF es uno de los parmetros principales para
determinar la vida til de los labes con propagacin de grieta en
este trabajo. Cuando se alcanza el valor crtico del factor de
intensidad de esfuerzo, conocido como tenacidad a la fractura y
denotado por KIC, ocurre la fractura. La razn de crecimiento de la
grieta se describe por da/dN, en la cual la longitud de la grieta
(a) crece con el nmero de ciclos de la carga aplicada N. La relacin
entre da/dN y K usualmente se conoce como Ley de Paris para la
propagacin de la grieta, y se puede representar como [2]
(4) Para estimar la vida til del labe con grieta fue necesario
realizar una simulacin numrica con el mtodo del elemento finito,
para calcular el SIF a diferentes tamaos de grieta hasta llegar al
tamao crtico, K > KIC. Se determino el SIF con incrementos de
0.001 m del tamao de la grieta. Se consider un tamao de grieta
inicial de 0.005 m. El tamao de la grieta crtica que se encontr es
de 0.023 m. La (Figura 5) presenta el grupo de labes con la grieta
y la Figura 6 presenta el mallado necesario alrededor de la grieta
para obtener el SIF. El nmero de nodos y elementos con los
diferentes tamaos de grieta, son alrededor de 6234 nodos y 2626
elementos, respectivamente. Para utilizar la ecuacin (4), es
necesario calcular para cada tamao de grieta el factor de
intensidad de esfuerzo mximo y mnimo, para determinar incremento
del factor de intensidad de esfuerzo (K=Kmax-Kmin). Puesto que este
anlisis se realiz cuando la turbina se encuentra en trabajo
continuo estable, para calcular los SIFs, de los esfuerzos mximos y
mnimos, se aplic a cada labe las componentes de la fuerza de vapor
mxima y mnima. En la (Figura 7) se puede observar la distribucin de
los esfuerzos en el grupo de labes. (La Figura 8) presenta el
estado de esfuerzos alrededor de la grieta. En la Tabla 3 se
enlistan los SIF resultantes para cada tamao de grieta. Una vez
obtenido el incremento del factor de intensidad de esfuerzos, se
determina el nmero de ciclos acumulativos para cada incremento de
grieta con la ecuacin de Paris (K se mantiene constante en
incrementos de 0.001 m de la grieta). En la Tabla 4 se presenta el
nmero de ciclos para la fractura. Las (Figuras 9 y 11) presentan la
propagacin de la grieta en nmero de ciclos y horas,
respectivamente. Estas graficas presentan un diagnostico de falla
del labe (tamao de grieta contra tiempo) donde se puede observar el
tiempo que podra seguir trabajando la turbina una vez que se conoce
un tamao de grieta dentro del tamao crtico. [3]
Fig. 6. Mallado alrededor de la grieta. Fig. 5 . Modelo discreto
del grupo de labes con grieta.
Fig. 8. Distribucin de esfuerzos alrededor de la grieta.
Fig. 7. Distribucin de esfuerzos en el grupo de labes.
Fig. 9. Propagacin de la grieta en ciclos. Fig. 10 Propagacin de
la grieta en horas. [3]
4. RESULTADOS
Finalizado este anlisis fractogrfico se obtuvieron las probetas
metalogrficas longitudinales de los labes que haban sido objeto de
estudio. La observacin de estas probetas en el microscopio ptico
revela la aparicin del fenmeno conocido como desaleacin, esto es la
prdida de elementos de aleacin en la periferia. No obstante, se
considera que esta prdida no ha jugado ningn papel importante en el
fallo. Fig. 11. Carburo de gran tamao, fracturado en varios trozos,
y compuestos intermetlicos frgiles en el labe identificado como
origen del fallo.
Mayor inters posee la comprobacin de que tal y como apuntaba el
anlisis fractogrfico el labe considerado responsable del inicio del
fallo presenta un gran nmero de carburos primarios de gran tamao.
La micrografa de la figura 3, obtenida en el microscopio electrnico
de barrido, muestra uno de estos carburos, que se encuentra roto en
varios trozos. Este carburo, que se halla situado por debajo de una
grieta secundaria, no ha intervenido en el proceso de rotura. No
obstante su agrietamiento pudiera haber constituido el inicio del
fallo como sucede con los que se presentan en la micrografa de la
(figura 12) , o con mayor detalle en la (figura 13), o promovido la
propagacin de una grieta secundaria, caso de haberse encontrado en
su camino, (figura 14). Figura 12 .Carburos fracturados situados en
la zona de inicio de la fractura.
Figura 13. Detalle a mayores aumentos de los carburos presentes
en la zona de inicio de la rotura.
Figura 14. Progresin de una grieta secundaria a travs de
carburos fracturados de gran tamao.
La observacin visual del conjunto de labes pone de manifiesto el
diferente aspecto de la fractura de uno de ellos con respecto al
mostrado por el resto. En tanto que, como muestra la (figura 15) ,
la morfologa de la fractura del citado labe apunta a la actuacin de
un mecanismo de fatiga Figura 15. Vista de la superficie de
fractura del labe identificado como origen del fallo.
EN LAS SIGUIENTES TABLAS SE PUEDEN OBSERVAR Y COMPARAR LA
RELACION QUE SE PRESENTA EN LA PROPAGACION DE GRIETAS EN SUS
DIFERENTES TAMAOS
(Tabla 3)
5. CONCLUSIONES
Se concluye que para condiciones de operacin continua de la
turbina (magnitud de las fuerzas del vapor y velocidad de rotacin)
no se presenta grieta. Sin embargo existen muchas otras causas por
las que se puede presentar una grieta como: discontinuidad
metalrgica, desgaste o variaciones en las condiciones del vapor.
Por lo tanto se tienen que analizar estos fenmenos en trabajos
futuros en anlisis de fractura para obtener un diagnstico ms
completo. Por otro lado en el arranque o paro de la turbina puede
existir inicio de fisuras o hasta fractura como consecuencia de los
altos esfuerzos alternativos por las condiciones de resonancia.
Tambin se determin que el factor de concentracin de esfuerzos a la
fatiga, para determinar el nmero de ciclos del inicio de la grieta,
influye en gran manera. Observndose una gran diferencia en el nmero
de ciclos con pequeos cambios del factor. La fractura de los otros
labes del conjunto se ha producido por los impactos ocasionados por
los trozos desprendidos del primero. El atender una falla como lo
es una propagacin de una grieta en un sistema tan sofisticado como
lo es un labe turbina de gas, puede evitar una elevada cantidad de
riesgos de ruptura, de estropeo de motores y de incidentes fatales.
Gracias a que es posible calcular su tiempo de vida para
reemplazarla o repararla a tiempo. A si mismo al analizar diseos
anteriores, para desarrollar nuevos que sean ms resistentes a las
condiciones a las que se exponga.
BIBLIOGRAFA
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