Hoy abordamos dos términos: Indicaciones (Indications) y Velocidad Continua Máxima (Maximum Continuous Speed).

Indicaciones (Indications)

Las prueba no destructivas (NDT) son cruciales para evaluar el equipo rotativo debido a su capacidad para detectar defectos sin causar daño al equipo.

El equipo rotativo, como turbinas, bombas, compresores y generadores, opera bajo alta tensión y en entornos exigentes. Garantizar su integridad y fiabilidad es esencial para prevenir fallas costosas, tiempos de inactividad no planificados y riesgos para la seguridad.

Existen dos organizaciones, la Sociedad Americana de Pruebas No Destructivas (ASNT) y la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM), que contribuyen con autoridad sobre los métodos, procedimientos e interpretación de los hallazgos durante las pruebas no destructivas.

Uno de los documentos creados por la ASTM es una referencia normativa del API 687. Este es el ASTM E1316, Terminología Estándar para Pruebas No Destructivas, y como su nombre sugiere, contiene casi 600 términos, estableciendo el lenguaje utilizado en las prácticas de NDT.

Hallazgos interesantes encontrados durante las pruebas no destructivas se llaman indicaciones.

Más formalmente, una indicación es: una respuesta o evidencia obtenida de un ensayo no destructivo.

Una indicación sugiere la presencia de una discontinuidad o imperfección en el material que se está examinando. Una indicación representa la detección inicial de un posible defecto que necesita ser analizado más a fondo para determinar su relevancia y severidad.

Veamos un ejemplo. Tomemos un impulsor o rodete que fue fabricado mediante el fresado de las paletas a la placa de cubierta y luego soldado en filete a la placa posterior.

Centrémonos en el diámetro exterior de la descarga del impulsor.

A menudo, se pueden detectar visualmente líneas tenues, discontinuidades, grietas e indicaciones.

Si el impulsor fuera magnético, podríamos realizar una inspección con partículas magnéticas húmedas (wet mag).

Nos adentraremos en la belleza y ciencia de Wet Mag cuando lleguemos a ese capítulo.

Pero por ahora, deben saber que durante una inspección de partículas magnéticas húmedas, las partículas fluorescentes se depositan en cualquier lugar donde haya una discontinuidad en la superficie.

Bajo la luz ultravioleta, se vuelve muy fácil ver esas partículas.

¡Entonces, ahora hemos encontrado una indicación! Una indicación de una posible imperfección y un potencial defecto que debe ser evaluado más a fondo.

El ASTM E1316, junto con sus cientos de términos, también describe los pasos que deben seguirse durante las pruebas no destructivas.

Primero, la prueba debe ser realizada cuidadosamente por un inspector capacitado y certificado.

En segundo lugar, durante las pruebas, se harán observaciones y se pueden detectar indicaciones.

En tercer lugar, el inspector capacitado y certificado determinará si las indicaciones son reales. A veces, los ensayos pueden dar falsos positivos, cosas que parecen indicaciones, pero resultan ser la influencia de otros factores y no defectos reales.

Por último, un ingeniero evaluará el impacto de la indicación.

Para una evaluación completa, se necesita la siguiente información:

• Ubicación, tamaño y profundidad de la indicación.

• Material de la pieza y condición del tratamiento térmico (por ejemplo, qué dureza, cuán dúctil, qué resistencia a la tracción tiene).

• Condiciones de operación (por ejemplo, velocidad de funcionamiento, fluido de trabajo, etc.).

• Historial de reparaciones y operación (por ejemplo, ¿se detectaron estas indicaciones antes? ¿hubo alguna perturbación en las condiciones de operación?).

La conclusión es que detectar una indicación es solo el comienzo. Luego debe determinarse si es relevante o real, así como el impacto que tiene en la forma y función de la pieza.

• Las indicaciones no siempre significan que hay grietas.

• Las indicaciones relevantes no siempre significan que la pieza no es apta para ponerla en servicio.

• Los ingenieros deben evaluar una indicación relevante para determinar si es aceptable o no.

Otra forma de decirlo, si estuvieras varado en una isla y tuvieras que sobrevivir realizando NDT en una turbina de vapor, recuerda este acrónimo: “No quiero morir” (I don’t want to DIE”).

Detecta

Interpreta

Evalúa

Pasemos al siguiente término.

Velocidad Continua Máxima (Maximum Continuous Speed)

Este es uno de los primeros términos que aprendí, ya que se usa muy a menudo en el contexto de las reparaciones de rotores.

La Velocidad Continua Máxima (MCS) se refiere a la velocidad más alta a la que una máquina, como una bomba, compresor o turbina, puede operar continuamente sin exceder sus límites de diseño en términos de integridad mecánica, vibración, temperatura y desgaste.

A veces escucho que este término se define como Velocidad Continua Máxima de Operación (MCOS). En ingles, el acrónimo suena mejor al añadir esa vocal.

No todas las máquinas operan a la MCS o MCOS todo el tiempo. Los equipos de proceso, como las turbinas de vapor de accionamiento mecánico, compresores o bombas, a menudo funcionan dentro de un rango de velocidades, pero técnicamente nunca deberían exceder la MCS.

Operar más allá de la MCS puede llevar a un mayor riesgo de fallos, una vida útil reducida y posibles riesgos de seguridad.

En contraste, las turbinas de vapor para generación de energía, las turbinas de gas de eje único y las turbinas de potencia funcionan a una velocidad fija determinada por la frecuencia de línea del generador que están impulsando.

En el contexto de las reparaciones, la MCS es relevante porque se utiliza en muchas situaciones:

• Determinar la tolerancia de balanceo a baja velocidad

• Evaluar el ajuste por interferencia de cualquier componente instalado, como impulsores, discos, mangas, etc.

• Determinar la velocidad de prueba (Spin test) de giro para probar impulsores que han sido reparados.

• Determinar la velocidad de balanceo "a velocidad" utilizada para el balanceo a alta velocidad.

• Analizar o realizar simulaciones estructurales de componentes bajo carga centrífuga, por ejemplo:

  • Evaluar la distribución de esfuerzos o rediseño de la raíz de un alabe

  • Evaluar la geometría del remachado de un alabe de una turbina de vapor al ser remplazadas

  • Evaluar los medios para cerrar y bloquear las palas en un rotor

  • Evaluar el impacto de cualquier indicación detectada en un componente rotativo

  • Calcular las tensiones y esfuerzos en el eje de un impulsor o rodete

Como pueden ver, realmente no se puede evaluar la condición de un rotor sin conocer la velocidad continua máxima.

La MCS debe ser comunicada por los dueños del equipo a quienes vayan a realizar las inspecciones y el trabajo de reparación.

Debe confirmarse que es la velocidad más reciente o actual, ya que las máquinas podrían haber sido repotenciadas.

Y nunca se puede asumir que la MCS de un equipo similar, de la misma marca o modelo, sea idéntica a la de otro.

El impacto de usar una MCS incorrecta podría ser catastrófico. Si se utiliza una velocidad más baja, decisiones como la selección del material podrían resultar en un rendimiento inferior. Si se utiliza una velocidad más alta, las partes pueden ser sobre aceleradas durante el proceso de reparación si se realizan pruebas a velocidad (Spin test).

Es importante saber que, en componentes o partes rotativas, las tensiones inducidas por las fuerzas centrífugas son proporcionales al cuadrado de la velocidad.

Esta relación se debe al hecho de que la fuerza centrífuga (Fc) que actúa sobre una masa (m) a un radio (r) del eje de rotación se da por:

Donde ω es la velocidad angular. Esto muestra cómo las tensiones aumentan significativamente con incrementos en la velocidad de rotación.

¡Tenemos nuestra primera ecuación seria! Y, también tenemos la suerte que en el Sistema Internacional no tenemos cosas ambiguas como se tiene en el sistema que se usa en EEUU.

Usar el Sistema Internacional de Unidades (SI) en lugar de las unidades de medida estadounidenses ofrece varios beneficios:

Estandarización Global: El SI es el sistema aceptado globalmente, lo que facilita la colaboración y comunicación internacional.

Simplicidad: Las unidades del SI se basan en el sistema decimal, lo que hace que los cálculos y conversiones sean sencillos.

Coherencia: Las unidades del SI están estructuradas lógicamente, con relaciones consistentes entre las unidades (por ejemplo, 1 litro = 1 decímetro cúbico).

Facilidad de Uso en Ciencia e Ingeniería: Las unidades del SI se utilizan ampliamente en la investigación científica y la ingeniería, asegurando consistencia y precisión en las mediciones y la documentación.

Uniformidad Educativa: Las unidades del SI se enseñan universalmente, simplificando la educación y reduciendo la confusión.

En general, las unidades del SI promueven la eficiencia, precisión y compatibilidad global.

Regresando al tema, en la ecuación anterior:

Fc es la fuerza centrífuga (medida en newtons, N)

m es la masa (medida en kilogramos, kg)

r es el radio (medido en metros, m)

ω es la velocidad angular (medida en radianes por segundo, rad/s)

Imaginen que tienen que reemplazar los alabes de una etapa de una turbina de vapor y ahora deben colocar un nuevo bloqueo para cerrar la etapa y mantener las piezas en su lugar.

La pieza de cierre pesa 100 gramos. El radio de carga es de 16 pulgadas. La MCS es de 8,000 RPM.

Realizando cuidadosamente nuestros cálculos y teniendo en cuenta nuestras unidades, la fuerza centrífuga resultante que tira del bloqueo es:

Masa m: 100 gramos = 0.1 kilogramos

Radio r: 16 pulgadas = 0.4064 metros

Velocidad angular ω: 8000 RPM o 838 rad/sec

La Fuerza Centrifuga FC= 28,090 N

Si se nos diera una MCS incorrecta por un factor, digamos 500 RPM más alta o más baja, los resultados se ilustran en el gráfico a continuación.

Podríamos estar tomando decisiones considerando una fuerza menor en 3,400 N o mayor en 3,619 N.

Si la velocidad se diera incorrectamente por un factor de aproximadamente 1.414 más alto, la fuerza sería el doble (1.414 o √2, uno de mis números favoritos).

Para finalizar esta definición, los dejo con una imagen de una situación de la vida real para que puedan apreciar plenamente el impacto de lo que puede suceder si uno no utiliza la MCS correcta.

Hay algo que falta en esta imagen.