Desafíos de la válvula de derivación de turbina

May 14, 2023

Las válvulas de derivación de turbina son una de las aplicaciones más difíciles en una planta de energía. Mantener estas válvulas funcionando de manera eficiente y evitar fallas inesperadas es fundamental para el funcionamiento de la planta.

Cuando se pide a los ingenieros que enumeren las aplicaciones de válvulas de control más difíciles, invariablemente se mencionan las válvulas de derivación de turbina. Los ciclos térmicos frecuentes, las altas caídas de presión y la necesidad de un cierre hermético llevan estas válvulas al límite. Desafortunadamente, muchas plantas tienden a ignorar estas válvulas hasta que fallan, lo que genera interrupciones no planificadas, pérdida de producción y altos costos de mantenimiento reactivo. Este artículo proporciona métodos de inspección sugeridos para anticipar y mitigar problemas de antemano, y ofrece alternativas de actualización en caso de que sea necesario reparar o reemplazar una válvula.

Las válvulas de control de servicio severo se utilizan en las instalaciones más difíciles dentro de las plantas de proceso. Estas instalaciones comúnmente incluyen medios cavitantes, erosivos, corrosivos, ruidosos, de alta presión, alta temperatura, alta caída de presión o alta velocidad. Las válvulas de derivación de turbina están expuestas a muchas de estas condiciones de proceso; sin embargo, deben responder a la perfección y permanecer libres de fugas cuando están cerrados.

Como sugiere su nombre, las válvulas de derivación de turbina se utilizan para derivar las turbinas de vapor durante el arranque y el apagado de la planta, así como cuando una turbina se desconecta (Figura 1). En operación normal las válvulas están completamente cerradas, forzando todo el vapor a través de una turbina. Durante el arranque, las válvulas de derivación desvían el vapor de la turbina hasta que las propiedades y las condiciones del vapor sean adecuadas para enviarlo a la turbina. Este proceso ocurre a la inversa en el apagado. El uso de válvulas de derivación en el arranque y el apagado ayuda a proteger la turbina al desviar el vapor potencialmente húmedo y al garantizar que solo las condiciones y los flujos de vapor adecuados lleguen a la turbina.

1. Según el diseño de la planta de energía, se pueden emplear varias válvulas de derivación de turbina para desviar instantáneamente el vapor alrededor de una turbina en caso de que se desconecte. Cortesía: Emerson

En caso de que se dispare una turbina, el vapor debe continuar fluyendo para evitar daños en el equipo debido a la sobrepresión y la alta temperatura, por lo que la válvula de derivación de la turbina se abre inmediatamente para mantener el flujo a través del sistema.

Mientras opera, una turbina usa vapor para realizar el trabajo, reduciendo la temperatura y la presión del vapor de salida. Cuando se abre la válvula de derivación de una turbina, bajará la presión, pero el vapor de salida permanecerá bastante sobrecalentado, lo que podría destruir el equipo aguas abajo. Para evitar esa situación, las válvulas de derivación de la turbina incorporan un sistema de inyección de agua en el cuerpo de la válvula o emplean un atemperador de inyección de agua separado aguas abajo, en cualquier caso para reducir la temperatura del vapor de salida.

Como resultado, las válvulas de derivación de turbina enfrentan una tormenta perfecta de condiciones de servicio severas. Mientras la planta está en funcionamiento, estas válvulas deben permanecer bien cerradas para evitar el desperdicio de energía. Cuando ocurre un disparo de turbina, las válvulas de derivación deben responder de inmediato, exponiéndolas a cambios rápidos de temperatura y requiriendo que pasen flujos muy altos a caídas de presión altas, creando un alto nivel de ruido y vibraciones potencialmente extremas.

Dado el servicio de castigo, la realidad es que prácticamente todas las válvulas de derivación de turbinas finalmente fallarán de alguna manera. Desafortunadamente, muchas de estas válvulas están instaladas en lugares de difícil acceso, generalmente están soldadas en su lugar y tienden a estar fuertemente aisladas. Como resultado, a menudo se ignoran hasta que los problemas comienzan a surgir. La fuga de vapor a través de la válvula suele ser el primer síntoma que se nota, pero pueden ocurrir daños mucho más significativos y potencialmente peligrosos.

Las caídas de presión extremas generan invariablemente un alto nivel de ruido y alta vibración. Con el tiempo, estas vibraciones, junto con los frecuentes cambios de temperatura, fatigan el metal de la válvula, las conexiones de agua y la tubería misma (Figura 2). Tal fatiga del metal puede resultar en una falla catastrófica bajo presión.

2. Con el tiempo, las altas vibraciones y el choque térmico que experimentan las válvulas de derivación de turbina fatigarán el metal y crearán grietas tanto en la válvula como en la tubería circundante. Cortesía: Emerson

Para evitar este problema, cada válvula de derivación de turbina y su tubería asociada deben inspeccionarse de forma rutinaria. Debe emplearse periódicamente algún tipo de examen no destructivo para detectar problemas de fatiga del metal que pueden estar desarrollándose pero que aún no son visualmente evidentes. Si una planta carece del conocimiento o el equipo para realizar estas inspecciones, se puede utilizar al proveedor de la válvula o al representante autorizado para realizar los servicios de verificación del estado del bypass de la turbina (Figura 3).

3. Se recomienda encarecidamente una verificación de rutina de la válvula de derivación de la turbina y una inspección completa. La fatiga del metal puede desarrollarse en varias soldaduras ubicadas en la válvula misma y en las tuberías de entrada, salida y suministro de agua (áreas marcadas con un círculo). Cortesía: Emerson

Las soldaduras de fabricación en el cuerpo y el colector de agua, las soldaduras de conexión del cliente, las soldaduras del difusor y las tuberías circundantes se pueden inspeccionar para identificar cualquier problema en desarrollo antes de que el equipo se vea comprometido. Las boquillas de inyección de agua y los atemperadores deben inspeccionarse y mantenerse adecuadamente para evitar problemas relacionados con el enfriamiento y el agrietamiento.

También existen amenazas para los componentes de las molduras, como la erosión de la superficie del asiento. Una expresión común de tal erosión, específicamente en el tapón, a menudo se denomina "diente de engranaje". Esto ocurre más comúnmente en las válvulas de flujo descendente, donde el vapor se acelera a través de los orificios de la jaula y luego golpea directamente el área del asiento/corte, lo que provoca un desgaste excesivo y reduce la vida útil. Con el tiempo, este vapor de alta velocidad, que puede contener agua durante las condiciones de arranque y magnetita durante cualquier condición, erosionará y dañará el asiento y los internos de la válvula (Figura 4).

4. Los diseños de cuerpo de válvula de flujo descendente son propensos a sufrir daños por recorte cuando el vapor húmedo y erosivo pasa a través de la jaula e impacta en el asiento. Cortesía: Emerson

Los artículos de mantenimiento comunes, como los artículos blandos y las boquillas de rociado, generalmente se pueden reemplazar con relativa facilidad y a un costo mínimo. Los componentes internos que deben reemplazarse debido a un gran desgaste, como los dientes de los engranajes, pueden ser bastante costosos, especialmente si es necesario acelerar su entrega. El peor de los casos para una válvula de derivación de turbina es la fatiga del metal que se desarrolla en el cuerpo de la válvula o el difusor, con procedimientos de reparación extremos, o incluso se requiere un reemplazo completo de la válvula.

Muchas de las válvulas de derivación de turbina actualmente en servicio se instalaron durante el apogeo de la construcción de plantas de ciclo combinado de 1998 a 2004. La mayoría de esas válvulas y sistemas de tuberías están mostrando su edad y, a menudo, tienen signos significativos de fatiga del metal. A otros les queda mucha vida, pero podrían beneficiarse de las actualizaciones tecnológicas. La tecnología y las prácticas han mejorado, y la actualización a la última tecnología de sellado podría inyectar nueva vida a la válvula.

Otro ejemplo de actualización de tecnología es cuando ha habido fallas repetidas con un difusor soldado. En este caso, un difusor de asiento extraíble dos en uno reducirá el mantenimiento requerido.

Si se debe reemplazar una válvula de derivación de turbina, se recomienda encarecidamente al personal de la planta que mire más allá de un reemplazo directo y evalúe posibles mejoras. Un elemento particularmente importante a considerar cuando se buscan oportunidades de reemplazo y mejora es la orientación de la válvula.

Válvulas de Flujo Hacia Abajo con Actuadores Horizontales. Históricamente, la mayoría de las válvulas de derivación de turbina empleaban un diseño de ajuste de flujo descendente combinado con un actuador horizontal (Figura 5, izquierda). Esta disposición es ideal para ubicaciones con poco espacio libre superior y coloca el actuador más cerca de la plataforma o el suelo para facilitar el acceso, pero crea una serie de problemas operativos a largo plazo. La gravedad tiende a provocar un desgaste mayor y desigual de los componentes internos, y el actuador de montaje lateral es propenso a tener problemas de respuesta.

5. Las válvulas de flujo descendente con actuadores horizontales (izquierda) fueron la principal opción hace algunas décadas para las válvulas de derivación de turbinas. Los nuevos diseños de válvulas de flujo ascendente (derecha) se pueden instalar sin modificaciones de tubería en la mayoría de los casos, lo que proporciona una vida útil más prolongada y un rendimiento mejorado. Cortesía: Emerson

Válvulas de Flujo Hacia Abajo con Actuadores Verticales. Una opción superior para el flujo descendente es el montaje vertical del actuador. Esta disposición da como resultado un desgaste reducido y más uniforme, carreras más largas entre interrupciones de mantenimiento y una mejor respuesta del actuador. El desafío con esta orientación es que las oportunidades de reemplazo son típicamente para actuadores montados horizontalmente, y los dos diseños no son fácilmente intercambiables sin modificaciones significativas en las tuberías.

Válvulas de derivación de turbina de flujo ascendente . Cuando hay suficiente espacio superior disponible con los diseños de flujo descendente del actuador horizontal existentes, un diseño de flujo ascendente puede cumplir fácilmente con los requisitos cara a cara existentes de la válvula anterior, al tiempo que reduce parte del desgaste común en los diseños de flujo descendente con un actuador horizontal. como el dentado de engranajes. Debido a que los internos simplemente cambian de flujo descendente a flujo ascendente, este cambio se puede realizar sin modificar las tuberías existentes.

Las válvulas de flujo ascendente (Figura 5, derecha) prolongan significativamente la vida útil del asiento y los internos porque el vapor se mueve con relativa lentitud a medida que pasa sobre el obturador y el asiento (Figura 6). A medida que el vapor se mueve a través de los pequeños orificios de la jaula, acelera significativamente, pero esa energía se disipa en la cavidad del cuerpo grande de la válvula en lugar de golpear la superficie de asiento.

6. Las válvulas que fluyen hacia abajo someten el asiento a vapor erosivo de alta velocidad. Las velocidades del vapor que fluye hacia arriba son mucho más bajas porque pasan sobre el asiento y se aceleran más tarde a medida que el vapor se mueve a través de los pequeños orificios de la moldura, lo que prolonga en gran medida la vida útil de la moldura. Cortesía: Emerson

Observe cómo la configuración de flujo ascendente (Figura 7) ciertamente muestra erosión, pero en comparación con la configuración de flujo descendente que se muestra arriba (Figura 4 derecha), la superficie de asiento en el anillo del asiento y el tapón permanecen relativamente intactos, lo que permite que la válvula se cierre. completamente, el modo requerido en operación normal.

7. Estas imágenes de internos de flujo ascendente muestran claramente el impacto erosivo del vapor a alta velocidad, pero a diferencia del daño del interno de flujo descendente que se muestra anteriormente, esta válvula no presenta daños en la superficie de asiento y aún puede cerrarse herméticamente. Cortesía: Emerson

El diseño de estilo de válvula de flujo ascendente aún brinda la misma capacidad de respuesta de control y flujo, pero la nueva disposición de flujo extiende drásticamente la vida útil de los sellos, el asiento y las partes internas de la válvula.

Las válvulas de derivación de turbina son piezas de equipo de ingeniería altamente especializadas que deben especificarse, instalarse y mantenerse cuidadosamente. Por lo tanto, es aconsejable ser proactivo y comunicarse con expertos de confianza antes de la compra, ya que pueden ayudarlo con el tamaño y las especificaciones de la válvula en función de las condiciones de funcionamiento específicas.

Para las instalaciones existentes en las que las fallas no planificadas de la válvula de derivación de la turbina están afectando su instalación, o si ha pasado algún tiempo desde que las válvulas de derivación de la turbina de la planta se inspeccionaron por completo, sería conveniente consultar a su proveedor de válvulas de derivación de la turbina para obtener ayuda y soporte.

Muchos de estos proveedores ofrecen servicios completos de inspección y control de estado para identificar las áreas donde se están desarrollando la fatiga del metal y el agrietamiento por tensión. Idealmente, la válvula se puede reparar, pero si se justifica el reemplazo de la válvula, el proveedor también puede brindar orientación para evaluar los estilos de diseño de la válvula de derivación y elegir la mejor opción para la aplicación específica.

—Chris rodandoes ingeniero de producto en el grupo de acondicionamiento de vapor de Emerson.

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