En una central termoeléctrica de ciclo combinado de 120 MW, la turbobomba multietapa principal de agua de alimentación de caldera experimentó una falla catastrófica con rotura por fatiga de eje en la zona del impulsor de primera etapa tras apenas 1,420 horas de operación continua. Este caso presenta el proceso de Análisis Causa Raíz (RCA), modelado modal de vibraciones y las modificaciones de ingeniería aplicadas para resolver el problema de raíz.
1. Datos Técnicos del Activo y Condiciones Operativas
- Equipo: Bomba multietapa horizontal (10 etapas), accionada por turbina de vapor de 2,400 kW.
- Velocidad de Giro: 2,980 RPM (Frecuencia de giro fundamental 1X = 49.67 Hz).
- Impulsores: 7 álabes en cada impulsor cerrado de acero inoxidable martensítico 13Cr-4Ni.
- Parámetros de Proceso: Presión de succión = 6.2 bar, Presión de descarga = 145 bar, Caudal nominal = 420 m³/h, Temperatura del agua = 162 °C.
2. Análisis Causa Raíz (RCA) y Mecanismos de Falla
| Línea de Investigación | Hallazgo Físico / Metalográfico | Resultado del Diagnóstico |
|---|---|---|
| Metalografía del Eje | Superficie de fractura con marcas de playa (beach marks) iniciadas en el chavetero del impulsor #1. | Rotura por fatiga por flexión rotativa de alto ciclaje (HCF). |
| Inspección de Impulsores | Picaduras en forma de panal de abeja en la cara posterior de los álabes del impulsor de primera etapa. | Cavitación clásica por insuficiencia transitoria de NPSH disponible. |
| Análisis Espectral FFT | Pico masivo de vibración en 348 Hz (amplitud de 16.8 mm/s RMS) modulado por 1X. | Resonancia acústico-estructural: La frecuencia de paso de álabes (BPF = 7 * 49.67 Hz = 347.7 Hz) excitó la 2ª frecuencia natural del conjunto rotor-eje. |
⚠️ Causa Raíz Física: La reducción de carga de la turbina al 60% en horas valle obligó a la bomba a operar a la izquierda de su punto de mejor eficiencia (BEP), incrementando drásticamente el flujo recirculante interno y activando la cavitación y la resonancia a 348 Hz de forma simultánea.
3. Solución de Ingeniería Aplicada
- Instalación de Inductor de Succión: Se añadió un inductor axial previo al primer impulsor, reduciendo el NPSH requerido por la bomba en un 42% (de 8.5 m a 4.9 m).
- Mecanizado de Chaflán Anti-Resonancia en Difusores: Se modificó el ángulo de ataque de los álabes directrices del difusor estatórico para desacoplar el pulso hidráulico BPF de la frecuencia natural del eje.
- Automatización del Lazo de Flujo Mínimo: Se reprogramó la válvula de recirculación automática en el sistema de control DCS para impedir la operación de la bomba por debajo del 70% del caudal BEP.
Resultado Operacional: Tras las modificaciones, la vibración global descendió a 1.45 mm/s RMS (Zona A de ISO 20816-3) y el activo ha operado más de 24,000 horas continuas sin incidentes.
