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ÍNDICE
Resumen……………………………………………………………. 1
Introducción…………………………………………………………. 2
Desarrollo……………………………………………………………. 3
Análisis técnico económico…….……………………………….… 8
Conclusiones…………………………………………………………10
Recomendaciones………………………………………………….. 11
Bibliografía……………………………………………………………12
Anexos……………………………………………………………….. 13
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RESUMEN
La producción de la empresa ACINOX Tunas a principio del mes de marzo del presente año se
vio amenazada seriamente con la avería inesperada de la turbina de expansión que dejó fuera
de servicio la planta de fraccionamiento de aire. El trabajo consistió en la recuperación de la
turbina de expansión a través de tecnologías de diseño, fabricación y recuperación, utilizando
métodos de mentalización, maquinado, mediciones y ajustes que permitieron la recuperación y
fabricación de sellos, rotor, impelente, cubierta, freno, apoyos y holguras importantes que
garantizan la eficiencia y fiabilidad en el funcionamiento de la máquina. También fue
indispensable un dictamen técnico de avería que arrojó la implementación de tareas y
procedimientos para eliminar este tipo de afectación y utilizando tecnologías descritas se consta
con otra turbina que nos facilita el mantenimiento preventivo planificado para evitar paradas
imprevistas.
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INTRODUCCIÓN
La Empresa ACINOX Tunas tiene un promedio productivo mensual de alrededor 8 330 toneladas
de acero en el año en curso, para garantizar esta cifra la acería necesita aproximadamente de
330 000 ltrs de Oxígeno líquido, 20 000 ltrs de Nitrógeno líquido y 4 300 ltrs de Argón líquido
mensualmente según el tipo de acero a producir, estas cantidades de gases criogénicos son
garantizadas por la planta de fraccionamiento de aire de nuestra empresa. El proceso vital de
esta planta se realiza en la turbina de expansión donde se expanden isoentrópicamente 4600
Nm3/h de aire a 13.5 bar, logrando un ∆t = 24 °C girando el rotor a 40 000 rpm. Sin este equipo
no es posible la producción de oxigeno, nitrógeno y argón, gases indispensables para el proceso
de elaboración del acero.
Tras la ocurrencia de la avería de la turbina que dejó fuera de servicio la planta, y constatando la
no existencia de repuestos necesarios para la sustitución en este caso, debido a la fiabilidad
garantizada por el fabricante y teniendo en cuenta además que el tiempo de entrega después de
efectuarse el pago era superior a 3 meses, nos sometimos a realizar trabajos para la
recuperación de la turbina de expansión.
Para lograr la puesta en marcha con la eficiencia deseada se tuvo que trazar metodologías para
la fabricación y recuperación de piezas con especificaciones especiales que garantizaran la
fiabilidad para estos regímenes de trabajo; realizar un dictamen técnico de la avería que arroje la
implementación de tareas y procedimientos para eliminar este tipo de afectación.
Los principales objetivos que se trazaron fueron los siguientes:
ƒ
Recuperación de piezas de especificaciones especiales de la turbina de expansión para
garantizar el funcionamiento, fiabilidad y eficiencia del equipo para lograr un proceso
estable y con volúmenes productivos acordes con los consumidores.
ƒ
Puesta en marcha del equipo para garantizar el restablecimiento de la planta para dar
cumplimiento a los planes productivos y de exportación.
ƒ
Implementación de tareas y procedimientos para eliminar este tipo de afectación.
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DESARROLLO.
•
RECUBRIMIENTOS DE APOYOS CON BABBIT.
Este paso requiere del mayor cuidado en el seguimiento del procedimiento a seguir, ya que el
fallo de los cojinetes trae como consecuencia el deterioro casi espontáneo de los componentes
principales de la máquina, si tenemos en cuenta que el rotor gira a 40 000 rpm.
El metal para casquillos debe tener las siguientes propiedades:
1- Coeficiente de rozamiento con la superficie del acero debe ser pequeño.
2- Las dos superficies de rozamiento deben desgastarse poco.
3- El metal debe soportar las presiones requeridas.
El recubrimiento se lleva a cabo de forma manual, método centrífugo y por presión. En la
reparación de piezas de máquinas, los métodos más utilizados son los dos primeros.
En nuestro caso por la brevedad de tiempo se realizó de forma manual. El orden de trabajo en
el recubrimiento es el siguiente:
1234567-
Limpieza y desengrase.
Eliminación de la capa desgastada de babbit.
Estañadura de los apoyos.
Molde de los apoyos.
Derretido.
Vertido del babbit
Maquinado mecánico de los apoyos recubiertos de babbit.
Limpieza y desengrase
Para eliminar la suciedad y la grasa, los apoyos se sumergen en una disolución de hidróxido de
sodio al 10% a 80°C, después de lo cual se lavan con agua caliente para eliminar los residuos de
hidróxido de sodio.
Eliminación de la capa desgastada de babbit.
La capa desgastada de babbit se elimina mecánicamente por desvastado en un torno horizontal,
luego el casquillo se desengrasa en una disolución hirviente al 10% durante 15 minutos.
Después de esto el casquillo se lava primero en agua caliente (80 a 90°C) y posteriormente con
agua fría corriente, lo cual garantiza la eliminación completa de los residuos de base y jabón en
la superficie.
Estañadura de los apoyos.
La estañadura se convierte en el intermedio entre el babbit y el cuerpo del casquillo, la cual
garantiza una unión firme entre ellos gracias a la interpenetración de un metal en otro (fenómeno
de difusión).
La estañadura se realiza cubriendo la superficie interior del casquillo con fundente y se calienta
entre 200 y 300°C, luego se cubre con una nueva capa de fundente. Después de esto se aplica
estaño formando una capa delgada en la superficie.
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Nota: Si en la superficie estañada se detectan colores amarillos, significa que esta oxidada en
este caso, repetir el estañado.
Molde de los apoyos.
En este caso el moldeo solo requiere de un dispositivo que conforma el macho con su conicidad
y la superficie base que impide la fuga del metal fundido, además de un correcto sellaje (con
cordón de nitrilo) de los orificios de lubricación para evitar el atascamiento del babbit en ellos. El
dispositivo conjuntamente con el casquillo, antes de ser cubierto se calienta con la antorcha; la
temperatura de calentamiento del dispositivo es de 150 a 200°C y para el casquillo de 250 a
270°C.
Derretido.
El babbit se funde en un crisol de acero inoxidable limpio de escorias y calentado inicialmente,
después de esto, en el crisol se sumergen pedazos de babbit y se eleva la temperatura hasta
valores de 440 a 470°C (temperatura de vertido) mediante la antorcha sin que la llama haga
contacto con el babbit, ya que se produce su oxidación, combustionándose fácilmente el estaño
contenido en él y produciendo el ensuciamiento de babbit fundido, al mismo tiempo el babbit se
revuelve para disminuir el peligro de separación de sus componentes.
Nota: El babbit regularmente se refina con cloruro de amonio (sal de amonio).
Vertido del babbit
Con el crisol que cuyo volumen tiene la capacidad suficiente para cubrir la pieza de una sola vez,
se vierte el babbit en el molde.
El chorro de babbit fundido, orientado hacia la holgura entre el vástago y el cojinete a cubrir debe
ser corto, constante y con una sección grande. Antes de terminar el vertido, la velocidad del
choro disminuye para garantizar que no se introduzca aire por la turbulencia del metal líquido. El
casquillo no se desmonta del dispositivo hasta el completo endurecimiento del babbit.
Maquinado mecánico de los apoyos recubiertos de babbit.
El maquinado de la capa vertida se realiza en el torno con una cuchilla afilada (ángulo delantero
γ=25 a 40°, ángulo trasero α=8 a 10°) y apoyándonos en el plano 001 (Anexo #1)
El cojinete es necesario montarlo en un dispositivo para poder lograr los requisitos
dimensionales y de forma, los canales de lubricación se elaboran en el mismo torno con ayuda
del carro porta cuchillas, ya que estos canales son paralelos al eje del cojinete. Después de
elaborar la superficie interior del cojinete se rectifican las superficies frontales para eliminar los
errores de perpendicularidad entre estas y el eje del cojinete.
•
RECUPERACION DEL ÁRBOL.
Rectificado de la superficie del árbol que conforma el sello laberíntico.
Rectificado de la superficie que absorbe los empujes axiales.
Ver plano 002 (Anexo #2)
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•
RECUPERACIÓN DE LOS SELLOS LABERÍNTICOS.
Diseño de los sellos laberínticos.
Fabricación del sello de aceite. Ver plano 003 (Anexo #3)
Fabricación del inserto para la base de recuperación. Ver plano 004 (Anexo).
Montaje del inserto y maquinado del laberinto de aire.
•
RECUPERACIÓN DEL IMPELENTE.
Rectificado manual de las aristas de los alabes.
Nota: Objetivo fundamental para atenuar fricción que atenta seriamente la reversibilidad
adiabática (proceso isoentrópico).
•
RESTABLECER EFICIENCIA DE LA MÁQUINA.
Investigación de holguras impelente-cubierta, normadas para este tipo de máquina.
Diseño de la nueva cubierta. Ver plano 005 (Anexo #4)
Fabricación del inserto para la base de recuperación.
Montaje del inserto, maquinado y pulido de la cubierta.
Nota: Pulido, objetivo fundamental para atenuar fricción que atenta seriamente la reversibilidad
adiabática (proceso isoentrópico).
•
ENSAMBLE DEL EQUIPO.
Investigación de holguras y ajuste que garanticen la fiabilidad en el funcionamiento del equipo y
luego el ensamble del equipo en un local a 20°c para garantizar fiabilidad en las mediciones.
•
PUESTA EN MARCHA.
Se tomaron todas las precauciones operacionales así como el chequeo de la presión de aceite
(8 bar), presión del gas de sello y temperaturas de trabajo. Se fueron aumentando las rpm
paulatinamente hasta lograr las 40 000, al estabilizarse todos los parámetros de la planta, en la
turbina se logro un ∆t = 23 °C valor satisfactorio para el proceso.
•
DICTAMEN TÉCNICO.
Existen dos causas que pudieron haber provocado el fallo de la máquina:
1- Alta temperatura del agua en el circuito de enfriamiento con que trabajó alrededor de 4
años la planta que provoca una caída brusca de la viscosidad del aceite y por ende un
desgaste progresivo de los apoyos.
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2- Pase de la válvula que está entre el intercambiador principal y la entrada de la turbina, en
este intercambiador el aire se preenfría a una temperatura aproximada de -165Cº, este
pase es altamente peligroso en una parada de emergencia o afectación de la energía
eléctrica, ya que al no haber flujo de aire el mismo se condensa bajando por gravedad a la
voluta del equipo, pasando el frío al cojinete más cercano congelándose el lubricante. Al
arrancar la turbina en dichas condiciones provoca la avería instantánea del cojinete.
Téngase en cuenta que la sonda de temperatura indica la temperatura del aceite y no la
temperatura real del cojinete.
El congelamiento del aceite en los cojinetes se ve favorecido si tenemos en cuenta que el
gas de sello esta conectado del aire instrumental de la planta, el cual se verá afectado con
un fallo de energía eléctrica.
Acciones correctivas
1. La causa #1 está solucionada con la independización del sistema de enfriamiento de la
planta del de la acería.
2. El gas de sello que se alimenta del aire instrumental de la planta, alimentarlo del
recipiente de nitrógeno y precalentarlo en el horno antes de realizar su función como gas
de sello.
3. En el próximo mantenimiento planificado de la planta reparar válvula de entrada.
4. Mejora de insulación de la caja fría.
5. Cambio de posición de la purga de la voluta.
6. Cambio de válvula de la purga de voluta.
7. Recuperar otra turbina de expansión para utilizarla como recambio de mantenimiento.
Nota: Para lograr la recuperación de la otra turbina fue necesaria la fabricación completa de
sus componentes más importantes ya que solo se pudo recuperar el impelente y la carcaza.
Implementación Operacional
En caso de que se produzca un corte de corriente u otro tipo de interrupción en la planta.
1. Abrir la purga de voluta para evacuar el posible condensado.
2. Descongelar con agua la parte exterior del equipo.
3. Antes de arrancar se debe dar calentamiento al equipo.
4. Cerciorarse que el rotor gira libremente destapando la parte trasera de la turbina y
girándolo con la mano utilizando el dispositivo extractor.
5. Puesta en marcha de la turbina según técnica operacional de la planta.
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Implementación del mantenimiento:
Al tener otra turbina de recambio recuperada en nuestra entidad se implemento las siguientes
tareas.
1- Reducir el período de servicio técnico a 360 horas.
2- Cambio de la turbina cada 4300 horas. (Hacer coincidir con el mantenimiento general de
la planta.)
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Análisis técnico económico.
Al efectuar la recuperación satisfactoria de la turbina se ha logrado una producción desde el
mes de Marzo hasta Agosto de 49 616.224 Ton, facturándose un total de 15 199864.76 CUC
y 3 069009.04 MN.
Mes
Prod (Ton)
Facturado
(CUC)
Facturado
(MN)
Marzo
Abril
8076.761
8267.744
2973301.95
1970697.02
284239.97
657831.54
Mayo
Junio
Julio
Agosto
8923.529
8045.034
8095.370
8207.786
2554655.41
2252401.25
1383932.99
4064876.14
779434.25
480387.91
743651.48
123463.89
TOTAL
49616.224
15199864.76
3069009.04
En caso contrario (no recuperar la turbina), la continuidad productiva de ACINOX Tunas se
hubiera afectado seriamente, con un mínimo de volumen productivo, incremento de la ficha
de costo referente a los gases y un aumento considerable del consumo de energía eléctrica.
Al ocurrir la avería en la Turbina de Expansión se debía decidir entre las siguientes
alternativas:
ALTERNATIVA # 1
Prolongar la parada de la planta de fraccionamiento de aire al decidir importar los repuestos
necesarios para la puesta en marcha del equipo y adquirir los volúmenes necesarios de N2,
O2 y Ar para el proceso productivo.
COSTO ALTERNATIVA 1:
C1 (cuc) = Costo Comprar Gases + Costo Comprar Repuestos y Asistencia Técnica.
C1 (cuc) = 691 046.3 CUC + 153 552.63 CUC
C1 (cuc) = 844 598.93 CUC
C1 (mn) = 13 852.47.98 MN
ALTERNATIVA # 2
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Recuperación de la turbina por parte del personal de la entidad y puesta en marcha del
equipo con la eficiencia requerida por la planta.
COSTO ALTERNATIVA 2:
C2 (cuc) = Costo Producción Gases + Costo Recuperación.
C2 (cuc) = 241 961.35 CUC + 358.6 CUC
C2 (cuc) = 242 319.95 CUC
C2 (mn) = 7 359.10 MN
Comparando la alternativa #1 y la #2:
Ahorro = C1 – C2
Ahorro (cuc) = 602 278.98 CUC
Ahorro (mn) = 9 947.57 MN.
Entonces tenemos un ahorro por concepto costos de gases y repuestos de 602 278.98 CUC
y 9 947.57MN.
Debemos aclarar que en la alternativa #1 que plantea mantener la producción de acero
comprando las cantidades necesarias de gases, en la práctica la compra de oxígeno líquido
sería la ruta crítica ya que se necesitarían aproximadamente 330 000 ltrs de oxígeno líquido
mensualmente para mantener el régimen productivo de acero lo cual en las circunstancias
actuales se hace muy difícil por disponibilidad y transportación a tiempo. Por lo que
literalmente se puede decir que la producción a partir del mes de marzo se pudo afectar
seriamente.
Si se mantiene el consumo de 40 litros de oxígeno líquido (34.88 NM3 gas) por tonelada de
acero terminado (depende del la marca de acero) y suponiendo una mínima afectación del
10% de disponibilidad de oxígeno podemos decir que la empresa hubiera dejado de producir
en estos 6 meses 5 193.8 ton de producto terminado que equivale a dejar de facturar
1 591 113.78 CUC y 321 262.24 NM.
Específicamente en el horno de arco eléctrico se utiliza el oxígeno para la oxidación del
carbono en el baño metálico, esta reacción es altamente exotérmica disminuyendo
considerablemente el consumo de energía eléctrica en la fundición del metal, este valor está
en los 4 Kwh de energía eléctrica que se dejan de consumir por cada metro cúbico de
oxígeno gas insuflado.
En la actualidad se trabaja con un consumo de insuflado de 19 NM3/ton logrando 478 kWh
de consumo de energía eléctrica por tonelada en el horno, por baja disponibilidad de
oxígeno se tendría que trabajar en 15 NM3/ton que es el valor mínimo histórico factible, el
consumo de energía eléctrica se incrementaría en 16 kWh/ton que equivale a un ahorro
energético de 793 859.84 kWh en el período de los 6 meses analizados.
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CONCLUSIONES
ƒ
Se logró mantener el proceso productivo alcanzando 49 616.224 toneladas de producto
terminado desde el mes de marzo hasta el mes de agosto con las mínimas afectaciones
por este efecto.
ƒ
Se logró un ahorro energético de 793 859.84 kWh en el período de los 6 meses
analizados por concepto de disponibilidad de oxígeno en el horno.
ƒ
Se recuperó la Turbina de Expansión garantizando los parámetros estables de los tres
gases lo que permitió que no se incrementara la ficha de costo por este concepto.
ƒ
Se logró la puesta en marcha del equipo en menos de 24 horas sin la asistencia técnica
extranjera ahorrando 16 500 euros. (Ver oferta en anexo # 7)
ƒ
Se perfeccionó la técnica operativa del equipo con las recomendaciones derivadas del
Dictamen de Avería.
ƒ
Con la tecnología desarrollada se logró una turbina de repuesto, lo que facilitará el
mantenimiento preventivo planificado.
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RECOMENDACIONES
ƒ
Adquirir equipos de diagnóstico para facilitar lograr el mantenimiento predictivo de
equipos.
ƒ
Ejecutar y Controlar las acciones correctivas del análisis de la avería ocurrida.
ƒ
Mantener una turbina de repuesto para lograr el mantenimiento preventivo planificado.
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BIBLIOGRAFIA.
1:-GULIÁEV, A. P. Metalografía Tomo II. – Ed Mir Moscú.
2:- JUDIJ, M.I. Preparación y montaje de equipos de la Industria. – Ed Pueblo y
Educación.
3:- SCHEGLIÁIEV, A.V. Turbinas de Vapor. – Ed Mir Moscú.
4:- FERNÁNDEZ DE LA SIERRA, CARLOS. Problemas Propuestos y Resueltos de
Turbinas de Vapor. – Ed Pueblo y Educación.
5:- HERNÁNDEZ SARDIÑAS, FAUSTO DEL C. Metrología dimensional.-Ed IPSJAE.
6:- PRZYBYLSKI, JOSEF. Dispositivos Especiales para el Maquinado. – Ed Pueblo y
Educación.
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ANEXOS
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