Dando una segunda vida a un compresor centrífugo reacondicionado

Por Andrea Fusi, Andrea Betti y Emanuele Burberi07 marzo 2022

Durante la vida útil de los compresores centrífugos, los usuarios finales y las empresas de servicios a menudo experimentan una reducción del rendimiento, así como el deterioro/mal funcionamiento de los componentes, o incluso tienen que enfrentarse a la necesidad de volver a clasificar la máquina en las nuevas condiciones de funcionamiento solicitadas. Obviamente, siempre que sea posible, es fundamental evitar un reemplazo de máquina inútil, costoso y lento. Por lo tanto, es crucial explotar las oportunidades cada vez mayores disponibles en la restauración/reclasificación de compresores centrífugos viejos para darles una segunda vida eficiente.

Varias tecnologías innovadoras desarrolladas en las últimas décadas permiten llevar a cabo actividades de rehabilitación que hace un tiempo no eran viables. Las nuevas tecnologías de fabricación junto con el desarrollo de materiales innovadores con propiedades mecánicas mejoradas permiten hoy en día seguir superando los límites técnicos anteriores para la aplicación industrial. Además, las herramientas avanzadas recientes para la adquisición de geometría (por ejemplo, escaneo 3D) permiten investigar posibles daños, defectos y otros detalles geométricos que de otro modo no se detectarían. Eventualmente, la creciente precisión y confiabilidad de las herramientas de simulación modernas, como CFD, FEA y análisis de dinámica de rotor (lateral y torsional), permiten realizar investigaciones más precisas de los fenómenos físicos que causan los problemas que pueden experimentarse.

El objetivo principal de este documento es difundir el conocimiento de tales innovaciones y permitir que los usuarios finales, las empresas de servicios y todas las personas involucradas en las plantas de procesos industriales conozcan algunas de las innumerables oportunidades que las nuevas tecnologías han creado en el campo del servicio de compresores centrífugos. y actualizaciones. Entre las diversas actividades de reacondicionamiento/reclasificación realizadas por Compression Service Technology–CST en los últimos años en turbomaquinaria, en este artículo se describen dos casos de éxito que muestran cómo se pueden resolver con éxito problemas de diferente naturaleza para mejorar la eficacia incluso de máquinas muy antiguas. .

Un soplador de aire de combustión de una planta de producción de ácido sulfúrico, impulsado por un motor eléctrico y controlado por Inlet Guide Vane (IGV), toma aire en condiciones atmosféricas y lo entrega a una presión de descarga de 1,4 bara; el caudal másico de aire solicitado es de unos 200.000 kg/h mientras que la potencia del eje es de unos 2,6 MW. Como se muestra en la Figura 1, el compresor es un impulsor en voladizo de una sola etapa, compuesto por un impulsor semiabierto 3D de tipo soldado (diámetro externo 1600 mm) que tiene un anillo de conexión en la punta de las paletas en la sección de entrada, un difusor corto sin paletas y un impulsor soldado. -tipo voluta con sección transversal rectangular.

Durante su vida útil, el usuario final experimentó una disminución progresiva del rendimiento del compresor, tanto en términos de caudal entregado como de eficiencia, hasta que decidió renovarlo para recuperar su rendimiento original. CST participó en dicha actividad por parte del proveedor de servicios a cargo del mantenimiento del soplador de aire de combustión.

Se realizó un escaneo láser 3D para obtener un modelo 3D del compresor para su investigación. Como se muestra en la Figura 2, el escaneo del impulsor detectó una holgura alta. Se observó un gran espacio, aumentado por la erosión, entre la punta de las palas del impulsor y la cubierta del estator: se encontró que su magnitud era variable a lo largo de la longitud de la pala de 3,5 ‰ a 8 ‰ del diámetro del impulsor, en lugar del rango esperado habitual de 1-2 ‰. Además, se encontró que el espacio entre el anillo de las palas del impulsor y la ranura estática relevante era bastante grande.

Se llevó a cabo un análisis CFD para verificar el comportamiento fluidodinámico del compresor dañado, centrándose en cuánto podría verse afectado el rendimiento del compresor por el alto espacio libre mencionado anteriormente. Como se muestra en la Figura 3, la presencia de un espacio libre excesivo conduce a un campo de flujo no óptimo. Se identificaron dos fenómenos fluidodinámicos principales que afectan negativamente el flujo óptimo:

Estas anomalías fueron consideradas como las principales causas de la reducción de la eficiencia de la etapa y del caudal de entrega.

Se infirió la posible presencia de un sello laberíntico en la configuración original del compresor, dado el alto desnivel encontrado entre el anillo de álabes del impulsor y la ranura del estátor. Ese sello podría aflojarse por la erosión u otros sucesos durante el funcionamiento del compresor. Desafortunadamente, no se encontró información que confirme tal suposición en los documentos y dibujos disponibles.

Con el fin de restaurar un buen rendimiento del compresor y, al mismo tiempo, evitar un tiempo demasiado largo para la instalación y el consiguiente tiempo de inactividad prolongado de la instalación, se implementó la siguiente solución de dos pasos en secuencia, aprovechando una profunda investigación teórica de CFD:

La campaña de investigación de CFD se llevó a cabo con la implementación progresiva de esa secuencia de "dos pasos". La investigación CFD destacó la importancia de la reducción de la brecha entre los componentes giratorios y estáticos. El espacio libre entre la punta de las palas del impulsor y la cubierta del estator resultó ser de suma importancia para la recuperación del rendimiento.

Eventualmente, se investigó la presencia simultánea del sello laberíntico en la ranura estática en el anillo de entrada del impulsor y una reducción de la holgura de la punta del álabe de alrededor del 50 % con respecto a las medidas para encontrar la configuración final del impulsor. El resultado fue que, con las modificaciones introducidas, se consiguió un aumento del +1% del rendimiento del compresor y del +6% del caudal entregado, consiguiendo así una recuperación satisfactoria del rendimiento del soplador de aire comburente.

Las acciones correctivas definidas por la investigación anterior se implementaron con éxito en el campo y el cliente experimentó una recuperación del rendimiento consistente con los pronósticos del análisis CFD.

Durante una revisión de rutina de un compresor centrífugo de aire dividido horizontalmente de 6 etapas, la empresa de servicios descubrió la presencia de fuertes daños por erosión en el último impulsor y pidió a CST que encontrara una solución a este problema. El impulsor cerrado original había sido fabricado con una tecnología de fabricación antigua, utilizando remaches para fijar las palas al disco y la cubierta (consulte la Figura 4).

Se decidió sustituir el impulsor por uno nuevo que tuviera el mismo canal meridional y el mismo perfil de inclinación del álabe para restaurar el rendimiento del compresor. Dado que los planos de construcción originales y la especificación del material no estaban disponibles, se realizaron algunos escaneos 3D de medidas geométricas y análisis químicos.

Se utilizó ASTM A705 Gr.630 (17-4 PH) en lugar del acero al carbono original, mejorando así la resistencia a la corrosión y erosión y evitando la ocurrencia de los daños por erosión experimentados. Además, se adoptó la tecnología de fabricación EDM monopieza para el nuevo impulsor, obteniendo un mejor perfil de pala con las siguientes ventajas:

Se produjeron nuevos dibujos y especificaciones de fabricación, incluidas las instrucciones de prueba de equilibrio y exceso de velocidad. La Figura 5 muestra el nuevo impulsor durante la fabricación EDM.

El nuevo impulsor se montó en el nuevo rotor y se instaló en el compresor existente con plena satisfacción del cliente. De hecho, además de la restauración de los daños por erosión, se logró un mayor rendimiento del compresor debido a la mayor eficiencia de la etapa renovada (alrededor de +2%).

Los ejemplos anteriores muestran que las unidades antiguas, incluso si han estado funcionando durante muchas décadas y han tenido varias fallas recurrentes, una vez renovadas, pueden continuar funcionando de manera eficiente y con un rendimiento mejorado. Se pueden llevar a cabo acciones de renovación para resolver problemas relacionados con el envejecimiento, la erosión y el desgaste de las máquinas, para restaurar el rendimiento original o mejorarlo. Además, los compresores centrífugos se pueden renovar y volver a clasificar para cumplir con las nuevas condiciones de operación de la planta.

Las empresas de servicios y los usuarios finales que se enfrentan al compromiso de "reparar o reemplazar" deben ser conscientes de las innumerables oportunidades de restauración que están disponibles hoy en día en la turbomaquinaria, gracias a las diversas tecnologías innovadoras desarrolladas en las últimas décadas. Las nuevas tecnologías de fabricación avanzadas, los materiales innovadores, la disponibilidad de nuevos equipos para la adquisición de geometría y, por último, pero no menos importante, la gran precisión de las herramientas modernas para los análisis fluidodinámicos y mecánicos pueden ayudar significativamente a dar una segunda vida más eficiente a los compresores centrífugos antiguos.