autor: ing. mec. patricio marcelo oyervide...
TRANSCRIPT
DEPARTAMENTO DE POSGRADOS
MAESTRÍA EN GESTIÓN DE MANTENIMIENTO
“ METODOLOGÍA PARA EVALUACIÓN DE CONDICIÓN DE
RUEDAS PELTON; FUNDAMENTO TÉCNICO PARA PROCEDER CON SU CAMBIO”
TRABAJO DE GRADUACIÒN REVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE MÁGISTER EN GESTIÓN DE MANTENIMIENTO
AUTOR: ING. MEC. PATRICIO MARCELO OYERVIDE OJEDA DIRECTOR: RAÚL ANDRÉS CASTILLO NÚÑEZ Msc.
CUENCA – ECUADOR
2016
I VERSIÓN
Oyervide, I
DEDICATORIA
A mi padre que está en el cielo, a mi querida madre que me dio la existencia y a mi pequeña
familia que son parte importante en mi vida, mi esposa Doris e hijos Alison y Patrick.
Oyervide, II
AGRADECIMIENTO
A mi esposa e hijos que me tuvieron mucha paciencia y entendieron que este tiempo que
utilice para esta maestría, fue para crecer como profesional, tener nuevas alternativas de
trabajo, brindarles a ellos los frutos de este sacrificio y por último, darme cuenta que el
tiempo de ausencia que tuve que sacrificar para lograr culminar este proyecto, me indicó
que como padre de familia solo viviré para ellos.
Orgullosamente agradezco de corazón la orientación, el tiempo y la dedicación que me
brindo mi director de tesis el Ingeniero Raúl A. Castillo N. Msc., persona enteramente
comprometida con el desarrollo de la evaluación de la condición de las ruedas Pelton, sin
este personaje no hubiese alcanzado a finalizar la presente investigación que es de valiosa
ayuda para tomar decisiones sobre el activo dentro de la unidades de generación de la
Central Hidroeléctrica Paute Molino.
A la Unidad de Negocio HidroPaute por brindarme el apoyo necesario para cursar la
Maestría en Gestión de Mantenimiento. Un reto más que cumplo en mi vida y por el cual mi
gratitud y compromiso hacia la empresa se verán siempre reflejados con el trabajo del día a
día.
Oyervide, III
RESUMEN
La Central Hidroeléctrica Paute Molino es la mayor generadora hidroeléctrica en Ecuador.
Esta cuenta con diez unidades de generación con turbinas Pelton de eje vertical. Cada
turbina dispone con una rueda considerada como repuesto crítico para este sistema. Sin
embargo, actualmente no se cuenta con una metodología que permita evaluar la condición
de dicha rueda. De esta manera se dificulta extraer las ruedas, maximizar su vida útil,
reducir el riesgo de fallos que podrían afectar los índices de disponibilidad y confiabilidad de
la planta. Además se afecta la inversión económica.
La presente investigación propone una metodología de evaluación de la condición de las
ruedas Pelton. La metodología se basa en la medición del perfil hidráulico con ensayos no
destructivos normalizados de ejecución periódica. Así, no habrá necesidad de desmontar el
repuesto y se minimizan los tiempos de indisponibilidad. Adicionalmente se propone la
utilización de los ciclos de carga para conocer la vida útil teórica de las ruedas.
La aplicación conjunta de los ensayos y técnicas planteados en esta investigación proveen
un criterio técnico que permite adelantarse a un fallo por un lado y tomar una decisión
objetiva respecto a su cambio, por otro lado.
PALABRAS CLAVE
Rueda Pelton, mantenimiento basado en condición, ciclos de vida, ensayos no destructivos.
Oyervide, IV
ABSTRACT
KEYWORD
Oyervide, V
ÍNDICE DE CONTENIDO
DEDICATORIA ...................................................................................................................................... I
AGRADECIMIENTO ............................................................................................................................. II
RESUMEN ........................................................................................................................................... III
PALABRAS CLAVE ............................................................................................................................. III
ABSTRACT ........................................................................................................................................ IV
KEYWORD ......................................................................................................................................... IV
ÍNDICE DE FIGURAS ......................................................................................................................... VI
ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................................... VI
ÍNDICE DE ECUACIONES ................................................................................................................ VII
ÍNDICE DE ANEXOS ......................................................................................................................... VII
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1
2. MATERIALES Y MÉTODOS .................................................................................................. 3
2.1. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN. ............................................................................ 3
2.2. CORPORACIÓN ELÉCTRICA DEL ECUADOR CELEC EP .................................................. 3
2.3. UNIDAD DE NEGOCIO HIDROPAUTE: PROYECTO PAUTE INTEGRAL ............................ 4
2.3.1. CENTRAL HIDROELECTRICA PAUTE MOLINO (CHPM) .................................................... 5
2.3.2. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA NETA –COSTOS kW-h. DE LA CHPM .................................. 6
2.3.3. HORAS DE OPERACIÓN DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DE LA CHPM. .............. 7
2.3.4. PROCESO DE GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELECTRICA DE LAS UNIDADES DE
GENERACIÓN DE LA CHPM. ................................................................................................ 7
2.3.5. RUEDA PELTON .................................................................................................................... 8
2.3.6. ANÁLISIS DE INDISPONIBILIDAD DE LAS RUEDAS PELTON. ........................................ 12
2.4. MANTENIMIENTO BASADO EN LA CONDICIÓN ............................................................... 13
2.4.1. NORMA CCH 70-3 ............................................................................................................... 14
2.4.2. CONTROL DE PERFIL HIDRÁULICO .................................................................................. 17
2.4.3. VIDA UTIL DE LAS RUEDAS PELTON ................................................................................ 17
2.4.4. APLICACIÓN DE LOS METODOS DE CONTROL A LAS RUEDAS PELTON .................... 18
3. RESULTADOS ..................................................................................................................... 20
3.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ......................................................................................... 20
3.1.1. TINTAS PENETRANTES E INSPECCIÓN VISUAL. ............................................................ 20
3.1.2. PARTÍCULAS MAGNETICAS .............................................................................................. 21
3.1.3. PERFIL HIDRAULICO. ......................................................................................................... 21
3.1.4. VIDA UTIL DE LAS RUEDAS PELTON ................................................................................ 23
3.2. METODO PARA LA EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN DE LA RUEDA PELTON ............. 24
4. DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 25
5. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 27
6. BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................................... 29
7. ANEXOS ......................................................................................................................................... 30
Oyervide, VI
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. CELEC EP UNIDADES DE NEGOCIO .................................................................... 4
Figura 2 Disposición geográfica de los proyectos paute integral ............................................ 4
Figura 3 Estructura orgánica de la Unidad de Negocio HidroPaute ........................................ 5
Figura 4 Producción de energía neta CHPM vs Energía total del País ................................... 6
Figura 5 Valor cobrado por venta de energía y producción neta facturada (GWh) CHPM ..... 6
Figura 6 Horas de operación de unidades de generación acumuladas de CHPM.................. 7
Figura 7 Generación de Energía Eléctrica ............................................................................... 8
Figura 8 Rueda Pelton de la CHPM ......................................................................................... 9
Figura 9 Zonas críticas de los alabes de la rueda Pelton ........................................................ 9
Figura 10 Desglose jerárquico de turbina hidráulica ............................................................. 10
Figura 11 Áreas del álabe sujetas a inspección .................................................................... 15
Figura 12 Medición de holguras en el perfil hidráulico con plantillas..................................... 17
Figura 13 Unidades escogidas para la aplicación de ensayos .............................................. 18
Figura 14 Calificación general de las discontinuidades por unidad de generación. .............. 21
Figura 15 Ponderación ajuste de criterios de aceptación de las diferentes clases ............... 21
Figura 16 Ruedas Pelton que sobrepasaron los ciclos de carga .......................................... 23
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Datos generales de las ruedas Pelton ........................................................................ 9
Tabla 2 Análisis de modos de falla y sus efectos (AMFE) ..................................................... 11
Tabla 3 Horas de indisponibilidad y funcionamiento de las ruedas Pelton ........................... 12
Tabla 4 Costo por indisponibilidad ......................................................................................... 13
Tabla 5 Métodos no destructivos de inspección. ................................................................... 14
Tabla 6 Tipo de indicaciones de acuerdo a CCH 70-3 para ruedas Pelton de la CHPM. ..... 14
Tabla 7 Criterios de aceptación para ensayos de tintas penetrantes .................................... 15
Tabla 8 Criterios de aceptación para ensayos de partículas magnéticas ............................. 16
Tabla 9 Frecuencias de las discontinuidades presentadas en las unidades de generación
por clase ................................................................................................................................. 20
Tabla 10 Frecuencias ponderadas de las discontinuidades presentadas en las unidades de
generación por clase. ............................................................................................................. 20
Tabla 11 Medidas fuera de tolerancia correspondientes a los espesores de los álabes de la
ruedas Pelton. ........................................................................................................................ 22
Tabla 12 Medidas fuera de tolerancia correspondientes a las holguras de los álabes de la
ruedas Pelton. ........................................................................................................................ 22
Tabla 13 Ciclos de las ruedas Pelton hasta la fecha noviembre-2015 .................................. 23
Tabla 14 Matriz para evaluación de la condición de la rueda Pelton .................................... 24
Oyervide, VII
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1 Número de ciclos de carga para una rueda Pelton............................................. 17
Ecuación 2. Modelo para calcular la muestra de una población finita ................................... 18
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1. Corte lateral de casa de máquinas de la CHPM .................................................... 30
Anexo 2. Resultados de las rueda Pelton U06-U10-U05-U09-U03 identificando la clase a la
que pertenecen ...................................................................................................................... 31
Anexo 3 Gráfico de referencia para utilización de plantillas .................................................. 34
Oyervide, 1
Autor: Patricio Marcelo Oyervide Ojeda
Trabajo de graduación
Director: Raúl Andrés Castillo Núñez
Mayo, 2016
“Metodología para evaluación de condición de ruedas Pelton; fundamento técnico
para proceder con su cambio”
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad la Unidad de Negocio HidroPaute (UNH) está conformada por cuatro
proyectos hidroeléctricos en cascada: Paute Molino (1100 MW), Paute Mazar (170 MW),
Paute Sopladora (487 MW) y Paute Cardenillo (596 MW). Esta investigación se enfoca en la
central más grande de nuestro país, es la Central Hidroeléctrica Paute Molino (CHPM) que
cuenta con diez unidades de generación que emplean turbinas hidráulicas Pelton que
impulsan los generadores eléctricos. Cada rueda Pelton tiene un valor económico superior a
un millón de dólares americanos lo cual representa un 12% del presupuesto anual promedio
de a la Subgerencia de Producción y al ser un repuesto crítico debe disponerse en stock por
su periodo de fabricación superior a un año. Las ruedas Pelton se encuentran sometidas a
desgaste, cavitación, erosión, abrasión, fatiga de material e impacto, siendo lo más
frecuente la erosión y cavitación; sin embargo el que mayor riesgo presenta para su
operación es la fatiga del material, que conlleva a la iniciación y propagación de fisuras que
afectan su integridad estructural (Vargas Ávila, y otros, 2005). En la actualidad las ruedas
son cambiadas sin considerar su vida útil nominal, siendo el único criterio de recambio la
aparición de fisuras visibles y para lo cual no se cuenta con una metodología de control, ni
parámetros normalizados para tomar la decisión de cuando es oportuno el cambio.
Las actividades necesarias para el cambio de este repuesto requieren de tiempos de
indisponibilidad que representan una tasa de salidas forzadas (FOR) mayor al 4%; el FOR
para centrales hidráulicas según lo dispuesto por el CENTRO NACIONAL DE CONTROL
DE ENERGÍA (CENACE) debe ser en promedio, igual o menor a 1.5%. De aquí la
importancia de que la periodicidad de esta intervención se fundamente en un análisis
técnico de los parámetros mínimos que reflejan la condición del repuesto. De lo antes
anotado surgen las preguntas:
¿La metodología propuesta en la presente investigación permite evaluar la
condición de las ruedas Pelton empleadas en la CHPM?
Al conocer la condición de las ruedas Pelton, ¿es posible determinar el periodo
dentro del cual es oportuno proceder con su cambio?
Oyervide, 2
Identificado el activo que tiene un alto costo y que ocasionaría graves daños en la turbina y
por ende la indisponibilidad de la unidad de generación si llegará a desprenderse un álabe
de la rueda Pelton, se presentan los objetivos de esta investigación:
Analizar la aplicación de las metodologías de inspección visual, tintas penetrantes,
partículas magnéticas, y medición de perfil hidráulico, para evaluar la condición de
ruedas Pelton de la CHPM.
Evaluación de la metodología con su aplicación real sobre una de las ruedas Pelton
de la CHPM.
Sistematizar los conocimientos vinculados con la condición de ruedas Pelton para
mejorar la información disponible en la toma de decisiones de montaje y desmontaje
de la rueda Pelton.
Oyervide, 3
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN.
Este proyecto de investigación se ejecutó siguiendo las actividades:
Revisión de las hojas de vida de las ruedas Pelton registradas en el software de
gestión de mantenimiento APIPRO y archivo técnico, para tener una visión general
de los acontecimientos sucedidos en las ruedas durante sus periodos de
funcionamiento.
Inspección visual de las ruedas Pelton para corroborar la fidelidad de la información
registrada en el software de mantenimiento e identificar si los perfiles hidráulicos de
los álabes han sido reparados.
Revisión bibliográfica relacionada al monitoreo de condición de turbinas tipo Pelton
de eje vertical y potencia nominal aproximada a 105 MW, para conocer el estado del
arte asociado a este tema de investigación.
Ejecución de las mediciones asociados a los ensayos no destructivos de tintas
penetrantes y partículas magnéticas definidos en esta investigación por parte de
una empresa especialista para conocer el estado actual de las ruedas Pelton.
Ejecución de las mediciones del perfil hidráulico de la rueda Pelton de la U061 por
parte del personal técnico de la institución para conocer el estado de las holguras y
espesores.
Comparar los resultados de las mediciones respecto a lo definido a la norma
CCH70-3 y el fabricante de las ruedas.
Revisión de las horas de funcionamiento de las ruedas Pelton y de las horas
acumuladas de las unidades de generación.
Analizar la información recopilada para presentar un diagnóstico de la condición de
las ruedas Pelton de la CHPM.
2.2. CORPORACIÓN ELÉCTRICA DEL ECUADOR CELEC EP
La Empresa Pública Estratégica Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP, en la
actualidad es responsable por la generación de fuente hidro, térmica y eólica de energía
eléctrica del país, así como su transmisión a las subestaciones de distribución. En la Figura
1 se proporciona la conformación de las unidades de negocio que integran de la
Corporación Eléctrica del Ecuador CELEC EP.
1 Por sus siglas “Unidad de Generación U06”
Oyervide, 4
Figura 1. CELEC EP UNIDADES DE NEGOCIO
Fuente: https://www.celec.gob.ec/quienes-somos/estructura-organizacional.html
2.3. UNIDAD DE NEGOCIO HIDROPAUTE: PROYECTO PAUTE INTEGRAL
Ubicado al Sur – Este del Ecuador entre las provincias de Azuay, Cañar y Morona Santiago.
El sitio de las obras del Proyecto Paute Integral inicia aproximadamente en el Km 105 de la
carretera Cuenca – Paute – Guarumales – Méndez y está conformado por cuatro proyectos
hidroeléctricos en cascada Paute Molino (1100 MW), Paute Mazar (170 MW), Paute
Sopladora (487 MW) y Paute Cardenillo (596 MW). Los dos primeros en operación, el
tercero en construcción y el último en estudios definitivos. En la Figura 2 se esquematiza la
disposición geográfica de los proyectos.
Figura 2 Disposición geográfica de los proyectos paute integral
Fuente: https://www.celec.gob.ec/hidropaute/perfil-corporativo/paute-integral.html
Oyervide, 5
Con aproximadamente 325 personas la Unidad de Negocio HidroPaute gestiona los
procesos para la operación y construcción de sus centrales de generación. Su estructura
orgánica funcional se indica en la Figura 3
Figura 3 Estructura orgánica de la Unidad de Negocio HidroPaute
Fuente:http://intranethpa.celec.com.ec/index.php?option=com_content&view=article&id=46&
Itemid=427
2.3.1. CENTRAL HIDROELECTRICA PAUTE MOLINO (CHPM)
La CHPM es la más importante del Ecuador, cuenta con diez (10) unidades de generación
con una potencia nominal instalada de 1100 MW; agrupadas en unidades de Fase AB de
105 Mw y unidades de Fase C de 115 MW, cada fase cuenta con 5 unidades de generación
tecnológicamente diferentes ya que fueron construidas con 3 años de diferencia y se
encuentran en operación hace más de 32 años la Fase AB y 23 años la Fase C
(https://www.celec.gob.ec/hidropaute/, 2015).
En el año 2014, la matriz energética del Ecuador tuvo un 45.57% de generación de energía
eléctrica con fuentes hidráulicas (http://www.conelec.gob.ec/, 2015); esto totaliza un valor de
11457.90 GWh, de los cuales el 46.63 % fue generado por la CHPM
(https://www.celec.gob.ec/hidropaute, 2015), la cual, al ser la mayor generadora
hidroeléctrica del país aportó en ese año con el 21.25% a la matriz energética. En la Figura
4 se indica la energía neta generada por la CHPM versus el total de energía generada por el
resto de centrales de generación disponibles en el país.
Oyervide, 6
Figura 4 Producción de energía neta CHPM vs Energía total del País
Fuente: http://sardomhpa.celec.gob.ec/sardom/WebForms.aspx; SARDOM (Sistema de
Análisis y Registro de Datos de Operación y Mantenimiento de Centrales Hidroeléctricas);
interno de la empresa.
2.3.2. PRODUCCIÓN DE ENERGÍA NETA –COSTOS kW-h. DE LA CHPM
La CHPM durante el periodo 2010 - 2014 recibió $ 52.048.480,00 USD por la generación de
energía eléctrica, reconociéndosele un valor de 0.002 USD/kW-h; mientras lo facturado por
las distribuidoras representó al país un total $2.094.914.079,00 USD pues el precio de
comercialización fue 0.085 USD/ kW-h.
En promedio la UNH recibió $10.409.696,00 USD/año; considerando el valor cobrado a las
distribuidoras del país por venta de energía.
La Figura 5 muestra la producción de energía neta correspondiente a cinco años de
generación de la CHPM versus el valor cobrado por venta de energía por parte de las
empresas distribuidoras.
Figura 5 Valor cobrado por venta de energía y producción neta facturada (GWh) CHPM
Fuente: Informe interno de modernización de los reguladores de velocidad y tensión de la
CHPM.
20382.7
6
21838.7
3
23086.1
6
23872.4
22969.4
9
3900
4400
4900
5400
5900
6400
0
3000
6000
9000
12000
15000
18000
21000
24000
2010 2011 2012 2013 2014
GW
h
GW
h
AÑO Energía total del País (GWh) Producción Neta CHPM (GWh)
$ 3
13
,71
2,1
96
$ 4
56
,13
0,5
54
$ 4
90
,79
5,6
35
$ 4
15
,19
2,8
04
$ 4
19
,08
2,8
90
2000230026002900320035003800410044004700500053005600590062006500
$ 0
$ 50,000,000
$ 100,000,000
$ 150,000,000
$ 200,000,000
$ 250,000,000
$ 300,000,000
$ 350,000,000
$ 400,000,000
$ 450,000,000
$ 500,000,000
2010 2011 2012 2013 2014
GW
h
AÑO Valor Total Cobrado al Cliente Producción Neta Facturado (GWh)
Oyervide, 7
2.3.3. HORAS DE OPERACIÓN DE LAS UNIDADES DE GENERACIÓN DE LA CHPM.
Las unidades de generación a la fecha 18 de octubre del 2015 cuentan con las siguientes
horas de funcionamiento según se muestra en la Figura 6.
Figura 6 Horas de operación de unidades de generación acumuladas de CHPM
Fuente: http://sardomhpa.celec.gob.ec/sardom/WebForms.aspx; SARDOM (Sistema de
Análisis y Registro de Datos de Operación y Mantenimiento de Centrales Hidroeléctricas);
interno de la empresa
2.3.4. PROCESO DE GENERACIÓN DE LA ENERGÍA ELECTRICA DE LAS
UNIDADES DE GENERACIÓN DE LA CHPM.
El proceso de Generación de Energía Eléctrica se aprecia en la Figura 7; la CHPM
aprovecha la energía potencial del agua almacenada en la represa Daniel Palacios, para
luego ser transformada en energía eléctrica mediante las siguientes etapas:
1. Conducción de agua por medio de túneles hacia las unidades de generación con
una altura neta de 668m.
2. Inyección de agua a presión hacia la rueda Pelton para provocar su giro a 360 rpm y
obtener energía mecánica.
3. Giro del rotor para convertir la energía mecánica en eléctrica.
196100
199477
200183
198036
205027
149789
148747
149313
154571
133056
0
30000
60000
90000
120000
150000
180000
210000
U01 U02 U03 U04 U05 U06 U07 U08 U09 U10
HO
RA
S D
E F
UN
CIO
NA
MIE
NT
O
UNIDADES DE GENERACIÓN
Oyervide, 8
Figura 7 Generación de Energía Eléctrica
Fuente: Autor
Adicional a la Figura 7, se presenta en el Anexo 1 un corte lateral de casa de máquinas de
la CHPM, donde se puede apreciar los diferentes niveles y sistemas con los que cuentan las
unidades de generación.
2.3.5. RUEDA PELTON
Cada unidad de generación de la CHPM cuenta con una turbina tipo Pelton de eje vertical
como la indicada en la Figura 8 y Figura 9, encargada de transformar la energía cinética en
energía mecánica; el costo de compra de una rueda pelton se aproxima a un millón
novecientos mil dólares americanos (SERCOP, 2015). Es un repuesto crítico por su
importancia en los sistemas electromecánicos de generación, su prolongado periodo de
fabricación superior a los 365 días y costo asociado a la indisponibilidad de generación
eléctrica en sus cambios programados que duran 15 días. El costo total por indisponibilidad
en cambio representa un monto aproximado de dos millones de dólares americanos en
costo local2 y seis millones en costo internacional
3, costo que se ve incrementado por el uso
de centrales térmicas e importación de energía; en función de las condiciones que presente
el Sistema Nacional Interconectado (SNI) (CENACE, 2013); en la Tabla 1 se muestran sus
características.
2 Costo local diario es $ 116,684.16 (CENACE, 2013)
3 Costo internacional diario es $ 418,559.55 (CENACE, 2013)
Oyervide, 9
Figura 8 Rueda Pelton de la CHPM
Fuente: Archivo fotográfico del autor
Figura 9 Zonas críticas de los alabes de la rueda Pelton
Fuente: Archivo fotográfico del autor
Tabla 1 Datos generales de las ruedas Pelton
Fuente: Archivo Técnico de la CHPM (Campamento Guarumales)
CARACTERÍSTICA FASE UNIDAD ESPECIFICACIÓN
Diámetro de la RUEDA mm 3630
Cantidad de álabes 22
Peso ton 14.6
Caída neta FASE AB m 657
FASE C m 650
Caudal de agua m3/s 20
Potencia FASE AB Mw 105
FASE C Mw 115
Velocidad rotacional rpm 360
Material (ASTM A 743 Grade CA-6 NM)
Rendimiento % 92.1
Oyervide, 10
La rueda Pelton es un componente de la unidad funcional Turbina Hidráulica como se
muestra en la Figura 10. La estructura está configurada acorde a la norma ISO 142244,
adoptada en la CELEC EP como guía para la definición de la estructura de los sistemas de
sus centrales de generación
Figura 10 Desglose jerárquico de turbina hidráulica
Fuente: Estructura de objetos homologada de la CELEC EP
4 Industrias de petróleo y gas natural-Recolección e intercambio de datos de confiabilidad y
mantenimiento de equipos.
Oyervide, 11
La Tabla 2 presenta los modos de fallos y sus efectos de la rueda Pelton
Tabla 2 Análisis de modos de falla y sus efectos de la rueda Pelton (AMFE)
Fuente: Autor
RUEDA PELTON
FUNCIÓN FALLA
FUNCIONAL MODOS DE
FALLO CAUSA DE
FALLO EFECTOS DE FALLO
Hacer girar al generador a la velocidad nominal (360 rpm)
Incapaz de girar a la velocidad nominal
Fallo en operación
1. Rotura de un alabe.
1. La unidad de generación se dispara. 2. Inyectores afectados por el impacto de un alabe deben ser cambiados, tiempo aproximado para cambiar un inyector 4 días 3. Se debe cambiar el rodete, este trabajo tomaría alrededor de 15 días. 4. Los cojinetes guía deben ser revisados para verificar su calibración y recubrimiento babit; trabajo toma 5 días en calibrar y 15 días en cambiar los cojinetes. 5. Tuberías de inyección de aceite y de grasa de ser impactadas deben ser cambiadas. Adicional habría contaminación de aceite hacia los efluentes; el tiempo de fabricación y montaje para un inyector 3 días. 6. Rejillas quiebrachorros de ser afectada deben cambiarse, dependiendo del daño puede tomar de 3 días a 15 días este cambio.
Vibración
1. Desbalanceo. 2. Fallo en los cojinetes guía. 3. Fallo en el Acoplamiento. 4. Instalación defectuosa
Las vibraciones pueden ser controladas hasta que se presente alarma, de requerir balanceo se estima dos días para ejecutar este trabajo.
Incapaz de soportar una sobre-velocidad (415 rpm)
Vibración
1. Desbalanceo. 2. Fallo en los cojinetes guía. 3. Fallo en el Acoplamiento. 4. Instalación defectuosa
Las vibraciones pueden ser controladas hasta que se presente alarma, de requerir balanceo se estima dos días para ejecutar este trabajo.
Es importante mencionar que si llegase a desprenderse un álabe de la rueda Pelton, es
probable que genere daños en los sistema de inyección, por lo que el tiempo de recambio
sería superior a 20 días incrementando las pérdidas económicas por no generación, uso de
repuestos no programados y los costos de reparación.
Oyervide, 12
2.3.6. ANÁLISIS DE INDISPONIBILIDAD DE LAS RUEDAS PELTON.
En la Tabla 3 se presenta un análisis de las fisuras presentadas y las horas de
funcionamiento de las ruedas hasta el 18 de octubre del 2015; datos obtenidos de las hojas
de vida de las unidades de generación.
Tabla 3 Horas de indisponibilidad y funcionamiento de las ruedas Pelton
Fuente: Software de mantenimiento CMMS APIPRO; interno de la empresa
#
HORAS DE OPERACIÓN
ACUMULADAS UNIDADES DE GENERACIÓN
HORAS DE OPERACIÓN
RUEDAS PELTON
NOVEDADES EN LAS RUEDAS PELTON HORAS DE
INDISP.
FASE AB
1 196.100 196.100 No ha presentado 0
2 199.477 199.477 No ha presentado 0
3 200.183 200.183 No ha presentado 0
4 198.036 198.036 No ha presentado 0
5 205.027
126.406 El 03 de mayo del 2003 se presenta una fisura en el álabe #13 en la embocadura inferior de 75 mm de longitud
21
78.621 Horas de funcionamiento de la segunda rueda reemplazada
535
FASE C
6 149.789
44.621 Fisura en el álabe #14 en la embocadura superior con una longitud de 20 milímetros
12
88.087 Fisura en el álabe #1 en la embocadura superior con una longitud de 11 centímetros
19
95.835 Horas de funcionamiento de la primera rueda. Cambio
404,5
22.444 Fisura en el álabe #7 en la embocadura inferior con una longitud de 32 milímetros
26,5
28.158 Fisura en el álabe #7 en la embocadura inferior con una longitud de 85 milímetros
69,5
38.538 Horas de funcionamiento de la segunda rueda. Cambio
480,5
15.416 Horas de funcionamiento de la tercera rueda Pelton
0
7 148.747 148.747 No ha presentado 0
8 149.313 149.313 No ha presentado 0
9 154.571 154.571 No ha presentado 0
10 133.056
90.180 Fisura en el álabe #11 en la embocadura superior con una longitud de 12 milímetros
8
91.877 Fisura en el álabe #11 en la embocadura superior con una longitud de 30 milímetros
9,5
93.531 Horas de funcionamiento de la primera rueda. Cambio
415
39.525 Horas de funcionamiento de la segunda rueda
0
Oyervide, 13
En la Tabla 4 se presentan los costos locales e internacionales que generaron las horas por
intervención de reparación de las fisuras y cambio de las ruedas Pelton de las unidades de
generación.
Tabla 4 Costo por indisponibilidad
Fuente: Autor
UNIDAD HORAS DE
FUNCIONAMIENTO DE LAS RUEDAS
HORAS DE INDISPONIBILIDAD
COSTO NETO LOCAL
COSTO NETO INTERNACIONAL
5 126.406 21 $ 102,098.64 $ 366,239.61
78.621 535 $ 2,601,084.40 $ 9,330,389.97
6
44.621 12 $ 58,342.08 $ 209,279.78
88.087 19 $ 92,374.96 $ 331,359.64
95.835 404,5 $ 1,966,614.28 $ 7,054,472.42
22.444 26,5 $ 128,838.76 $ 462,159.50
28.158 69,5 $ 337,897.88 $ 1,212,078.70
38.538 480,5 $ 2,336,114.12 $ 8,379,910.99
10
90.180 8 $ 38,894.72 $ 139,519.85
91.877 9,5 $ 46,187.48 $ 165,679.82
93.531 415 $ 2,017,663.60 $ 7,237,592.22
TOTAL $ 9,726,110.92 $ 34,888,682.49
2.4. MANTENIMIENTO BASADO EN LA CONDICIÓN
El Mantenimiento Basado en la Condición (CBM) proviene de un supuesto lógico, en el cual
la reparación o reemplazo preventivo de los componentes de la maquinaria, sería oportuno
si se realiza justo antes que aparezca una falla. El objetivo del CBM es obtener la máxima
vida útil de cada activo físico antes de ponerlo fuera de servicio (BUREA VERITAS, 2016).
Particularmente para ruedas Pelton se ha escogido como base de referencia la norma CCH
70-3-2006 denominada “Especificación para la inspección de piezas de fundición de acero
para máquinas hidráulicas” por su especificidad para ser utilizadas en esta investigación.
Acogiendo la sugerencia del fabricante en la referencia técnica del 04 de octubre del 2010
de monitorear el desgaste del perfil hidráulico de las ruedas Pelton, se propone como un
criterio adicional para la evaluación de la condición, el control del perfil de los álabes
mediante plantillas que permiten medir las holguras y espesores de los álabes.
Adicionalmente se evalúa la vida útil de las ruedas Pelton en base a sus horas de
funcionamiento, las cuales son una medida del riesgo de sufrir un fallo (E. Parkinson & S.
Lais, 2015) (Vargas Ávila, y otros, 2005).
Oyervide, 14
2.4.1. NORMA CCH 70-3
La norma detalla las especificaciones de procesos que deben efectuarse para la inspección
y ensayos de partes de máquinas hidráulicas fabricadas en hierro fundido (rueda Pelton)
para evaluar su condición, se han escogido los indicados en la Tabla 5 en vista que son
procesos con los que se cuentan los equipos para su realización periódica, estos son:
Tabla 5 Métodos no destructivos de inspección.
Fuente: Autor
Método Objetivo
Inspección visual
Se utiliza para verificar el estado de la superficies de los cangilones de cada uno de los álabes, identificando cavitaciones, erosiones, abrasiones y desgastes
Tintas Penetrantes Identificar discontinuidades superficiales (fisuras)
Partículas Magnéticas Identificar discontinuidades superficiales a niveles que no son alertados por las tintas penetrantes.
La norma divide los álabes en 10 zonas diferentes identificadas con números romanos como
se muestra en la Tabla 6 y la Figura 11. Para cada zona el fabricante señala la clase
máxima permitida, el cual es un valor que oscila de 1 al 5, siendo 1 la mejor y 5 la peor
condición.
Tabla 6 Tipo de indicaciones de acuerdo a CCH 70-3 para ruedas Pelton de la CHPM.
Fuente: Norma CCH 70-3
AREA I II III IV V VI VII VIII IX X
REFERENCIA
ES
CO
TA
DU
RA
AR
IST
A M
ED
IA
FO
ND
O D
EL
CA
NG
ILO
N
BO
RD
E
INT
ER
NO
FO
ND
O D
EL
CA
NG
ILO
N
BO
RD
E
EX
TE
RN
O
FO
ND
O D
EL
CA
NG
ILO
N
RA
IZ
DO
RS
O D
EL
CA
NG
ILO
N
RA
IZ
VISUAL 1 1 2 2 1 2 1 3 2
LIQUIDOS PENETRANTES
1 2 2 2 1 2 1d
PARTÍCULAS MAGNETICAS
1 1 2 2 2 2 1d 2 2
1d= SIN INDICACIONES
Oyervide, 15
Figura 11 Áreas del álabe sujetas a inspección
Fuente: NORMA CCH 70-3
En la Tabla 7 y en la Tabla 8 se muestran los criterios de aceptación para cada clase que se
indica en la Tabla 6.
Tabla 7 Criterios de aceptación para ensayos de tintas penetrantes
Fuente: Norma CCH 70-3
NATURALEZA DEL DEFECTO
MÁXIMA DIMENSIÓN DE INDICACIÓN
CLASES DE CALIDAD
1 2 3 4 5
Densidad 0,63% 1,60% 4,00% 10% 25%
1. Umbral de indicaciones a tomarse en cuenta
a=0,5 mm a=1 mm a=1,5 mm a=1,5 a 2 mm a=2 mm
2. Ninguna indicación redondeada con una dimensión de
a>2 mm a>3 mm a>4 mm a>6 mm a>8 mm
3. Ninguna indicación lineal Ninguna Ninguna Ninguna Ninguna a>7 mm
4.- Ninguna indicación alineada Ninguna Ninguna Ninguna L>10 mm L>16 mm
5.- Superficie total de las indicaciones en el rango de
6 a 7 mm2 16 mm
2 40 mm
2 100 mm
2 250 mm
2
a= Largo de indicación Indicación redondeada = a/b < 3
b= Ancho de indicación Indicación lineal = a/b > o igual a 3
d= Distancia entre indicaciones Alineada= 0 < d< o igual 2 mm
Oyervide, 16
Tabla 8 Criterios de aceptación para ensayos de partículas magnéticas
Fuente: Norma CCH 70-3
NATURALEZA DEL DEFECTO
MAXIMA DIMENSION DE INDICACION
CLASES DE CALIDAD
1(Nota 1) 2 3 4 5
Umbral de indicaciones a tomarse en cuenta
0,5 mm 1 mm 1,5 mm 2 mm 3 mm
DISCONTINUIDADES LINEALES
No se admite (Nota 2 )
Máxima longitud de indicaciones _ 3 mm 5 mm 10 mm 15 mm
Máxima suma total de longitud de indicaciones (Nota 3) E
_ 18 mm 30 mm 60 mm 90 mm
Mínima distancia entre los extremos de dos indicaciones alineadas (Nota 4)
_ 10 L 8L 5L 4L
POROSIDAD No se admite
Máxima longitud de indicaciones _ 3 mm 5 mm 5 mm 5 mm
División entre: Suma de indicaciones superficiales/E
_ 2% 5% 10% 20%
Mínima distancia entre los bordes de dos indicaciones vecinas
_ 9 mm 15 mm 15 mm 15 mm
Contracciones superficiales (Nota 5)
No se admite n° II-1 n° II-2 n° II-3 n° II-4
Inclusiones (Nota 5) No se admite n° III-1 n° III-2 n° III-2 n° III-3
Nota 1
Clases especiales (Altos esfuerzos, áreas críticas, por ejemplo áreas a ser soldadas), concentraciones de numerosas pequeñas indicaciones incluso de agujeros de alfiler (pin holes), dará lugar a una remoción de la superficie en cuestión para examinar la evolución de las indicaciones: En caso que las indicaciones tienden a alargarse y se reúnan con las otras, será reparada la zona afectada.
Nota 2 Fisuras y faltas de fusión no son aceptables en la clase 1
Nota 3 E: Superficie de referencia idéntica a la superficie de las fotografías de referencia ASTM E 125 i.e aprox 100 X 160 mm
Nota 4 L: Longitud de la indicación más larga
Nota 5
Se compara con fotografías de ASTM E 165 y deben cumplir lo indicado en la tabla. En caso de desacuerdo y si la naturaleza del defecto no se puede identificar, se considera que la indicación es lineal
a= Largo de indicación
Indicación redondeada = a/b < 3
b= Ancho de indicación
Indicación lineal = a/b > o igual a 3
d= Distancia entre indicaciones
Los ensayos fueron realizados por una empresa especialista en ensayos no destructivos5, y
el resumen de los resultados se indican en el Anexo 2 de esta investigación.
5 Ensayos no destructivos del Ecuador ENDE CIA. LTDA.
Oyervide, 17
2.4.2. CONTROL DE PERFIL HIDRÁULICO
El perfil hidráulico corresponde a la superficie del álabe que resulta atacado por la inyección
de agua a presión durante el proceso de generación eléctrica. Se controla mediante la
comparación de sus dimensiones entre periodos de utilización.
El fabricante de las ruedas Pelton da recomendación expresa de controlar el perfil hidráulico
de cada uno de los álabes, como un parámetro que determina tanto la vida útil como la
perdida de la eficiencia de la turbina debido al desgaste.
El control se efectúa con plantillas proporcionadas por el fabricante, que corresponden al
perfil hidráulico original de la rueda Pelton y sirven para efectuar mediciones de las holguras
máximas permitidas para la rueda, tal como se muestra en la Figura 12.
Figura 12 Medición de holguras en el perfil hidráulico con plantillas
Fuente: Autor
2.4.3. VIDA UTIL DE LAS RUEDAS PELTON
Según (E. Parkinson & S. Lais, 2015) resulta delicado operar ruedas Pelton por más de 1 x
1010
ciclos de carga. Los ciclos se calculan de acuerdo a la siguiente formula (VATECH
HYDRO, S/F):
Ecuación 1 Número de ciclos de carga para una rueda Pelton
#𝒄𝒊𝒄𝒍𝒐𝒔 = 𝒏 ∗ 𝒊 ∗ 𝟔𝟎 ∗ 𝒉𝒐
𝑛 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛 𝑟𝑝𝑚
𝑖 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑦𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
ℎ𝑜 = ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛
Oyervide, 18
2.4.4. APLICACIÓN DE LOS METODOS DE CONTROL A LAS RUEDAS PELTON
A. CRITERIO PARA LA APLICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE LA NORMA CCH 70-3
Aplicando el modelo matemático indicado en la Ecuación 2 con un nivel de confianza del
90%, la muestra a tomar serían las ruedas Pelton de 9 unidades de generación, sin
embargo, los métodos definidos en la Tabla 5 fueron aplicados a cinco de las 10 ruedas
Pelton por motivos presupuestarios. El criterio para escoger las ruedas sujetas a ensayo fue
en base a sus horas de funcionamiento, para asegurar que se analice la evolución del
deterioro superficial en el tiempo. En la Figura 13 se indican las unidades escogidas para
efectuarse los métodos.
Ecuación 2. Modelo para calcular la muestra de una población finita
n= 𝑍2 𝑝(1−𝑝)𝑁
𝑁𝑒2+𝑍2𝑝(1−𝑝)
n= tamaño de la muestra
N= población (unidades generación)
Z= valor Z para el nivel de confianza establecido (1.65)
e= error a partir del nivel de confianza (0.1)
p= proporción del evento de interés (0.5)
Figura 13 Unidades escogidas para la aplicación de ensayos
Fuente: Autor
Estos ensayos fueron ejecutados por una empresa especializada en ensayos no
destructivos que fue contratada para este fin y que cuenta con técnicos certificados.
Oyervide, 19
B. CRITERIO PARA LA APLICACIÓN DEL METODO DEL CONTROL DEL PERFIL
HIDRAULICO.
Para el control se escogió la rueda Pelton de la unidad 06 debido a que es la única que
posee un juego de plantillas particular provista por el fabricante, que permitió la
comparación de las mediciones de fábrica con las del equipo en funcionamiento.
La muestra de álabes que deben ser controlados asciende a 16 aplicando la Ecuación 2
para un nivel de confianza del 90%, sin embargo por el tiempo de indisponibilidad que
implicaría efectuar estas mediciones en la rueda Pelton, solo pudieron efectuarse las
mediciones a 4 álabes distribuidos equidistantemente.
C. CRITERIO PARA PARA LA EVALUACIÓN DE LA VIDA UTIL.
La evaluación se efectuó a las 10 ruedas Pelton instaladas, en vista de que se cuenta con la
información suficiente para la aplicación del modelo matemático de la Ecuación 1.
Oyervide, 20
3. RESULTADOS
3.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
3.1.1. TINTAS PENETRANTES E INSPECCIÓN VISUAL.
Los resultados de la aplicación de tintas penetrantes se proporcionan en el Anexo 2. En la
Tabla 9 se consolida para cada unidad de generación las discontinuidades de las ruedas
Pelton por clase.
En la Tabla 10 se efectúa una calificación a las frecuencias indicadas en la Tabla 9 , a
través de la ponderación lineal indicada en la Figura 15, con la cual se puede obtener para
cada unidad de generación de la CHPM una evaluación general de su estado, siendo la
menor calificación el mejor estado y la mayor el peor estado. En la Figura 14 se presenta la
calificación general por unidad de generación.
Tabla 9 Frecuencias de las discontinuidades presentadas en las unidades de
generación por clase
Fuente: Autor
CLASES FRECUENCIAS
U06 U10 U05 U09 U03
1 195 189 141 142 165
2 3 5 7 2 0
3 1 4 5 2 0
4 4 13 26 28 2
5 7 6 20 6 10
S 10 3 21 40 43
TOTAL 220 220 220 220 220
Tabla 10 Frecuencias ponderadas de las discontinuidades presentadas en las unidades de generación por clase.
Fuente: Autor
PESO CLASES U06 U10 U05 U09 U03
0.05 1 9.29 9.00 6.71 6.76 7.86
0.10 2 0.29 0.48 0.67 0.19 0.00
0.14 3 0.14 0.57 0.71 0.29 0.00
0.19 4 0.76 2.48 4.95 5.33 0.38
0.24 5 1.67 1.43 4.76 1.43 2.38
0.29 S 2.86 0.86 6.00 11.43 12.29
1 RESULTADO PONDERADO
15.00 14.81 23.81 25.43 22.90
Oyervide, 21
Figura 14 Calificación general de las discontinuidades por unidad de generación.
Fuente: Autor
La Figura 15 muestra la ponderación con la cual se ajustó a cada clase de la Tabla 10.
Figura 15 Ponderación ajuste de criterios de aceptación de las diferentes clases
Fuente: Autor
3.1.2. PARTÍCULAS MAGNETICAS
Los resultados de las partículas magnéticas son similares a los correspondientes a tintas
penetrantes de la Tabla 9, por lo tanto la calificación fue idéntica como se muestra en la
Figura 14.
3.1.3. PERFIL HIDRAULICO.
En el Anexo 3 se proporciona los gráficos referenciales para la medición de holguras y
espesores de los álabes de las ruedas Pelton según el fabricante. En la Tabla 11 y en la
Tabla 12 se indica con código de colores los puntos de medición que se encuentran fuera
de tolerancia de acuerdo a lo recomendado por el fabricante para cada grupo de plantillas
utilizadas sobre los álabes.
Oyervide, 22
Tabla 11 Medidas fuera de tolerancia correspondientes a los espesores de los álabes
de la ruedas Pelton.
Fuente: Autor
TOLERANCIAS DEL FABRICANTE
MEDIDA Tc T s1 s2 b I Ba
NOMINAL 109.1 177.5 25 25 660 38.4 250.8
MIN 107.8 107.8 174.2 174.2 25 25 25 25 660 36.9 250
MAX 110.4 110.4 180.8 180.8 27.5 27.5 27.5 27.5 664 39.9 251.6
CANGILÓN SUP INF SUP INF SUP INF SUP INF ----- ----- -----
MEDIDAS DE FABRICA
1 108.5 109.0 175.5 176.0 25.3 25.2 25.0 25.0 661.8 36.9 250.8
7 109.4 109.2 175.5 175.0 25.8 26.4 26.4 25.7 662.2 39.8 250.5
12 109.4 109.1 177.0 176.5 25.9 26.6 26.3 25.8 660.1 37.6 250.5
18 109.1 108.8 177.0 177.5 25.5 25.8 26.2 25.2 662.2 37.8 251.0
MEDIDAS A LA FECHA 26-10-2015
1 109 109 177 177 25.19 25.23 25.83 26.84 660 42 251
7 109.8 109.8 176 176 25.55 26.2 26.8 25.55 660 40 251
12 109 109 177 177 25.17 25.88 26.3 26.15 660 41.9 251
18 109 109 176 176 25.1 25.4 26.12 25.33 660 42 251
DENTRO DEL LIMITE FUERA DEL LIMITE
Tabla 12 Medidas fuera de tolerancia correspondientes a las holguras de los álabes
de la ruedas Pelton.
Fuente: Autor
TOLERANCIA DEL FABRICANTE
LUGAR ARISTA CANGILÓN INTERNO DORSO
PLANTILLA C1 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15
CANGILÓN +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3 +1.3
MEDIDAS DE FABRICA
1 SUP
0.6 0.8 0.6 0.6 0.6 1.2 0.6 1.2 0.6 0.5
0.6 0.9 1.0
INF 1.3 1.1 0.9 0.6 1.0 0.9 0.6 0.9 0.8 0.6 1.3
7 SUP
0.6 0.6 0.6 0.8 0.6 0.8 0.8 0.9 0.8 0.6
1.2 1.0 0.9
INF 1.0 0.4 0.6 0.8 0.8 0.6 0.9 0.9 0.6 0.8 1.3
12 SUP
0.6 0.4 0.4 0.4 0.8 0.8 0.9 0.6 0.9 0.4
0.6 0.8 0.6
INF 0.8 0.8 0.6 0.8 0.6 0.8 0.8 0.8 0.4 1.3 1.0
18 SUP
1.3 0.4 0.6 0.4 0.6 1.0 0.6 0.6 0.8 0.6
1.3 1.3 0.9
INF 0.4 0.6 0.6 0.9 0.9 0.4 0.8 1.0 0.8 1.3 1.2
MEDIDAS A LA FECHA 26-10-2015
1 SUP
3 1.5 0.6 0.8 0.6 1.3 0.6 1.49 0.6 0.6
0.6 0.9 1.1
INF 1.3 1.1 1 0.6 1.1 1 0.8 0.85 0.8 1.35
7 SUP
2.05 0.7 0.4 0.9 0.6 0.8 0.9 1 1.05 0.6
1.4 1.1 1
INF 1.15 0.4 0.6 0.9 0.8 1 1 0.6 0.9 1.4
12 SUP
2.4 0.6 0.5 0.5 0.9 0.8 1 0.7 1 0.6
0.7 0.9 0.7
INF 0.9 0.8 0.6 0.8 0.7 0.9 1 0.6 1.35 1.1
18 SUP
2.45 0.5 0.6 0.5 0.7 1 0.7 0.8 1 0.8
1.25 1.4 0.9
INF 0.6 0.6 0.7 1 1 0.9 1.2 1 1.4 1.3
DENTRO DEL LIMITE FUERA DEL LIMITE
Oyervide, 23
3.1.4. VIDA UTIL DE LAS RUEDAS PELTON
En la se proporcionan los ciclos de carga de las ruedas Pelton calculado según la Ecuación
1. En la Figura 16 se indican las ruedas Pelton que sobrepasaron el número de ciclos
recomendado.
Tabla 13 Ciclos de las ruedas Pelton hasta la fecha noviembre-2015
Fuente: Autor
Unidad Horas de
funcionamiento de la rueda Pelton
# chorros
rpm 60 min Ciclos
U01 196861 6 360 60 2.55 x 1010
U02 200193 6 360 60 2.59 x 1010
U03 200841 6 360 60 2.60 x 1010
U04 198855 6 360 60 2.58 x 1010
U05 79527 6 360 60 1.03 x 1010
U06 16286 6 360 60 2.11 x 1009
U07 149440 6 360 60 1.94 x 1010
U08 150012 6 360 60 1.94 x 1010
U09 155437 6 360 60 2.01 x 1010
U10 40214 6 360 60 5.21 x 1009
Figura 16 Ruedas Pelton que sobrepasaron los ciclos de carga
Fuente: Autor
Oyervide, 24
3.2. METODO PARA LA EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN DE LA RUEDA PELTON
Posterior a la aplicación de los ensayos y metodologías indicados en los apartados
anteriores de este capítulo, sus resultados serán evaluados en la Tabla 14, denominada
matriz para evaluación de la condición de la rueda Pelton, la cual identifica las decisiones a
tomar en función de la información expuesta en este documento.
Tabla 14 Matriz para evaluación de la condición de la rueda Pelton
Fuente: Autor
END PERFIL HIDRÁULICO
# DE CICLOS
ACCIONES A TOMAR
< a clase 2 > a clase 2
Reparación en sitio de las áreas afectadas durante el periodo de mantenimiento programado
X
Reparación en sitio de las áreas afectadas durante el periodo de mantenimiento programado y seguimiento de las horas de funcionamiento de la rueda Pelton.
X
Reparación condicionada al tiempo de disponibilidad de la unidad de generación. En caso de requerir extensas reparaciones deberá programarse la parada de la unidad de generación.
X X
Cambio de rueda Pelton para análisis de estructura de material, de los resultados definitivos evaluar la factibilidad de su reparación.
Reparación condicionada al tiempo de disponibilidad de la unidad de generación. En caso de requerir extensas reparaciones deberá programarse la parada de la unidad de generación.
X
Reparación condicionada al tiempo de disponibilidad de la unidad de generación. En caso de requerir extensas reparaciones deberá programarse la parada de la unidad de generación y seguimiento de las horas de funcionamiento de la rueda Pelton.
X
Cambio de rueda Pelton para recuperación del perfil hidráulico con procesos de soldadura y soldadores calificados.
X X
Cambio de rueda Pelton para análisis de estructura de material, de los resultados definitivos evaluar la factibilidad de su reparación
Leyenda
* Condición acorde a los niveles de aceptación, se toma el nivel 2 como referencia de acuerdo
a la norma CCH 70-3 y al informe de recepción del fabricante de la rueda Pelton X Incumplimiento de las tolerancias o limites
Cumplimiento de las tolerancias o limites
Oyervide, 25
4. DISCUSIÓN
Las ruedas Pelton de las unidades de generación U06 y U10 son las que menor
discontinuidad tienen en su perfil hidráulico y esto se puede deber a que son las ruedas con
menor ciclo de carga como se muestra en la Figura 16. Sin embargo, la rueda de la unidad
U06 al evaluar su perfil hidráulico ya presenta desgaste que requiere reparación, pues ya
superó las tolerancias definidas por el fabricante, esto se puede evidenciar en las 4
mediciones de la arista I y C1 indicadas en la Tabla 11 y Tabla 12. Este prematuro desgaste
se debe a que el agua que llega a su rueda Pelton de U06, es transportada a través de un
túnel de carga sin revestimiento provocando que los desprendimientos de rocas ataquen
directamente al perfil hidráulico de la rueda Pelton. Sería recomendable efectuar un análisis
de las posibles soluciones técnicas para minimizar la llegada de material solido a las ruedas
como podría ser el revestimiento del túnel de carga o la estabilización de las zonas
afectadas.
Los métodos de tintas penetrantes y partículas magnéticas utilizados permiten evaluar la
condición de las ruedas Pelton siempre y cuando los ensayos se efectúen por técnicos
certificados de forma sistemática y siguiendo la normativa relacionada que se encuentra
definida en CCH 70-3.
Basándose en los resultados que presenta la Figura 14, la ruedas Pelton de las unidades de
generación U03 y U09 deberían cambiarse ya que la mayoría de los resultados de los
ensayos no destructivos indican que varias zonas no cumplen con la normativa CCH 70-3 y
los resultados que se presentan en la Figura 16 referente a los ciclos de carga superan lo
recomendado por el fabricante, además no se puede contrastar el desgaste del perfil
hidráulico con el original de fábrica por no disponerse de las plantillas, en cambio la U05
debe entrar en una etapa de reparación para prolongar su vida útil ya que los resultados de
ensayos no destructivos indican que no cumplen con la normativa CCH 70-3.
El éxito en la aplicación de esta metodología para la toma de decisiones está muy ligada a
la fiabilidad de los datos y mediciones en los cuales se basan los ensayos, y para esto
resulta necesario que en la gestión de mantenimiento de la institución, se establezca un
plan específico para el monitoreo de condición de las ruedas Pelton, capacitando a sus
técnicos en el control del perfil hidráulico y contando con el equipamiento necesario para
realizar las mediciones según la periodicidad que se determine apropiada.
El método planteado evalúa la condición de la rueda Pelton sin considerar periodicidades
para la ejecución de los ensayos, pues mide puntualmente el estado de la rueda Pelton, la
frecuencia de los ensayos debe estar sujeta al plan de mantenimiento, pues las mediciones
se hacen con la unidad detenida. Los ciclos de carga resultaran en un criterio adicional pues
Oyervide, 26
una vez sobrepasado el límite máximo permitido, debería cambiarse la frecuencia de los
controles ya que el riesgo de falla se incrementa.
El alcance se ha cumplido presentando un método para la evaluación de la condición de las
ruedas Pelton en funcionamiento en la CHPM, sin embargo se requiere que este estudio se
complemente con el análisis de los métodos necesarios para la reparación de superficies y
recuperación del perfil hidráulico, así como para la evaluación estructural y de fatiga del
material de las ruedas que deberán ser extraídas conforme los criterios del método
propuesto.
Oyervide, 27
5. CONCLUSIONES
Esta investigación sirvió para establecer criterios importantes que no se manejan
actualmente para el cambio de una rueda Pelton en las unidades de generación de la
CHPM.
Los resultados obtenidos en esta investigación serán soporte para proceder a presentar un
plan de mantenimiento basado en la condición para el cambio de las ruedas Pelton que ya
culminaron su ciclo de vida y que no cumplen con la norma CCH 70-3, el cambio de las
ruedas Pelton se ejecutara para la U03 y U09.
La metodología de esta investigación ayuda a minimizar el riesgo ya que aplicándola se
puede contar con resultados oportunos, antes de que exista un fallo catastrófico como sería
el desprendimiento de uno de sus álabes.
De los resultados que se presentan en la Figura 16 la institución debe tener repuestos para
planificar el cambio de ruedas Pelton en un corto plazo ya que el número de ciclos que
presentan las unidades de generación U03-U02-U04-U01-U09-U08 y U07 por sus horas de
funcionamiento superan los ciclos recomendados por los diferentes fabricantes de ruedas
Pelton (Voith-Andritz). Ante este escenario se debe completar los ensayos no destructivos a
las ruedas que no fueron inspeccionadas para completar el análisis y tomar las decisiones
del cambio de las ruedas.
Actualmente la CHPM es la más grande de nuestro país y por tal es necesario hacer la
inversión en las ruedas Pelton y equipamientos para un control de perfil hidráulico y evitar
paradas inesperadas que provoquen indisponibilidad de energía para el país. Es necesario
garantizar que este activo maximice la disponibilidad y confiabilidad que la planta y el país lo
exige.
La empresa ENDE CIA.LTDA., a través de sus especialistas nivel III, calificados según la
SNT-TC-1A publicado por la AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING
afirma que los resultados de los ensayos de tintas penetrantes y partículas magnéticas
aplicados en las ruedas Pelton son fiables para defectos que están en la superficie, pues
son similares en ambos casos a pesar de que son ensayos que tienen aplicaciones
diferentes.
No es posible dar seguimiento al perfil hidráulico si no se cuenta con las plantillas del
fabricante, ante esto la institución debe considerar como obligatorio el suministro de las
plantillas en cada proceso de adquisición de ruedas Pelton. Adicionalmente estas plantillas
deben ser manipuladas ya que requieren cuidados especiales, pues resultan ser el patrón
Oyervide, 28
para la medición de las holguras. Al no contar con las plantillas del fabricante es necesario
que la CHPM elabore plantillas para el control del perfil hidráulico; además se incrementen
las inspecciones con ensayos no destructivos.
Las cinco unidades que debieron ser consideradas en las muestras que por motivos
presupuestarios quedaron exentas deben ser evaluadas conforme a lo recomendado en la
metodología al igual que los álabes, ya que por el tiempo de indisponibilidad de máquina
solo pudieron controlarse 4. Los resultados de medición del desgaste del perfil hidráulico en
los 4 álabes muestran que el desgaste es evidente en I y C1, por lo tanto debe completarse
estas mediciones.
De aplicarse la metodología, comenzará a generarse una base de datos con la información
de los resultados de medición del perfil hidráulico de los diferentes álabes de cada una de
las ruedas pelton, permitiendo desarrollar modelos estadísticos que proyectarán el
comportamiento del desgate y una posible falla. Esto es posible aplicando la distribución de
datos que mejor describa el perfil hidráulico en simulaciones como Montecarlo u otras.
Oyervide, 29
6. BIBLIOGRAFÍA
BUREA VERITAS. (08 de 01 de 2016). Obtenido de
http://www.bureauveritas.com.mx/services+sheet/service_sheet_10496
CENACE. (2013). INDICADORES SISTÉMICOS DE TIPO ECONÓMICO. QUITO.
E. Parkinson, N., & S. Lais, K. (2015). New trends in operation and maintenance challenges
. HYDRO 2015 - ADVANCING POLICY AND PRACTICE.
EP, C. E. (s.f.). UNIDAD DE NEGOCIO HIDROPAUTE. Obtenido de
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/perfil-corporativo/cronologia.html
http://www.conelec.gob.ec/. (24 de 07 de 2015). Obtenido de
http://www.conelec.gob.ec/enlaces_externos.php?l=1&cd_menu=4448
https://www.celec.gob.ec/hidropaute. (24 de 07 de 2015). Obtenido de
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/images/ley-de-
transparencia/2015/informederendiciondecuentas2014.pdf
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/. (24 de 07 de 2015). Obtenido de
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/perfil-corporativo/cronologia.html
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/. (14 de 09 de 2015). Obtenido de
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/perfil-corporativo/cronologia.html
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/. (20 de 10 de 2015). Obtenido de
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/images/stories/INFORMES_DE_GESTION/Ley
_de_transparencia/7_Detalle_de_procesos_precontractuales.pdf
SERCOP. (06 de 10 de 2015). Obtenido de
https://www.compraspublicas.gob.ec/ProcesoContratacion/compras/PC/informacion
ProcesoContratacion2.cpe?idSoliCompra=N--
sgrqEkXh3boLuUfmp7rABPkeXC23iCGAWU3SF9Jw,
Vargas Ávila, M., Silveira, T., Carvajalino, J., Freire, J., Tupiassú, J., Garzón, A., y otros.
(2005). Metodología para el Análisis de Integridad Estructural de Rodetes Pelton en
la Central de San Carlos / ISAGEN (Colombia). Operación y Mantenimiento de
Sistemas de Generación.
Vargas Avila, M., Silveira, T., Leal Carvajalino, J., Freire, J., & Tupiassú, J. (2008).
Metodologia para el analisis de integridad estructural de rodetes pelton en la Central
de San Carlos / ISAGEN. Colombia: CIER.
VATECH HYDRO. (S/F). MAINTENANCE, AGEING AND SERVICE LIFE OF PELTON
RUNNERS. SUIZA.
www.celec.gob.ec/hidropaute/. (14 de 09 de 2015). Obtenido de
https://www.celec.gob.ec/hidropaute/perfil-corporativo/paute-integral.html
Oyervide, 30
7. ANEXOS
Anexo 1. Corte lateral de casa de máquinas de la CHPM
Fuente: Archivo Técnico de la CHPM (Campamento Guarumales)
Oyervide, 31
Anexo 2. Resultados de las rueda Pelton U06-U10-U05-U09-U03 identificando la clase a la que pertenecen
6
6 En las tablas del Anexo 2 la letra “S” representa que esta sobre las 5 clases definidas por la norma CCH 70-3
I II III IV V VI VII VIII IX X
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
3 4 1 5 1 1 1 1 1 1 1
4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
5 2 1 1 1 3 5 1 1 1 1
6 2 1 4 1 1 1 1 1 1 1
7 1 S S 1 1 1 1 1 1 1
8 1 S 1 1 1 1 1 1 1 1
9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
10 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
11 1 S S 1 1 1 1 1 1 1
12 5 S 1 1 1 1 1 1 1 1
13 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
15 S S 1 1 1 1 1 1 1 1
16 5 1 5 1 1 1 1 1 1 1
17 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
18 1 S 1 1 1 1 1 1 1 1
19 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
20 1 4 4 1 1 1 1 1 1 1
21 1 1 1 S 1 1 1 1 1 1
22 1 2 5 5 1 1 1 1 1 1
DISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U06ALABES
I II III IV V VI VII VIII IX X
1 1 4 4 1 1 1 1 1 1 1
2 1 1 3 1 1 1 5 1 1 1
3 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1
4 1 1 5 1 1 1 5 1 1 1
5 1 4 2 1 1 1 1 1 1 1
6 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1
7 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1
8 1 S 4 1 1 1 S 1 1 1
9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
10 1 4 3 1 1 1 1 1 1 1
11 1 4 1 1 1 1 1 1 1 1
12 1 1 4 1 1 1 4 1 1 1
13 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1
14 5 1 4 3 1 1 1 1 1 1
15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
16 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
17 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1
18 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
19 1 5 1 1 1 1 1 1 1 1
20 1 3 4 1 1 1 2 1 1 1
21 1 4 5 1 1 1 1 1 1 1
22 1 1 S 1 1 1 1 1 1 1
ALABESDISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U10
Oyervide, 32
I II III IV V VI VII VIII IX X
1 2 4 5 S 1 1 S 1 1 1
2 1 5 4 1 1 1 1 1 1 1
3 3 5 1 1 1 1 1 1 1 1
4 S S 4 5 1 1 4 1 1 1
5 1 4 S 5 1 1 1 1 1 1
6 5 2 3 5 1 1 4 1 1 1
7 4 4 1 1 1 1 1 1 1 1
8 1 4 2 4 1 1 2 1 1 1
9 1 S 4 5 1 1 1 1 1 1
10 5 S 4 1 1 1 1 1 1 1
11 1 S 4 1 2 1 4 1 1 1
12 4 4 4 5 1 1 1 1 1 1
13 4 S S 3 4 1 1 1 1 1
14 2 5 5 5 1 1 1 1 1 1
15 1 5 S S 1 1 S 1 1 1
16 4 5 S 5 1 1 1 1 1 1
17 S 4 4 1 1 1 S 1 1 1
18 S 5 1 1 1 1 3 1 1 1
19 5 2 S 4 1 1 1 1 1 1
20 1 3 S S 1 1 1 1 1 1
21 1 4 1 5 1 1 1 1 1 1
22 4 5 S 4 1 1 1 1 1 1
ALABESDISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U05
I II III IV V VI VII VIII IX X
1 S 1 1 4 S 1 1 1 1 1
2 5 1 1 4 S 1 1 1 1 1
3 S 1 1 4 S 1 1 1 1 1
4 4 1 1 4 S 1 1 1 1 1
5 S 1 S 4 S 1 1 1 1 1
6 S 1 4 4 S 1 4 1 1 1
7 3 1 2 4 S 1 1 1 1 1
8 S 4 S 4 S 1 1 1 1 1
9 4 S 3 4 S 1 1 1 1 1
10 4 1 5 5 S 1 1 1 1 1
11 S S 4 4 S 1 1 1 1 1
12 S S 1 4 S 1 1 1 1 1
13 S 1 1 4 S 1 1 1 1 1
14 5 1 1 4 S 1 1 1 1 1
15 2 1 1 4 S 1 1 1 1 1
16 1 1 5 4 S 1 1 1 1 1
17 S 1 S 4 S 1 1 1 1 1
18 S 1 1 4 S 1 1 1 1 1
19 S 1 1 4 S 1 1 1 1 1
20 1 1 S 4 S 1 1 1 1 1
21 1 1 1 4 S 1 1 1 1 1
22 5 1 1 4 S 1 1 1 1 1
ALABESDISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U09
Oyervide, 33
Fuente: Informe de ensayos no destructivos proporcionado por la empresa ENDE.
I II III IV V VI VII VIII IX X
1 1 1 1 5 S 1 1 1 1 1
2 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
3 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
4 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
5 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
6 1 1 S S S 1 1 1 1 1
7 1 1 5 S S 1 1 1 1 1
8 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
9 1 1 1 S S 1 5 1 1 1
10 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
11 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
12 1 1 5 S S 1 1 1 1 1
13 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
14 1 1 1 5 S 1 1 1 1 1
15 1 1 1 5 5 1 1 1 1 1
16 1 1 1 S S 1 S 1 1 1
17 S 1 1 S S 1 5 1 1 1
18 1 1 4 5 S 1 1 1 1 1
19 1 1 1 S S 1 1 1 1 1
20 4 1 1 S S 1 1 1 1 1
21 1 1 1 5 S 1 S 1 1 1
22 1 S 1 S S 1 1 1 1 1
ALABESDISCONTINUIDADES EN LAS DIFERENTES ZONAS U03
Oyervide, 34
Anexo 3 Gráfico de referencia para utilización de plantillas
Fuente: Archivo Técnico de la CHPM (Campamento Guarumales).