Aunque los problemas de vibración debido a la presencia de fisuras en turbomaquinaria son muy poco comunes (menos del 2%), muchas personas han sido sorprendidas por ellos. Por lo tanto, aunque no sea un problema muy común, hay que estar siempre muy atentos a detectar cualquier fisura en rotores de turbomáquinas, ya que si se presenta alguna fisura y si no se toman las medidas de precaución necesarias, las consecuencias serían las más desastrosas que ningún otro problema en turbomaquinaria produciría.
Se dice que el 80% de las rupturas de piezas de máquinas son debidas a fatiga [22]. Cualquiera que sea el porcentaje verdadero, desde luego es grande, por lo que el proyecto de los elementos de máquinas debe hacerse siempre teniendo presente la posibilidad de un fallo por fatiga. Incluso en los casos en que no sea previsible la curva de variabilidad de carga y sean desconocidas las magnitudes de las fuerzas, que es lo corriente, deben reconsiderarse los principios de proyecto en lo que concierne a la fatiga. Por consiguiente, el proyectista nunca debe desestimar esta contingencia, y, tendrá que estudiar las posibilidades de esfuerzos eventuales para tratar de definir la carga más completamente.
A escala macroscópica, el fallo por fatiga comienza en un punto cualquiera (a causa del efecto repetido que excede la resistencia a la fatiga del material) en forma de una minúscula fisura que se extiende gradualmente con las repeticiones de un esfuerzo excesivo hasta que el área resistente llega a ser tan pequeña que se produce súbitamente la fractura completa, probablemente sin otro indicio y quizás aún ahora con una pequeña carga aplicada. La fractura en materiales muy dúctiles se produce sin acción plástica importante; de aquí que a
estas fracturas se las denomine ordinariamente frágiles, o rupturas frágiles (el otro tipo de
ruptura se conoce como dúctil). La superficie repentinamente fracturada tiene una apariencia cristalina lustrosa, que es característica de toda ruptura frágil. Puesto que los fallos por fatiga son también consecuencia de la extensión de una fisura, se las denomina
más propiamente fracturas progresivas. Se cree que la ruptura por fatiga comienza en
puntos arbitrarios, como deslizamiento sobre los planos de cortadura de los cristales cuando están orientados de manera que esto pueda ocurrir. Las imperfecciones en los cristales del metal u otras, tales como penetración de óxidos en los contornos de los granos de dicha estructura, contribuyen a que se inicien tales fallos, que pronto se convierten en microscópicos. El deslizamiento de los cristales continúa con la reiteración de los esfuerzos hasta que se producen fisuras visibles. Aunque la cortadura produzca el deslizamiento cristalino, la fisura se extiende en la dirección de un plano sometido a un esfuerzo de tracción. Almen [3] presenta casos ilustrados de fisuras que tienen la misma dirección de un plano en que hay compresión debida a una carga externa, pero el agrietamiento se atribuye al esfuerzo residual de tracción conocido que existe. A causa de que las fisuras estaban sometidas a compresión por la carga externa, no se propagaron más hasta ruptura. Por otra parte, una vez que existe una fisura en un plano sometido a tracción, la alta concentración de esfuerzo en los extremos de la fisura favorece su rápida extensión. La fisura debida a una carga que produce un esfuerzo cortante primario tiende a seguir el plano de la tracción principal. La fisura debida a fallo por fatiga bajo esfuerzo de compresión repetido sigue aproximadamente la dirección del máximo esfuerzo cortante (de igual modo, el fallo por fatiga debido a compresión solamente es un caso especial).
En las piezas reales de máquinas el agrietamiento suele comenzar en una discontinuidad, una superficie cóncava de enlace o transición, una raya o marca de herramienta, una inclusión o un agujero en el interior de la pieza, un chavetero o ranura de chaveta, etc. Las discontinuidades tienen por efecto aumentar localmente el esfuerzo (en la proximidad de la
discontinuidad). La ruptura por fatiga de una probeta de viga giratoria lisa y pulida sin
defectos internos, comienza en la superficie exterior no sólo porque el máximo esfuerzo está
allí sino quizá a causa de que los cristales de la superficie al no estar reforzados por otros cristales en todos los lados, están más expuestos estadísticamente a ser los primeros sometidos a deslizamiento o cortadura.
Así, el fallo por fatiga es la iniciación de una fisura y su propagación. Por lo tanto, la consecuencia lógica que hay que esperar es que la fisura se propague en un plano de máximo esfuerzo de tracción. Para un elemento o pieza sometido a torsión simple las fisuras por fatiga progresan en un plano que forma 45° con el esfuerzo cortante máximo, que es el plano de esfuerzos principales de tracción. En un elemento sometido sólo a compresión, las fisuras no se extenderán en el plano del esfuerzo de compresión, sino que se producen típicamente en la proximidad del plano del esfuerzo cortante máximo teórico, que forma un ángulo de 45° con el esfuerzo de compresión. En un elemento sometido a torsión y flexión
combinadas, se ha hallado para el acero suave [16] que: si ( max / τmax)es apreciablemente
mayor que 1.6, la fisura se propaga en la dirección del esfuerzo normal; si ( max / τmax)< 1.6,
la fisura sigue la dirección del esfuerzo cortante; para ( max / τmax) ≈ 1.6, podría seguir
cualquier dirección. El procedimiento lógico se complica aún más (Sines [67] ha presentado datos que indican que el esfuerzo cortante alternado produce deterioros por fatiga). También
declara que para esfuerzo cortante simple la magnitud del esfuerzo cortante medio ssm no
tiene efecto sobre la magnitud del esfuerzo cortante alternado que produce fallo, siempre
que el esfuerzo máximo τmax no exceda la resistencia de fluencia en torsión. (Pero para datos
contradictorios, véase Chodorowski [45]).
Los esfuerzos residuales (debidos a los diversos procesos de fabricación, térmicos y mecánicos) juegan aparentemente un papel más importante en la determinación de la resistencia a la fatiga, de lo que generalmente se concede. Estos esfuerzos son triaxiales, complicados y difíciles de obtener o calcular, pero la conclusión es que los proyectistas deben procurar incluir su efecto y controlarlo. Véase Mattson [45].
Así entonces, es importante tener en mente que los concentradores mecánicos de esfuerzos, diversos factores metalúrgicos y el desgaste por fricción, contribuyen al inicio de una fisura. Además, el desalineamiento en máquinas reales, entre otros defectos de funcionamiento, es una condición importante que causa propagación de fisuras en los rotores. Cabe mencionar que cada vez que el rotor realice una revolución, también realizará un ciclo de esfuerzo invertido. De tal forma que en un período de 48 horas girando a 3600 rpm, la unidad habrá efectuado 10368000 ciclos de esfuerzo. En menos de un mes, el rotor alcanzará el límite a altos ciclos de fatiga. El límite a bajos ciclos de fatiga se presenta antes.
Los esfuerzos térmicos juegan un papel importante en el inicio y propagación de una fisura, dichos esfuerzos se presentan principalmente en los ejes de turbinas. Por otra parte, la presencia de esfuerzos residuales y las desfavorables condiciones metalúrgicas y ambientales son otras causas importantes que contribuyen a la propagación de las fisuras.
Usualmente los rotores de turbinas de gas están diseñados para minimizar tanto los esfuerzos mecánicos como los esfuerzos térmicos, evitando por lo tanto los chaveteros, los pasadores y barrenos.
A pesar de lo difícil que resulta encontrar información de accidentes provocados por la explosión de rotores en turbomaquinaria, a continuación se presentan algunos casos que sirven para reflexionar sobre la gran importancia y justificación que tiene el presente tema abordado. Cabe mencionar que la gran mayoría de los accidentes originados por la fractura de rotores han sido causados por fisuras transversales (las más comunes en ejes rotatorios) y es por ello que en esta tesis es el tipo de fisura que se estudia, sin embargo también han existido casos muy raros donde las rupturas de los ejes fueron provocadas por fisuras simétricas transversales, en forma de copa (que son una modalidad de las fisuras
transversales), espirales torsionales o longitudinales, por lo que se propone abordar el
estudio de estos últimos tipos de fisura en futuros trabajos. La figura 1.1 muestra precisamente un rotor fracturado por la existencia de una fisura longitudinal.
Fig. 1.1. Rotor de una turbina de gas fracturado por la existencia de una fisura longitudinal (cortesía de Machine Library de Bently Nevada®).
En junio de 1974 en los Estados Unidos de América ocurrió la explosión de una turbina de vapor de la central de generación de energía eléctrica Tennessee Valley Authority Gallatin No. 2, la cual había entrado en operación comercial en 1957. El accidente se presentó en la sección de intermedia-baja presión durante el arranque en frío de la turbina. El rotor se encontraba girando cerca de las 3600 rpm y dada la gran masa del eje rotatorio debida al incremento del diámetro en dicha sección, la energía cinética liberada fue enorme. Los reportes señalan que el accidente se debió a que se combinó la fatiga de baja frecuencia (por ciclos de calentamiento y enfriamiento de la turbina) y la termofluencia del material (el cual ya había estado sometido durante un largo tiempo a temperaturas altas y a altos esfuerzos termomecánicos), lo cual ocasionó la formación de microfisuras, llegando el momento que al unirse formaron una fisura la cual fue creciendo hasta provocar el fallo del rotor por ruptura frágil [72].
Otro lamentable accidente ocurrió en Alemania, en esta ocasión en un turbogrupo de vapor de 330 MW perteneciente a una planta generadora de electricidad [1]. Este turbogrupo había sido fabricado en 1971, giraba a 3000 rpm (50 Hz) y estaba conformado por una turbina de alta presión, una turbina de presión intermedia, dos turbinas de baja presión de doble corriente con condensadores y un generador eléctrico de 375 MVA. Cabe mencionar que en la planta había ocurrido un paro de actividades y diez días después el turbogrupo fue arrancado de nuevo con un tiempo de sólo 4 minutos de precalentamiento; entonces el rotor se aceleró para alcanzar la velocidad de 3000 rpm y un poco antes del sincronizado explotó repentinamente.
El rotor y todos sus alabes pesaban 80 toneladas, partiéndose dicho rotor en 30 pedazos. Por fortuna, el pedazo más grande (de 24 toneladas) se enterró en el piso de la planta, otros dos pedazos de aproximadamente 1 tonelada de peso cayeron en lugares despoblados a 1.1 y 1.3 kilómetros de la planta. El fracturado rotor mostraba en sus caras aspectos de ruptura frágil, esto da la pauta para pensar que el rotor tenía defectos (pequeñas fisuras) desde su fabricación, lo cual aunado al número de paros y al poco tiempo de precalentamiento provocaron el grave accidente. Según los reportes, este terrible siniestro afortunadamente no provocó pérdidas humanas, pero las pérdidas económicas por destrucción de equipo fueron grandes.
Es un hecho que a lo largo de la historia han ocurrido más accidentes por no detectar a tiempo fisuras en ejes rotatorios de maquinaria en operación, tan sólo en los últimos 10 años se han producido más de 30 incidentes de grandes ejes de turbogeneradores fisurados, algunos han sido catastróficos. También ha habido numerosos problemas de ruptura de ejes de bombas refrigeradoras, ninguno de los cuales ha causado daños al reactor. Sin embargo estos sucesos casi nunca se notifican de forma amplia debido a que siempre se busca cuidar el prestigio de las empresas involucradas en los lamentables acontecimientos; a pesar de ello, los casos presentados sirven para tomar conciencia de lo terrible que sería un rotor fracturado. La figura 1.2 es una fotografía que muestra los resultados de la explosión repentina del eje de una turbina de gas a causa de una fisura transversal.
Fig. 1.2. Resultados de la explosión repentina del eje de una turbina de gas (cortesía de Machine Library de Bently Nevada®).
La figura 1.3 muestra los restos de un generador eléctrico, esta máquina fue afectada por la ruptura de su eje rotatorio; mientras tanto, la figura 1.4 muestra un rotor fracturado que pertenecía a una turbina de gas, el cual colapsó por la propagación de una fisura transversal, este es un caso típico de la negligencia para detectar a tiempo fisuras en rotores.
Fig. 1.3. Restos de un generador eléctrico (cortesía de Machine Library de Bently Nevada®).
Fig. 1.4. Rotor fracturado por la propagación de una fisura transversal (cortesía de Machine Library de Bently Nevada®).