Análise e atualizações de engenharia Solucionar falha da bomba da seção do anel
Uma grande usina de energia nos Estados Unidos enfrentou problemas de alta vibração e recirculação com várias bombas de alimentação de caldeira de seção de anel (BB4), resultando em várias falhas catastróficas e interrupções não planejadas. Este estudo de caso detalha uma das bombas que foi enviada para um centro de serviço pós-venda para uma análise completa, solução de problemas, plano de reparo, reconstrução e teste de desempenho.
As usinas de ciclo combinado são as “novas crianças no bloco” da indústria de geração de energia. Projetadas para combinar turbinas a gás e a vapor, as usinas de ciclo combinado podem produzir até 50% mais eletricidade com o mesmo uso de combustível que as usinas de ciclo simples. As plantas modernas de ciclo combinado também podem reagir rapidamente às demandas da rede elétrica com a capacidade de começar a produzir energia em menos de 10 minutos e operar com capacidade total em menos de 60 minutos. Isso fornece um complemento eficiente para a tecnologia renovável intermitente.
À medida que a demanda de eletricidade mudou e as usinas de ciclo combinado começaram a substituir as usinas convencionais de energia fóssil e térmica, o tipo de bombas usadas também mudou. Usinas de energia fósseis geralmente usam bombas de barril robustas e de longa duração. Essas bombas operam por longos períodos ininterruptos e as plantas geralmente são equipadas com duas bombas 100% ou três bombas 50% instaladas por unidade.
Fundo
Depois de experimentar vários problemas de desempenho e confiabilidade da bomba de alimentação da caldeira em sua usina, o proprietário da usina optou por buscar uma análise abrangente da causa raiz e um plano de reparo com um centro de serviço de bombas de reposição em Los Angeles, Califórnia. A investigação finalmente revelou uma série de problemas subjacentes relacionados aos problemas de desempenho e falhas inesperadas da bomba.
Descobertas, soluções projetadas e recomendações
Durante a inspeção e análise inicial da primeira unidade, notou-se que a luva de balanceamento apresentava um ajuste cônico em relação ao eixo. Este tipo de projeto é incomum porque requer alta pressão e uma ferramenta especial para instalar ou remover a luva de balanceamento do eixo. Esta é também uma grande preocupação de segurança.
Além disso, uma luva de balanceamento de ajuste cônico foi instalada perto do ponto de escoamento no eixo. A alta pressão e o encaixe cônico resultaram em um encaixe indesejado no eixo, produzindo áreas de concentração de alta tensão. O diâmetro externo não foi fiel ao eixo, o que resultou em pressão ou força periférica desigual ao redor da luva de equilíbrio. Em troca, criou um cenário em que o eixo poderia dobrar. A força reversa, ou momento fletor, acumula 3.550 vezes por minuto, causando momentos fletores significativos na raiz da luva de equilíbrio, eventualmente fatigando o eixo da bomba.
Foi feita uma proposta para redesenhar a manga de equilíbrio, tornando-a um ajuste reto e tornando-a mais longa para reduzir a folga axial entre o impulsor do último estágio e a manga de equilíbrio. Isso evita o “desengate” do anel de desgaste, o que resulta na desestabilização do rotor.
O fenômeno em que os impulsores saltam para frente e depois retornam à sua posição original ainda existe, mas devido à folga reduzida, o impulsor não pode restringir o fluxo ao dispositivo de equilíbrio.
O centro de serviço descobriu que o projeto original da bomba exigia montagem por configuração face a face usando pinos anti-rotação. Como o difusor de último estágio da bomba não tinha pino no projeto original, a tampa precisava “apertar” o difusor para evitar a rotação. A folga produzida por este projeto resultou em falha prematura do O-ring e também limitou a capacidade de transporte de pressão. Para melhorar a confiabilidade da bomba e a capacidade de transporte de pressão da junta do último estágio, as faces do difusor foram retificadas com precisão. Ao apertar as tolerâncias de empilhamento, a capacidade de carga de pressão da junta do último estágio também é melhorada.
Outra descoberta importante foi que os impulsores de encaixe deslizante se mantinham no eixo no lugar adequado com a ajuda das faces do cubo. No entanto, as faces não eram perpendiculares, o que forçava o rotor a dobrar, causando problemas de alta vibração.
Quando o rotor foi colocado nos roletes para verificar o desvio, o TIR (excentricidade total do indicador) parecia estar dentro da tolerância. No entanto, o eixo se dobraria devido às faces não serem precisamente perpendiculares ao furo, uma vez que a bomba estivesse funcionando e as forças hidráulicas fossem aplicadas aos impulsores. O problema era difícil de detectar sem imitar a força hidráulica.
O centro de serviço recalculou e usinou as faces da tampa para produzir uma queda de tampa artificial que seguia perfeitamente a queda natural do rotor.
Os deslocamentos recalculados para as tampas permitiram o uso de folgas mais apertadas entre a luva de balanceamento e a bucha de balanceamento, reduzindo assim o fluxo através da linha de balanceamento. A pressão da linha de equilíbrio, em média, foi reduzida em cerca de 30 libras por polegada quadrada (psig), o que também estendeu o MTBR.
Desafios
Inicialmente, a usina hesitou em modificar o projeto original da bomba e executar uma atualização de engenharia, o que criou um desafio para o centro de serviço resolver completamente o problema e a possível quebra do eixo. Durante as negociações de atualização, outra unidade de alimentação de caldeira da planta falhou inesperadamente com um eixo quebrado. Como o centro de serviço antecipou, essa falha adicional serviu para confirmar o problema em questão e enfatizou a necessidade urgente de uma modificação no projeto.
Teste de desempenho para validação
As usinas de energia usam a pressão da linha de equilíbrio como principal ponto de referência para estabelecer uma linha de base para a saúde geral de uma bomba BB4. A pressão da linha de balanceamento aumentará juntamente com maiores folgas internas de ajustes críticos, tolerâncias e outros fatores de mitigação que podem ser facilmente perdidos durante a montagem. Portanto, o teste de desempenho que duplique de perto as condições reais de uma bomba em serviço é uma etapa crítica no processo de reparo.
Após o reparo, a bomba foi enviada para um laboratório de teste de bombas certificado pelo Hydraulic Institute em Chicago. Aqui, as bombas foram submetidas a protocolos de teste padrão para medir vibração, pressão e fluxo. Para confiabilidade, o ponto de dados mais importante coletado é a pressão da linha de equilíbrio, um recurso exclusivo no teste de bombas de anel segmentar. Com o suporte de engenharia do laboratório de teste, o centro de serviço foi capaz de projetar e configurar um procedimento de teste que imitava de perto as condições de campo da bomba instalada.
De volta ao serviço
Depois que o reparo e os testes foram concluídos e as bombas foram instaladas, o centro de serviços recebeu várias bombas de seção de anel segmentar idênticas de várias usinas de energia apresentando os mesmos problemas. Usando o conhecimento das reconstruções anteriores, o centro de serviço foi capaz de executar uma série de reparos semelhantes para essas bombas de alimentação de caldeira adicionais em um prazo acelerado.
Hoje, todas as bombas de seção de anel segmentar foram colocadas de volta em serviço e estão funcionando corretamente sem problemas de confiabilidade.
O centro de serviço usou um processo de inspeção completo, procedimentos de controle de processo extensivos e critérios de aceitação rigorosos para realizar esses reparos.