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Avances en Producción y Manejo de Gas
COMPORTAMIENTO DINAMICO DE EXPANSORES MAFI-TRENCH MODELO
EC5
Autores: José G. Martínez Carlos D. Blanca Jorge L. González ENERO 2008
EXPERIENCIAS EN REPOTENCIACIÓN EN TURBINAS A GAS MODELOS PGT5. Por: Carlos Blanca, José Martínez,Jorge González
RESUMEN
La planta de Extracción San Joaquín se encuentra ubicada en el estado Anzoátegui y
forma parte del Complejo Criogénico de Oriente de la Gerencia de Procesamiento de
Gas. Esta planta posee dos (02) trenes de extracción, en cada tren están instalados
dos turboexpansores en paralelo, uno operativo y otro disponible, cuya finalidad es
expandir el flujo de gas entrante para bajar la temperatura hasta -112°F. Este equipo
es uno de los más importantes para mantener el recobro de Líquidos de Gas Natural
(LGN) en el proceso de Extracción. La Planta de extracción San Joaquín es de vital
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importancia para el país, ya que acondiciona el gas que es consumido como gas
combustible, en las empresas básicas y en muchos de los hogares venezolanos,
como un compromiso social de PDVSA GAS a la nación.
A partir de Septiembre de 2006 ocurren cuatro (04) fallas en los expansores, con
desprendimiento de alabes y agrietamiento de otros. Ante esta situación se
realizaron diferentes estudios y pruebas con la finalidad de determinar la causa raíz
de las fallas. Para ello se realizó una revisión de todos los sistemas de control y
procesos. Adicionalmente se revisaron los procedimientos de ensamblaje del
Turboexpansor y se realizó un estricto control de las mediciones, inclusive se
midieron las dimensiones de las ruedas instaladas, aunque fue un poco rudimentaria,
nos permitió comparar con las medidas tomadas a una rueda que había estado
funcionando sin fallar. Los resultados arrojaron que había una diferencia en el
espesor de los alabes. Estas mediciones y a partir de un informe enviado
previamente por el fabricante ( Mafi-Trench), donde exponía que las condiciones de
proceso producían un efecto de resonancia en la rueda, permitieron demostrar a la
empresa Mafi-Trench que había un error en el diseño de las ruedas últimamente
instaladas. Mafi-Trench reconoció un mal diseño de los impulsores y realiza
modificación de las ruedas, el cual permitirá operar el equipo hasta el valor de paro
por sobrevelocidad sin que se presente efecto de resonancia.
El presente trabajo permitira mostrar las acciones ejecutadas para corregir las fallas
ocurridas y la forma como se demostró ante Mafi-trech la existencia de un error de
diseño, en las últimas ruedas adquiridas por PDVSA y montadas en los expansores
que fallaron.
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ANTECEDENTES
A continuación se presentar los antecedentes de fallas ocurridos en el sistema de
turboexpansión y las acciones ejecutadas durante el período comprendido entre el
mes de Septiembre de 2006 y el mes de Abril 2007.
1. Revisión del Sistema de Control Anti Surge
Con la asistencia técnica especializada de la empresa Compressor Controls
Corporation INC y Mafi Trench Corp se realizaron las siguientes acciones:
• Actualización del software y configuración de las unidades D4-10301, D4-
10302 y D4-20301.
EVENTO EXPANSOR FECHA DEPARO
CAUSA DE PAROEN PANEL CAUSA PROBABLE DE FALLA
N°1 D4-10302 08/09/2006 Alta vibración
Paro de tren por cierre súbito de válvula deentrada y alto punto de rocío. Inestabilidaden el flujo. (Álabe desprendido de impulsorde expansor).
N°2 D4-10301 09/09/2006 Alta vibración
Por filtración de válvulas de succión elturboexpansor estuvo girando sin aceitelubricante y se desgastó la cara de empujedel cojinete lado expansor.
N°3 D4-10301 31/10/2006 Alta vibración
Se arrancó el Turboexpansor con la válvulade recirculación cerrada. El paro por BentlyNevada no se activó por falla en tarjetaelectrónica. (Álabe desprendido del impulsorlado expansor y cuatro fracturados).
N°4 D4-10301 27/11/2006 Alta vibraciónAlta temperatura de cojinetes por desgastedel babbit de los cojinetes. Válvula derecirculación 10% abierta.
N°5 D4-10301 14/12/2006 Alta vibraciónInstalación de Turboexpansor con piezasusadas que se encontraban dentro detolerancia.
N°6 D4-10301 18/01/2007 Alta temperatura decojinete
Instalación de Turboexpansor con cojinetesrebbabitados. Se quemaron los cojinetes.
N°7 D4-10301 02/04/2007 Alta vibración Causa no identificada. (Álabe desprendidodel impulsor lado expansor).
N°8 D4-10301 04/04/2007 Alta vibración
Arranque del Turboexpansor con la válvulade succión del compresor cerrada. (Noestaba alineado el Supply de lainstrumentación)
N° 9 D4-10302 25/04/2007 Alta vibración Causa no identificada.
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• Configuración de los puntos de alarma y paro en presencia de surge del
compresor para protección de las unidades rotativas.
• Revisión de la instrumentación asociada a los Turboexpansores D4-10301 y
D4-10302.
2. Armado unidad rotativa del turboexpansor
• Armado, instalación y puesta en servicio del Turboexpansor D4-10302, bajo la
supervisión y asesoría de técnico especialista Mafi-Trench.
• Chequeo de angúlo de apertura y cierre de los IGV con respecto al recorrido
del actuador.
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• Limpieza de difusor los difusores.
• Calibración de difusor del lado compresor y ajuste del perno.
• Medición de tolerancia entre el impulsor del expansor y el difusor.
3. Revisión, calibración y reemplazo de instrumentación (manómetros e interruptores
de presión) asociada.
4. Actualización tecnológica del sistema de monitoreo y protección Bently Nevada.
5. Mantenimiento al sistema de aceite lubricante:
• Limpieza de tanque de aceite.
• Reemplazo de elementos filtrantes.
• Limpieza de enfriadores.
6. Análisis de aceites.
7. Reemplazo de instrumentación de la válvula de succión expansor.
8. Inclusión de variables asociadas al expansor en el info-plus.
9. Envío de piezas dañadas para análisis metalográfico.
10. Inspección de líneas de succión.
11. Reuniones de seguimiento a actividades y recomendaciones.
12. Elaboración de nuevos formatos para el registro de información:
• Tipo de aceite suministrado, tolerancias durante el armado del
expansor y otros.
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Una vez ejecutadas las acciones antes mencionadas concentramos la atención
exclusivamente en las fallas de rotura de las ruedas lado expansor; se midieron las
dimensiones de los álabes de las ruedas instaladas que fallaron y comparamos con
las medidas tomadas a los álabes de una rueda que había estado funcionando sin
fallar. Los resultados arrojaron que había una diferencia en el espesor de los
mismos. Estas mediciones apuntaban a la existencia de un efecto de resonancia
asociado a las condiciones de proceso y operación.
MESA DE TRABAJO MAFI TRENCH – PDVSA GAS, S.A.
En virtud de la hipótesis de resonancia como posible causa raíz de las sucesivas
fallas, se acordó la realización de una serie de reuniones de trabajo, en la sede de
Mafi Trench en Santa María. California en el mes de Julio 2007.
Seguidamente se mencionan los detalles de estas reuniones:
PDVSA Gas, expuso el caso de rotura recurrente de álabes en las ruedas lado
expansor, destacando que la ocurrencia de los mismos data desde Septiembre 2006 hasta Abril 2.007, sucediendo un total de cuatro (04) veces el mismo evento.
Mafi Trench ratificó y estuvo de acuerdo con el informe de análisis metalúrgico
solicitado por PDVSA Gas y elaborado por una universidad venezolana, sobre una
de las ruedas falladas y comparte el hecho de que lo sucedido es una FALLA POR
FATIGA DE ALABE.
Mafi Trench informó que en 1.992, modernizó el proceso de fabricación de las ruedas
de los expansores y compresores, pasando de un proceso manual a través de un
pantógrafo a un proceso automatizado con el uso de una máquina de control
numérico de cinco (05) ejes.
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Durante el análisis de la falla MT determina que existen diferencias dimensionales en
los espesores de los álabes, entre las ruedas fabricadas manualmente con las
fabricadas de modo automático, esta diferencia de medida se observa tanto a la
entrada como a la salida del álabe, tanto en la base como en su parte superior.
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Mafi Trench efectúa el cálculo de los modos de frecuencia natural de las ruedas y
determina el mapa de frecuencias críticas asociadas a los álabes de la ruedas y a los
álabes guía de entrada, determinando que el nuevo diseño presenta un rango crítico
de operación que se ubica entre las 11.500 rpm y las 11.700 rpm; precisamente el
rango al que están siendo operados los turboexpansores de la Planta de Extracción
San Joaquín.
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Mafi Trench re-diseña la rueda del expansor, con la finalidad de alejar esta
frecuencia crítica de nuestro rango de operación y eliminar las fallas por fatiga
mecánica en estos componentes de la Planta de Extracción San Joaquín, antes de
poder disponer de ellas Mafi Trench recomienda no operar en el rango de 11.500
rpm a 11.700 rpm. El nuevo re-diseño desplaza el centro de gravedad del alabe
hacia la base del mismo, debido a que existe mayor concentración de masa en la
base.
Alabes Guía de Entrada
Actuador de los
Al b G í
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RESULTADOS OBTENIDOS
PLANTA DE EXTRACCION SAN JOAQUIN
IMPULSOR FABRICADO DE MODO MANUAL FRECUENCIA NATURAL
IMPULSOR (RPM)
VELOCIDAD CRITICA
ASOCIADA A LOS ALABES
DEL IMPULSOR (RPM)
VELOCIDAD CRITICA
ASOCIADA A LOS ALABES
GUIA DE ENTRADA (RPM)
VELOCIDAD DE
OPERACIÓN (RPM)
240.000 18.461 24.000 11.600
IMPULSOR FABRICADO AUTOMATICAMENTE
FRECUENCIA
NATURAL IMPULSOR
(RPM)
VELOCIDAD CRITICA ASOCIADA
A LOS ALABES DEL IMPULSOR
(RPM)
VELOCIDAD CRITICA ASOCIADA
A LOS ALABES GUIA DE
ENTRADA (RPM)
VELOCIDAD DE
OPERACIÓN (RPM)
207.000 15.923 1111..550000 1111..660000
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IMPULSOR RE-DISEÑADO FABRICADO AUTOMATICAMENTE
FRECUENCIA
NATURAL IMPULSOR
(RPM)
VELOCIDAD CRITICA ASOCIADA
A LOS ALABES DEL IMPULSOR
(RPM)
VELOCIDAD CRITICA ASOCIADA
A LOS ALABES GUIA DE
ENTRADA (RPM)
VELOCIDAD DE
OPERACIÓN (RPM)
264.000 15.923 14.900 11.600
PDVSA Gas solicitó a Mafi Trench, el mapa de velocidades críticas de las ruedas
asociadas a los turboexpansores instalados en la Planta de Extracción Santa
Bárbara (Job Nro. 427) y la Planta de Extracción Jusepín (Job Nro. 501) y las
velocidades críticas en ambos están bastante alejadas de los rangos de operación
normal de dichos equipos y por tanto no existe la posibilidad de ocurrencia de este
tipo de fallas.
PLANTA DE EXTRACCION SANTA BARBARA
IMPULSOR FABRICADO AUTOMATICAMENTE FRECUENCIA NATURAL
IMPULSOR (RPM)
VELOCIDAD CRITICA
ASOCIADA A LOS ALABES
DEL IMPULSOR (RPM)
VELOCIDAD CRITICA
ASOCIADA A LOS ALABES
GUIA DE ENTRADA (RPM)
VELOCIDAD DE
OPERACIÓN (RPM)
600.000 23.076 33.300 12.600
PLANTA DE EXTRACCION JUSEPIN
IMPULSOR FABRICADO AUTOMATICAMENTE FRECUENCIA NATURAL
IMPULSOR (RPM)
VELOCIDAD CRITICA
ASOCIADA A LOS ALABES
DEL IMPULSOR (RPM)
VELOCIDAD CRITICA
ASOCIADA A LOS ALABES
GUIA DE ENTRADA (RPM)
VELOCIDAD DE
OPERACIÓN (RPM)
288.000 22.153 20.570 11.600
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CONCLUSION
La causa raíz de la falla por rotura de álabes en la rueda lado expansor de las
unidades turboexpansoras modelo EC5 marca Mafi Trench se debe a fatiga del
álabe, ocasionada por un efecto de resonancia provocado por operar a una velocidad
de operación coincidente con la frecuencia crítica asociada a los álabes guía de
entrada.
RECOMENDACIÓN
Mafi Trench recomendó un cambio de diseño de la rueda lado expansor, el cual llevó
a cabo efectivamente, con la finalidad de alejar la frecuencia crítica asociada a los
álabes guía de la velocidad de operación del equipo.