COMPORTAMIENTO DINAMICO DE EXPANSORES MAFI-TRENCH · PDF fileAvances en Producción y Manejo de Gas . COMPORTAMIENTO DINAMICO DE EXPANSORES MAFI-TRENCH MODELO EC5 . Autores: José

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

XVIII Convención de Gas , AVPG, Caracas, Venezuela, 27 - 29 de Mayo, 2008 Página 1



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.



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).


Por filtración de válvulas de succión elturboexpansor estuvo girando sin aceitelubricante y se desgastó la cara de empujedel cojinete lado expansor.


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).


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.



• 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.



• 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.



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.



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.



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.

1 2



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



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


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)


A LOS ALABES GUIA DE

ENTRADA (RPM)

VELOCIDAD DE

OPERACIÓN (RPM)

207.000 15.923 1111..550000 1111..660000



IMPULSOR RE-DISEÑADO FABRICADO AUTOMATICAMENTE

FRECUENCIA

NATURAL IMPULSOR

(RPM)


A LOS ALABES DEL IMPULSOR

(RPM)


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


DEL IMPULSOR (RPM)

VELOCIDAD CRITICA



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


DEL IMPULSOR (RPM)

VELOCIDAD CRITICA



VELOCIDAD DE

OPERACIÓN (RPM)

288.000 22.153 20.570 11.600



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.

Documents

COMPORTAMIENTO DINAMICO DE EXPANSORES MAFI-TRENCH · PDF fileAvances en Producción y Manejo de Gas . COMPORTAMIENTO DINAMICO DE EXPANSORES MAFI-TRENCH MODELO EC5 . Autores: José