Aggiornamenti di analisi e progettazione Risolvere il guasto della pompa della sezione ad anello
Una grande centrale elettrica negli Stati Uniti ha riscontrato elevate vibrazioni e problemi di ricircolo con diverse pompe di alimentazione della caldaia a sezione circolare (BB4), provocando molteplici guasti catastrofici e interruzioni non pianificate. Questo case study descrive in dettaglio una delle pompe che è stata spedita a un centro di assistenza pompe aftermarket per un'analisi completa, risoluzione dei problemi, piano di riparazione, ricostruzione e test delle prestazioni.
Le centrali a ciclo combinato sono i "nuovi ragazzi sul blocco" del settore della produzione di energia. Progettate per combinare turbine a gas e a vapore, le centrali a ciclo combinato possono produrre fino al 50% in più di elettricità con lo stesso consumo di carburante delle centrali a ciclo semplice. I moderni impianti a ciclo combinato possono anche reagire rapidamente alle richieste della rete elettrica con la possibilità di iniziare a produrre energia in meno di 10 minuti e di funzionare a pieno regime in meno di 60 minuti. Ciò fornisce un complemento efficiente alla tecnologia rinnovabile intermittente.
Poiché la domanda di elettricità è cambiata e gli impianti a ciclo combinato hanno iniziato a sostituire le centrali termiche e fossili convenzionali, è cambiata anche la tipologia di pompe utilizzate. Le centrali elettriche fossili utilizzano spesso pompe a botte robuste e di lunga durata. Queste pompe funzionano per lunghi periodi ininterrotti e gli impianti sono generalmente dotati di due pompe installate al 100 percento o tre pompe installate al 50 percento per unità.
Sfondo
Dopo aver riscontrato numerosi problemi di prestazioni e affidabilità della pompa di alimentazione della caldaia nella propria centrale elettrica, il proprietario dell'impianto ha deciso di perseguire un'analisi completa delle cause principali e un piano di riparazione con un centro di assistenza pompe aftermarket a Los Angeles, in California. L'indagine alla fine ha rivelato una serie di problemi di fondo legati ai problemi di prestazioni e ai guasti imprevisti della pompa.
Risultati, soluzioni ingegnerizzate e raccomandazioni
Durante l'ispezione e l'analisi iniziali della prima unità, è stato notato che il manicotto del bilanciere aveva un accoppiamento conico rispetto all'albero. Questo tipo di design è raro perché richiede un'alta pressione e uno strumento speciale per installare o rimuovere il manicotto di bilanciamento dall'albero. Questo è anche un grave problema di sicurezza.
Inoltre, sull'albero è stato installato un manicotto di bilanciamento ad accoppiamento conico vicino al punto di snervamento. L'alta pressione e l'adattamento conico hanno provocato un adattamento indesiderato sull'albero, producendo aree di concentrazione ad alta sollecitazione. Il diametro esterno non era fedele all'albero, il che si traduceva in una pressione periferica o forza disuguale attorno al manicotto del bilanciere. In cambio, ha creato uno scenario in cui l'albero potrebbe piegarsi. La forza inversa, o momento flettente, si accumula 3.550 volte al minuto, causando momenti flettenti significativi alla radice del manicotto del bilanciere, affaticando infine l'albero della pompa.
È stata avanzata una proposta per riprogettare il manicotto del bilanciere adattandolo dritto e allungandolo per ridurre lo spazio assiale tra la girante dell'ultimo stadio e il manicotto del bilanciere. Ciò impedisce il "disinnesto" dell'anello di usura, che provoca la destabilizzazione del rotore.
Il fenomeno per cui le giranti saltano in avanti e poi ritornano nella loro posizione originale esiste ancora, ma a causa della ridotta distanza, la girante non può limitare il flusso al dispositivo di bilanciamento.
Il centro di assistenza ha riscontrato che il design originale della pompa richiedeva il montaggio mediante configurazione faccia a faccia mediante perni antirotazione. Poiché il diffusore dell'ultimo stadio nella pompa non aveva un perno nel design originale, il coperchio doveva "comprimere" il diffusore per impedirne la rotazione. Il divario prodotto da questo progetto ha provocato un guasto prematuro dell'O-ring e ha anche limitato la capacità di trasporto della pressione. Per migliorare sia l'affidabilità della pompa che la capacità di carico della pressione del giunto dell'ultimo stadio, le facce del diffusore sono state rettificate di precisione. Stringendo le tolleranze di impilamento, viene migliorata anche la capacità di carico della pressione del giunto dell'ultimo stadio.
Un'altra scoperta importante è stata che le giranti ad accoppiamento scorrevole si tenevano l'una sull'altra sull'albero nel punto corretto con l'aiuto delle facce del mozzo. Tuttavia, le facce non erano perpendicolari, il che ha costretto il rotore a piegarsi, causando elevati problemi di vibrazione.
Quando il rotore è stato posizionato sui rulli per controllare il runout, il TIR (total indicator runout) sembrava rientrare nella tolleranza. Tuttavia, l'albero si piegherebbe a causa delle facce non esattamente perpendicolari al foro una volta che la pompa era in funzione e le forze idrauliche venivano applicate alle giranti. Il problema era difficile da rilevare senza imitare la forza idraulica.
Il centro servizi ha ricalcolato e lavorato le facce del coperchio per produrre un abbassamento artificiale del coperchio che seguiva perfettamente l'abbassamento naturale del rotore.
Gli offset ricalcolati per le coperture hanno consentito l'uso di giochi più stretti tra il manicotto di bilanciamento e la boccola di bilanciamento, riducendo così il flusso attraverso la linea di bilanciamento. La pressione della linea di bilanciamento in media è stata ridotta di circa 30 libbre per pollice quadrato (psig), che ha anche esteso l'MTBR.
Sfide
Inizialmente, la centrale ha esitato a modificare il design originale della pompa ed eseguire un aggiornamento ingegneristico, il che ha creato una sfida per il centro di assistenza per risolvere completamente il problema e la potenziale rottura dell'albero. Durante i negoziati di aggiornamento, un'altra delle unità di alimentazione della caldaia dell'impianto si è guastata inaspettatamente a causa di un albero rotto. Come previsto dal centro servizi, questo ulteriore fallimento è servito a confermare il problema in questione e ha sottolineato l'urgente necessità di una modifica del design.
Test delle prestazioni per la convalida
Le centrali elettriche utilizzano la pressione della linea di bilanciamento come punto di riferimento principale per stabilire una linea di base per la salute generale di una pompa BB4. La pressione della linea di bilanciamento aumenterà insieme a maggiori giochi interni di accoppiamenti critici, tolleranze e altri fattori attenuanti che possono essere facilmente trascurati durante l'assemblaggio. Pertanto, il test delle prestazioni che riproduce fedelmente le condizioni effettive di una pompa in servizio è una fase critica nel processo di riparazione.
Dopo la riparazione, la pompa è stata inviata a un laboratorio di prova delle pompe certificato dall'Hydraulic Institute di Chicago. Qui, le pompe sono state sottoposte a protocolli di test standard per misurare vibrazioni, pressione e flusso. Per l'affidabilità, il punto dati più importante raccolto è la pressione della linea di bilanciamento, una caratteristica unica nei test delle pompe segmentali ad anello. Con il supporto tecnico del laboratorio di prova, il centro di assistenza è stato in grado di progettare e impostare una procedura di prova che imitava fedelmente le condizioni sul campo della pompa installata.
Di nuovo in servizio
Una volta che la riparazione e il collaudo sono stati completati e le pompe sono state installate, il centro di assistenza ha ricevuto una serie di pompe segmentali a sezione circolare identiche da più centrali elettriche che presentavano gli stessi problemi. Utilizzando le conoscenze delle precedenti ricostruzioni, il centro di assistenza è stato in grado di eseguire una serie di riparazioni simili per queste pompe di alimentazione della caldaia aggiuntive in un lasso di tempo accelerato.
Oggi, tutte le pompe segmentali della sezione ad anello sono state rimesse in servizio e funzionano correttamente senza problemi di affidabilità.
Il centro di assistenza ha utilizzato un processo di ispezione approfondito, procedure di controllo del processo estensive e criteri di accettazione rigorosi per eseguire queste riparazioni.