Mejora de la longevidad de las centrales hidroeléctricas mediante la mitigación de la cavitación y la erosión

La erosión y la cavitación son importantes mecanismos de desgaste que pueden acortar drásticamente la vida útil de los componentes de la maquinaria de las centrales hidroeléctricas. La aplicación de revestimientos ultrarresistentes al desgaste es esencial para combatir estos retos, aunque cada emplazamiento presenta condiciones únicas que requieren soluciones a medida. En este artículo, Inaki Ezpeleta, ingeniero de aplicaciones de Castolin Eutectic, analiza cómo los revestimientos antidesgaste personalizados pueden resistir eficazmente la erosión y la cavitación, garantizando la fiabilidad y disponibilidad sostenidas de los equipos hidroeléctricos.

Cuando se habla del desgaste de los equipos mecánicos, la cavitación y la erosión surgen como preocupaciones críticas. La cavitación se produce debido a cambios de presión en el flujo de agua, que conducen a la formación y colapso de burbujas de vapor detrás de los álabes del impulsor. Este fenómeno induce ondas de choque que provocan picaduras, grietas y, finalmente, el fallo de las superficies del impulsor. Por otro lado, la erosión es el resultado del impacto de partículas abrasivas de arena en el agua, desgastando gradualmente los componentes con el paso del tiempo.

Las máquinas hidráulicas de distintos tipos, tamaños y edades son susceptibles a la cavitación y la erosión. Aunque la eliminación completa de estos mecanismos de desgaste es poco práctica, las reparaciones periódicas con materiales de gran dureza y tenacidad superficial pueden devolver a los componentes su eficacia original y prolongar su vida útil.

El impacto de la cavitación y la erosión varía en cada emplazamiento hidroeléctrico, influido por factores como la presión del agua, el caudal, la composición de los sedimentos y las condiciones de funcionamiento. Para afrontar eficazmente estos retos, existe una amplia gama de revestimientos. Estos revestimientos están diseñados específicamente para reparar y proteger turbinas (por ejemplo, Francis, Kaplan, de hélice, de bulbo), tubos de tiro, impulsores, bombas, válvulas y compuertas. Se emplean técnicas como HVOF (combustible de oxígeno a alta velocidad), pulverización por arco, soldadura y revestimientos poliméricos en frío para aplicar aleaciones resistentes al desgaste adaptadas a los patrones de desgaste únicos de cada emplazamiento.

Estudio de caso: CaviTec

Un ejemplo notable es el desarrollo de CaviTec, una aleación resistente a la cavitación creada por Hydro-Quebec para combatir la erosión en los rodetes de las turbinas de su amplia flota hidroeléctrica. Esta aleación de acero inoxidable de grados como 308 o 309, enriquecida con cromo, cobalto, silicio y manganeso, supera a los grados tradicionales al durar hasta seis veces más en condiciones de ensayo rigurosas.

Los continuos avances mejoran la precisión y durabilidad de estas aleaciones. Innovaciones como la soldadura por impulsos y los parámetros de aplicación optimizados minimizan la porosidad y mejoran la calidad y longevidad del revestimiento. Estos avances garantizan que los componentes mantengan un rendimiento óptimo durante largos periodos de funcionamiento.

Técnicas de reparación

Cuando la cavitación provoca una pérdida importante de material, la reparación mediante soldadura se convierte en algo esencial. Se utilizan técnicas como el ranurado por arco-aire o plasma para eliminar el material dañado antes de esmerilar y soldar nuevas capas en las superficies. Una capa base de acero inoxidable, seguida de una superposición de CaviTec, garantiza un espesor y un rendimiento óptimos, como se ejemplificó en la reparación de turbinas de bombas Francis en Austria.

Consideraciones sobre la pulverización térmica

En las industrias en las que la erosión supone una amenaza importante, la pulverización térmica ofrece una solución vital. Este método permite aplicar revestimientos finos y densos que son cruciales para mantener la eficiencia operativa en maquinaria sometida a entornos abrasivos a lo largo del tiempo.

El rendimiento a largo plazo y la reparabilidad son factores críticos a la hora de seleccionar técnicas de proyección térmica. La fuerza de adherencia de los revestimientos, una métrica clave, influye en la elección entre HVOF y pulverización por arco. Ambos métodos son famosos por su gran fuerza de adherencia, que garantiza la durabilidad y fiabilidad tanto en aplicaciones nuevas como en reparaciones. La selección de la técnica adecuada depende de los requisitos específicos del revestimiento.

HVOF es especialmente eficaz para aplicar revestimientos como el carburo de tungsteno cobalto cromo (WC/Co/Cr) a altas velocidades. Este método no sólo ofrece una resistencia superior a la erosión, sino que también combate eficazmente la cavitación. Al utilizar alta velocidad en lugar de altas temperaturas, HVOF minimiza los efectos térmicos adversos sobre el componente subyacente, preservando así su integridad.

La versatilidad del HVOF permite aplicaciones puntuales o la cobertura completa de componentes, facilitando las reparaciones in situ con facilidad.

Alternativamente, los materiales amorfos que contienen cromo, boro y silicio ofrecen otra opción para la resistencia a la erosión. Aplicados mediante pulverización por arco, estos materiales crean revestimientos densos que se adhieren bien a los sustratos de acero. Aunque son más económicos que el HVOF, no alcanzan la extrema dureza superficial del carburo de tungsteno.

Estudio de caso: Afrontar los retos de la erosión

En una central hidroeléctrica de Austria, la erosión debida al agua cargada de arena supuso un reto importante para una turbina de bomba de alta presión de 6 MW. Las partículas abrasivas, de 0,5 mm o más, causaban erosión entre los retenes del eje y los patines, lo que daba lugar a vidas útiles variables de 3.000 a 6.000 horas. En los casos más graves, el rápido desgaste exigía reparaciones inmediatas para evitar fugas excesivas.

Como medida proactiva, los técnicos aplicaron un revestimiento HVOF de 0,3 mm, ampliando considerablemente los intervalos de mantenimiento. La inspección tras 2200 horas de funcionamiento reveló un desgaste mínimo, lo que demuestra la eficacia del HVOF para aumentar la longevidad del equipo.

Revestimiento láser para una mayor durabilidad

El revestimiento por láser representa otro enfoque innovador para reconstruir y redimensionar componentes. Esta técnica utiliza un láser para calentar polvo metálico o alambre en la superficie de la pieza, creando una unión metalúrgica sólida. Conocido por su precisión y su capacidad de calentamiento rápido, el revestimiento por láser ofrece flexibilidad a la hora de elegir y graduar los recubrimientos, adaptándose a diversas necesidades operativas.

En una notable aplicación en Noruega, un componente de seis toneladas que sufría un grave desgaste fue sometido a un extenso reacondicionamiento utilizando una máquina de revestimiento láser de 6 kW. Este método no solo restauró el componente rápidamente, sino que también minimizó el impacto ambiental al utilizar electricidad nórdica libre de emisiones, a diferencia de las reparaciones tradicionales con soldadura que generan emisiones nocivas.

Polímeros cerámicos de superficie para un mantenimiento versátil

Los polímeros cerámicos de superficie, conocidos como MeCaTec, combinan la resistencia de la cerámica con la flexibilidad del polímero, lo que los hace ideales para combatir la cavitación y la erosión. Disponibles como compuestos de dos componentes, estos polímeros se aplican in situ con llana, brocha o pulverizador. Sirven tanto para el mantenimiento correctivo como para el preventivo, garantizando la prolongación de la vida útil de los componentes y la eficacia operativa.

Por ejemplo, en una central hidroeléctrica, una tubería de suministro de agua perforada en un tanque de almacenamiento de hierro fundido se restauró rápidamente utilizando polímero cerámico. Dada la complejidad de las reparaciones térmicas o por soldadura del hierro fundido, este compuesto reparó y selló eficazmente las perforaciones, devolviendo rápidamente el componente al servicio.

Conclusión

La gestión eficaz de los problemas de erosión en los componentes hidroeléctricos exige una selección estratégica de materiales y técnicas. Gracias a la pulverización térmica avanzada, el revestimiento láser y los polímeros cerámicos de superficie, las industrias pueden mejorar la durabilidad de los equipos, minimizar el tiempo de inactividad y optimizar los costes de mantenimiento. Para soluciones a medida y más información, visite www.castolin.com/contact.