WO2021130391A1

WO2021130391A1 - Procedimiento de reparación de ejes de aerogeneradores mediante aporte por soldadura fcaw

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Publication number: WO2021130391A1
Application number: PCT/ES2019/070878
Authority: WO
Inventors: Isabel ARRULA ARBIZU; Juanita VILLALOBOS GUERRERO; Adrián GASTESI IRIARTE; Jaime Gascón Álvarez
Original assignee: Acciona Energia, S.A.
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2021-07-01

Abstract

Procedimiento de reparación de ejes de aerogeneradores mediante aporte por soldadura FCAW que comprende la siguiente secuencia: - disposición de un eje (1) a reparar sobre un torno (2) volteador; - inspección del eje (1) y localización de un sector a reparar; - mecanizado de una cajera (3) en el sector del eje (1) a reparar; - precalentamiento del eje (1); - aplicación de soldadura FCAW sobre la cajera (3); - postcalentamiento y enfriamiento del eje (1); y - mecanizado final del eje (1). El mecanizado de la cajera (3) comprende unas pasadas de mecanizado sucesivas, cada una de las cuales es inferior a 2 mm, para dar lugar a una cajera (3) que comprende unos bordes laterales (4) achaflanados, con un ángulo comprendido en el rango 30-45º, y un fondo (5) con una profundidad respecto a la superficie del eje (1) comprendida entre 4 y 6 mm.

Description

PROCEDIMIENTO DE REPARACIÓN DE EJES DE AEROGENERADORES MEDIANTE APORTE POR SOLDADURA FCAW

DESCRIPCIÓN

Objeto de la invención

La presente invención se encuadra en el campo técnico de la soldadura por arco eléctrico con otros fines que no sean los de unión, y se refiere en particular a un procedimiento de reparación mediante soldeo por hilo tubular del eje principal de una turbina eólica.

Antecedentes de la invención

Dentro del campo técnico de la soldadura, se conoce como soldadura FCAW (de sus siglas en inglés, Flux Cored Are Welding), a aquellos procesos de soldadura de arco eléctrico que utilizan el arco formado entre un electrodo alimentado continuamente, que es el metal de aporte, y un baño de fusión de soldadura. La soldadura FCAW también se conoce como soldadura por hilo tubular con escoria, ya que tras la solidificación del baño de fusión se acumulan en la superficie, en forma de escoria, los residuos de las reacciones químicas de oxidación, desnitrificación, etc. El proceso emplea gas, que proviene de ciertos componentes de un fundente contenido dentro de un alambre tubular a fundir.

Por otro lado, debido al uso normal, algunas secciones de diversos componentes cilindricos metálicos de turbinas y generadores, tales como los rotores y similares, pueden sufrir defectos o desviaciones en la superficie. Son ejemplos típicos los cortes de poca profundidad, las mellas superficiales, el desgaste por rozamiento o la pérdida del ajuste con una parte coincidente. Un desarrollo para uso en la reparación de tales componentes cilindricos metálicos consiste en reparar los mismos por soldadura. Las reparaciones de ejes por soldadura para corregir tales defectos requieren que el componente tenga una superficie continua. Tales componentes son partes sometidas a altos esfuerzos o tensiones, y las soldaduras deben ser de la máxima integridad. Existe el riesgo de que las tensiones residuales, resultantes de una acumulación de soldadura relativamente gruesa sobre un eje, por ejemplo, cuando la acumulación de soldadura es grande con relación al diámetro del eje, puedan originar distorsión por "arqueamiento" del eje. Así, como principio general, se prescribe mantener reducido el grosor de la soldadura en comparación con el diámetro del eje, para garantizar así una reparación más segura y predecible.

En la patente norteamericana con número de publicación US5914055 se describe un sistema para reparar porciones desgastadas, distorsionadas, agrietadas o degradadas de rotores de alta temperatura, tales como los utilizados en turbinas de vapor de alta presión y recalentamiento. Las reparaciones son aplicables a los aceros de baja aleación generalmente descritos en la especificación ASTM A-470 clases 3, 7 y 8. Se muestran controles explícitos sobre el proceso de soldadura, los consumibles de soldadura y la colocación de la línea de fusión de soldadura. Para el proceso de soldadura, se describe una nueva puesta en escena de la "entrada de calor relativo" para aplicar la capa de untado inicial de soldadura por arco con gas inerte y electrodo de volframio (GTAW). Significativamente, las propiedades óptimas de soldadura se logran en el alambre frío GTAW utilizando una entrada de calor más baja para la segunda capa crucial en relación con la primera capa. La integridad de la soldadura de alambre caliente se garantiza mediante el control de una mezcla de gas de cubierta de helio-argón, la aplicación de una cubierta de gas posterior, la oscilación del cabezal de soldadura y el control del punto de inserción del alambre en el baño de fusión.

La patente española con número de publicación ES2084953 presenta un proceso para soldar un componente de una maquina rotativa que consiste en hacer rotar al componente alrededor de un eje longitudinal de rotación del mismo; precalentar un área del componente a soldar; depositar una pluralidad de cordones de soldadura en el área; tras la soldadura tratar el área térmicamente; y refrigerar el área a temperatura ambiente. Durante todo el proceso, del precalentamiento al enfriamiento, se hace rotar al componente continuamente alrededor de su eje longitudinal.

Finalmente, la patente española ES2049142 describe un método de reparación por soldadura de una sección de un miembro cilindrico metálico, tal como un eje de turbina, que tiene defectos superficiales y un chavetero en el mismo, mecanizando para ello la superficie e introduciendo un miembro de chaveta en el chavetero, y mecanizando la combinación para producir una superficie continua para soldadura. Después se deposita un material de soldadura sobre la superficie continua formada, hasta un grosor que produzca un diámetro mayor que el diámetro inicial del miembro cilindrico. Finalmente, se mecaniza el material de soldadura para producir un miembro que tenga el diámetro inicial, y se retira el miembro de chaveta para proporcionar un miembro reparado que tiene un chavetero.

Sin embargo, ninguno de los documentos relativos a la reparación de ejes de turbinas parece estar destinado a la reparación concreta de turbinas eólicas mediante soldadura FCAW, por lo que no se tienen en cuenta las especificidades propias de dichos elementos. Existe por tanto la necesidad de disponer de procedimientos específicos de reparación mediante soldeo por hilo tubular del eje principal de turbinas eólicas.

Descripción de la invención

El objeto de la invención consiste en un procedimiento de reparación mediante soldeo por hilo tubular de los ejes de una turbina eólica de aerogeneradores.

Como es conocido, las turbinas eólicas o aerogeneradores son máquinas que se emplean para transformar la energía del viento en energía eléctrica. Los tres componentes principales para la conversión de la energía del viento en las turbinas eólicas son el rotor o sistema de captación de viento, la caja de engranajes o multiplicadora y el generador eléctrico. El rotor, formado principalmente por unas palas y un buje, convierte la energía cinética del viento en energía mecánica que se transmite a un eje de entrada conocido como eje lento. Dicho eje lento conecta el buje a una multiplicadora, la cual hace que conseguir que un eje de salida o eje rápido gire a mayor velocidad que el de entrada, y así conseguir una velocidad de giro de 50 a 80 veces mayor. A la salida del eje rápido la energía mecánica se transforma en eléctrica en el generador.

Como se ha indicado anteriormente, los ejes de aerogeneradores se ven sometidos a desgastes y tensiones continuas que hacen necesaria su reparación periódica para garantizar un adecuado funcionamiento.

Tras el desmontaje del eje a reparar y su traslado y colocación en posición horizontal sobre un torno volteador adecuado, el procedimiento de reparación mediante soldeo por hilo tubular comprende básicamente la siguiente secuencia de etapas consecutivas:

- mecanizado inicial de la cajera;

- precalentamiento;

- soldadura FCAW;

- postcalentamiento y enfriamiento; y

- mecanizado final.

Previamente al mecanizado inicial de la cajera, se debe realizar una localización del sector a reparar del eje, bien sea por inspección visual o mediante ensayos no destructivos. Una vez delimitada la zona dañada, que suele coincidir con la zona del asiento del rodamiento de un eje, se mecaniza una cajera considerando evitar la introducción de tensiones adicionales en el eje. Cuando se ha finalizado el mecanizado, es preciso realizar una nueva inspección para verificar la ausencia de defectos en la superficie que, al contacto con el arco eléctrico de soldadura, pudieran ser origen de defectos mayores.

Para la realización del precalentamiento, una vez colocado el eje en el torno volteador, y con éste girando a baja velocidad, se puede utilizar una llama de gran potencia, mantas eléctricas o bien inductores. En todos los casos deberá prestarse especial atención a no generar gradientes térmicos que puedan derivar en pequeñas fisuras en el núcleo del eje. La temperatura a alcanzar durante el precalentamiento será de aproximadamente 250°C.

En cuanto a la soldadura FCAW, se realiza con una pistola montada sobre un carro desplazable localizado sobre una guía paralela al eje a reparar. El principal problema que se puede presentar es la alta temperatura a la que la pistola de soldadura va a estar sometida debido a su proximidad al eje durante la operación de recargue, el cual, como ya se ha indicado, se encuentra a aproximadamente 250°C. La soldadura se realiza disponiendo la pistola superiormente al eje y en un lateral de la cajera, y aplicando un cordón de soldadura de manera secuencial hasta completar el ancho de cajera. En este momento se considera que la primera capa de soldadura, de un total de dos capas, ha finalizado. Posteriormente, se aplica de nuevo la fuente calorífica utilizada en el precalentamiento del eje hasta alcanzar nuevamente los 250° C, para reanudar la segunda capa de soldadura en las mismas condiciones y con la misma secuencia empleada en la primera capa.

Respecto al postcalentamiento y enfriamiento, e inmediatamente finalizada la soldadura, se vuelve a aplicar la fuente de calor usada en los calentamientos anteriores para aumentar la temperatura hasta alcanzar los 300° C, siempre con el eje rotando sobre el torno, manteniendo dicha temperatura hasta aproximadamente dos horas. Finalmente, con la zona reparada recubierta con mantas térmicas, se deja enfriar durante 12-14 horas.

Por último, se procede a someter al eje a un mecanizado final, consistente en unas operaciones consecutivas de torneado y rectificado, tras lo cual el eje ya reparado puede volver a ser instalado en el aerogenerador.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista en perspectiva del eje del aerogenerador dispuesto sobre un torno para su reparación.

Figura 2.- Muestra una vista en detalle de la cajera tras su mecanización.

Figura 3.- Muestra una vista esquemática lateral de la disposición de la pistola de soldadura con respecto al eje a reparar. Figura 4.- Muestra una vista esquemática frontal de la disposición de la pistola de soldadura con respecto al eje a reparar.

Realización preferente de la invención

Seguidamente se proporciona, con ayuda de las figuras anteriormente referidas, una explicación detallada de un ejemplo de realización preferente del objeto de la presente invención.

El procedimiento de reparación mediante soldeo por hilo tubular del eje principal de una turbina eólica de aerogeneradores que se describe comprende una secuencia de etapas consecutivas, las cuales son principalmente:

- disposición de un eje (1) a reparar sobre un torno (2) volteador;

- inspección del eje (1) y localización de un sector a reparar;

- mecanizado inicial de una cajera (3) en el sector del eje (1) a reparar;

- precalentamiento del eje (1);

- aplicación de soldadura FCAW sobre la cajera (3);

- postcalentamiento y enfriamiento del eje (1); y

- mecanizado final del eje (1).

Como se ilustra en la figura 1, el procedimiento comienza con la disposición de un eje (1) a reparar del aerogenerador sobre un torno (2) volteador horizontal. Es necesario tener en cuenta que el torno (2) debe cumplir con unos requerimientos dimensionales y de resistencia que permitan realizar operaciones de mecanización del eje (1) dispuesto entre un plato y un contrapunto, sin que existan vibraciones.

Con el eje (1) correctamente dispuesto en el torno (2), se procede a una inspección de la superficie de dicho eje (1) para localización de un sector deteriorado para su posterior reparación mediante recargue por soldeo. Dicha localización puede realizarse mediante inspección visual y/o ensayos no destructivos, como por ejemplo líquidos penetrantes o partículas magnéticas. El sector a reparar suele coincidir con el asiento de un rodamiento del eje (1), ya que es la zona que sufre mayores desgastes por rozamiento. Una vez localizado el sector o sectores a reparar, se procede a mecanizar una cajera (3) anular, transversal al eje (1). En la operación de mecanización de dicha cajera (3) las pasadas de mecanizado con el torno (2) deben ser inferiores a 2 mm, para evitar la introducción de tensiones adicionales en el eje (1).

La cajera (3) resultante del mecanizado, mostrada en la figura 2, comprende unos bordes laterales (4) achaflanados, con un ángulo comprendido en el rango 30-45°. Dicho achaflanado, en lugar de dejar unos bordes laterales (4) en el habitual ángulo recto, evita que durante el posterior recargue de la cajera (3) por soldadura se produzcan faltas de penetración o de fusión en la intersección entre estos bordes laterales (4) y el fondo (5) de la cajera (3).

Dicho fondo (5) tiene una profundidad con respecto a la superficie del eje (1) comprendida en el rango entre 4 y 6 mm. Este rango de profundidades permite asegurar la eliminación de los defectos presentes en el sector a reparar, así como facilita la deposición de dos capas superpuestas de recargue por soldadura. De este modo y por efecto de dilución, se obtendrá un recargue muy similar en composición química al del metal de aporte utilizado, dando lugar a la dureza deseada.

Una vez definida la cajera (3), se procede a inspeccionar el estado de la superficie resultante, mediante los anteriormente mencionados ensayos no destructivos, bien sean líquidos penetrantes o bien partículas magnéticas, para verificación de la ausencia de defectos que podrían causar problemas al contacto con el arco eléctrico de la soldadura. Los medios de control empleados deben ser adecuadamente eliminados y limpiados de la cajera (3) antes de pasar a la siguiente fase, correspondiente a un precalentamiento del eje (1).

Mediante dicho precalentamiento se pretende llevar al eje (1) hasta una temperatura de 250°C, para lo cual se pueden emplear elementos como mantas eléctricas o inductores o, como en esta realización preferente del procedimiento, mediante aplicación directa de una llama de gran potencia sobre la superficie de dicho eje (1), especialmente en el sector interior del eje (1) y en las proximidades de la cajera (3).

En cuanto a los parámetros concretos del precalentamiento con llama, es necesario indicar en primer lugar que éste debe realizarse con el eje (1) rotando sobre el torno (2) con el fin de no calentar en exceso una zona puntual. Los gases utilizados para la obtención de la llama son una mezcla de Propano (C3H8) y Oxígeno (O2), y la llama se sitúa a una distancia aproximada de 300 mm del eje (1), aplicándose durante un periodo de tiempo comprendido en el intervalo entre 1.5 y 7 horas.

Puesto que la aplicación de la llama sobre la superficie del eje (1) genera la aparición de una capa superficial de óxido, es preciso eliminarla antes de proceder a la subsiguiente operación de soldadura, para evitar posibles contaminaciones.

Para un correcto desarrollo de la operación de soldadura, la cual se realiza mediante una pistola (6) de soldadura como la ilustrada en la figura 1, el torno (2) comprende un carro de soporte (7), colocado preferentemente sobre una guía paralela al eje (1) a reparar, sobre el cual se monta la pistola (6) en un brazo dotado de un dispositivo de regulación de la posición (8) de dicha pistola (6), la cual desplaza así linealmente sobre el eje (1). Es necesario indicar asimismo que, durante la operación de soldadura, el eje (1) debe ser mantenido a una temperatura comprendida en el intervalo de 200-250°C.

El par motor del torno (2) debe permitir un desplazamiento giratorio uniforme del eje (1), que presenta habitualmente un peso de en torno a 8 toneladas, a muy bajas revoluciones, inferiores a 1 r.p.m., sin presentar golpeos o paradas bruscas en el giro. Asimismo, el torno (2) comprende un dispositivo avisador, no mostrado en las figuras adjuntas, que por cada giro de 370° del eje (1), es decir, ligeramente superior a un giro completo, emite una señal de aviso, preferentemente de tipo sónico.

En esta realización preferente, el dispositivo de regulación de la posición (8), vinculable al dispositivo avisador del torno (2), está conformado por un eje roscado o rosca sin fin, con un paso de rosca o número de entradas de rosca tales que, a cada vuelta de tornillo sin fin, lo que se corresponde con un giro de 370° del eje (1), la pistola se desplaza una distancia igual a la mitad del ancho del cordón depositado previamente hacia el interior de la cajera (3). En las figuras 3 y 4 se ilustra esquemáticamente el posicionamiento inicial de la pistola (6) con respecto al eje (1) dispuesto en el torno (2). Dicho desplazamiento de la pistola (6) respecto al eje (1) puede ser automático o manual, realizado por un operario tras emitirse el aviso de vuelta completa por parte del dispositivo avisador. En el primer caso, carro de soporte (7) y dispositivo avisador están sincronizados entre sí.

Asimismo, el carro de soporte (7) comprende elementos necesarios para la soldadura FCAW, tales como una bobina de hilo o metal de aporte y una devanadora para alimentación de la pistola (6). Dicha pistola (6) debe comprender una boquilla situada al final de un cuello recto y dotado de medios de refrigeración, debido a la alta temperatura a la que va a estar sometida debido a su proximidad al eje (1) que, como se ha mencionado, se encuentra a una temperatura aproximada de 250°C.

En cuanto a la aplicación de soldadura FCAW sobre la cajera (3), la cual comprende dos secuencias completas para dar lugar a dos capas de recargue superpuestas, comienza con la colocación de la pistola (6) superiormente al eje (1) y en un lateral de la cajera (3), como se ilustra en las figuras 3 y 4. Se define como capa al conjunto de cordones de recargue solapados que cubren el total del fondo (5) de la cajera (3).

A partir de ese momento comienza la aplicación de la soldadura de manera que, cuando el dispositivo avisador del torno (2) detecta un giro de 370°, la pistola realizará un desplazamiento de 0,5 veces el ancho del cordón inicial hacia el interior de la cajera (3), de forma que sigue realizando un segundo cordón de soldadura paralelo al primero, pero desplazado 12 mm respecto del arco. Se continúa realizando esta deposición hasta completar el ancho de la cajera (3). Durante la soldadura, el operario debe realizar un picado para eliminación de la escoria producida en la soldadura del hilo tubular y acumulada en la cajera (3).

Una vez finalizada la primera capa de recargue, se retira la pistola (6) y se vuelve a aplicar una fuente de calor sobre el eje (1) hasta alcanzar nuevamente los 250°C. Esta operación se realiza en aproximadamente 20 minutos.

Cuando el eje (1) alcanza de nuevo la temperatura indicada, se vuelve a disponer la pistola (6) como al comienzo de la primera capa, es decir, como se muestra en las figuras 3 y 4, y se aplica una nueva capa de recargue, de manera similar a la anteriormente mencionada. Sin embrago, para esta segunda capa es necesario considerar que el stick-out, es decir, la distancia entre el borde inferior de la boquilla de la pistola (6) y el punto de inicio del arco voltaico, debe de mantenerse. Para ello es necesario elevar aproximadamente 5mm la altura en la posición de la propia pistola (6).

La siguiente tabla recoge los principales parámetros de soldadura de acuerdo con la realización preferente aquí descrita.

Finalizada la segunda y última capa de recargue, y siempre con el eje (1) rotando sobre el torno (2) comienza la fase de postcalentamiento y enfriamiento del eje (1). Para el postcalentamiento se aplica de nuevo la fuente de calor para aumentar la temperatura del eje (1) hasta los 300°C. Dicha fuente de calor se aplica sobre la cajera (3) ya recargada con las dos capas superpuestas de recargue, y al menos a 700 mm a ambos lados de dicho sector, durante 2 horas. Una vez transcurrido este tiempo, se cubre la zona recargada y también hasta un mínimo de 700mm a cada lado del recargue con mantas térmicas, para conseguir un enfriamiento lento hasta alcanzar la temperatura ambiente, lo que suele prolongarse durante unas 14h.

Por último, con el eje (1) a temperatura ambiente, comienza la fase de mecanizado final del eje (1), la cual comprende una operación de torneado seguida de un rectificado.

En cuanto al torneado, comprende una sucesión de pasadas de torno, de un máximo de 1 mm por pasada para evitar la introducción de tensiones residuales adicionales. La finalidad del torneado es ajustar las dimensiones del sector del eje (1) reparado a las dimensiones necesarias para un correcto asiento del rodamiento. Finalmente, se introduce el eje (1) en una rectificadora para ajuste final del eje (1) mediante elementos abrasivos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento de reparación de ejes de aerogeneradores mediante aporte por soldadura FCAW que comprende la siguiente secuencia de actuación:

- disposición de un eje (1) a reparar sobre un torno (2) volteador;

- inspección del eje (1) y localización de un sector a reparar;

- mecanizado de una cajera (3) en el sector del eje (1) a reparar;

- precalentamiento del eje (1);

- aplicación de soldadura FCAW sobre la cajera (3);

- postcalentamiento y enfriamiento del eje (1); y

- mecanizado final del eje (1), estando el procedimiento caracterizado por que el mecanizado de la cajera (3) comprende unas pasadas de mecanizado sucesivas, cada una de las cuales es inferior a 2 mm, para dar lugar a una cajera (3) que comprende:

- unos bordes laterales (4) achaflanados, con un ángulo comprendido en el rango 30- 45°, y

- un fondo (5) con una profundidad con respecto a la superficie del eje (1) comprendida en el rango entre 4 y 6 mm.

2. Procedimiento de reparación de ejes de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que el precalentamiento del eje (1) aumenta la temperatura del eje hasta los 250°C.

3. Procedimiento de reparación de ejes de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado por que el precalentamiento del eje (1) se realiza mediante aplicación directa de una llama de gran potencia sobre la superficie del eje (1), especialmente en el sector interior del eje (1) y en las proximidades de la cajera (3).

4. Procedimiento de reparación de ejes de acuerdo con la reivindicación 3 caracterizado por que:

- los gases utilizados para la obtención de la llama son una mezcla de Propano (C3H8) y Oxígeno (O2),

- la llama se sitúa a una distancia aproximada de 300 mm del eje (1), y

- la llama se aplica durante un periodo de tiempo comprendido en el intervalo entre

1.5 y 7 horas.

5. Procedimiento de reparación de ejes de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado por que el precalentamiento del eje (1) se realiza mediante aplicación de mantas eléctricas y/o inductores.