La mayoría de las plantas de energía nuclear operan un generador de turbina de un solo eje que consta de una turbina de HP de múltiples etapas y tres turbinas de LP de múltiples etapas en paralelo , un generador principal y un excitador. La turbina HP suele ser una turbina de reacción de doble flujo con aproximadamente 10 etapas con álabes envueltos y produce alrededor del 30-40% de la potencia bruta de la unidad de la planta de energía. Las turbinas LP suelen ser turbinas de reacción de doble flujo.con aproximadamente 5-8 etapas (con cuchillas cubiertas y con cuchillas independientes de las últimas 3 etapas). Las turbinas LP producen aproximadamente el 60-70% de la potencia bruta de la unidad de la planta de energía. Cada rotor de turbina está montado sobre dos cojinetes, es decir, hay cojinetes dobles entre cada módulo de turbina. La gama de aleaciones utilizadas en las turbinas de vapor es relativamente pequeña, en parte debido a la necesidad de asegurar una buena combinación de propiedades térmicas, como expansión y conductividad, y en parte debido a la necesidad de resistencia a altas temperaturas a un costo aceptable.
- Material para rotores de turbinas. Los rotores de las turbinas de vapor suelen estar hechos de acero de baja aleación. La función de los elementos de aleación es aumentar la templabilidad para optimizar las propiedades mecánicas y la tenacidad después del tratamiento térmico. Los rotores son necesarios para manejar las condiciones de vapor más altas, por lo que la aleación más utilizada es el acero CrMoV.
- Material para carcasa. Las carcasas de las turbinas de vapor suelen ser estructuras grandes con formas complejas que deben proporcionar la contención de presión para la turbina de vapor. Debido al tamaño de estos componentes, su costo tiene un fuerte impacto en el costo total de la turbina. Los materiales que se utilizan actualmente para las carcasas internas y externas suelen ser aceros CrMo de baja aleación (por ejemplo, el acero 1-2CrMo). Para temperaturas más altas, las aleaciones fundidas de 9CrMoVNb se consideran adecuadas en términos de resistencia.
- Material de las palas de la turbina. Para las turbinas de gas , las palas de la turbina son a menudo el componente limitante. La temperatura más alta del ciclo se produce al final del proceso de combustión y está limitada por la temperatura máxima que pueden soportar las palas de la turbina . Como es habitual, las consideraciones metalúrgicas (alrededor de 1700 K) imponen límites superiores a la eficiencia térmica. Por lo tanto, las palas de las turbinas a menudo utilizan materiales exóticos como las superaleaciones.y muchos métodos diferentes de enfriamiento, tales como canales de aire internos, enfriamiento de la capa límite y revestimientos de barrera térmica. El desarrollo de las superaleaciones en la década de 1940 y los nuevos métodos de procesamiento, como la fusión por inducción al vacío en la década de 1950, aumentaron considerablemente la capacidad de temperatura de las palas de las turbinas. Los álabes de las turbinas modernas suelen utilizar superaleaciones a base de níquel que incorporan cromo, cobalto y renio.
- Las palas de las turbinas de vapor no están expuestas a temperaturas tan elevadas, pero deben soportar una operación con fluido bifásico . Un alto contenido de gotas de agua puede causar el rápido impacto y la erosión de las palas que se produce cuando se lanza agua condensada sobre las palas. Para evitar esto, por ejemplo, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina. Otro desafío para los ingenieros es el diseño de álabes de la última etapa de la turbina LP. Estas palas deben ser (debido al alto volumen específico de vapor) muy largas, lo que induce enormes fuerzas centrífugas.durante la operación. Por lo tanto, las palas de la turbina están sujetas a esfuerzos por la fuerza centrífuga (las etapas de la turbina pueden girar a decenas de miles de revoluciones por minuto (RPM), pero generalmente a 1800 RPM) y fuerzas de fluido que pueden causar fracturas, fluencia o fallas por fluencia.
Problemas materiales de las turbinas
Arrastrarse
La fluencia , también conocida como flujo frío , es la deformación permanente que aumenta con el tiempo bajo carga o tensión constante . Es el resultado de una exposición prolongada a una gran tensión mecánica externa con un límite de fluencia y es más severo en materiales que se someten a calor durante mucho tiempo. La tasa de deformación es función de las propiedades del material, el tiempo de exposición, la temperatura de exposición y la carga estructural aplicada. La fluencia es un fenómeno muy importante si utilizamos materiales a alta temperatura . La fluencia es muy importante en la industria de la energía y es de suma importancia en el diseño de motores a reacción. Para muchas situaciones de fluencia de vida relativamente corta (p. Ej., Álabes de turbina en aviones militares), el tiempo de ruptura es la consideración de diseño dominante. Por supuesto, para su determinación, las pruebas de fluencia deben realizarse hasta el punto de falla; estos se denominan ensayos de rotura por fluencia .
Corrosión por erosión
La corrosión por erosión es el daño acumulativo inducido por las reacciones de corrosión electroquímica y los efectos mecánicos del movimiento relativo entre el electrolito y la superficie corroída. La erosión también puede ocurrir en combinación con otras formas de degradación, como la corrosión. Esto se conoce como erosión-corrosión. La corrosión por erosión es un proceso de degradación del material debido al efecto combinado de corrosión y desgaste. Casi todos los medios corrosivos que fluyen o turbulentos pueden causar corrosión por erosión. El mecanismo se puede describir de la siguiente manera:
- erosión mecánica del material, o capa protectora (o pasiva) de óxido en su superficie,
- Mayor corrosión del material, si la velocidad de corrosión del material depende del espesor de la capa de óxido.
La corrosión por erosión se encuentra en sistemas como tuberías, válvulas, bombas, boquillas, intercambiadores de calor y turbinas. El desgaste es un proceso de degradación mecánica del material que se produce al frotar o impactar superficies, mientras que la corrosión implica reacciones químicas o electroquímicas del material. La corrosión puede acelerar el desgaste y el desgaste puede acelerar la corrosión.
Oxidación por vapor
El comportamiento de la oxidación del vapor está directamente relacionado con la implementación de la generación de energía de vapor ultra-supercrítica para mejorar la eficiencia y reducir las emisiones de CO 2 . Una temperatura más alta significa una mayor eficiencia; sin embargo, se producen tasas de corrosión más altas en una atmósfera de vapor cuando se utilizan aceros ferríticos, ferríticos-martensíticos o de cromo medio.
Los materiales que se desarrollaron hace más de 50 a 60 años ya no son adecuados en la actualidad para regímenes ultra-supercríticos debido a la escasa resistencia a la corrosión y las propiedades inadecuadas de resistencia y fluencia a altas temperaturas. Estas tecnologías requieren aceros austeníticos avanzados y aleaciones a base de níquel (Ni) con una resistencia superior a la oxidación por vapor.
Fatiga
En la ciencia de los materiales, la fatiga es el debilitamiento de un material causado por una carga cíclica que da como resultado un daño estructural progresivo, quebradizo y localizado. Una vez que se ha iniciado una grieta, cada ciclo de carga hará crecer la grieta una pequeña cantidad, incluso cuando las tensiones alternas o cíclicas repetidas son de una intensidad considerablemente inferior a la resistencia normal. Las tensiones pueden deberse a vibraciones o ciclos térmicos. El daño por fatiga es causado por:
- acción simultánea del estrés cíclico,
- tensión de tracción (ya sea directamente aplicada o residual),
- deformación plástica.
Si alguno de estos tres no está presente, no se iniciará ni se propagará una grieta por fatiga. La mayoría de las fallas de ingeniería se deben a la fatiga.
Aunque la fractura es de tipo frágil, puede llevar algún tiempo propagarse, dependiendo tanto de la intensidad como de la frecuencia de los ciclos de tensión. Sin embargo, hay muy poca o ninguna advertencia antes de la falla si no se nota la grieta. El número de ciclos necesarios para provocar un fallo por fatiga en un pico de tensión en particular es generalmente bastante grande, pero disminuye a medida que aumenta la tensión. Para algunos aceros suaves, las tensiones cíclicas pueden continuar indefinidamente siempre que la tensión máxima (a veces denominada resistencia a la fatiga) esté por debajo del valor límite de resistencia. El tipo de fatiga que más preocupa en las centrales nucleares es la fatiga térmica. La fatiga térmica puede deberse a tensiones térmicas producidas por cambios cíclicos de temperatura. Componentes grandes como el presurizador, la vasija del reactor,
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