GeoSteam.Net: Un simulador de transporte de vapor para optimizar el diseño de las redes de vapor-ductos y la generación de energía eléctrica en un campo geotérmico

Número de proyecto

P14

Título de proyecto

GeoSteam.Net: Un simulador de transporte de vapor para optimizar el diseño de las redes de vapor-ductos y la generación de energía eléctrica en un campo geotérmico

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Mahendra Pal Verma Jaiswal

Institución

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Antecedentes y justificación

En los sistemas geotérmicos el recurso primario para la generación de energía eléctrica es vapor, con el que se produce el movimiento de las turbinas. En la mayoría de los campos geotérmicos el fluido producido es una mezcla de agua y vapor. Para obtener solamente vapor útil para las turbinas se usan distintos sistemas de separación en el cabezal de cada pozo. Una vez obtenido el vapor separado se transporta hacia la turbina a través de una red de vapor-ductos que consiste de tubos, codos, válvulas, expansiones, reducciones, etc. El flujo de vapor (fluido) en las redes de vapor-ductos de sistemas geotérmicos es más complejo que en cualquier otro tipo de sistema, debido que la presión, temperatura y el flujo en los pozos geotérmicos son establecidas por las características naturales del yacimiento (Verma et al. 2013). Además, las distancias grandes entre los pozos y la configuración topográfica de un campo geotérmico influyen negativamente en la caracterización del flujo (García et al., 2009). Las condiciones en la apertura del pozo (es decir, el control de su presión, y flujo en la boca del pozo) produce problemas de incrustación (que consisten principalmente en depósitos de sílice y calcita) tanto en el yacimiento geotérmico, como en las redes de vapor-ductos (Verma et al., 2012). De la misma manera, se ha observado inestabilidad en forma de fluctuación de la presión en la red de tuberías geotérmicas (incluso a veces en los pozos), si la apertura de los pozos no está sincronizada. Todo esto afecta la capacidad de producción de un sistema geotérmico. Normalmente este problema se llega a resolver produciendo un exceso de vapor (es decir, vapor sin ningún tipo de uso) y descargándolo a la atmósfera, lo que tiene impactos económicos y ambientales. De ahí la importancia de comprender la complejidad del flujo de vapor en las redes de los sistemas geotérmicos.

Para satisfacer esta necesidad de la industria de energía eléctrica, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) inició un proyecto, "GeoSteamNet: un paquete de cómputo para simular el flujo de vapor en una red de vapor-ductos de campos geotérmicos" en 2006. El resultado de este proyecto fue el programa GeoSteamNet, el cual utiliza el algoritmo de conversación de masa, momento lineal y energía, implementado inicialmente por la NASA en el código de cómputo, "Generalized Fluid System Simulation Program (GFSSP)" (Majumdaret al., 2007). Verma y Arellano (2010) escribieron un componente ActiveX, PipeCalc en Visual Basic 6.0 para el flujo de vapor en vapor-ductos usando el algoritmo modificado de GFSSP. Los componentes ActiveX tenían varios problemas que se describieron como el infierno de DLL. Estos problemas se han resuelto en Visual Studio 2010. Por lo tanto, se escribió una nueva versión del programa como una biblioteca, GeoSteamNet en Visual Basic en Visual Studio 2010 (VB.NET). Verma (2013) determinó que la consistencia interna en las propiedades termodinámicas del agua es de vital importancia. La inestabilidad en el algoritmo se observa como una consecuencia del comportamiento del vapor como gas ideal a baja presión, que se resuelve mediante el ajuste del límite inferior de presión a 2.0x105 Pa. El estudio paramétrico del comportamiento de las variables de presión, temperatura, tasa de flujo másico de vapor y líquido, pérdida de energía térmica, conversión de energía mecánica a térmica por fricción, energía cinética, energía potencial y energía térmica en las tuberías horizontales y verticales, ha demostrado que la exactitud en la medición de la presión es muy importante en las redes de vapor-ductos (Verma et al., 2013). Además, se han observado que los simuladores existentes no arrojan resultados consistentes para los vapor-ductos de diámetro >80 cm. (Comunicación personal, Dr. Sadiq Zarrouk, This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.); no obstante, los sistemas geotérmicos del mundo tienen redes de vapor-ductos de tuberías >80 cm. Así, la ampliación de conocimiento de transporte de vapor en las redes es una necesidad crucial para la industria geotérmica.

Se desarrolló una interfaz gráfica en 3D, escrito en Google SketchUp Pro 8.0, para dibujar las redes de vapor-ductos de los campos geotérmicos (Verma y Gervacio, 2011). En este proyecto se realizará la integración de los programas existentes de cómputo en un Entorno de Desarrollo Integrado (Integrated Development Environment) para volver el uso de software fácil y amigable para el usuario, y así escribir los programas para los diversos componentes de redes de vapor-ductos como son codo, expansión-reducción, válvula, orifico, entre otros.

Verma et al. (2013) observaron que la limitación fundamental en la simulación de transporte de vapor es la calidad de datos termodinámicos del agua (es decir, las tablas de vapor). Verma (2006) demostró que las tablas de vapor violan las leyes termodinámicas. La temperatura (T), la presión (P), el volumen (V), la energía interna (U), la entalpía (H), la entropía (S), la energía libre de Gibbs (G) y la energía libre de Helmholtz (A), incluyendo la conductividad, la solubilidad, el equilibrio constante de una reacción química, etc., son variables de estado. Las funciones de estado U, H, S, G y A son calculadas a partir de las características PVT y los datos de capacidad calorífica (Verma, 2006). El valor de calor específico (Cp) en la región de líquido comprimido aumenta con la temperatura, mientras que disminuye con la presión. Figura 1 demuestra la variación de Cp como función de temperatura para varios valores de presión. Para todos los valores de P no hay una variación significativa de Cp hasta 550°K; sin embargo, hay un aumento drástico en los valores de Cp a partir de T = 550°K.

Figura 1: Datos experimentales de calor específico del agua a presión constante (Cp). Para una presión dada los valores se dividen en dos grupos: (a) para la región de líquido comprimido, que se muestra por el símbolo relleno y la línea sólida y (b) para la región de vapor sobrecalentado, que se muestra por el símbolo vacío y línea de trazos.

Existe un máximo cerca del límite de separación líquido-vapor. Debido a los valores de CP, las propiedades termodinámicas del agua tienen valores múltiples, y esto contradice la definición básica de función de estado. Por ello hay una necesidad crítica de actualizar la medición de los datos termodinámicos del agua para poder simular el transporte de vapor, así como para otros estudios que involucren dichos datos termodinámicos del agua.

Debido a esto se planea realizar mediciones de los datos de calor específico del agua a temperatura y presión que sean de interés para la industria geotérmica.

Objetivos y metas

El objetivo principal del presente proyecto es continuar el desarrollo de GeoSteam.Net. Para alcanzar este objetivo se realizaran las siguientes metas específicas:

  • Mejorar el algoritmo para el nodo de dos o más pozos de producción: El presente algoritmo de GeoSteam.Net valida la presión para diferentes ramas en el nodo de unión de dos o más pozos productores que sea igual; sin embargo, pueden existir diferencias en la temperatura en las diferentes ramales. Para resolver eso, se requiere el desarrollo de un modelo de mezcla de fluidos en el nodo.
  • Desarrollo de algoritmo para los componentes de la red de tuberías: Los componentes de la red de vapor-ductos (por ejemplo, un codo) en software comerciales o científicos existentes se programan como las tuberías equivalentes. En otras palabras, los componentes se sustituyen por las respectivas tuberías equivalentes virtuales durante la simulación de transporte de vapor. Se trabajará para diseñar un algoritmo para diferentes tipos de componentes, incluyendo la conservación del momento angular y su disipación por fricción. La validación del algoritmo se realizará a través de las mediciones de campo en los sistemas geotérmicos.
  • El diseño de la interfaz de usuario: Se diseñará una interfaz gráfica de usuario que puede servir como una herramienta a los ingenieros de campo en la toma de decisiones críticas para la operación óptima del sistema geotérmico, a través de simulaciones de redes de vapor-ductos con el simulador en tiempo real.
  • Nuevas mediciones de las propiedades termodinámicas del agua: En realidad, las condiciones del estado del agua en la mayoría de las redes de vapor-ductos geotérmicos son a lo largo de la curva de saturación vapor-líquido, por lo tanto no hay violación de las leyes básicas de la termodinámica en los algoritmos actuales. Sin embargo, se ha observado el cambio de estado del agua en la región de vapor sobrecalentado, en las condiciones extremas de operación. En este caso se observó la violación de la conservación de energía debido a las inconsistencias en los datos termodinámicos existentes. Además, el futuro de la industria geotérmica es la explotación de los sistemas geotérmicos mejorados. Esto significa que es verdaderamente importante aprender a simular el transporte del fluido geotérmico en condiciones distintas a la curva de saturación. Por lo tanto, un objetivo de este proyecto es diseñar un montaje experimental para medir la capacidad calorífica del agua y el vapor, y así resolver las anomalías que actualmente existen en las propiedades termodinámicas del agua.

Integración de una planta de poli-generación mediante el uso en cascada de la energía geotérmica

Número de proyecto

P16

Título de proyecto

Integración de una planta de poli-generación mediante el uso en cascada de la energía geotérmica

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Carlos Rubio Maya

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Antecedentes y justificación

La demanda energética aumenta a medida que crecen las necesidades de confort de los seres humanos. Es prácticamente inevitable dejar de consumir energía, el inconveniente es que esta energía generalmente proviene de un recurso no renovable (combustible fósil). Por otra parte, el uso de combustibles fósiles asociados a la producción de energía es la principal causa del cambio climático. Por lo anterior, el calentamiento global es atribuible a la actividad humana y a los procesos ineficientes de transformación de la energía, principalmente por la emisión de gases de efecto invernadero (bióxido de carbono). La baja eficiencia energética en los procesos de transformación de la energía, incrementa el consumo de la misma y por consiguiente los precios y las emisiones a la atmósfera de gases nocivos.

La producción de energía en base a energías renovables aún se encuentra en etapa de maduración en México, siendo la energía geotérmica una de las más utilizadas pero no del todo explorada ya que México cuenta con un gran potencial de energía geotérmica que no es aprovechado. Por otra parte, los procesos que utilizan energía geotérmica de mediana y baja entalpia no son muy implementados y generalmente desaprovechan una gran cantidad de energía útil, colateralmente la utilización en cascada de la energía geotérmica aún no es muy conocida, por lo que es poco explorada su implementación en sistemas multiproducto.

La energía geotérmica puede ser utilizada en diferentes aplicaciones y diversas tecnologías. Sin embargo, al utilizarla para una sola aplicación y después desechar el contenido de energía que aun contiene el fluido geotérmico, se le está dando un uso ineficiente. El uso de la energía geotérmica puede ser más eficiente si se recupera y se aprovecha al máximo el contenido de la energía del fluido geotérmico, una forma es aprovechando la energía disponible tras haber sido ya utilizada, beneficiándose de los distintos niveles térmicos requeridos para los diferentes usos. De este modo, tras la producción eléctrica, el fluido aún caliente puede ser aprovechado para calefacción de viviendas. Tras este segundo uso, el fluido puede ser aprovechado para otros usos con menores requerimientos de temperatura (calefacción de invernaderos, etc.). A lo anterior, se le denomina utilización en cascada de la energía geotérmica, ver Figura 1.

Figura 1. Utilización en cascada de la energía geotérmica

Por otro lado, debido al alto consumo de energía y a que la producción de energía es la principal causa del calentamiento global, es necesario disminuir el consumo de la energía. Para la sociedad moderna resulta difícil reducir los consumos de energía, por lo contrario la demanda energética cada día es mayor. Debido a esta situación, es necesario utilizar procesos que optimicen la energía, tal es el caso de los sistemas multiproducto que pueden ser integrados para utilizar la geotermia geotérmica. Un sistema multiproducto es aquel en el cual se obtienen varios productos a partir de uno o más recursos, a este tipo de sistemas se les conocen comúnmente como sistemas de poligeneración. Actualmente existen sistemas muy conocidos, ejemplos de sistemas multiproducto, tales como la cogeneración (CHP, Combined Heat and Power) y la trigeneración (CHCP, Combined, Heat Cold and Power). En los sistemas de cogeneración se produce calor y electricidad a partir de un recurso, mientras que en la trigeneración se produce adicionalmente frio. La Figura 2, muestra un esquema generalizado de un sistema multiproducto.

Figura 2. Esquema conceptual de un sistema multiproducto

Actualmente, ya existen algunos proyectos en el mundo donde se utilizan los recursos geotérmicos para múltiples aplicaciones como lo son la generación de electricidad, calor y frio, es decir, no es muy común el uso del recurso geotérmico tras ya haber sido utilizado, y menos común utilizarlo en diferentes niveles térmicos que van de desde una mayor demanda de energía a una menor demanda, en otras palabras, el uso de la energía geotérmica en cascada aun no es muy utilizado. Existen algunos estudios realizados durante la última década del uso en cascada de la energía geotérmica en sistemas multiproducto.

A continuación, se presente una descripción breve de las investigaciones más recientes del uso en cascada de la energía geotérmica: En el año 2012, se realizó un estudio sobre el uso de la energía geotérmica en cascada, caso de estudio. Se propone que la energía de los dos pozos poco profundos en Eburu (Kenya) sea usada de una manera en cascada para el secado de productos agrícolas, la calefacción de invernaderos, miel purificación, la incubación de aves de corral, en una instalación recreativa de sauna vapor y para la prestación de la tan necesaria agua potable. Se realiza una evaluación del potencial de la energía y química de los líquidos del vapor de los pozos y también se lleva a cabo la evaluación de la viabilidad técnica, así como establecer si hay una necesidad de perforar un pozo nuevo para este proyecto. El costo de la realización de este proyecto se ha estimado en alrededor de USD$ 40,000. En Rumania se realizó otro estudio sobre el uso de la energía geotérmica en cascada. En este estudio se analiza el uso en cascada de la energía geotérmica de temperatura moderada en una planta de pasteurización de leche. Se propone utilizar la energía geotérmica en un ciclo binario para la producción de electricidad, el proceso de la pasterización de la leche, así como utilizar la energía en un conjunto de viviendas y balneología. En Húsavik (Islandia), debido a su alto potencial geotérmico se comenzó con un pozo para la utilización en la calefacción y enfriamiento de distrito. Posteriormente, se realizaron varios análisis para obtener varios productos de dicho recurso. Entre los ajustes se perforaron nuevos pozos y se realizó el análisis para observar la probabilidad de producir varios productos como son: electricidad, calefacción para casas, piscicultura, agua para bañarse en una laguna, invernaderos y energía térmica para una industria. La central (planta de potencia) opera bajo el llamado ciclo Kalina, técnica que se basa en un ciclo cerrado que utiliza agua y la mezcla de amoníaco (NH3-H2O) como medio de trabajo. La prioridad del sistema es la producción de electricidad, calefacción urbana y el calor de la industria, ver referencias en pie de página.

En base a lo anterior, puede apreciarse que en la propuesta es innovadora y con alto potencial de ser desarrollada. Por otro lado, nuestro país no se encuentra una instalación con las características de esta propuesta, por lo que se estima que este proyecto detonará la utilización de los esquemas de suministro simultáneo de energía y el uso en mayor medida de los recursos geotérmicos de mediana y baja entalpia. Esta propuesta será pionera debido a que se incursiona en la aplicación inmediata de este tipo de plantas, facilitando la integración a una aplicación en particular y permitiendo la obtención de datos e información que permitan cuantificar de manera precisa los beneficios de estas instalaciones, así como dar confianza a empresarios para utilizar estos esquemas descentralizados.

Mburu, M., S. Kinyanjui y J. Kenyatta. Cascaded Use of Geothermal Energy: eburru Case Study. Geothermal Development Company Ltd y University of Agriculture and Technology, Kenya (2012).

Durgau, M.,. Cascading Use of Geothermal Energy With Moderate Temperature in Milk Pasteurization Plant. University of Oradea, Faculty of Electrical Energeneering and Information and Technology.

Hjartarson, H., R. Maack y S. Jóhannesson. Multiple Use of Geothermal Energy. Húsavik energy, Islandia.

Objetivos y metas

El objetivo del proyecto será el integrar y desarrollar una planta piloto experimental de poligeneración mediante el uso en cascada de la energía geotérmica, con la finalidad de utilizar los recursos geotérmicos no sólo para generación de electricidad sino también para la obtención de otros productos por uso directo de la energía geotérmica.

Monitoreo de la integridad estructural en tuberías usadas en la generación de energía mediante tomografía de ondas guiadas

Número de proyecto

P18

Título de proyecto

Monitoreo de la integridad estructural de tuberías usadas en la generación de energía mediante tomografía de ondas guiadas

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Alberto Ruiz Marines

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

University of Cincinnati

Antecedentes y justificación

La corrosión se presenta como la destrucción de un metal por una acción química o electroquímica. Los procesos corrosivos son muy complejos y toman lugar en condiciones muy diferentes [HAY, 88]. En la industria geotérmica los efectos corrosivos de un fluido geotérmico dependen de la composición química del fluido. Las aguas geotérmicas tienen un amplio rango de composición química, por ejemplo el azufre que genera aguas acidas que corroen activamente la mayoría de las aleaciones. Se ha reportado que la aeración oxigena los fluidos geotérmicos acelera drásticamente la corrosión de la superficie de la mayoría de las aleaciones. [JAN, 85].

La erosión en tuberías usualmente se presenta como resultado de dos condiciones adversas, la presencia de arena y/o un incremento en la velocidad de flujo del fluido; lo cual que produce una turbulencia que en la presencia de velocidades altas hará que el fluido se vuelva erosivo. La combinación de ambos factores hará que la tasa de erosión pueda ser mucho más alta. En condiciones no favorables, la erosión puede ocurrir muy rápido; esta puede cortar a través del espesor de un tubo de acero con espesor de pared de 12 mm en menos de dos horas. La erosión causada por lodos se ha vuelto un factor importante tanto en el diseño de nuevos desarrollos como en la determinación de la vida remanente de campos de generación de energía geotérmica, petrolera y de gas.

El fenómeno de corrosión continúa siendo el foco de atención para muchas compañías dedicadas a la generación de energía. La inspección periódica de espesores de tubería que son susceptibles a la corrosión, certifica que la instalación puede ser operada dentro del margen de seguridad del criterio de diseño. Nuevas y más efectivas técnicas para el monitoreo de la integridad estructural (MIE) no solamente incrementan la seguridad de sistemas críticos sino que también reduce en forma global los gastos de operación. De tal manera que la vida útil de estructuras puede ser prolongada siempre y cuando se tenga disponible un sistema de MIE que sea capaz de advertir en forma correcta y confiable la manera en que la corrosión progresa en el componente, de tal forma que medidas apropiadas puedan ser tomadas. En muchos casos la corrosión esta oculta, como el caso de la corrosión interna de tuberías; por lo que este tipo de corrosión es difícil de detectar y monitorear. La industria geotérmica al igual que la industria petroquímica, cuentan con gran cantidad de sistemas de tuberías para el transporte de masa, las cuales abarcan cientos de kilómetros de longitud. En muchos casos, los componentes tienen aislamiento térmico por lo que en algunas ocasiones es posible que no sea removido para acceder al componente y esto crea un problema de inspección. En los años recientes muchas fallas que en su gran mayoría están relacionadas con corrosión, erosión y daños provocados a la tubería han ocurrido en líneas para el transporte de líquido y gas; resultando en daños catastróficos que impactan económicamente y pueden llegar a ser un peligro para la población.

Algunos de estos problemas son generados por la degradación de las propiedades mecánicas causado por la inestabilidad microestructural que sufren algunos aceros de uso común y es causada por la exposición a temperaturas elevadas. Un caso típico es el de los aceros inoxidables dúplex 2205 [CHE 02]. Recientemente [RUI 09, RUI 13, LAR 13] encontraron que utilizando la técnica no destructivas pueden ser utilizadas para determinación de grado de degradación de las propiedades de impacto y el grado de corrosión respectivamente en aceros inoxidables dúplex 2205. El problema con las técnicas de contacto estriba en la que la generación de las ondas de corte se da mediante el contacto íntimo entre el transductor y la superficie del acero se tiene utilizar un medio de acople con alta viscosidad, este medio es afectado si se planea utilizar en condiciones ambientales extremas causando incertidumbre en las mediciones.

Muchos métodos no destructivos han sido sugeridos y usados para el mantenimiento preventivo de tuberías de gas entre algunos se tiene el método basado en flujo magnético, pero estos métodos miden la pérdida del espesor más no el espesor remanente el cuál es necesario para la predicción de la vida de servicio restante del tubo. Se sabe que su precisión está limitada a pérdidas relativas de espesor de » 10% debido a las variaciones inherentes en la permeabilidad magnética del tubo de acero.

En la detección de defectos, las ondas guiadas de baja frecuencia han sido utilizadas como una solución para la inspección de tuberías y otras estructuras en rangos de longitudes grandes. Esto permite que grandes áreas sean escaneadas para la detección de áreas de la tubería que tienen corrosión aún sin que se tenga acceso directo. Por lo que se pueden inspeccionar tuberías que tienen material aislante, pintura protectora, etc. Sin embargo, a pesar de que estos métodos permiten la detección y determinación de la localización de estos métodos es bueno, pero, estos solo pueden dar un estimado del espesor remanente de la tubería.

Ondas Lamb

Una onda elástica que se propaga a través de una guía de onda es llamada onda guiada. Una guía de onda es una estructura con fronteras que ayudan a las ondas elásticas a propagarse de un punto a otro. Algunos tipos de ondas guiadas son las ondas Rayleigh u ondas superficiales y las ondas Lamb. La ecuación fundamental de una onda Lamb que se propaga en una placa de espesor 2h está dada por:

 

Aquí




 

La solución numérica de ecuaciones (1a) y (1b) dan como resultado n raíces que predicen n velocidades de fase para modos de propagación simétricos y anti simétricos respectivamente. Una característica de las ondas guiadas es que su velocidad es dispersiva, es decir, que depende de la frecuencia de inspección como se muestra en la Figura 1. En la Fig. 1(a) se observan dos primeros modos de ondas Lamb que se pueden propagar en una placa. Los de tipo simétrico (S) y el tipo anti simétrico (A). La Fig. 1(b) se observan las velocidades del grupo para cada modo y tipo de onda.

Figura 1. Raíces de las ecuaciones (a) y (b) para una placa de acero con espesor de 6 mm, cl = 5.830 mm/μs y cl = 3.300 mm/μs.

Tradicionalmente, la reducción del espesor inducido por corrosión ha sido monitoreada frecuentemente por medios ultrasónicos [RUD 97]. Inspecciones ultrasónicas basadas en la medición del tiempo de vuelo de los pulsos ultrasónicos son usadas para determinar el espesor de tuberías en regiones que se limitan al diámetro del transductor son rutinarias. Aunque la técnica es sensible al efecto de recubrimientos su exactitud es suficiente en la mayoría de las aplicaciones [MCL 00]. La necesidad del uso de un fluido para acoplar el transductor y la pieza es eliminada por transductores acústicos electromagnéticos o transductores especiales acoplados con gas [TEI 03, SHU 05]. La desventaja de este método es que es puntual y por lo tanto consume mucho tiempo de inspección.

Las ondas guiadas tienen el potencial de extender las mediciones ultrasónicas de corrosión en distancias muy largas de tuberías [ROS 96, LOW 98, ALL 01, ROS02, CAW 03, ALL 04]. Por ejemplo, los transductores piezoeléctricos acoplados en seco han mostrado que pueden detectar corrosión en plantas químicas usando ondas cilíndricas Lamb en distancias que se aproximan a los 50 m en tuberías [ALL 97]. También se ha mostrado que los modos axi-simétricos pueden propagarse grandes distancias inclusive en tuberías enterradas llenas de agua [LON 03]. La Mayoría de estas inspecciones se basan en mediciones de reflexiones en modo emisión-recepción [ALL 96, LOW 98, ALL 04, DEM 04].

Existe una gran variedad de formas de generar ondas guiadas, entre las que tenemos el método de haz angular, Transductores electromagnéticos etc. Las ondas guiadas generadas pueden ser controladas por fuentes de cargas. Si la fuente de carga es axi-simétrica, solamente se producirán modos axi-simétricos tales como los modos longitudinales o torsionales. Si la fuente de carga no es axi-simétrica el campo generado incluye todos los modos generados en la frecuencia de excitación con amplitudes que depende en la condiciones de carga de la fuente generadora. El patrón de superposición de estos modos varía conforme la onda guiada se propaga, esto produce cambios los patrones del campo total. Para aplicaciones de ensayos no destructivos, la gente trata de evitar fuentes que produzcan ondas guiadas que no sean axi-simétricas debido al complicado fenómeno que envuelve a las ondas guiadas no axi-simétricas. Aun en el caso de generación de ondas guiadas axi-simétrica, las ondas reflejadas provenientes de defectos no son axi-simétricas debido a la irregular forma de los defectos. Por lo que la investigación de las ondas guiadas no axi-simétricas se ha vuelto un teme interesante para el estudio de la fuente de carga e interpretación de la información del defecto.

Tomografía de ondas guiadas para el monitoreo del espesor remanente en tuberías

Investigaciones recientes, han propuesto a la tomografía de ondas guiadas como una alternativa para en forma precisa estimar el espesor remanente de áreas de corrosión en placas y tuberías de gran diámetro. Al utilizar un modo de onda guiada dispersivo, si se usa una frecuencia fija, entonces la velocidad de la onda se volverá una función del espesor. Por lo que la tomografía de ondas guiadas reconstruye un mapa de velocidades a partir de una serie de mediciones ultrasónicas para finalmente convertir esta velocidad en espesor.

Para determinar el espesor de la pared de una tubería, se necesita usar un método de reconstrucción confiable, de gran precisión y con suficiente resolución. La mayoría de trabajos científicos en tomografía de ondas guiadas usan la suposición de que las ondas se propagan como rayos rectos por lo que se ignora los efectos de refracción y difracción [Jansen y Hutchins 1990, Pei, Yousuf, Degertekin, Honein y Khuri-Yakub 1996, McKeon y Hinders 1999, Malyarenko y Hinders 2000].

Cuando se ignora la refracción, se limita la detección de defectos de bajo contraste. Por otra parte si se ignoran los efectos difracción se limita la detección de defectos grandes con variaciones de espesor pequeñas; ambos efectos afectan la resolución del mapa de espesores reconstruido.

Recientemente, [Huthwaite y Simonetti 2013] desarrollaron un algoritmo HARBUT el cual utiliza un algoritmo de tomografía de doblez del haz de baja resolución para la reconstrucción de señales; lo que permite que la distorsión de fase a través del dispersor sea estimada y contabilizado, con lo que el rango de la aplicabilidad del algoritmo es aumentado grandemente. El procedimiento se muestra en la Figura 2(a), donde se muestran las curvas de dispersión para modos onda Lamb fundamentales en aluminio para velocidad de fase y grupo. La relación existente entre el espesor y velocidad en una frecuencia determinada provee los medios para determinar el espesor. La Fig. 2(b) Muestra la configuración para tomografía de ondas guiadas en una placa. Las ondas son excitadas por una fuente individual, pega en el defecto y son dispersas en todas direcciones. El campo disperso es medido por el arreglo de transductores. El proceso se repite con cada transductor proveyendo la iluminación suficiente, hasta que se obtiene la información para todas las combinaciones de envío y recepción posibles.

Figura 2. (a) Muestra las curvas de dispersión para modos onda Lamb fundamentales en aluminio para velocidad de fase y grupo. (b) Muestra la configuración para tomografía de ondas guiadas en una placa.

Ondas ultrasónicas para el monitoreo del espesor promedio en tuberías

[Ins 2006] desarrolló un sistema de monitoreo en línea de corrosión/erosión con ondas guiadas. En este sistema se montan una serie de transductores sobre el área de la tubería de interés y utiliza una combinación principios de resonancia y dispersión de onda para evaluar la pérdida en espesor de la pared entre un par dado de transductores.

Figura 3. Vista esquemática de las rutas helicoidales de los tres modos más bajos en una tubería cilíndrica.

Este sistema se monta en áreas críticas de la tubería donde un juego de transductores se coloca permanentemente en distancias de 1-5 diámetros de la tubería y las ondas ultrasónicas guiadas son propagadas entre pares de traductores que trabajan con la técnica emisión-recepción como se muestra en la Figura 3.

Las tres rutas helicoidales de los tres ordenes más bajos a lo largo y alrededor de una tubería cilíndrica. La longitud de propagación de la enésima ruta helicoidal es

(1)

Donde z y a son las distancias axiales y azimutales entre los transductores (transmisor T y receptor R) respectivamente y D es el diámetro de la tubería. Aunque los modos helicoidales de más alto orden son de alguna forma más afectados por la curvatura circunferencial de la tubería, en tuberías de pared delgada la velocidad es aun casi la misma; por lo que todos los modos pueden ser aproximados a los modos correspondientes de ondas Lamb en placas.

El tiempo del grupo de arribo medido Tg y el ángulo de fase j son proporcionales a la distancia de propagación z del transmisor al receptor

(2)

Aquí,

 

son las slownesses promedio de grupo y de fase respectivamente, las cuales pueden ser calculadas para cada modo del slownesses de grupo y fase local como sigue

(3)

Aquí, f es la frecuencia ultrasónica de inspección y se asume que el espesor cambia solo en forma gradual en distancias muchas veces más grandes que el espesor de esta forma el los modos guiados no se dispersan de regreso o hacia el frente en otros tipos de modos.

Como ejemplo, las Figuras 4 y 5 muestran las curvas de dispersión de fase y de slowness de grupo para ondas Lamb de una placa de acero respectivamente.

Figura 4. Curvas de dispersión de slowness de fase para ondas Lamb en una placa de acero.


Figura 5. Curvas de dispersión de slowness de grupo para ondas Lamb en una placa de acero.

Ultrasonido no lineal

La exposición a relativamente altas temperaturas (300°C-400°C), cargas cíclicas y conducción de fluidos corrosivos de nuevas aleaciones metálicas y aleaciones metálicas que durante mucho tiempo han estado en funcionamiento en plantas generadoras de energía son amenazas potenciales de equipos clave en industrias de generación de energía como la geotérmica y petrolera. Al mismo tiempo, en este tipo de industria, se ha dado el incremento en la demanda materiales noveles y de rendimiento más confiable para su uso en ambientes hostiles, lo que ha llevado a la necesidad de técnicas no destructivas cuantitativas igualmente confiables para evaluar y caracterizar en forma no destructiva estos materiales. Es de vital importancia establecer estos métodos de monitoreo de la integridad estructural (MIE) para el ensayo y evaluación de este tipo de degradación. En años recientes se ha hecho un esfuerzo considerable en el desarrollo de tecnologías no destructivas que detecten en forma rápida diferentes tipos de daño de componentes esenciales que por su funcionamiento operan atmosferas que pueden causar fenómenos como sensitización, fenómenos de deformación a altas temperaturas, fatiga por cargas cíclicas y fenómenos de precipitación de segundas fases. La consecuencia de estos fenómenos es la degradación de las propiedades mecánicas del componente. Estos nuevos materiales han impactado en los métodos de tradicionales de ultrasonido lineal que han sido usados durante mucho tiempo ya que no han mostrado la suficiente sensibilidad en la detección temprana delos diferentes tipos de daño. Esto se debe a que daños como la precipitación de segundas fases Una alternativa es el uso de ultrasonido no lineal que explota la elasticidad no lineal ha sido durante mucho tiempo ser sensible a diferentes defectos causados por los fenómenos arriba mencionados.

Estas técnicas basan su funcionamiento en la medición de armónicos de mayor orden, los cuales son generados por la no linealidad intrínseca del material relacionada a imperfecciones a nivel atómico. Buck y colaboradores [Buck 1978] condujeron experimentos de la generación del segundo armónico en interfaces planas sin unión entre dos cilindros de aluminio 1100 y reportaron que el conforme el número de ciclos a la fatiga incrementa, el número de micro-grietas superficiales generadas actúan como una contribución adicional a la no linealidad. Cantrell y Yost [Cant 1994] observaron en forma experimental el cambio en el parámetro de no linealidad acústica b, resulta del efecto de dislocaciones inducidas por fatiga. Presentaron un modelo analítico que sugiere una fuerte interacción entre la no linealidad de las ondas ultrasónicas con dipolos de dislocaciones durante la fatiga de metales. Jhang y Kim [Jhan 1999] hicieron investigación en ultrasonido no lineal para evaluar la degradación de materiales de SS41 y SS45 con fatiga por deformación, ellos encontraron que el parámetro no lineal b es proporcional a la magnitud de la carga de deformación y al número de ciclos a la fatiga. Ruiz y colaboradores [RUI 2013] realizaron mediciones ultrasónicas no lineales en acero inoxidable dúplex 2205 dañado térmicamente por la exposición térmica a altas temperaturas.

Aunque se han desarrollado investigaciones para el estudio del fenómeno de no linealidad, aún hay una falta de información en el efecto de la cinética de precipitación de aleaciones complejas que estarán sometidas a largos periodos de uso y degradación térmica.

Consideraciones teóricas

El parámetro no lineal puede ser descrito si se introduce la ley de Hooke, la naturaleza de esta ley describe una relación no lineal esfuerzo-deformación dada por:

(4)

donde s es el esfuerzo axial y ε es la deformación, E es el módulo de Young y b es el coeficiente no lineal de segundo orden (parámetro no lineal).Para una onda ultrasónica de frecuencia dada que se propaga en un material degradado, la ecuación de movimiento es descrita por:

(5)

donde ρ es densidad y x es la distancia de propagación, u es el desplazamiento de la partícula. Si se usa la relación desplazamiento-deformación ε(x, t) =¶u(x, t)/¶x para una onda longitudinal que se propaga en una dimensión en un material isotrópico y sustituyendo ec. (4) en ec. (5) (evaluada hasta el Segundo termino) tenemos:

(6)

Una solucion de perturbación de segundo orden ha sido planteada como u0 + u1, donde u0 es una solución con b = 0 y u1 es la solución de perturbación de primer orden.

Se ha reportado una solución obtenida mediante métodos iterativos

(7)

Aquí A1 es la amplitud del componente de frecuencia fundamental, k es el número de onda, ω es la frecuencia angular. Debido a la no linealidad del material, pude observarse en la ecuación (7) que la onda sinusoidal de frecuencia única desarrolla componentes armónicos mayores en un medio no lineal. Para la segunda onda armónica, la amplitud A2 es A1 k2bx/8. DE esta forma el coeficiente elástico no lineal de segundo orden es:

(8)

Por lo que, el parámetro no lineal b de un material pude ser evaluado al medir las amplitudes de los componentes fundamental y del segundo armónico con k y x contantes. Así, b puede ser relacionada a los cambios en el comportamiento no lineal del material.

La Figura 6 muestra un ejemplo característico de la generación armónica de ultrasonido no lineal en esta se usan dos pulsos un pulso no invertido y un pulso invertido los cuales son generado a partir de ondas sinusoidal a una frecuencia dada estos pulsos son inyectados en el material y un en los cuales hay la generación de un segundo armónico si el material presenta no linealidad causada por algún fenómeno.

Figura 6. Generación armónica con inversión de pulso.

Referencias

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Objetivos y metas

Desarrollar sistemas y métodos no destructivos experimentales para la generación, recepción, procesamiento y análisis de ondas ultrasónicas guiadas, enfocados hacia la determinación de espesores en tuberías sometidas a procesos corrosivos, así como la localización de defectos en tuberías y placas con el uso de tomografía de ondas guiadas para que puedan ser aplicados en la industria Mexicana.

Objetivos particulares

  • (a) Desarrollar sistemas experimentales y la instrumentación necesaria para la para generar ondas guiadas en tuberías usando zapatas, transductores electromagnéticos, transductores miniaturas, y técnicas de inmersión.
  • (b) Utilizar la teoría de propagación de ondas en placas como una aproximación para resolver ecuaciones para la determinación de curvas de dispersión velocidad de fase y de grupo.
  • (c) Analizar los resultados experimentales de la interacción onda ultrasónicamaterialesy hacer estimaciones de espesores a través de tomografía de ondas guiadas y localización de defectos a partir de estos resultados.
  • (d) Investigar y aplicar diferentes tecnologías de ultrasonido lineal para su aplicación en el monitoreo de la integridad estructural de componentes.
  • (e) Investigar y aplicar diferentes tecnologías de ultrasonido no-lineal para su aplicación en el monitoreo de la integridad estructural de componentes.
  • (f) Aplicar diferentes tecnologías electromagnéticas para su aplicación en el monitoreo de la integridad estructural de componentes.
  • (g) Aplicar y diseñar procedimientos de ensayos no destructivos para la caracterización de materiales que están sometidos a condiciones extremas.
  • (h) Consolidar la colaboración e interacción científica con laboratorios de instituciones extranjeras de profesores participantes en el proyecto.
  • (i) Con todo lo anterior, consolidar un grupo de investigación de pruebas no destructivas del Instituto de Investigaciones Metalúrgicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
  • (j) Desarrollar técnicas experimentales de inspección que utilice la tecnología más prometedora de acuerdo a los resultados experimentales de las diferentes técnicas para su uso in situ.

Metas técnicas

  • (a) Estudiar la interacción la sensibilidad de las ondas las ondas guiadas para detectar defectos en tuberías. Así como la habilidad de tecnología para detectar en tiempo real cambios en el espesor de tuberías sometidas diferentes procesos de erosión.
  • (b) Establecer conclusiones para seleccionar los métodos más apropiados para la generación y recepción de ondas guiadas en función de las condiciones de inspección.
  • (c) Desarrollar un prototipo para la generación de imágenes a partir de tomografía de ondas guiadas y realizar pruebas in situ.
  • (d) Determinar las características mecánicas (vida a la fatiga, resistencia mecánica,resitencia al creep, etc.) de las aleaciones a ser desarrolladas en la propuesta número 19 del CEMIE-Geo.
  • (e) Determinar mediante técnicas no destructivas las características mecánicas y los posibles daños termomecanicos inflingidos durante las pruebas mecanicas de las aleaciones a ser desarrolladas en la propuesta número 19 del CEMIE-Geo.

Metas de formación de doctores y maestros en ciencias

  • (a) Formación de un doctor en ciencias en co-asesoria con la Universidad de Cincinnati.
  • (b) Tener formados o en proceso de formación al menos tres estudiantes de maestría que recibirán apoyo económico de CONACYT e inscritos en el programa de Maestría en Metalurgia y Ciencia de Materiales.
  • (c) Desarrollo de tesis de cuatro pasantes de ingeniería.

Desarrollo de superaleaciones y aleaciones especiales base titanio para aplicaciones en turbinas para la generación de energía geotérmica

Número de proyecto

P19

Título de proyecto

Desarrollo de superaleaciones y aleaciones especiales base titanio para aplicaciones en turbinas para la generación de energía geotérmica

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Arnoldo Bedolla Jacuinde

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

University of Sheffield

Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo, UAEH

Antecedentes y justificación

Los precios actuales de los combustibles fósiles, la escasez de los mismos, así como los altos grados de contaminación producto de su combustión; han hecho que todos los gobiernos volteen sus ojos y dirijan sus esfuerzos a los proceso de producción de energías alternativas o limpias. Entre estas energías alternativas tenemos: la nuclear, la solar, la eólica, la hidráulica, la geotérmica, etc. En el estado actual de la tecnología, la energía nuclear resulta muy peligrosa; mientras que las otras, hasta ahora, son poco eficientes. En el caso particular de México, la naturaleza geográfica y actividad volcánica, nos permiten considerar la producción de energía geotérmica como una buena alternativa a la combustión de carbón.

La “Geotermia”, o calor de la tierra, puede ser aprovechado para generar energía eléctrica. En términos generales, el proceso consiste en aprovechar esa energía y calentar agua hasta convertirla en vapor y elevarlo a muy altas temperaturas (en ocasiones entre 500 y 600ºC). Ese vapor se inyecta en forma de chorro continuo altas temperaturas desde una caldera hasta la entrada de vapor de una turbina. Tal como se muestra en la Figura 1. La turbina consta de uno varios juegos de álabes diseñados y arreglados especialmente para que al contacto con el chorro de vapor, comiencen a girar y produzcan el mismo giro a un rotor. Una vez realizada su función de hacer girar las aspas, el vapor sale y es recirculado o bien condensado como agua líquida. El rotos presenta un bobinado, que al girar genera un campo electromagnético con otro bobinado exterior (estator), la diferencia de potencial así formada por los giros a gran velocidad producen la energía eléctrica.

 

Bajo este esquema, el calor de la tierra provee de una fuente eterna de energía térmica que puede ser convertida en energía eléctrica. Las ventajas de este proceso de producción de energía son: que produce muy poca emanación de gases, el bióxido de carbono que emite es muy bajo, no produce óxidos de nitrógeno y no necesita agua para enfriamiento. Por lo anterior, este proceso representa una muy buena opción para la producción de energía limpia; siempre y cuando se cuente con turbinas eficientes y de larga vida útil.

Una de las problemáticas comúnmente encontradas en el funcionamiento de este tipo de turbinas es la degradación o daño del material. Particularmente los álabes que están en contacto con el vapor, están sometidos a altas temperaturas y altas presiones que les ocasionan esfuerzos. Un metal sometido a altas temperaturas y altos esfuerzos corre el riesgo de deformarse (se deforma a velocidades muy lentas, imperceptibles a simple vista pero que al cabo de meses puede ser notoria). Si esto ocurre, obviamente el funcionamiento y eficiencia de la turbina bajan. Otra problemática que se puede presentar, es el deterioro superficial de los álabes por efectos de corrosión por el contacto constante con ambientes húmedos y a altas temperaturas. Un problema mas es el sometimiento de las piezas a ciclos constantes de calentamiento y enfriamiento que pueden causar fatiga térmica del metal.

Las únicas aleaciones que cumplen simultáneamente con las tres características señaladas anteriormente se llaman “Superaleaciones”.

Estado del arte

Es una aleación desarrollada para ser utilizada a altas temperaturas y bajo esfuerzos relativamente altos, generalmente se basa en elementos del grupo VIIIA, otra característica importante es que se requiere una alta estabilidad superficial.

Las superaleaciones se dividen en tres clases:

  1. Superaleaciones base níquel
  2. Superaleaciones base cobalto
  3. Superaleaciones base hierro

Además existe un subgrupo que presenta características similares a las aleaciones base níquel pero contienen cantidades relativamente altas; estas son llamadas superaleaciones hierro-níquel.

Las superaleaciones que han hecho posible el desarrollo de la tecnología a altas temperaturas, son aquellas que se han requerido en el desarrollo de turbinas de gas para motores de jets (Figura 2). Y esos motores, en turno, son la razón de existencia de las superaleaciones. Sin embargo, además de la industria aeroespacial y la marina, las superaleaciones encuentran aplicación en vehículos espaciales, motores de cohetes, reactores nucleares, submarinos, industria petroquímica, etc. Entre el 15 y 20% de las superaleaciones se ha desarrollado para ser utilizado en aplicaciones de resistencia a la corrosión.

Figura 2. Vista seccional de una turbine de gas modelo Rolls Royce RB 211.

La necesidad de avance de la industria aeroespacial ha forzado el desarrollo de motores y turbinas de propulsión de aeronaves, con el propósito de reducir tiempos. A su vez, el desarrollo de estas turbinas ha exigido avances en el diseño de las aleaciones que se utilizan, cada vez a mas altas temperaturas. El area tecnológica para el desarrollo de las superaleaciones está definida por las turbinas de gas: los discos, las aspas, la cámara de combustión y muchas otras partes estructurales.

El metal

Entre 1910 y 1915 la era de los aceros inoxidables austeníticos era descubierta y desarrollada. Lo importante de esto, es que el campo gama de los aceros inoxidables austeníticos se convirtió eventualmente en la fase fértil a partir de la cual se desarrollaron las superaleaciones.

En 1909, mediante pequeñas adiciones de titanio y aluminio al la entonces conocida aleación fcc níquel-cromo 80-20; se obtuvo una excelente resistencia al creep. Era el inicio del desarrollo de las superaleaciones. Para 1930, en Inglaterra, Estados Unidos, Alemania e Italia se logró con éxito la creación de aleaciones muy fuertes, basadas en la solución sólida austenítica de níquel conteniendo cromo (llamada g), en carburos y en una fase finamente precipitada. Sin embargo, aun 10 años después, la vital fase coherente fcc g´ no se había identificado visualmente.

En ese mismo tiempo se desarrolló de manera competitiva una aleación base cobalto austenítica endurecida por carburos, cuya ventaja era que se podía colar en formas mas complejas. El desarrollo paralelo en la tecnología de los motores de jets demandaba aleaciones austeníticas mas fuertes y mas fuertes ya que la potencia de los nuevos motores era relativamente ilimitada.

A partir de los años 40 y con la Segunda Guerra Mundial, la historia de las superaleaciones obtuvo un desarrollo muy notable en la invención de nuevas composiciones de aleaciones y de nuevos procesos. El motivo fundamental fueron los motores de jets, pero la industria energética y del transporte ya necesitaban turbinas para la generación de electricidad, el bombeo de lineas de gas; esas turbinas con frecuencia requerían superaleaciones con diferentes características.

El desarrollo de aleaciones explotó virtualmente en los 50´s y 60´s y el desarrollo de los procesos en los 70´s y los 80´s.

Desarrollo de la tecnología de las superaleaciones:

  • Composición química
  • Constitución de fases
  • Microestructura

Composición química

La composición química de las superaleaciones es la base fundamental de la constitución de dichas aleaciones y lo que en turno determina las propiedades de la materia sólido. Esta composición ha ido evolucionando desde el inicio del desarrollo de ellas. Antes de los años 30´s las aleaciones estaban basadas en niquel y hierro con cantidades pequeñas de cromo para resistencia a la corrosión. Entonces, la adición de pequeñas cantidades de Al, Ti y/o Nb produjeron la formación de un precipitado coherente que proporcinaba resistencia al creep. Las aleaciones típicas eran: Rex 78, K41B, Nimonic 75 y 80, y la Inconel X.

Para la decada de los 50´s, las aleaciones base hierro prácticamente desaparecieron para dar lugar a las aleaciones base níquel y cobalto ya que en ellas se estabilizaba mas fuertemente la fase fcc. La presencia de cromo siempre para dar rsistencia a la corrosión, sin embargo, se presento una reducción para bajar contenidos en la formación de colonias de carburos M23C6 que fragilizaban la aleación. La presencia de Al,Ti y Nb por supuesto siempre en uso para dar lugar a la formación de precipitados que ayudan a mejorar la resistencia al creep. Para los 40´s, la adición de Mo mostró un significante incremento en la resistencia por efectos de solución sólida y formación de carburos. Después otros elementos como W, Nb, Ta y Re fueron utilizados con el mismo propósito (Figura 3).

Figura 3. Tendencia de la composición de las superaleaciones con el tiempo.


Figura 4. Constitución de las fases en las superaleciones.

La figura 4 muestra las fases físicas significantes que han creado un endurecimiento considerable. Algunas de esas fases son detrimentes. Todas esas fases son interactivas unas con otras y por supuesto con la matriz. La matriz siempre consiste de austenita fcc. La austenita evoluciona desde una pequeña region en el sistema Fe-Cr y se expande con níquel o cobalto; entonces las superaleaciones son hijas de los aceros inoxidables. El endurecimiento por solución sólida de la matriz es el que mas contribuye a su mejaora en capacidad mecanica. La fase que mayor endurecimiento generaba eran carburos hasta 1930, cunado fue creada en la austenita la fase coherente gamma cúbica primaria (g´ o Ni3Al). Un endurecimiento inusual en esta fase ya que es de composición muy similar a la de la matriz, puede ser ampliamente aleada, su resistencia la cedencia aumenta con la temperatura y presenta muy buena resistencia a la oxidación.

Posteriormente apareció la fase g´´; miesntras que g´ es caracterizada por una estructura fcc, g´´ presenta una bct.

También se ha tenido la presencia de las fases o compuestos indeseables tales como mu, sigma, y Laves. El reto del metalurgista es evitar esas fases.

Microestructura

Como la coposición química establece las fases, las fases en turno crean la microestructura. Los primeros metalurgistas de superaleaciones no detectaron las pequeñas partículas coherentes prescipitadas de g´ que hacian a las superaleaciones muy resistentes. Fue hasta la epoca de los 50´s con el uso del microscopio electrónico que se empezó a entender la complejidad de la estructura de manera visual en relación con las fases y su comportamiento. Sobre todo, la interacción entre dislocaciones y el sistema de aleación g/g´.

Figura 5. Evolución de la microestructura de las superaleaciones base níquel.

La figura 5 muestra la evolución de las superaleaciones base niquel desde los años 40´s. Es claramente observado un constante refinamiento de la estructura en los ultimos dos tercios de ese periodo de tiempo, generando asi una mayor resistencia. La parte de abajo de la foto muestra las fases indeseables, que han causado fragilidad y creado problemas en las superaleaciones; mientras que la parte superior, en los ultimos dos tercios, se muestran las fases que retienen la ductilidad util.

Desde los 30´s hasta los 50´s las aleaciones fueron llenadas con mas estructura para hacerlas mas resistentes. En los 50´s el empaquetamiento con elementos endurecedores aceleró el endurecimiento, pero también provocó problemas por la creación de fases fragilizadoras como sigma y Laves. Tambien en esa época se observaron complejos límites de grano con carburos englobados en la fase g´, creando capas de enlace entre granos endurecidas por dispersión.

Para los 70´s, se había descubierto el efecto del hafnio y al estructura g´englobando carburos era menos escencial. El hafnio contorna los límites de grano para crear una resistencia y ductilidad de una manera puramente mecánica así como la generación de g´ adicional.

Los procesos de solidificación direccional en los 80´s crearon estructuras de granos alineados, límites de grano alineados e incluso particulas como filamentos alineados. Estructuras de uni-cristales homogeneos, etc.

Propiedades físicas

La primera característica es la estructura de empaquetamiento compacto fcc. Es el mejor arreglo atómico que provee resistencia a altas fracciones del punto de fusión. La densidad es de alrededor de 8.3 gr/cm3 dependiendo del elemento base.

El bajo coeficiente de expansión térmica de las aleaciones base níquel y base cobalto (comparados con el del hierro), tiene muchas ventajas para componentes de muy baja tolerancia y máxima eficiencia.

La alta conductividad térmica ayuda en el enfriamiento de las partes mas calientes de la turbina.

Propiedades mecánicas

La principal razón de la existencia de las superaleaciones es la necesaria resistencia en un rango de temperaturas que exigen los componentes de turbinas de gas. Su estructura compacta fcc tiene la capacidad de mantener una adecuada resistencia tensil, resistencia a la ruptura, al creep, y a la fatiga termomecánica a temperaturas relativamente altas. La amplia solubilidad de elementos en esta estructura y sus características fisicoquímicas que permiten la preciptación de compuestos intermetálicos para generar endurecimiento.

Figura 6. Comparación entre algunas aleaciones con respecto a su resistencia a la oxidación y su resistencia mecánica.

La figura 6 muestra que algunas aleaciones de metales refractarios como el W pueden presentar mayor resistencia mecánica a mas altas temperaturas, pero su resistencia a la oxidación es pobre, mientras que aleaciones de platino son muy reistentes a la oxidación pero su resistencia mecánica es solo considerable a bajas temperaturas. Son las superaleaciones las que nos presentan las mejores combinaciones de estas dos propiedades que son fundamentales en el uso de las partes de turbinas.

Requerimientos de una superaleación

  • Estabilidad superficial
    • Resistencia a la oxidación
    • Resistencia a la corrosión en caliente
  • Resistencia mecánica a elevada temperatura
    • Resistencia a la tensión
    • Resistencia al creep
    • Resistencia a la fatiga

Superaleaciones base níquel. Una superaleación es una aleación metálica que puede ser utilizada a altas temperaturas, con frecuencia arriba del 0.7 su punto de fusión. Los principales requerimientos son resistencia al creep (fluencia) y resistencia a la oxidación, como criterios de diseño. Las superaleaciones pueden ser base hierro, cobalto o níquel. Estas últimas han sido las mas apropiadas para aplicaciones en turbinas de aeronaves, por lo que resultan ser las mas atractivas y con mayor futuro.

Los solutos escenciales en las superaleaciones base níquel, son aluminio y/o titanio, en concentraciones usualmente menores al 10% atómico. Esto genera una microestructura de equilibrio de dos fases, que son gamma (γ) y gamma prima (γ´). Esta ultima fase es la responsable de la resistencia a alta temperatura y su gran resistencia a la fluencia. La cantidad de esta fase depende de la composición química y la temperatura.

Para una composición específica, la fracción de γ´ disminuye a medida que la temperatura aumenta. Este fenómeno es utilizado para disolver esta fase a una alta temperatura y posteriormente precipitarla a temperaturas mas bajas en forma de finas partículas dispersas, generando un endurecimiento por envejecido.

La fase gamma es una solución sólida FCC con una distribución aleatoria de las especies atómicas que participan. En contrastye, la fase gamma prima en una fase cúbica primitiva con los átomos de níquel en el centro de las caras y los átomos de aluminio o titanio en las esquinas. Este arreglo atómico tiene la estequiometría Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(Ti,Al).

Cristal de la estructura de γ


Cristal de la estructura γ´

En adición al alumino y el titanio, el niobio, el hafnio y el tantalo particionas preferentemente a la fase gamma prima.

La fase gamma es la matriz en la cual precipita la fase gamma prima, como ambas son cúbicas y con parámetros de red similares, la fase gamma prima precipita con una relación de orientación cubo-cubo con la fase gamma. Las fases son coherentes cuando el precipitado es pequeño. Las dislocaciones deslizándose por la fase gamma encuentran difícil penerar las partículas de gamma prima porque es una fase atómicamente ordenada, ese orden interfiere en el movimiento de las dislocaciones y endurece las aleaciones. Con esta hipótesis, es posible desarrollar aleaciones mas resistentes mediante la estrategia de fortalecer y adecuadamente precipitar la fase gamma prima mediante variaciones químicas.

(a)


(b)

Fotomicrogtrafias de microscopía electrónica de transmisión. (a) partícluas cuboidales de la fase gamma prima en la matriz gamma. (b) partícluas esferoidales de la fase gamma prima en la matriz gamma.

El desarrollo de este tipo de microestructuras es lo que genera la resistencia mecánica a altas temperaturas de las superaleaciones y particularmente las aleaciones base níquel.

Objetivos y metas

El objetivo general del proyecto es fortalecer las capacidades tanto físicas como humanas del laboratorio de fundición del IIM-UMSNH y de su personal, al adquirir el equipo necesario para fabricar Superaleaciones y Aleaciones  Especiales Base Titanio por procesos de fundición con composiciones químicas estrictamente controladas. Esto se puede lograr mediante la adquisición de un horno de inducción al vacío y un espectrómetro. Como meta general se espera que al final del proyecto, se tenga un laboratorio funcional, procesos de producción de aleaciones bien desarrollados, y estar en condiciones de ofrecer servicio industrial en la fabricación de partes, a empresas consumidoras de este tipo de aleaciones.

Objetivos específicos

  • Formación de recursos humanos especializados en procesos de fabricación de Superaleaciones y Aleaciones especiales base titanio.
  • Fortalecimiento del laboratorio de fundición ya existente, mediante la adquisición de un horno de inducción al vacío y un espectrómetro.
  • Desarrollo de la metodología de procesos de fundición y solidificación mediante el uso de software MAGMA y PRO_CAST.
  • Desarrollo de los tratamientos térmicos mas adecuados para cada aleación en función de su composición química.
  • Establecimiento de técnicas de solidificación direccional a velocidad controlada para la generación de estructuras texturizadas en álabes de turbinas.
  • Generar información básica y ciencia aplicada en el campo de las superaleaciones, principalmente base níquel; así como en aleaciones base titanio.

Generación geotérmica de potencia usando CO2 capturado en plantas de potencia de combustible fósil

Número de proyecto

P21

Título de proyecto

Generación geotérmica de potencia usando CO2 capturado en plantas de potencia de combustible fósil

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Carlos Rubio Maya

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Energy Research Center, Lehigh University, LUERC

Antecedentes y justificación

Se ha reportado por la Comisión Federal de Electricidad (CFE), que la economía Mexicana requerirá 45,000 MWe adicionales a su capacidad de generación en los próximos 15 años [1]. Se espera que esta meta sea cubierta mediante una combinación de tecnologías basadas en combustibles fósiles, así como renovables. Una de las fuentes renovables de mayor potencial en México es la energía geotérmica. La Asociación Geotérmica Internacional (IGA, por sus siglas en inglés) ha reportado que México tiene un potencial estimado de unos 8,000 MWe, el segundo lugar mundial después de Indonesia, y tiene una capacidad instalada al 2010 de 958 MWe (cuarta posición mundial) [2]. Esto representa aproximadamente 2% del total de la generación nacional. México tiene un total de ocho plantas geotermoeléctricas, ya instaladas o en fase de construcción, de las cuales cuatro se localizan en el estado de Michoacán. Adicionalmente, se han identificado más de 800 sitios con recurso geotérmico, concentrándose una gran parte en Michoacán con yacimientos de media y baja entalpia [3].

La expansión de la capacidad de generación del sistema eléctrico Mexicano tendrá que balancearse con el impacto ambiental asociado a dicha expansión. Respecto a las emisiones de dióxido de carbono (CO2), uno de los gases de efecto invernadero al que se le atribuye el calentamiento global, México libera a la atmosfera aproximadamente 709 millones de toneladas de CO2 anualmente, con un 30% correspondiente al sector eléctrico [4]. Cumplir con la demanda eléctrica pronosticada, representaría un incremento de emisiones de CO2 del 230%. Por tanto, el uso de tecnologías denominadas verdes, tales como la eólica, la biomasa, la hidráulica y la geotérmica, es una necesidad para aliviar el impacto ambiental del incremento en la capacidad de generación. El gobierno Mexicano ha fijado metas para abatir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 30% al 2020 y en un 50% al 2050. Esto implica que el 35% de la energía requerida provenga de fuentes renovables, y que sea necesario consolidar un mercado de emisiones de CO2. La combinación de las necesidades del incremento de la capacidad de generación eléctrica, la reducción de las emisiones de CO2, junto con el gran potencial de generación por medio de la energía geotérmica, representa una gran oportunidad para desarrollar la capacidad de generación de electricidad geotérmica utilizando tecnologías avanzadas basadas en CO2.

En las plantas geotermoeléctricas, las turbinas han sido tradicionalmente accionadas por medio del vapor generado por la energía térmica de los yacimientos. Para algunas aplicaciones, el uso del CO2 como fluido de trabajo dentro de la planta geotérmica podría proporcionan una opción más atractiva y rentable que el vapor. Por otro lado, se espera que las tecnologías de captura de CO2 sean disponibles comercialmente en las próximas décadas, y que el CO2 relativamente puro proveniente de las grandes plantas de combustibles fósiles o de instalaciones industriales esté disponible en grandes cantidades. Estas instalaciones industriales podrías ser plantas de proceso y plantas cementeras. Así, en lugar de únicamente capturar el CO2 dentro de un acuífero salino o usarlo para la mejorar de la recuperación de petróleo o gas, el CO2 capturado podría inyectarse en un depósito geotérmico para utilizar la energía térmica y posteriormente generar potencia eléctrica adicional o mejorar el proceso de captura de la planta de potencia convencional o de la instalación industrial. El CO2 posee un conjunto de propiedades físicas que lo hacen una mejor opción al agua como fluido de trabajo en las plantas de potencia geotérmicas.

El concepto de usar el CO2 como fluido de trabajo para recuperar el calor de los yacimientos geotérmicos ha sido el tema de investigaciones recientes. Este concepto se basa en reemplazar el agua con dióxido de carbono supercrítico. El CO2, a pesar de tener una capacidad térmica menor que la del agua, bajo condiciones típicas geotérmicas, tendría un 40% menor densidad y viscosidad. Con estas propiedades, el CO2 permitiría un flujo másico mayor a través de los yacimientos geotérmicos y, adicionalmente, una fuerza de flotación mayor [6]. Este concepto fue propuesto primeramente como una forma de mejorar los sistemas de bombeo de agua a grandes profundidades, en fracturas de roca caliente. En el año 2002 y posteriormente en el 2006, el Laboratorio Nacional de los Alamos introdujo el concepto de reemplazar el agua con CO2 en condiciones supercríticas para el secuestro del carbono y para la extracción del calor geológico [7]. Recientemente, el Grupo de Investigaciones en Geofluidos de la Universidad de Minnesota, y por separado, GreenFire Energy (desarrollador geotérmico con base en Salt Lake City), han implementado una serie de actividades de investigación para entender el comportamiento físico de las interacciones del CO2 en yacimientos localizados en el subsuelo, establecer los beneficios del concepto e identificar posibles problemas.

Justificación

Este proyecto es el resultado de las necesidades que tiene México para expandir su capacidad base de generación, reducir las emisiones antropogénicas de CO2, y utilizar el gran potencial de los recursos geotérmicos que tiene el país. La justificación del proyecto se basa en que el CO2 en condiciones supercríticas se ha sugerido como un mejor fluido de trabajo para la extracción de la energía geotérmica para la generación directa de electricidad, en comparación con el agua o la salmuera. Se ha sugerido que los sistemas geotérmicos basados en CO2 pueden operar a 1.5 veces la eficiencia de producción de electricidad comparados con los sistemas convencionales basados en agua. Se espera que el CO2 esté disponible de la mayoría de los sistemas de captura de CO2 instalados en las plantas eléctricas de combustibles fósiles y de las grandes plantas industriales. La disponibilidad del CO2 y sus propiedades físicas harán posible aprovechar el calor de los yacimientos geotérmicos, principalmente aquellos conocidos como de roca seca. Esto abrirá una brecha hacia la exploración y utilización del potencial energético de un mayor número de sitios geotérmicos de México. Adicionalmente, las propiedades de transporte y solubilidad del CO2 podrían ayudar a reducir los problemas de contaminación, formación de depósitos, y degradación de los equipos de potencia que se encuentran en las plantas geotermoeléctricas. En resumen, un sistema geotérmico de generación de potencia proporcionará una ruta alternativa a la captura del CO2 de las plantas convencionales de generación que utilizan recursos fósiles, utilizando los recursos geotérmicos de mediana y baja entalpía, reduciendo los costos de inversión y operación de los sistemas de generación de potencia geotérmicos.

Adicionalmente, esta propuesta presenta el proyecto para desarrollar el “know how” de aplicar el concepto basado en CO2 en las formaciones geológicas de México, y como valor añadido, desarrollar tecnología novedosa para poder acoplar la extracción del calor geotérmico con la tecnología de CSC y con plantas binarias de generación eléctrica. Dicho acoplamiento no ha sido estudiado, ni demostrado o desarrollado a una tecnología comercial.

Objetivos y metas

Este proyecto se enfocará en determinar el costo-beneficio relativo y las configuraciones optimas de varias opciones de generación de potencia geotérmica, incluyendo la opción de usar el calor geotérmico para regenerar el solvente en un sistema de captura de carbono en post-combustión. Adicionalmente, en este proyecto se diseñara y estimará el costo de una planta piloto BORC para construirse y ensamblarse en una fase subsecuente del proyecto para experimentación en las instalaciones de la UMSNH.

Los objetivos específicos de la primera fase del proyecto son:

  • Llevar a cabo la identificación y caracterización de los yacimientos geotérmicos en México, adecuados para calentar el CO2, y el modelado del acoplamiento del CO2 con las formaciones geológicas.
  • Llevar a cabo el modelado computacional de diferentes escenarios de una planta de potencia de combustible fósil con captura de CO2, y recuperación de calor con vapor y CO2.
  • Implementar análisis de ventajas/desventajas, estimaciones de costos y optimización de diferentes sistemas geotérmicos basados en CO2, en combinación con plantas de potencia de combustibles fósiles con captura de CO2.
  • Diseñar y desarrollar, incluida la estimación de costos, una planta piloto experimental BORC basada en CO2 para futura instalación en la UMSNH.

Número de proyecto

P24

Título de proyecto

Exploración sísmica pasiva y magnetotelúrica en los campos geotérmicos de Volcán Ceboruco y La Caldera de la Primavera

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollo e innovación de técnicas de exploración

Responsable de proyecto

Francisco Javier Núñez Cornú

Institución

Centro de Sismología y Volcanología de Occidente, Universidad de Guadalajara, UDG

Instituciones y/o empresas asociadas

Instituto de Geofísica, Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM

Goethe Universitat Frankfurt am Main, Alemania

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, CICESE

Universidad de Granada, España

Universidad de Lisboa, Portugal