Metodología de pronóstico de la vida útil por creep en los tubos de calderas de la Central Termoeléctrica de Cienfuegos *

Transcripción

1 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 Metodología de ronóstico de la vida útil or cree en los tubos de calderas de la Central Termoeléctrica de Cienfuegos * Mayren Rivero Castellanos Carrera: Ingeniería Mecánica. Universidad de Cienfuegos Carlos Rafael Rodríguez (Cuba). Resumen: En el trabajo se describe la metodología de ronóstico de la vida útil or cree, establecida or la Norma ISO/TR , utilizada en el trabajo. Se realiza una revisión bibliográfica acerca de los criterios y exresiones emleadas or diferentes autores e instituciones al calcular las tensiones en la determinación de la vida útil or cree ara el caso de los tubos de los generadores de vaor. e la misma se concluye la necesidad de utilizar la exresión exacta de los tubos de aredes gruesas del Problema de Lamé y la de incororar en el cálculo la diferencia de temeratura entre el borde interior y exterior de la ared de los tubos. Los resultados se alicaron ara los tubos de los generadores de vaor de la Metodología de ronóstico de la vida útil or cree en los tubos de calderas de la Central Termoeléctrica de Cienfuegos. Palabras clave: Central Termoeléctrica de Cienfuegos; tubos de caldera; avería. 1

2 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 Metodology for etermining te useful cree life of boiler tubes at te Cienfuegos Power Station Abstrac: Te work describes te metodology to determine te useful cree life as establised by ISO Standard TR used in tis investigation. A bibliograical investigation of different criteria and exressions from different autors and institutions was carried in order to calculate stresses to determine te useful cree life of steam generator tubes. Te investigation results indicated te need to use te same exression for tick wall tubes from Lame s roblem and tat of adding to te calculations te temerature difference between te inside and te outside of tube wall edges. Tis was alied for te steam generator tubes by imlementing te useful cree life rediction metods for te boiler tubes oerating at te Power Station in Cienfuegos wit satisfactory results. Key words: Cienfuegos Power Station, boiler tubes, failure. Introducción Las averías o fallas en los tubos de las aredes de agua (antallas) del orno y de los sobrecalentadores de la Central termoeléctrica (CTE) Carlos Manuel de Césedes, aarecen reortadas desde el año 1980, casi desde el arranque de las unidades CMC 3 y CMC. Las fallas que se resentan ueden estar originadas or distintas causas: 1. Cree.. Cree en resencia del adelgazamiento de fabricación en la ared, (en los codos fundamentalmente). 3. Cree en resencia del adelgazamiento de la ared en resencia del fenómeno erosión corrosión. 5. Colasación lástica, ero en todos los casos al final resulta obligatorio detectar y rearar los tubos que resentan las averías. La solución de estas fallas, cuando a sido factible, se a ejecutado durante el eríodo de las aradas ara los mantenimientos rogramados, sin embargo, en mucas ocasiones a sido necesario arar las unidades con el roósito rincial de solucionar las averías de los tubos. El rocedimiento ara restablecer las cualidades de exlotación de los tubos con averías consiste en cortar la longitud del tramo donde están localizados los onces y soldar un trozo de tubo en sustitución del tramo de tubo que a sido eliminado. 15

3 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 La consecuencia directa e inmediata, cuando existen tubos oncados en las antallas, es el aumento rogresivo de la cantidad de agua de reosición que se alimenta a las calderas, lo cual se exlica orque dicas fallas en los tubos roducen salideros o escae de agua que no termina el roceso de formación de vaor. Por lo tanto, las averías rovocan érdidas or indisonibilidad y otras érdidas asociadas con la rearación de las averías en cuestión. La situación de las fallas en los tubos de los ornos CMC 3 y CMC está resente también en casi la totalidad de las Centrales Termoeléctricas de Cuba, manifestándose de manera similar. Por otro lado, una gran cantidad de investigadores de todo el mundo se están ocuando del estudio de la vida útil en los tubos de las centrales termoeléctricas con el fin de minimizar las averías y reducir los gastos que oy se mantienen en el ámbito mundial. Los estudios encaminados acia la extensión de la vida útil de las centrales termoeléctricas se fundamentan en que: Hay un aumento significativo del costo de las nuevas Centrales Termoeléctricas, ara idénticas caacidades generadoras. El emeoramiento de las roiedades de los combustibles afecta directamente la longevidad de los distintos comonentes de los bloques electroenergéticos. Los esecialistas de la CTE encargados de la rearación y mantenimiento de los bloques CMC 3 y CMC siemre que ocurre una avería realizan una valoración de las osibles causas que rovocan la falla, con criterios técnicos bien fundamentados. Sin embargo, en estos 30 años ( ) en que vienen ocurriendo las fallas en los tubos mencionados no se a logrado establecer y alicar una metodología, que tomando en cuenta los arámetros geométricos, material, temeraturas, etc., ermita establecer un ronóstico de vida de los tubos ara cada una de las averías, que conduzca al esclarecimiento de las verdaderas causas de las fallas y, or consiguiente, a la alicación de las medidas correctivas necesarias. Lo antes exuesto constituye el roblema científico a abordar en el resente trabajo, en el cual se limitará el alcance al análisis de la falla or Cree (fluencia lenta a elevadas temeraturas y tensiones constantes en la ared). En el resente trabajo, como contribución a la solución del roblema científico lanteado se rousieron los siguientes objetivos esecíficos: 16

4 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año Profundizar en la literatura disonible en lo referente a las exresiones de cálculo de las tensiones en la ared de los tubos y de los arámetros que se consideran en el cálculo.. esarrollar y/o erfeccionar las metodologías ara la determinación del tiemo de vida útil or cree de los tubos en servicio. 3. Alicar la metodología rouesta al ronóstico de vida útil de los tubos de las calderas de la CTE Carlos Manuel de Césedes. Metodología de Pronóstico de la Vida Útil or Cree de acuerdo con la Norma ISO/TR El Parámetro de Larson Miller P ( ), es una correlación entre la tensión de trabajo (MPa), la temeratura de trabajo ( 0 K) y el tiemo de rotura or cree (t r ). Este arámetro es obtenido emíricamente a través de ensayos de rotura or cree y a su vez los resultados están reflejados en la norma internacional ISO/TR ara diferentes aceros emleados en la construcción mecánica. El mismo funciona como una erramienta ara la redicción de la vida útil de comonentes industriales que oeran a elevadas temeraturas (7 0 C y sueriores), que es el rango de temeraturas ara el cual se manifiesta el fenómeno del cree. La fórmula tíica general de P ( ) es: P T( C log t ) (1) ( ) r onde: P ( ) - Parámetro de Larson Miller, T - Temeratura de trabajo, t r tiemo de rotura or Cree, C - constante que deende de cada material. En la Figura 1 se muestra la avería tíica de un tubo de caldera or el fenómeno de cree. Figura 1. Falla or cree de un tubo de caldera. El material de los tubos de la CTE Carlos M. de Césedes es un acero de resistencia media que se corresonde con el acero AISI (American Iron and Steel Institute) y SAE (Society of Automotive Engineers): 10 A1, cuya comosición química es: 17

5 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 Tabla 1. Comosición química del acero de los tubos de la CTE Carlos M. de Césedes C Mn P S Si 0,7 0,93 0,08 0,058 0,10 (Mínimo) La exresión de cálculo esecífica ara dico material, según la Norma ISO/TR es: logt 10, T 50 ( ) a b ( log ) c ( log ) d ( log ) 3 e ( log ) P () onde: a, b, c, d y e son constantes del ajuste de la curva (Tabla ) Tabla. Constantes de la ecuación de correlación a b c d e Conociendo el valor de la tensión se uede calcular el valor de P ( ) artiendo del lado dereco de la ecuación y teniendo entonces la temeratura de trabajo T ( 0 K) del material, se uede desejar del lado izquierdo de la misma, el tiemo de rotura en el cual dico material a esa tensión y a esa temeratura se deformará lásticamente or el fenómeno de cree, alcanzando la deformación de rotura, y ésta será la vida útil or cree ara esas condiciones de trabajo. Análisis de las exresiones emleadas or diferentes autores e instituciones al calcular las tensiones en la determinación de la vida útil or Cree en el caso de los tubos de los Generadores de Vaor Uno de los asectos en los cuales existe una gran diversidad de criterios entre las distintas instituciones y autores que investigan este tio de avería es en lo referente a la exresión emleada ara el cálculo de las tensiones en la ared de los tubos. 18

6 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año Estado tensional de la ared del tubo Como se uede areciar en el eígrafe anterior en la estimación de la vida útil or cree, según la Norma ISO/TR , desemeña un ael imortante el valor de la tensión de trabajo. A continuación se realizará un análisis de las exresiones utilizadas en la literatura técnica ara calcular la tensión en los tubos sometidos a resión interior y calentamiento exterior: Considerando el tubo como una Bóveda de Paredes elgadas El estado tensional que existe en la ared de los tubos es un estado tensional triaxial en el cual las tensiones rinciales son: t 1 ; m ; r 3 (3) La tensión equivalente en la ared se uede obtener considerando el estado tensional triaxial: 0 3 o Plano: 0 3. Esta última consideración es osible asumirla dado el eco de que la resión que soortan las bóvedas es relativamente equeña, or su condición de oseer la ared delgada (Feodosiev, 1985). Esta consideración es alicada cuando la relación / 0, (Jusmatulin, 1990). Para obtenerla se utilizará la Cuarta Hiótesis de Resistencia o de la Energía Potencial Unitaria de eformación de la istorsión (Feodosiev, 1985; Hiótesis de Huber-Mises-Henke). Bóveda Estado Tensional Triaxial (ETT) eq () ( ) ( ) ( ) eq (5) eq 1 3 (6)

7 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 0 Bóveda Estado Tensional Plano (ETP) e la ecuación ara 0 3 se tiene que: eq (7) e donde: eq 3 (8) Considerando el tubo como un cilindro de ared gruesa alicando las Ecuaciones del Problema de Lamé Es necesario aclarar que esta es la solución exacta ara cualquier relación de /, solo que en el caso de las relaciones grandes el roblema se uede simlificar utilizando la Teoría Membranal (Feodosiev, 1985; Ecuación de Lalace). En este caso del estado tensional, considerando: R e y Ri Ri Ri t Re Re 1 (9) ( ) Ri Ri m Re (10) r 3 (11) Sustituyendo en la ecuación ( ) [ ] ( ) ( ) ( ) ( ) 8 eq (1)

8 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 Se obtiene que: 1 3 ( ) 3 H eq (13) H H Metodología rouesta or la Universidad de New Sout Wales en Australia (UNSW) En la literatura se utilizan otras ecuaciones ara el cálculo de las tensiones de los tubos con vista a su utilización en lo que se refiere al ronóstico de vida útil. Así, or ejemlo, Zarrabi (1993) en la metodología rouesta or la Universidad de New Sout Wales en Australia (UNSW), ara la estimación de la vida de los tubos de calderas en resencia del fenómeno erosión corrosión roone la siguiente ecuación: 3 K (1) [ ] onde: K es una constante que deende la forma en que la ared del tubo es adelgazada or el fenómeno erosión-corrosión. Si el adelgazamiento de la ared del tubo es uniforme se roone en (Zarrabi, 1993), K1. Si el adelgazamiento se roduce de forma de icaduras locales aisladas K>1. Kitcin y Zarrabi (1981 y 198) an obtenido valores de K ara icaduras locales aisladas en forma rectangular. Metodología rouesta or el Buró Central de Generación Eléctrica (Central Electric Generating Board) de Canadá (CEGB) En un reorte de Ontario Hidro (OH) en Toronto, Canadá (Rogers et al., 198) se dan otras metodologías ara la estimación de la vida útil en resencia del fenómeno de erosión-corrosión en las cuales se utilizan otras exresiones de cálculo de las tensiones. Así, or ejemlo: en la metodología rouesta or el Buró Central de Generación Eléctrica de Canadá (CEGB) (Rogers et. al. 198) se roone calcular las tensiones or exresión de la tensión circunferencial ( t ) en las bóvedas multilicadas or un factor de seguridad de 1,5 o sea: t 1,5 (15) 1

9 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 Metodología rouesta or la Central de Servicios Técnicos del Reino Unido (Central Tecnical Services, CTS) En la metodología rouesta or la Central de Servicios Técnicos del Reino Unido (Central Tecnical Services, CTS) (Rogers et al., 198) se roone simlemente calcular la tensión ara la exresión de la tensión circunferencial: t (16) Comaración entre las diferentes exresiones ara el cálculo de las tensiones En la Figura se muestran graficados los valores de en función de la relación / ara las diferentes exresiones analizadas anteriormente, en el rango en que / varía en la ráctica, o sea, 0 < / 0. Las gráficas an sido obtenidas ara una resión de 1 MPa. Como se arecia, la exresión de Lamé ara el cálculo de tensiones de cueros cilíndricos con resión interior (exresión exacta según la Teoría de la Elasticidad) roorciona valores de la tensión que se encuentran or encima de las restantes exresiones en todo el rango, con exceción de la exresión utilizada or el Buró Central de Generación Eléctrica de Canadá (CEGB) que utiliza la ecuación de las bóvedas ara aredes delgadas (Ecuación de Lalace) aumentada en un 5 %. e esta comaración queda claro que la ecuación de Lamé ofrece una exactitud adecuada en el cálculo de y or lo tanto roveerá una estimación más racional de la vida útil del elemento. Queda claro también que el coeficiente de 1,5 emleado or CEGB es excesivo sobre todo cuando la relación / 5, lo que rovocará que la vida útil estimada or esta metodología sea inferior a la real. e todo esto se concluye que en los análisis que serán realizados en el resente trabajo, se utilizará la Ecuación de Lamé ara el cálculo de las tensiones.

10 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 Figura. Comaración entre las diferentes exresiones ara el cálculo de las tensiones. Influencia de la diferencia de temeratura entre la suerficie interior y exterior de la ared de los tubos en la magnitud de las tensiones En las metodologías descritas en la literatura ara la estimación de la vida útil or cree y otros tios de falla en tubos no se toma en cuenta la influencia de la diferencia de la temeratura t entre la suerficie interior y exterior de la ared en la magnitud de las tensiones. Según Jusmatulin (1990), ara el cálculo de la tensión en la ared (ya sea de reciientes o de tubos), tomando en cuenta la diferencia de temeratura t entre la suerficie interior y exterior de la ared del comonente en cuestión, ara calentamiento exterior, se tiene que: t i < t t < 0 e onde: t i temeratura interior y t e temeratura exterior. ( ε 1) eq 3 3 m t ( m1 t) (17) ε onde: E α a1 ε m a y ε (18) 1 µ ε 1 ( ε 1) ln ε 1 3

11 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 - resión interior en el tubo, E- Módulo de Elasticidad del material del tubo, α - coeficiente de dilatación térmica del material del tubo, µ - coeficiente de Poisson del material del tubo, - diámetro medio del tubo, - esesor de la ared del tubo. Se ace necesario destacar que incororar la diferencia de temeratura t en las exresiones de cálculo de las tensiones juega un ael imortante en el valor de las tensiones calculadas en comaración con el valor cuando no se considera la misma. Por otra arte, ay que agregar que es muy imortante disoner de datos de las roiedades físicas y mecánicas, tales como: E, α y µ en función de la temeratura de trabajo ara el material en cuestión (Birger, 1975). Este sistema de ecuaciones, incluyendo las ecuaciones que caracterizan las roiedades físicas y mecánicas del acero con la temeratura, se montó en el software EXCEL y de la Ecuación del Parámetro Larson Miller se deseja la vida útil. Los cálculos Se realizarán ara tres valores de diferencia de temeratura entre el borde interior y el exterior de la ared t: 0, - y 8 0 C. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 3 ara diferentes valores de T ( 0 K) y t ( 0 C). Como se arecia en las gráficas mostradas, la temeratura de trabajo tiene una notable influencia en la vida útil or fractura bajo Cree. Así, or ejemlo, si la temeratura de la ared del tubo es de K (377 0 C) la vida útil or fractura bajo Cree es casi de 7 millones de oras. Sin embargo, ara una temeratura de 75 0 K (5 0 C) la vida útil se reduce a menos de oras. Esto ara t 0 0 C. Figura 3. Pronóstico de vida útil ara diferentes valores de t y T. Si la diferencia de temeratura entre la suerficie interior y exterior de los tubos se incrementa solo a t - 0 C las vidas útiles mencionadas se reducen a 6,5 millones y oras aroximadamente. e todo esto se desrende, en rimer lugar, la

12 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 necesidad de determinar con exactitud la temeratura de trabajo de la ared y se confirma la necesidad de recisar la diferencia de temeratura t. Conclusiones Se realizó un estudio detallado de las metodologías establecidas en las Normas Técnicas y sobre las investigaciones que se realizan ara ronosticar la vida de servicio de los tubos de calderas y se erfeccionaron algunos asectos involucrados en ellas que se detallarán a continuación: a. A través de los años se a establecido la costumbre de utilizar la Ecuación de Lalace, basada en la Teoría Membranal, ara el cálculo de tensiones en tuberías y reciientes, asecto este que simlifica notablemente los cálculos y que está validado or la totalidad de las Normas Internacionales relacionadas. Esto a roiciado que en los últimos años, aun con el desarrollo de la Mecánica de la Fractura y la introducción en la industria de las Metodologías de Pronóstico de Vida ara los diferentes tios de averías, cuando se acen cálculos de tensiones que inciden en la vida útil del comonente se continúa utilizando esta ecuación, sin restarle atención al eco de que la misma es sólo una aroximación y que no resulta adecuada ara el ronóstico de vida útil, donde las tensiones deben ser calculadas con exactitud. Algunas metodologías an usado con este fin modificaciones en la ecuación de Lalace o an introducido coeficientes de corrección ara resolver este roblema. b. En el resente trabajo se demuestra que la ecuación de Lamé (ecuación exacta ara el cálculo de las tensiones en cueros de configuración cilíndricas) es la adecuada ara el cálculo de las tensiones en el ronóstico de vida útil. Para relaciones de / <,5 las tensiones calculadas or esta ecuación dan mayores que las calculadas or todas las restantes ecuaciones utilizadas en las diferentes metodologías (incluso asta 50 % mayor) y dan valores mayores que la ecuación de Lalace ara relaciones de / < 0, rango este en el cual se mueve la inmensa mayoría de los reciientes a resión, tuberías y en articular tubos de calderas. c. Otra insuficiencia detectada en las metodologías existentes, e incluso en las Normas Técnicas y que limita la exactitud de los ronósticos de vida útil, es que no se toma en cuenta en el cálculo de las tensiones de los tubos de calderas la diferencia de temeratura que existe entre las suerficies exterior e interior de los 5

13 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 tubos or efecto de calentamiento externo, lo que imlica diferencia en las tensiones que ueden llegar asta un 10 %. En los cálculos realizados en el resente trabajo se incororan estas ecuaciones que toman en cuenta estas diferencias de temeratura utilizando la ecuación de Lamé. El fenómeno de cree es inevitable a elevadas temeraturas, ara el caso de los aceros esta se roduce a T > 380 o K, o sea, en resencia del factor tiemo ocurrirá en los tubos un fenómeno de deformación lástica que imlica el incremento del diámetro y consecuentemente la reducción del esesor de la ared que conduce finalmente a la rotura; estas consecuencias de la fluencia lenta a elevadas temeraturas son más ráidas o más lentas en deendencia del tio de acero, de la tensión y la temeratura T. El arámetro Larson Miller establece esta relación, la cual es diferente ara cada material y la norma ISO/TR/ las ofrece ara los materiales más comunes que se emlean en alicaciones a elevadas temeraturas. Los cálculos realizados ara los tubos de ambas unidades demuestran que ara los arámetros de exlotación de estas unidades la temeratura de la ared tiene una enorme incidencia. Así, or ejemlo, si la temeratura de la ared del tubo es de K (377 0 C), la vida útil or fractura bajo Cree es casi de 7 millones de oras. Sin embargo, ara una temeratura de 75 0 K (5 0 C) la vida útil se reduce a menos de oras. Esto ara t0 0 C. Si la diferencia de temeratura entre la suerficie interior y exterior de los tubos se incrementa solo a t - 0 C las vidas útiles mencionadas se reducen a 6,5 millones y oras aroximadamente. e todo esto se desrende en rimer lugar la necesidad de determinar con exactitud la temeratura de trabajo de la ared y se confirma la necesidad de recisar la diferencia de temeratura t. Referencias bibliográficas BIRGER, I. 1975: Termorresistencia de iezas de máquina. Moscú: Masinostroenie. ISO/TR : Summary of average stress ruture roerties of wrougt steels for boiler and ressure vessels. JUSMATULIN, E. R. 1990: Manual de reciientes y tuberías a alta resión. Moscú: Editorial Masinostroenie

14 Ciencia & Futuro V. No. 1 Año 01 ROGERS,.K. AN SIEY,. 198: Comarison of boiler tube residual life rediction models. Reort No. CTS Ontario Hydro, Toronto, Canadá, 198. ZARRABI, K. 1993: Estimation of Boiler Tube Life resence of corrosion and erosion rocess. Int. J. Pres Ves. and Piing. N 0 53, * Trabajo resentado en el XIX Forum Científico Nacional de Estudiantes Universitarios de Ciencias Técnicas. Tutorado or el r. Rafael A. Goytisolo Esinosa, el M.Sc. Vladimir Carrera Martínez, el Ing. Israel García Rodríguez y el Ing. Eduardo Álvarez Pérez. La imagen de cabecera fue tomada del sitio tt:// cienfuegos/central_termica_1 7