Análise termohidráulica de falha de tubo de caldeira

A Eskom opera 23 estações de energia na África do Sul com uma capacidade total de mais de 42 GW. Fornece cerca de 95% de toda a eletricidade utilizada no país. Uma de suas usinas elétricas movidas a carvão estava passando por frequentes falhas de fadiga do tubo da caldeira na seção da tremonha – a parte inferior da caldeira – de todas as seis unidades.

As caldeiras foram projetadas com uma estrutura de viga de suporte complexa que embala e envolve a caldeira. Existem mecanismos de fixação giratórios entre a estrutura da viga de suporte, ou buckstays, e a parede do tubo para permitir a expansão térmica enquanto ainda fornece suporte adequado em todos os quatro lados.

A caldeira pode expandir até um metro para baixo durante uma sequência de inicialização. Buckstays se juntam em locais de junção de canto da tremonha onde as paredes inclinadas e as paredes dianteiras/traseiras se unem. Eles são conectados uns aos outros usando membros articulados chamados de links de conexão buckstay.

Essas junções exigem o reencaminhamento dos tubos da parede frontal/traseira ao redor, levando a descontinuidades no layout dos tubos. Altas taxas de falha do tubo foram identificadas nessas manipulações do tubo e as áreas foram consideradas possíveis locais de alta tensão.

Uma causa suspeita das repetidas falhas do tubo (Figura 1) foi que a operação cíclica da planta para acomodar o aumento intermitente dos recursos de energia renovável e a redução da demanda de eletricidade fora do horário de pico estava causando fadiga cíclica no material do tubo. Como a planta foi projetada para operação consistente em carga total, a fadiga cíclica estava causando danos aos componentes e problemas de confiabilidade. As falhas resultaram em paradas não programadas, reparos de emergência e custos inesperados.

1. Falha por fadiga. Esta imagem mostra um local típico de falha de tubo de caldeira na fábrica de propriedade da Eskom. Cortesia: Flownex SE

Acreditava-se também que o efeito retardado da água de resfriamento fornecida entre dois tubos de caldeiras adjacentes de diferentes bancos de tubos poderia ser um fator contribuinte para a falha por fadiga térmica. O argumento presumia que uma coluna de água da saída do economizador atingiria primeiro o banco de tubos mais próximo, depois o segundo banco e assim por diante. Alegou-se que isso causaria um diferencial significativo de temperatura do fluido entre o tubo mais externo do primeiro banco e o tubo adjacente do segundo banco.

Para testar as hipóteses, uma metodologia única de interação de estrutura de fluido unidirecional (FSI) foi desenvolvida para modelar e prever a carga de fadiga induzida durante um ciclo de inicialização da caldeira. O fluxo de fluido e a transferência de calor foram modelados transientemente usando uma ferramenta de modelagem de fluxo de tubo 1-D fornecida pelo Flownex Simulation Environment e validado em relação a dados experimentais. O solucionador de fluxo 1-D era um pacote de software de simulação de fluidos térmicos usado para prever, projetar e otimizar taxas de fluxo, temperaturas e transferência de calor em sistemas de fluidos. A abordagem de modelagem FSI unidirecional permitiu que uma carga térmica transiente, ou qualquer etapa transiente selecionada pelo usuário, fosse acoplada a um software de análise de elemento finito (FEA) 3-D fornecido pela ANSYS para avaliar a tensão induzida por calor.

Metade das quatro paredes da tremonha da caldeira foram modeladas para obter uma amostra representativa da seção completa da tremonha. A instrumentação, incluindo termopares e extensômetros, também foi instalada na área modelada da seção da tremonha para obter os dados medidos da planta. O modelo Flownex consistia em 1.219 tubos e 1.858 vértices/nós.

A capacidade da Flownex de calcular fundamentalmente o fluxo e o comportamento da transferência de calor do fluido e do material da parede do tubo durante o estado estacionário e as condições dinâmicas foi considerada ideal para o teste. Usando o mesmo perfil de temperatura de saída do economizador obtido durante a sequência de medição da planta, juntamente com as propriedades ajustadas de transferência de calor do lado do gás, um cenário dinâmico de inicialização foi modelado para validar os resultados do modelo em relação aos dados medidos da planta. Vários outros cenários também foram modelados com sucesso.

Os resultados obtidos do modelo corresponderam muito bem com os dados medidos da planta (Figura 2). A forte correlação permitiu que o modelo fosse usado para várias condições postuladas da planta e sequências operacionais. Os resultados da distribuição de temperatura do Flownex foram então importados para o ANSYS, onde foi realizada a análise de tensão estrutural (Figura 3).