Sinais de Envelhecimento em Caldeiras

Todos os equipamentos da usina têm uma vida útil limitada, mas nem todos os componentes envelhecem na mesma proporção. Alguns equipamentos podem durar mais que a vida útil de uma fábrica, enquanto outras máquinas podem ser substituídas mais de uma vez ao longo dos anos. Os componentes da caldeira oferecem um bom exemplo. Normalmente, os tubos expostos a temperaturas mais altas e estresse mais extremo degradam-se mais rapidamente. Compreender os mecanismos e saber onde procurar os primeiros sinais de alerta pode permitir que os reparos sejam feitos antes da falha.

Se o controle da química da água for bom, os economizadores geralmente duram mais do que os superaquecedores radiantes (SH) ou reaquecedores (RH). O processo de degradação é causado pela exposição a temperaturas altas o suficiente para que os materiais de construção operem na faixa de fluência, para que a fadiga térmica seja um mecanismo de degradação significativo e, é claro, para o desenvolvimento de alterações microestruturais.

Para os propósitos deste artigo, nenhum desperdício ou adelgaçamento da parede será considerado, ou seja, ignorar a corrosão das cinzas do combustível, cinzas volantes ou erosão por sopro de fuligem e oxidação e corrosão por água/vapor. As pesquisas de espessura de parede geralmente encontrarão esses tipos de problemas e as substituições de tubos podem ser feitas conforme necessário.

Simultaneamente com as mudanças microestruturais estão as diminuições na dureza, resistência e ductilidade. Essas mudanças incluem esferoidização de carbonetos em aços cromo-molibdênio (Cr-Mo), grafitização em carbono (C) e aços ferríticos C-Mo, e formação de fase sigma e sensibilização em aços inoxidáveis ​​austeníticos.

Para cabeçotes de saída SH e RH de alta temperatura, a fluência e a fadiga térmica interagem de uma maneira única, muitas vezes chamada de fadiga por fluência, no tubo curto para as soldas do cabeçote nas extremidades dos cabeçotes. Para coletores com temperaturas de vapor abaixo da faixa de fluência, fadiga térmica "simples" pode se desenvolver nesses locais. A expansão diferencial entre o cabeçote mais quente e as paredes d'água mais frias leva a uma deflexão dos tubos "stub" entre as paredes d'água e o cabeçote. A "curvatura" ou deflexão é maior nas extremidades do cabeçalho, assumindo que a expansão é simétrica em relação ao ponto médio de comprimento.

A forma de dano, fadiga por fluência ou fadiga térmica, depende da temperatura do tubo adaptador individual. A análise microestrutural das trincas geralmente é necessária para estabelecer a causa. Nem todos os tubos operam na temperatura média do vapor no coletor. Para tubos individuais em um cabeçote intermediário, uma temperatura de vapor de 850F pode ser alta o suficiente para os tubos stub SA-213 T2 estarem na faixa de fluência, embora em 850F T2 normalmente não se espera que falhe por fluência em níveis de tensão permitidos pelo código.

As estimativas das tensões impostas pela expansão diferencial nas soldas do tubo curto no coletor ou próximo a ele podem ser calculadas a partir da teoria de vigas simples. Assuma que a carga em um tubo curto flexível é um ponto na penetração do muro de água/telhado, conforme mostrado na Figura 1.

A deflexão é dada por:

onde δ é a deflexão causada pela expansão diferencial (pol.), l é o comprimento do tubo entre o coletor e a parede d'água (pol.), E é o módulo de Young (cerca de 22 x 106 psi a 1.000F), I é o Momento de Inércia (in4) e para canos e tubos é dado por π / 64 x (diâmetro externo4 – diâmetro interno4), e P é a carga necessária para causar a deflexão (lb em flexão simples).

A tensão de flexão na superfície é dada por:

onde S é a tensão máxima na fibra externa (psi), M é o momento fletor (in-lb) e é igual a P xl (carga x comprimento), c é a distância do eixo neutro à superfície (in. ), e I é o momento de inércia (in4).

O que deve ser calculado é a tensão, S, da deflexão nos tubos rachados perto das extremidades do coletor. As duas equações podem ser resolvidas para P da seguinte forma:

Definir as duas equações iguais entre si e, em seguida, resolver para S dá:

A leitura da solução para S sugere a tensão da expansão diferencial que causa fadiga por fluência ou dano por fadiga térmica, diminui à medida que o tubo curto fica mais longo (mais flexível, menos rígido) e aumenta à medida que a deflexão aumenta (cabeçalho mais longo, maior diferença de temperatura entre waterwall e header) e os tubos stub ficam maiores em diâmetro.