Análisis Termohidráulico de Falla de Tubo de Caldera

Eskom opera 23 centrales eléctricas en Sudáfrica con una capacidad total de más de 42 GW. Suministra alrededor del 95% de toda la electricidad utilizada en el país. Una de sus centrales eléctricas alimentadas con carbón experimentaba frecuentes fallas por fatiga del tubo de la caldera en la sección de la tolva, la parte inferior de la caldera, de las seis unidades.

Las calderas fueron diseñadas con una compleja estructura de vigas de soporte que acuna y rodea la caldera. Existen mecanismos de unión pivotantes entre la estructura de la viga de soporte, o tirantes, y la pared del tubo para permitir la expansión térmica y al mismo tiempo brindar un soporte adecuado en los cuatro lados.

La caldera puede expandirse hasta un metro hacia abajo durante una secuencia de arranque. Los buckstays se unen en las ubicaciones de unión de las esquinas de la tolva donde se unen las paredes de la pendiente y las paredes delantera/trasera. Están conectados entre sí mediante miembros articulados denominados enlaces de conexión de buckstay.

Estas uniones requieren el desvío de los tubos de las paredes delantera/trasera circundantes, lo que genera discontinuidades en el diseño de los tubos. Se identificaron altas tasas de falla del tubo en estas manipulaciones del tubo y las áreas se consideraron como posibles ubicaciones de alto estrés.

Una causa sospechosa de las fallas repetidas de los tubos (Figura 1) era que la operación cíclica de la planta para acomodar el aumento de los recursos de energía renovable intermitente y la reducción de la demanda de electricidad durante las horas de menor actividad estaba causando fatiga cíclica en el material del tubo. Debido a que la planta fue diseñada para una operación constante a plena carga, la fatiga cíclica estaba provocando daños en los componentes y problemas de confiabilidad. Las fallas resultaron en paradas no programadas, reparaciones de emergencia y costos inesperados.

1. Falla por fatiga. Esta imagen muestra una ubicación típica de falla de un tubo de caldera en la planta propiedad de Eskom. Cortesía: Flownex SE

También se creía que el efecto retardado del suministro de agua de refrigeración entre dos tubos de caldera adyacentes de diferentes bancos de tubos podría ser un factor que contribuye a la falla por fatiga térmica. El argumento presumía que una columna de agua de la salida del economizador llegaría primero al banco de tubos más cercano, luego al segundo banco, y así sucesivamente. Se alegó que esto causaría un diferencial de temperatura de fluido significativo entre el tubo exterior del primer banco y el tubo adyacente del segundo banco.

Para probar las hipótesis, se desarrolló una metodología única de interacción de estructura de fluidos (FSI) unidireccional para modelar y predecir la carga de fatiga inducida durante un ciclo de arranque de la caldera. El flujo de fluidos y la transferencia de calor se modelaron transitoriamente utilizando una herramienta de modelado de flujo de tubería 1-D proporcionada por Flownex Simulation Environment y se validó con datos experimentales. El solucionador de flujo 1-D era un paquete de software de simulación de fluidos térmicos utilizado para predecir, diseñar y optimizar caudales, temperaturas y transferencia de calor en sistemas de fluidos. El enfoque de modelado FSI unidireccional permitió acoplar una carga térmica transitoria, o cualquier paso transitorio seleccionado por el usuario, con un software de análisis de elementos finitos (FEA) 3-D suministrado por ANSYS para evaluar la tensión inducida térmicamente.

Se modelaron la mitad de las cuatro paredes de la tolva de la caldera para obtener una muestra representativa de la sección completa de la tolva. También se instaló instrumentación, incluidos termopares y galgas extensométricas, en el área modelada de la sección de la tolva para obtener datos medidos de la planta. El modelo Flownex constaba de 1219 tubos y 1858 vértices/nodos.

La capacidad de Flownex para calcular fundamentalmente el flujo y el comportamiento de la transferencia de calor del fluido y del material de la pared del tubo durante el estado estable y las condiciones dinámicas se consideró ideal para la prueba. Usando el mismo perfil de temperatura de salida del economizador que se obtuvo durante la secuencia de medición de la planta, junto con las propiedades ajustadas de transferencia de calor del lado del gas, se modeló un escenario de arranque dinámico para validar los resultados del modelo contra los datos medidos de la planta. También se modelaron con éxito otros escenarios.

Los resultados obtenidos del modelo correspondieron muy bien con los datos de la planta medidos (Figura 2). La fuerte correlación permitió que el modelo se usara para varias condiciones de planta y secuencias operativas postuladas. Los resultados de distribución de temperatura de Flownex luego se importaron a ANSYS, donde se realizó el análisis de tensión estructural (Figura 3).

2. Validación del modelo Flownex. Los resultados del solucionador 1-D (indicados como FNX Tc13 a FNX Tc16) se correlacionaron muy de cerca con los datos de los termopares instalados (indicados como Tc13 a Tc16). Cortesía: Flownex SE

3. Procedimiento de mapeo. Una geometría de línea 1-D creada en un paquete de dibujo asistido por computadora se importó al software de simulación Flownex para obtener resultados térmicos, que se exportaron al software ANSYS para el análisis de tensión. Cortesía: Flownex SE

La metodología permitió el examen de varios escenarios para evaluar las causas de las fallas sin afectar las operaciones de la planta. También facilitó el modelado de la estructura de la caldera masiva, que no podría haberse hecho económicamente utilizando simulaciones de dinámica de fluidos computacionales en 3-D.

Los resultados del modelo desarrollado indicaron que el retraso en el suministro de agua entre el tubo más externo del primer banco de tubos y el tubo adyacente del segundo banco no indujo tensiones perturbadoras como se postula. Se calculó que el diferencial máximo de temperatura era de solo 2,2 °C. Esto resultó ser debido a la conducción y la inercia térmica de las paredes del tubo y las correas, lo que dio como resultado una transición suave en las temperaturas de las paredes del tubo adyacente.

Habiendo descartado los diferenciales de temperatura extremos, se evaluaron los efectos de los elementos de soporte estructural en forma de placas de soporte soldadas en las ubicaciones de unión de los tirantes. La metodología desarrollada facilitó las comparaciones entre dos casos considerados: primero, donde estaban presentes las placas de unión deslizante del buckstay, y segundo, un caso en el que se retiraron estas placas (Figura 4). Al evaluar estos escenarios, el modelo mostró claramente que el estrés empeoró en presencia de las placas.

4. Estresado. Aquí se muestran gráficos de contorno coloreados por la tensión principal máxima en la ubicación de la unión del atirantado para ambos casos en los que la placa de la junta deslizante está presente (izquierda) y retirada (derecha). Cortesía: Flownex SE

Con este nuevo conocimiento, Eskom pudo realizar modificaciones en la estructura de la caldera para reducir el estrés inducido. Se quitaron las placas, lo que redujo en gran medida la tensión de la pared del tubo sin comprometer la integridad de la estructura circundante.

Los datos iniciales tomados después de la modificación indicaron que se había reducido la tensión en los lugares que antes eran susceptibles de sufrir daños. Los datos de tensión recopilados durante un período de dos años antes de la implementación de la solución se compararon con los datos recopilados después de los cambios. A partir de los datos promediados en el tiempo, se demostró que la deformación promedio y las subsiguientes cargas de fatiga inducidas por el estrés se han reducido en aproximadamente un 50 %.

La capacidad de eliminar, a través de la simulación, los factores que no contribuyen a la falla e identificar posibles nuevos mecanismos de falla ha demostrado ser una poderosa herramienta de ingeniería. Se ha demostrado que la metodología FSI unidireccional desarrollada es eficaz para resolver problemas de carga de fatiga por tensión inducida térmicamente como resultado del flujo térmico acoplado por fluido. La obtención de un campo térmico a partir de la dinámica de fluidos computacional en 3D, tal como se utiliza para las condiciones de contorno del FEA estructural, no es práctica debido al tamaño de los problemas considerados. El acoplamiento FSI unidireccional de 1-D a 3-D no solo es una alternativa viable, sino que también es una solución eficaz y eficiente.

Se han informado problemas similares en varias otras centrales eléctricas de Eskom. Identificar el principal factor que contribuye a estas tensiones puede conducir a la mitigación de numerosas interrupciones debido a reparaciones de fallas en los tubos, lo que a su vez generará un beneficio financiero significativo para Eskom y una mayor confiabilidad para los clientes. ■

—Marius Botha y Michael P. Hindley eran miembros del equipo de Investigación, Pruebas y Desarrollo de Eskom encargados de resolver el problema de falla de los tubos de la planta.

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