Ciclos de carga y metales de calderas: cómo salvar su planta de energía

Dado que muchas centrales eléctricas de carbón diseñadas para el servicio de carga base deben realizar ciclos, se han introducido tensiones imprevistas en las partes de presión de la caldera. Comprender los efectos e implementar estrategias de mitigación podría prevenir la falla prematura de los componentes y mantener las instalaciones operando de manera confiable.

El 3 de agosto de 2015, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. finalizó el Plan de Energía Limpia, que exige recortes en la contaminación de carbono de las centrales eléctricas existentes. Esta regla, junto con los bajos precios del gas natural, podría dar lugar a que las instalaciones que funcionan con gas natural se utilicen con mayor frecuencia para la energía de carga base y las plantas a carbón se ciclen, más que nunca, para cumplir con los requisitos de la red.

La mayoría de las unidades a carbón se diseñaron y construyeron como unidades de carga base, sin previsión de cambios significativos en la carga. Pero las turbinas de combustión y los generadores de vapor de recuperación de calor ofrecen eficiencias térmicas más altas (alrededor del 60 %) que las calderas de carbón (las mejores plantas de vapor pueden operar a una eficiencia máxima de alrededor del 40 %), lo que también está contribuyendo a un cambio en las tendencias de despacho.

Aunque las centrales eléctricas de carbón todavía tienen una gran demanda, las fuentes alternativas son muy atractivas desde el punto de vista medioambiental. El aumento de los recursos de energía renovable variable, como la energía solar y eólica, está ejerciendo una presión adicional sobre las plantas de carbón para que sigan la carga. Sin embargo, los ciclos de carga en plantas de carbón causan efectos negativos a corto y largo plazo en la confiabilidad y disponibilidad del equipo.

Los ciclos de carga pueden incluir condiciones de carga baja, arranque en caliente, arranque en caliente y/o arranque en frío. Tal como sugiere el término, una condición de carga baja ocurre cuando se reduce la salida y la unidad funciona con una carga mínima sin apagarse. Cuando una unidad se enciende y se apaga diariamente, generalmente se somete a un arranque en caliente. Los arranques en caliente generalmente ocurren en unidades que operan de cuatro a cinco días seguidos y luego se apagan durante los fines de semana, mientras que un arranque en frío sigue a un apagado prolongado por mantenimiento (por lo general, la planta habrá implementado un procedimiento de almacenamiento para estos largos períodos de mantenimiento).

Los siguientes son los efectos indeseables más comunes de este tipo de operaciones cíclicas.

Fatiga por fluencia. Las calderas de servicios públicos se construyen con diferentes materiales y espesores. Estos materiales se expanden y contraen a diferentes velocidades. Además del daño por fluencia, los componentes de alta temperatura, como los sobrecalentadores y recalentadores, experimentan fatiga térmica y mecánica. El efecto acumulativo se conoce como fatiga por fluencia.

El daño resultante es mucho más severo que el daño por fluencia o fatiga independiente. Bajo carga cíclica, las soldaduras de tubo a cabezal desarrollan grietas debido a una combinación de tensiones de fatiga y tensiones circunferenciales. Las tensiones de fatiga pueden resultar del movimiento relativo entre los componentes, específicamente durante el calentamiento o el enfriamiento, o cuando ocurren cambios de carga debido a tensiones transitorias. Las tensiones de fatiga también pueden estar presentes como resultado de una flexibilidad inadecuada de la pata del tubo, soportes/accesorios defectuosos o uniones rígidas en las piezas de presión.

Agrietamiento de ligamentos. Los tubos individuales de sobrecalentamiento (SH) y recalentamiento (RH) de alta temperatura pueden funcionar a diferentes temperaturas debido a las variaciones en la distribución del calor, la escoria, el ensuciamiento y la desalineación. Por lo tanto, el vapor ingresa al cabezal a diferentes temperaturas.

Los ciclos de carga exacerban la diferencia de temperatura entre los tubos individuales, porque la tasa de encendido se ajusta durante los cambios de carga para mantener la presión y la temperatura. Durante el aumento de carga, la caldera se sobrecalienta temporalmente y la condición se invierte cuando se reduce la carga. Esto provoca choques térmicos transitorios en el cabezal, lo que provoca el agrietamiento de los ligamentos.

Fatiga Térmica del Circuito de Alta Temperatura. Además de estos esfuerzos térmicos, los esfuerzos externos asociados con la expansión y contracción del cabezal pueden causar daños a las unidades cíclicas, lo que da como resultado grietas por fatiga en los accesorios. Puede existir un componente de fatiga adicional donde los componentes se unen mediante soldadura, porque las diferentes partes se expanden y contraen a diferentes velocidades. Aunque el componente de fatiga está dentro del límite de resistencia, afectará las propiedades de fluencia de los componentes.

Templado excesivo. Los aceros ferríticos mejorados con resistencia a la fluencia (CSEF, por sus siglas en inglés), como T91 y T23, son muy populares en las plantas de energía modernas porque ofrecen tensiones admisibles más altas y propiedades de fluencia superiores que sus antecesores de acero, como T22 y T11. Sin embargo, existen algunos problemas inherentes de mantenimiento a largo plazo con los aceros CSEF. El uso de CSEF en unidades de ciclo pesado, específicamente en circuitos de recalentamiento, afecta significativamente las propiedades superiores obtenidas mediante un tratamiento térmico preciso, lo que genera fallas prematuras.

Soldaduras de metales disímiles. Las soldaduras de metales disímiles (DMW) se utilizan con mucha frecuencia en circuitos de alta temperatura para facilitar las transiciones de materiales. Las oscilaciones de carga producen tensiones térmicas y diferenciales transitorias significativas en los DMW. Estas soldaduras no solo están sujetas a la fluencia sino que también son susceptibles a fallas por fatiga por fluencia. Los ciclos de carga reducen significativamente la vida útil de un DMW.

Condensado en Puntos Bajos. El condensado generalmente se acumula en las secciones remotas de los circuitos SH y RH, lo que genera dos problemas principales: fatiga térmica y sobrecalentamiento a corto plazo. La diferencia de temperatura que existe entre los cabezales y el vapor puede producir fisuración por fatiga térmica y fisuración de ligamentos. Los arranques en caliente producen daños significativos por fatiga térmica porque la diferencia de temperatura suele ser mayor.

Las condiciones de arranque rápido pueden provocar fallas por sobrecalentamiento a corto plazo, ya que el condensado en los puntos bajos del sistema puede provocar un aumento de la temperatura del metal aguas abajo (Figura 1). La resistencia a la tracción del acero disminuye significativamente una vez que está más allá de las temperaturas de diseño. Además, los arranques y paradas rápidos, así como los cambios de carga, pueden provocar la exfoliación de la escala de óxido del diámetro interior. Si la exfoliación es excesiva, puede provocar el taponamiento de las curvas o daños por erosión en la turbina.

Fatiga Térmica del Circuito de Baja Temperatura. En las regiones de baja temperatura de la caldera, los ciclos de carga también provocan grietas por fatiga térmica en los cabezales o tubos de entrada del economizador, los tubos o cabezales de la pared inferior del horno y las partes internas del tambor de vapor. Este agrietamiento por fatiga se produce principalmente por la entrada de agua relativamente más fría en los componentes calientes de la caldera o viceversa.

Fatiga por corrosión. Los ciclos de carga exacerban la fatiga por corrosión en los tubos de la pared de agua porque las tensiones diferenciales en los tubos de la pared de agua son mayores durante los arranques y las oscilaciones de carga. La fatiga por corrosión no es solo un problema de confiabilidad, sino que también es un problema de seguridad porque las fallas generalmente ocurren en el lado frío de la caldera.

Las condiciones necesarias para que ocurra la fatiga por corrosión incluyen tener una concentración de oxígeno en el agua de la caldera demasiado alta o un pH fuera del rango de control al mismo tiempo que las tensiones son lo suficientemente altas como para romper la capa de magnetita (Figura 2). La fatiga por corrosión ocurre cuando las tensiones residuales o de operación rompen la capa protectora de magnetita (Fe3O4), exponiendo el acero desnudo al ambiente corrosivo (Figura 3). Estas tensiones son más altas durante los períodos transitorios.

Desbaste cáustico. El ranurado cáustico es un problema bien conocido en las unidades de circulación natural, específicamente durante condiciones de baja carga. En las unidades de circulación natural, el flujo de refrigerante está sesgado hacia ciertos tubos porque opera con la diferencia de densidad entre los fluidos caliente y frío. Las condiciones de carga baja y las oscilaciones de carga juegan un papel importante en el ranurado cáustico porque las condiciones en constante cambio dan como resultado alteraciones repetitivas en el flujo de refrigerante. Las alteraciones del flujo hacen que la sosa cáustica se concentre en los bordes de las burbujas de vapor. Las concentraciones cáusticas eliminan la capa protectora de óxido de hierro, lo que provoca el desperdicio del tubo (Figura 4).

Escondite de fosfato. La ocultación de fosfato, una de varias formas de corrosión debajo del depósito, generalmente ocurre cuando las unidades están operando con tratamiento a base de fosfato. La ocultación de fosfato hace que el fosfato iónico desaparezca o se absorba durante condiciones de alta entrada de calor, pero regresa o se disuelve en el agua de la caldera cuando se reduce la entrada de calor. El escondite de fosfato promueve la corrosión del fosfato ácido. El escondite se vuelve evidente durante los cambios de carga o los arranques al cambiar la entrada de calor. Las calderas sucias son susceptibles a la acumulación de fosfato y a la corrosión por fosfato ácido.

Siempre habrá algunos efectos adversos en la confiabilidad del equipo debido a una condición de carga baja, arranque en caliente, arranque en caliente o arranque en frío. Cada una de estas condiciones afectará la integridad de las piezas de presión de una forma u otra. Se ha observado en general que los arranques en caliente causan el mayor daño al equipo, porque la diferencia de temperatura es más alta y hay una mayor susceptibilidad a la fuga de aire que la que se encuentra durante otras condiciones de ciclo.

Las siguientes son algunas estrategias útiles para mitigar el daño del equipo.

Agregue más flexibilidad al tubo. Las tensiones de fatiga a menudo se producen como resultado de una flexibilidad inadecuada de las patas del tubo entre las penetraciones del tubo y el cabezal, y también por las uniones rígidas en el tubo. Una mayor flexibilidad y un mejor diseño del accesorio reducirán las tensiones por fatiga. A veces, es posible que se requiera la reubicación del encabezado para brindar más flexibilidad.

Use accesorios tipo deslizamiento. Muchas unidades más antiguas se diseñaron con accesorios rígidos. Se deben usar accesorios de tipo deslizante en lugar de accesorios rígidos para adaptarse a la expansión térmica diferencial.

Rediseño para penetraciones de tubos simétricas y ampliamente espaciadas. Varias plantas más antiguas se diseñaron con penetraciones de tubos asimétricas y poco espaciadas, que son susceptibles de agrietarse en los ligamentos. Es bien sabido que los ligamentos más grandes espaciados uniformemente son menos susceptibles al daño por fatiga por fluencia (Figura 5).

El rediseño de las penetraciones de los orificios de los tubos y la configuración de la soldadura del tubo al cabezal, especialmente la eliminación de la muesca por falta de fusión al final de la penetración del tubo, también puede aumentar la resistencia a la fatiga por fluencia. La inclusión de un chaflán suave en el diámetro interior del orificio del cabezal reduce la concentración de tensión (Figura 6), lo que mejora la resistencia a la fatiga por fluencia.

Realice Inspecciones Periódicas. La mayoría de los problemas relacionados con las tuberías están asociados con los soportes colgantes y los sistemas de soporte. Un buen diseño del accesorio es vital para minimizar la fatiga por fluencia. Inspeccionar periódicamente los accesorios y corregir las deficiencias reducirá los problemas relacionados con la fatiga. Las terminaciones de los accesorios deben ahusarse hacia la superficie para reducir las concentraciones de esfuerzos localizados. La falta de penetración en las soldaduras de fijación puede generar puntos calientes donde el calor no se puede disipar de manera efectiva o puede aumentar las concentraciones de tensión. Un buen diseño de soldadura y la adherencia a los procedimientos de soldadura son esenciales.

Tasas de rampa más bajas. Las tensiones transitorias debidas a los ciclos de carga afectan la vida útil de un DMW. Las tensiones transitorias se pueden reducir con arranques más lentos.

Utilice metales de aporte a base de níquel. Un DMW se puede hacer con o sin metal de aporte, que tendrá una vida finita. Se espera que los DMW fabricados con EPRI P87 o metal de aporte Inconel tengan una vida más larga que aquellos sin metales de aporte. Un DMW fabricado con metal de aporte a base de níquel reduce los efectos de las diferencias de expansión térmica entre el acero inoxidable y el acero ferrítico.

Reubicar los DMW. Las tensiones y las temperaturas son los factores críticos en la vida útil de un DMW; el rendimiento puede mejorarse controlando estos factores. La unión soldada se puede reubicar en una posición en la que esté expuesta a temperaturas más bajas. Se puede realizar una inspección y mantenimiento frecuentes de los colgadores, soportes y espaciadores de los tubos para reducir las cargas secundarias.

Hornear tubos. El condensado en los circuitos de alta temperatura crea problemas importantes durante los períodos de arranque. Los tubos deben hornearse durante el tiempo suficiente para evaporar el condensado antes de aumentar la entrada de calor. Reduzca el gradiente térmico entre el fluido y el metal durante los períodos de arranque. Aunque los ciclos de carga juegan un papel importante en la fatiga térmica, una vez que el componente alcanza el equilibrio, la fatiga térmica no será un factor significativo.

Utilice tubería estriada. El uso de tubería estriada en áreas susceptibles a la corrosión por debajo del depósito puede proporcionar una mejor mezcla de flujo para evitar posibles problemas de corrosión. Los ciclos de carga aumentan significativamente la susceptibilidad de los tubos de pared de agua a la fatiga por corrosión. Los arranques rápidos aumentan las tensiones transitorias porque las diferentes partes se expanden y contraen a diferentes velocidades, rompiendo los óxidos protectores y exponiendo los tubos desnudos al ambiente corrosivo.

Mejorar las técnicas de soldadura. Las soldaduras de almohadilla deben evitarse en regiones susceptibles a la fatiga por corrosión. Las tensiones residuales de la soldadura exacerban la fatiga por corrosión. Además, los perfiles de soldadura deficientes deben eliminarse para reducir la concentración de tensiones. La falta de penetración en las soldaduras de fijación puede aumentar la temperatura del metal y la concentración de tensiones.

Mantenga la química adecuada del agua. Es fundamental asegurarse de que la química del agua esté dentro del rango de pH y contenido de oxígeno, especialmente durante los arranques o los cambios de carga, para reducir el riesgo de fatiga por corrosión. Se debe mantener la limpieza de la caldera para reducir el riesgo asociado con la acumulación de fosfato. Utilice fosfatos trisódicos en lugar de fosfatos mono o disódicos para aumentar las lecturas de fosfato. La adición de fosfatos trisódicos no causa corrosión por fosfato ácido, pero la adición de fosfatos mono y disódicos puede promover la corrosión por fosfato ácido.

Evite las purgas intensas, que afectarán significativamente las proporciones de fosfato de sodio y agravarán la situación en las unidades susceptibles a la corrosión por fosfato ácido. Realice pruebas periódicas de densidad de peso de depósito para saber qué tan sucia está la caldera. La limpieza de la caldera reducirá significativamente la mayoría de los problemas junto al agua. ■

—Rama S. Koripelli, PhD ([email protected]) es director técnico de David N. French Metallurgiists

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