Segni di invecchiamento nelle caldaie

Tutte le apparecchiature delle centrali elettriche hanno una durata limitata, ma non tutti i componenti invecchiano allo stesso ritmo. Alcune apparecchiature possono durare più della vita utile di un impianto, mentre altri macchinari possono essere sostituiti più di una volta nel corso degli anni. I componenti della caldaia offrono un esempio calzante. In genere, i tubi esposti a temperature più elevate e a stress più estremi si degradano più rapidamente. Comprendere i meccanismi e sapere dove cercare i primi segnali di allarme potrebbe consentire di effettuare riparazioni prima del guasto.

Se il controllo della chimica dell’acqua è stato buono, gli economizzatori solitamente durano più a lungo dei surriscaldatori radianti (SH) o dei riscaldatori (RH). Il processo di degrado è causato dall’esposizione a temperature sufficientemente elevate da consentire ai materiali di costruzione di operare nell’intervallo di scorrimento viscoso, affinché la fatica termica sia un meccanismo di degrado significativo e, naturalmente, per lo sviluppo di cambiamenti microstrutturali.

Ai fini di questo articolo, non verranno presi in considerazione sprechi o assottigliamenti delle pareti, ovvero verranno ignorati la corrosione delle ceneri di combustibile del focolare, l'erosione delle ceneri volanti o del soffiatore di fuliggine e l'ossidazione e la corrosione di acqua/vapore. Le indagini sullo spessore delle pareti generalmente rilevano questo tipo di problemi e possono essere effettuate sostituzioni dei tubi secondo necessità.

In concomitanza con i cambiamenti microstrutturali si verificano diminuzioni di durezza, resistenza e duttilità. Tali cambiamenti includono la sferoidizzazione dei carburi negli acciai al cromo-molibdeno (Cr-Mo), la grafitizzazione negli acciai ferritici al carbonio (C) e C-Mo e la formazione e sensibilizzazione della fase sigma negli acciai inossidabili austenitici.

Per i collettori di uscita SH e RH ad alta temperatura, lo scorrimento viscoso e la fatica termica interagiscono in un modo unico, spesso chiamato fatica allo scorrimento viscoso, nelle saldature tra tubo e collettore verso le estremità dei collettori. Per i collettori con temperature del vapore inferiori all'intervallo di scorrimento, in queste posizioni può svilupparsi una "semplice" fatica termica. L'espansione differenziale tra il collettore più caldo e le pareti d'acqua più fredde porta ad una deflessione dei tubi "tronchi" tra le pareti d'acqua e il collettore. La "flessione" o deflessione è maggiore alle estremità della testata, presupponendo che l'espansione sia simmetrica rispetto al punto medio della lunghezza.

La forma del danno, fatica da scorrimento o fatica termica, dipende dalla temperatura del singolo tubo. Di solito è necessaria l'analisi microstrutturale delle crepe per stabilirne la causa. Non tutti i tubi funzionano alla temperatura media del vapore nel collettore. Per i singoli tubi in un collettore intermedio, una temperatura del vapore di 850°F può essere sufficientemente elevata da consentire ai tubi tronco SA-213 T2 di rientrare nell'intervallo di scorrimento, anche se a 850°F T2 non è generalmente previsto che si rompa per scorrimento a livelli di sollecitazione consentiti dal codice.

Le stime delle sollecitazioni imposte dall'espansione differenziale sulle saldature del tubo tronco in corrispondenza o vicino alla testata possono essere calcolate dalla semplice teoria della trave. Si supponga che il carico su un tubo flessibile sia un punto in corrispondenza della penetrazione del muro d'acqua/tetto, come mostrato nella Figura 1.

La deflessione è data da:

dove δ è la deflessione causata dall'espansione differenziale (pollici), l è la lunghezza del tubo tronchetto tra il collettore e la barriera d'acqua (pollici), E è il modulo di Young (circa 22 x 106 psi a 1.000 F), I è il Momento d'Inerzia (in4) e per tubi e tubazioni è dato da π / 64 x (diametro esterno4 – diametro interno4), e P è il carico necessario per provocare la deflessione (lb in flessione semplice).

Lo sforzo di flessione sulla superficie è dato da:

dove S è la sollecitazione massima nella fibra esterna (psi), M è il momento flettente (in-lb) ed è uguale a P xl (carico x lunghezza), c è la distanza dall'asse neutro alla superficie (in. ), e I è il momento di inerzia (in4).

Ciò che deve essere calcolato è la sollecitazione, S, derivante dalla deflessione sui tubi fessurati vicino alle estremità della testata. Le due equazioni possono essere risolte per P come segue:

Impostando le due equazioni uguali tra loro e quindi risolvendo per S si ottiene:

L'esame della soluzione per S suggerisce che la sollecitazione derivante dall'espansione differenziale che causa fatica da scorrimento o danno da fatica termica, diminuisce quando il tubo intermedio diventa più lungo (più flessibile, meno rigido) e aumenta quando aumenta la deflessione (collettore più lungo, maggiore differenza di temperatura tra parete idraulica e collettore) e i tubi troncoconici diventano di diametro maggiore.