Garantizar el funcionamiento confiable de la caldera mediante un análisis de materiales adecuado

Asustados y fatigados: ese es el estado en el que se encuentran muchas calderas de carbón hoy en día. Comprender los mecanismos de falla y los métodos de prueba adecuados para identificar problemas potenciales puede ayudarlo a encontrar problemas antes de que los problemas lo encuentren a usted.

Incluso cuando el entorno regulatorio actual empuja a la nueva generación de energía a utilizar gas natural en lugar de otras fuentes de combustible, una cantidad significativa de la generación existente a carbón sigue en funcionamiento. La mayoría de estas centrales eléctricas alimentadas con carbón existen desde hace mucho tiempo; la edad promedio se acerca a los 40 años. Mantener estas plantas en línea y funcionando de manera eficiente presenta un desafío, pero con programas implementados para monitorear de manera efectiva el estado del equipo y reemplazar piezas críticas en momentos óptimos, estas unidades pueden continuar funcionando confiablemente en los años venideros.

Para el funcionamiento a largo plazo de generadores de vapor alimentados con carbón, la fluencia y la fatiga térmica son los dos mecanismos de daño que normalmente afectan la integridad de la caldera. Las calderas también pueden resultar dañadas por desequilibrios químicos en la química del agua o de los gases de combustión, pero generalmente esos problemas se pueden corregir en un corto período de tiempo.

Fatiga térmica. La fatiga térmica se experimenta por tensiones cíclicas causadas por gradientes de temperatura que varían con el tiempo. Los generadores de vapor experimentan la mayor cantidad de fatiga térmica durante las actividades de arranque y apagado.

En los tubos de calderas de alta temperatura, las áreas localizadas de alta tensión se deformarán plásticamente hasta que se alivie la tensión. Este proceso de deformación, si bien proporciona un alivio temporal a los componentes a temperaturas elevadas, también introduce nuevas tensiones en estos mismos componentes a medida que el sistema se enfría, con el material incapaz de regresar a su posición original.

Los diseñadores de calderas anticipan una cantidad planificada de ciclos de arranque y parada y diseñan la caldera para manejar estos escenarios. Sin embargo, el ciclo excesivo de un generador de vapor, ya sea como resultado de su activación con demasiada frecuencia o de su parada forzosa y no planificada (debido a la mala confiabilidad del equipo), hará que la caldera supere prematuramente su vida útil original. Los ciclos excesivos conducirán en última instancia al agrietamiento por fatiga térmica de los elementos del tubo de la caldera. Normalmente, la fatiga térmica ocurre en soldaduras o puntos de cambio de configuración.

Arrastrarse. El segundo mecanismo importante de fallas en los tubos de los generadores de vapor es la fluencia. La fluencia es una deformación progresiva y permanente de un material bajo tensión a altas temperaturas.

Cuando se fabrican materiales, se forman microhuecos dentro de la estructura del material. Con el tiempo, estos microhuecos comienzan a propagarse y a interconectarse, formando grietas dentro del material. La deformación se produce plásticamente y provoca un adelgazamiento del material, lo que da como resultado tensiones más altas y una velocidad de fluencia cada vez mayor. Este fenómeno puede ocurrir en materiales que experimentan altas tensiones, pero aún en niveles por debajo del límite elástico del material.

La fluencia ocurre en tres etapas definidas durante la vida de un material. La primera etapa se conoce comúnmente como fluencia primaria. Durante esta etapa la tasa de deformación es alta, pero disminuye rápidamente con el tiempo como resultado del endurecimiento por trabajo. Esta primera etapa de fluencia tiene una duración relativamente corta y no produce cambios significativos en la estructura del material.

La siguiente fase de fluencia es la fase secundaria o de estado estable. El material experimentará fluencia secundaria durante la mayor parte de su vida útil. Esta etapa se define por una tasa de deformación relativamente constante, donde el endurecimiento por trabajo se equilibra con su tasa de recuperación.

La etapa final de la fluencia, la fase terciaria, se define por un rápido alargamiento en el tiempo. Este rápido alargamiento se acelerará hasta que se produzca la falla del material.

Existen enfoques matemáticos para calcular la vida útil de un material frente al tiempo y la temperatura. Los ingenieros de General Electric desarrollaron un método en la década de 1950 que puede usarse para extrapolar datos experimentales sobre la resistencia a la fluencia y a la rotura de los materiales. Se conoce como parámetro de Larson-Miller y se expresa como:

P = T x (C + log t) x 10-3

dónde:

T es la temperatura absoluta del material durante la operación.

t es el número de horas en servicio

C es una constante (normalmente un valor de 20), y

P es el parámetro de Larson-Miller

El agrietamiento por fatiga térmica tiende a ser un fenómeno localizado que puede identificarse mediante métodos de examen no destructivos convencionales. Una vez que se identifica el agrietamiento por fatiga térmica, la soldadura puede repararlo fácilmente. El daño por fluencia generalmente se identifica mediante métodos de examen metalográfico. Si se ha identificado que un material se encuentra en la etapa terciaria de fluencia, no es posible realizar reparaciones simples y se requiere el reemplazo del material (Figuras 1 y 2).

Para evitar interrupciones forzadas resultantes de la fatiga térmica y la fluencia, se pueden utilizar técnicas de examen no destructivas para determinar el estado de los materiales (Figura 3). Cuando se usan de manera efectiva, estas técnicas pueden rastrear la progresión de la fatiga térmica o la fluencia, lo que ayuda a las plantas a planificar con anticipación el reemplazo de componentes en lugar de esperar a que falle el material y luego luchar para corregir el problema. A continuación se presentan algunas técnicas de examen no destructivas de uso común.

Penetración de líquidos. Una técnica de examen no destructiva común utilizada para detectar grietas en la superficie de un material se llama penetración de líquido. Esta técnica es muy versátil, ya que no requiere propiedades materiales específicas para el metal que se está probando.

Antes de probar el material, se debe limpiar de cualquier contaminante y dejar secar. Luego se aplica un líquido de baja tensión con un tinte visible a la superficie del material, momento en el cual el efecto capilar atraerá el líquido hacia cualquier discontinuidad en el metal. Cualquier exceso de líquido se elimina de la superficie antes de la inspección.

Bajo una luz blanca o fluorescente, se inspecciona el material para detectar la presencia del líquido penetrante. La presencia del líquido penetrante indica huecos en el material de la superficie, ya sea por grietas o porosidad de las soldaduras.

Prueba de ultrasonido. La prueba ultrasónica (UT) es una herramienta poderosa que se utiliza para detectar y evaluar fallas en un material y caracterizar las fallas del material. También se puede utilizar para medir espesores de materiales. Los probadores UT utilizan tres componentes básicos: un pulsador-receptor, un transductor y un dispositivo de visualización.

Esta tecnología genera una onda ultrasónica de alta frecuencia que se transmite a través del material que se está probando. Cuando la onda de sonido se genera en la superficie del material utilizando el pulsador, se propaga rápidamente a través de la estructura del material a una velocidad conocida. Si la onda sonora encuentra una discontinuidad en la estructura granular del material, una parte de la onda sonora inicial se refleja de regreso al receptor. La onda sonora continuará hasta que alcance el límite opuesto del material y la energía sonora restante se refleje de regreso al receptor.

El receptor capta la intensidad y los intervalos en los que se refleja la onda sonora inicial. Estos datos se pueden procesar en un resultado gráfico en el dispositivo de visualización. Las lecturas se muestran en tiempo real, proporcionando al usuario resultados instantáneos. Con la onda de sonido procesada, un técnico o ingeniero puede evaluar cualquier defecto encontrado en la estructura del material mientras evalúa el espesor general del material.

Determinar el espesor del material en servicio es fundamental para calcular la capacidad del material para resistir tensiones. El espesor mínimo de pared de un material se puede calcular utilizando una variedad de propiedades del material y condiciones de operación. El cálculo utiliza la siguiente relación:

tm = PD / 2 x (SE + Py) + A

dónde:

tm es el espesor mínimo de pared

P es la presión interna de diseño

D es el diámetro exterior de la tubería.

SE es la tensión máxima permitida del material a la temperatura de diseño.

y es un coeficiente (basado en las propiedades del material y la temperatura de diseño), y

A es cualquier espesor adicional (por ejemplo, un margen para corrosión/erosión)

Comparar el espesor real de la pared con el espesor mínimo de la pared identificará si el elemento necesita ser reemplazado como resultado de la pérdida de material.

Pruebas ultrasónicas Phased Array. Una rama de las pruebas UT estándar es el método de prueba ultrasónica de matriz en fase (PAUT). El método PAUT, que también es una técnica de examen no destructiva, utiliza múltiples sondas que emiten ondas ultrasónicas de alta frecuencia.

La introducción de la onda sonora se retrasa de un elemento a otro para producir un punto focal a analizar. La sincronización de las ondas sonoras se puede variar para "barrer" el material y buscar imperfecciones. Al igual que con UT, los resultados se ven en tiempo real, lo que permite al usuario localizar e identificar defectos materiales instantáneamente.

Pruebas de partículas magnéticas. La prueba de partículas magnéticas (MT) es un método de examen no destructivo que se utiliza para identificar fallas lineales en o cerca de la superficie de un material. Con la técnica MT, el material que se prueba se magnetiza, lo que produce líneas de flujo a lo largo de la superficie del material.

Los defectos o discontinuidades en el material distorsionan las líneas de flujo, provocando que el magnetismo se escape. La disipación de las líneas de flujo crea regiones de polaridad magnética. Cuando se aplican partículas magnéticas a la superficie del material, se acumulan visiblemente en estas áreas de alta polaridad y resaltan áreas con fallas o discontinuidades.

Alternativamente, esta prueba se puede realizar usando partículas magnéticas húmedas mezcladas con tintes fluorescentes, similar a las inspecciones de penetración de líquidos. En comparación con las partículas secas, el uso de partículas húmedas proporciona un medio más eficaz para rellenar las grietas y fisuras que se encuentran en el material. Cuando se observa bajo una luz negra, el uso de un tinte fluorescente resaltará claramente al inspector el agrietamiento del material.

La técnica MT es rápida, simple y produce resultados en tiempo real para el agrietamiento como resultado de la fluencia. Sin embargo, el método de prueba se limita únicamente a materiales ferromagnéticos. Una vez finalizada la prueba, será necesario desmagnetizar el material, normalmente utilizando una bobina de corriente alterna.

Metalografía de replicación. Para ver la estructura granular de un material con gran aumento, se puede utilizar una técnica de examen no destructiva llamada metalografía de replicación. Proporciona una imagen reflejada de la estructura de un material.

Para proporcionar este nivel de detalle, el material que se va a probar debe limpiarse de cualquier contaminante y pulirse hasta obtener un acabado suave similar a un espejo. Este puede ser un proceso laborioso y que requiere mucho tiempo, ya que generalmente se requieren técnicas manuales para eliminar las incrustaciones y el óxido del material instalado (Figura 4).

Después de limpiar y pulir el material, se aplica un grabador químico a la superficie que permite revelar la estructura del grano. El producto químico utilizado y la duración de la aplicación (para revelar la estructura granular del material) se elegirán en función del material que se esté probando.

Luego se aplicará un material de replicación a la superficie del material para incrustar la estructura de grano en el material de replicación. Una vez que el material se seca, se puede retirar y enviar para observación microscópica. El material replicado ahora revelará la estructura granular del material sin comprometer la integridad del material mismo. El proceso proporcionará información únicamente sobre la estructura del grano en la superficie del material y se utiliza tanto en metales base como en soldaduras críticas.

Además de emplear técnicas de examen no destructivas, la realización de inspecciones de los sistemas de tuberías de alta energía de una planta debería ser una práctica rutinaria. Los sistemas de tuberías de alta energía normalmente incluyen sistemas de tuberías principales de vapor, recalentamiento en caliente, recalentamiento en frío, agua de alimentación de calderas y extracción de turbinas. Los estudios de tuberías de alta energía analizan la tensión y la tensión en las tuberías y el sistema de soporte. Esto es fundamental para el funcionamiento prolongado de la planta, porque el estudio puede detallar áreas de preocupación que pueden corregirse antes de que se produzca una falla en el material o en el soporte de la tubería.

A medida que estos sistemas de alta energía funcionan con el tiempo, a veces se realizan ajustes de suspensión que cambian la dinámica del sistema. Además, diseños iniciales deficientes, cambios en los modos de operación o preferencias de la planta pueden resultar en la adición o eliminación de elementos clave de soporte de tuberías. Debido a que las tuberías de alta energía se expanden y contraen considerablemente durante los ciclos de arranque y parada, si dichos cambios no se implementan adecuadamente, el sistema crecerá, se doblará o realizará ciclos de manera indeseable.

Para evaluar eficazmente estos sistemas de alta energía, es necesario observarlos en los dos estados extremos de funcionamiento. Documentar las posiciones de los soportes tanto en condiciones de calor (operación a plena carga) como de frío (planta fría de carga cero) permite a los ingenieros modelar la tensión y la tensión del sistema. Luego, este modelo se puede comparar con el diseño original y evaluar el soporte y el margen de crecimiento adecuados. Los resultados dictarán si se requieren ajustes en los soportes o si se necesita nuevo hardware de soporte para que el sistema vuelva a los rangos de tensión permitidos.

Aunque puede resultar complicado inspeccionar y documentar continuamente el estado del material de los equipos generadores de vapor y las tuberías de alta energía, la recuperación se obtendrá en forma de una mayor confiabilidad y disponibilidad de los equipos. Los cierres como resultado de apagones forzosos son costosos, debido a la probabilidad de compras aceleradas de materiales y la disponibilidad incierta de mano de obra calificada. El establecimiento de programas para rastrear y planificar las reparaciones conducirá a menos interrupciones forzadas y una vida útil más larga de la planta. ■

—Brandon Bell, PE ([email protected]) es gerente principal de proyectos de energía en Valdes Engineering Co.

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