Sair
6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos
AVALIAÇÃO DO SISTEMA DE VAPOR DE SUPERALTA PRESSÃO
Antônio Fernando Burkert Bueno
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RGS
Telmo Roberto Strohaecker
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RGS
Rubens Manoel Braga
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RGS
Luís Carlos Greggianin
COPESUL
Trabalho apresentado no 6º COTEQ
Salvador, agosto de 2002.
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade
do(s) autor(es).
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SINÓPSE
Em parada de manutenção foram detectadas trincas junto a soldas de componentes
forjados (Weldolets). Procedeu-se então uma análise detalhada do sistema com ênfase
junto aos mesmos. Primeiramente um modelo de tubulação foi construído tanto para
propiciar a avaliação do sistema pelos critérios do código ASME/ANSI B 31, como
também para inserir-se os modelos sólidos com os componentes forjados como
superelementos, através da técnica de sub-estruturação. Com esta seqüência obteve-se
uma detalhada distribuição de tensões na região de interesse, procedendo-se então
uma análise de tensões conforme o ASME VIII div.2 e o ASME Code Case N-47-28.
Com base nesta análise recomendou-se uma modificação em alguns daqueles
componentes visando a extensão da vida útil. Para os demais componentes, o estudo
deverá prosseguir visando obter alternativas de solução/minimização do problema.
1. INTRODUÇÃO
Na parada de manutenção de 1996, foram detectadas trincas junto aos weldolets dos
tubos de saída da radiação com o coletor. Isto gerou a necessidade de uma análise
detalhada daquela região. Foi conduzida uma análise de tensões com auxílio do
Método dos Elementos Finitos.
O objetivo deste trabalho foi avaliar estruturalmente os weldolets do sistema de vapor
de superalta pressão, caracterizando-se as regiões mais suceptíveis a defeitos.
2. PROCEDIMENTO ADOTADO
O procedimento adotado no presente trabalho foi o seguinte:
-Análise de flexibilidade do sistema desde o teto da radiação dos 11 F 12/13 até o
weldolet de intersecção com a linha 53001(Header de VS).
-Análise de tensões nos weldolets
-Comparação dos resultados obtidos com os da parada de 1996.
A análise de flexibilidade da tubulação do sistema foi feita sob o critério do código
ASME/ANSI B 31.3. Além da avaliação conforme o código, esta análise serviu para
obtermos o carregamento atuante nos weldolets.
Gerou-se os modelos sólidos dos weldolets e aplicou-se então os carregamentos
atuantes sobre o mesmo, quais sejam: pressão interna e deslocamentos da tubulação.
Procedemos então a análise de tensões nestes componentes.
A partir dos resultados obtidos nos itens anteriores, fizemos a comparação com os
resultados da inspeção da parada de 1996.
3. ANÁLISE DE FLEXIBILIDADE
Para esta análise empregamos o modelamento com elementos de tubulação no mesmo
software baseado no Método dos Elementos Finitos empregado no modelamento
sólido. Apresentamos a seguir imagens capturadas do pós-processador na conclusão
deste item.
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Na figura 1 temos a vista parcial dos componentes do sistema com ênfase no coletor
de saída da radiação dos fornos.
Na figura 2 vemos a distribuição da intensidade de tensões secundárias considerando
os fatores de intensidade de tensão e de flexibilidade dos weldolets como sendo os de
um te soldado. Desta figura vemos em detalhe a coletor de saída de vapor onde a
intensidade de tensões máxima tem o valor de 171.38 Mpa(17.47 Kgf/mm2).
Na figura 3 vemos que a intensidade de tensões primárias máxima tem o valor de
75.24 Mpa(7.67 Kgf/mm2)e ocorre na saída para o silenciador que opera em baixa
temperatura.
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Figura 1. Detalhe do coletor de saída da .radiação.
Figura 2. Distribuição da intensidade de tensões secundárias.
Figura 3. Distribuição das tensões primárias.
Tabela 1. Resumo dos resultados
CARREGAMENT TENSÃO ATUANTE TENSÃO ADMISSÍVEL
2
2
O
MPa(Kgf/mm )
MPa(Kgf/mm )
Primário tubo de
4” de saída
62.20(6,34)
63.27(6,45)
CONCLUSÃO
OK
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4” de saída
Secundário tubo de
4” de saída
171.38(17,47)
187.17(19,08)
OK
4. ANÁLISE DE TENSÕES NOS WELDOLETS
A análise de flexibilidade tem como característica o emprego de elementos de tubos
tridimensionais de 2 nós com 6 gl/nó. Quando necessitamos obter informações
detalhadas de determinado componente(s) temos de recorrer ao modelamento sólido,
onde são empregados elementos sólidos tridimensionais com 8 nós e 3 ou 6 gl/nó.
Outra questão é que na análise de flexibilidade empregamos no lugar dos weldolets,
Tes com fatores de flexibilidade e intensificação de tensões tabelados para estes
componentes comerciais. O software empregado permite a alteração destes fatores,
porém a princípio os desconhecemos. Para contornar tal problema e empregarmos os
weldolets com a sua rigidez real, fizemos uso da técnica de substruturação. Através
desta, foi possível inserirmos os weldolets sólidos reais no modelo de tubulação,
obtendo-se assim o comportamento do sistema o mais próximo possível da realidade.
4.1 WELDOLETS 10”x4”
Na figura 4 temos o superelemento ligando os tubos de saída da radiação ao coletor
usado no modelo de tubulação.
Figura 4. Vista do superelemento empregado para o weldolet 10”x4”.
Na figura 5 temos o superelemento ligando os tubos de saída da radiação ao coletor
usado no modelo de tubulação. Mostra-se o coletor de saída da radiação com os
superelementos posicionados onde tínhamos antes os tês soldados.
Pode-se perceber que foram adicionados os superelementos em apenas um coletor,
mantendo-se o outro como usado na análise de flexibilidade do sistema.
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Figura 5. Vista do coletor com os superelementos.
Figura 6. Intensidade de tensões com carregamento total vista externa.
As figuras 6 e 7 mostram a intensidade de tensão para o carregamento total na vista
externa e interna do weldolet.
As figuras 8 apresenta o coeficiente de segurança para a iniciação de trincas para
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Figura 7. Intensidade de tensões vista interna carregamento total
100000 hs e 515ºC . As tensões consideradas foram as obtidas da API 530 para o A
335 Gr P11. Nesta figura temos que em todas as regiões coloridas temos um
coeficiente de segurança menor do que 1, indicando que para aquele determinado
número de horas de serviço é previsível o surgimento de trincas de fluência nas
mesmas. Temos também que os menores fatores de segurança estão localizados na
parede interna da intersecção do weldolet com o coletor
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Figura 8. Fator de segurança p/ iniciação com 515ºC 1 100000 hs.
Procedeu-se também a avaliação conforme o ASME para as duas seções mais
representativas da peça.
Figura 9. Linearização de tensões na seção transversal.
Figura 10. Linearização de tensões na seção longitudinal.
Abaixo apresentamos a tabela 2 com o resumo dos resultados obtidos da análise
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conforme o ASME.
Tabela 2. Resultados para o Weldolet de A-335 P 11 na condição de Projeto
LOCAL
Pl ATUANTE Pl ADMISSÍVEL
CONCLUSÃO
MPa(Kgf/mm²)
Mpa(Kgf/mm²)
COTOVELO
85.05(8,67)
80.64(8,22)
REJEITADO
SEÇÃO
TRANSVERSAL
50.91(5,19)
80.64(8,22)
APROVADO
A única análise possível é da condição de projeto na qual dispõe-se de informações
para o material atualmente empregado neste weldolet. Estes resultados são
apresentados na tabela 2.
Para a condição operacional o código não fornece as informações para o material A335 P11 porém, para a região do cotovelo mesmo considerando-se o material A-335 P
22 a mesma não atende os requisitos de tensão local de membrana e os de
deformação.
Tabela 3. Estimativa para a condição operacional
LOCAL
Pl ATUANTE Pl ADMISSÍVEL(P22)
Pl
ADMISSÍVEL(P11)*
MPa(Kgf/mm²)
Mpa(Kgf/mm²)
Mpa(Kgf/mm²)
COTOVELO
75.24(7,67)
55.33(5,64)
47.09(4,8)
SEÇÃO
TRANSVERSAL
45.03(4,59)
55.33(5,64)
47.09(4,8)
*valor estimado baseado na relação da tensão admissível P11/P22 p/ 100000 hs
5. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS P/ OS WELDOLETS DE 10”x4”
No weldolet de 10” x 4” de entrada de vapor no coletor de saída dos
superaquecedores, tem-se que a avaliação pelo ASME não é completa pois, o material
A–335 P11 não tem os valores admissíveis disponíveis para uma avaliação como
realizada para os demais. Para esta peça procedeu-se também uma avaliação conforme
a API 530 baseados nas curvas de fluência para vários intervalos de tempo e
temperaturas de serviço. Tal avaliação baseia-se na condição de iniciação de trincas de
fluência e, sob tal enfoque constatou-se a possibilidade de surgimento de trincas na
região externa da seção transversal do tronco, conforme detectadas em inspeção de
campo na parada de 1996. Salienta-se que para a região do cotovelo estima-se um
dano maior por fluência do que para a seção transversal do tronco. Assim considera-se
procedente a recomendação de inspeção para substituição do coletor e dos tubos de
4” de saída da radiação, o que possibilitará pelo corte e inspeção direta uma avaliação
mais detalhada da região do cotovelo, dando subsídio para uma decisão bem
embasada sobre as demais peças forjadas do sistema de VS como um todo.
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6. ALTERNATIVA DE MELHORIA:
Devido a já mencionada pressa em fabricar o coletor de saída de vapor dos Fornos,
buscou-se alternativas de melhoria estrutural para os weldolets de 10”x4”. Foram
criados vários modelos sólidos de conexões visando reduzir as tensões atuantes tanto
no ramal como no tronco. A alternativa que maior redução provocou foi um bocal
inserido no tronco o qual representa a inserção de um reforço não externamente mas
internamente ao tronco, da qual apresentam-se os resultados.
Figura 11. Croquis com a alteração proposta.
Tabela 4. Resumo para a condição operacional
LOCAL
PL ATUANTE*
PL ADM.
CRITÉRIO DE
MPa(Kgf/mm2)
Mpa(Kgf/mm2) DEFORMAÇÃ
O**
33.35(3.4)
55.33(5.64)
APROVADO
COTOVELO
43.16(4.4)
55.33(5.64)
APROVADO
TRANSVERSAL
** Considerando 100000 hs
RESULTADO
APROVADO
APROVADO
Tabela 5. Resumo para a condição de Projeto
LOCAL
PL ATUANTE*
PL ADM.
RESULTADO
MPa (Kgf/mm2) MPa (Kgf/mm2)
37.96(3.87)
97.32(9.92)
APROVADO
COTOVELO
49.15(5.01)
97.32(9.92)
APROVADO
TRANSVERSAL
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Figura 12. Intensidade de tensão com o carregamento total.
Das tabelas 4 e 5 percebe-se que este bocal penetrante esta conforme os requisitos do
ASME para operar nas condições avaliadas.
7. CONFIGURAÇÃO PROVÁVEL DAS TRINCAS:
Nas duas figuras abaixo, apresenta-se a geometria provável do surgimento de trincas
nas peças existentes.
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Figura 13. Geometria Provável de trinca na superfície externa das peças existentes.
Figura 14. Geometria Provável de trinca no cotovelo interno das peças existentes.
8. CONCLUSÕES
O carregamento mais crítico dos weldolets é a pressão interna sendo só esta, capaz de
causar danos por fluência tanto na região interna do cotovelo como na externa da
seção transversal para todas as peças avaliadas, alterando apenas a proporção do dano
de peça para peça.
As peças foram avaliadas quanto a iniciação de trincas usando as tensões da API 530,
mostrando que no tempo atual de operação é previsível a existência de trincas em
todas as peças avaliadas.
O restante da tubulação avaliado, apresenta-se satisfatório sob o enfoque da análise de
tensões.
As conexões de 4” dos coletores de saída dos superaquecedores, com a alteração
proposta, contemplam os requisitos do código ASME para as duas seções mais
críticas avaliadas.
O presente trabalho deve ter continuidade, avaliando-se estes componentes sob o
enfoque da mecânica da fratura e buscando alternativas viáveis para os componentes
forjados de maiores dimensões.
9.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) ASME, “ASME Boiler and pressure vessel code VIII div.2”, New York, ASME,
1995, apêndices 4 e 5.
(2) ASME, “ASME Boiler and pressure vessel code III – Nuclear Code Cases”, New
York, ASME, 1989, N 47-28.
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