UNIVERSIDAD

NACIONALDE COLOMBIA___________________________________________

Sede Bogot

FACULTAD DE INGENIERIA Departamento de Ingeniera Mecnica Unidad de Educacin Continuada

HECTOR HERNANDEZ A.

COSTOS. TIPOS DE CALDERAS. ANTECEDENTES. EXAMEN VISUAL FALLAS: - Errores de Diseo. - Defectos en la Fabricacin. - Materiales No Adecuados. - Operaciones Inapropiadas.

En una caldera, se transfiere la energa trmica de un combustible al agua a travs de la pared de un tubo de acero para generar vapor o vapor sobrecalentado. La transferencia de calor en estado estacionario se puede expresar como: Q T = Ao R Donde: Q/A = flujo de calor por unidad de rea exterior (BTU/h) = diferencia de temperatura que conduce el flujo de calor (F) R = Suma de las resistencias al flujo de calor La resistencia trmica individual desde los gases de combustin al vapor, para un sobrecalentador o recalentador son dadas por:

Agua

Gases de combustin

R 45

R 12 R 34 R 23

Lado de gases:

R 12 =

1 ho ro Ln ( ro / ri ) km ro Ln ( ri / rs ) ks ro rs h s

Pared de tubo:

R 23 =

Depsito en pared interna:

R 34 =

Lado de vapor:

R 45 =

Donde ho = coeficie nte de transferencia de calor en el lado de gases. Este coeficiente incluye la transferencia de calor por conveccin, por radiacin y efecto de depsitos en el lado de gases como xido y ceniza. ro = radio exterior ri = radio interior del tubo km = conductividad trmica del acero del tubo ks = conductividad trmica del depsito en el lado del vapor hs = coeficiente de transferencia de calor en el lado de vapor Si disminuye la rata de flujo en el lado de vapor tambin disminuye el coeficiente de transferencia de calor hs lo cual conduce en un aumento ligero de la temperatura del metal del tubo.

FALLAS FALLAS

POR TEMPERATURA. POR ESFUERZOS.

Gases de combustin

Gases de combustin

Depsito

Metal de tubo

Vapor

Metal de tubo

Vapor

(a)

(b)

Representacin esquemtica del perfil de temperatura. (a) sin depsito (b) con depsito de xido en la pared interior de tubo. Los depsitos en la pared interior de un tubo tienen como consecuencia un aumento de la temperatura del metal.

Aumento de temperatura, F

300

Q/A=100000 Btu /hr.ft2

100

Q/A=20000

0,005

0,015

0,025

Espesor de depsito interno, pulgadas

Aumento de temperatura del metal contra espesor de depsito en lado de agua de tubos.

Especificacin ASME SA-192

Temperatura de ensayo F ( C) 300 (149) 500 (260) 700 (371) 900 (482) 1100 (593) 1300 (704) 1500 (816) 80 (27) 300 (149) 500 (260) 700 (371) 900 (482) 1100 (593) 1300 (704) 80 (27) 300 (149) 500 (260) 700 (371) 900 (482) 1100 (593) 1300 (704)

Resistencia a fluencia psi 28000 23500 20000 16000 11200 5600 40000 34900 30700 27600 25400 22000 9400 35500 31700 30400 29200 27200 22200 11000

Resistencia a tensin psi 59000 59500 52600 41000 20000 9900 5600 66200 69000 70500 69500 59000 38000 18000 72000 71000 70000 68000 64000 44000 18000

Alargamiento en 2 pulgadas % 27 25 33 42 55 72 90 39 30 27 26 38 45 62 38 31 28 30 29 34 54 33 26 21 20 22 35 60

SA-209-T1

SA-213-T11

SA-213-T22

80 (27) 39500 72000 300 (149) 35800 70000 500 (260) 34500 67000 700 (371) 34000 64200 900 (482) 28000 60000 1100 (593) 16000 41000 1300 (704) 22000 E U. S. Steel Corp., Steels for Elevated Temperature Service, 1972.

Grietas y rotura longitudinal en tubo de sobrecalentador

S=

P ( D W ) 2W

Donde

S = esfuerzo circunferencial, psi P = presin interna, psi D = dimetro exterior, pulgadas W = espesor, pulgadas

(a)

(b)

Expansin y rotura de labio delgado. (a) Adelgazamiento del espesor de pared en un de sus extremos. (b) Rotura en forma de boca de pescado, con un intenso flujo plstico y bordes delgados.

Agua

Vapor recalentado

Flujo de calor alto

Temperatura

Flujo de calor moderado

Flujo de calor bajo Temperatura del fluido Temperatura de metal de tubo

0

50

100

Porcentaje de vapor

Variacin de la temperatura del fluido y de la temperatura del metal del tubo cuando se calienta agua a travs del punto de ebullicin, con flujo de calor bajo, moderado y alto.

Gases de combustin

Gases de combustin

Depsito

Metal de tubo

Vapor

Metal de tubo

Vapor

(a)

(b)

Representacin esquemtica del perfil de temperatura. (a) sin depsito (b) con depsito de xido en la pared interior de tubo. Los depsitos en la pared interior de un tubo tienen como consecuencia un aumento de la temperatura del metal.

(a)

(b)

Deformacin plstica del material a una temperatura elevada y con un esfuerzo menor que el correspondiente esfuerzo de fluencia (creep).

Rotura de labio grueso

(a)

(b)

Dao microestructural por creep. (a) Vacios en lmites de grano, (b) Agrietamiento intergranular, 500X.

(a)

(b)

Dao microestructural por creep. (a) 200X, (b) 500X. Se observa una matriz ferritica con distribucin de perlita tipo globular y precipitacin de carburos hacia los lmites de grano.

Seccin longitudinal de un tubo de sobrecalentador (SA 209 T). Las particulas de grafito formaron una linea (cadena de grafito) debilitando el material.

Parmetro de Larson-Miller para acero SA-213 T-22. Conociendo dos de los tres factores que afectan la rotura por creep se puede estimar el tercer factor.100000

S=Donde

P ( D W ) 2W

S = esfuerzo circunferencial, psi P = presin interna, psi D = dimetro exterior, pulgadas W = espesor, pulgadas

Esfuerzo. psi

P = (T + 460)(20 + logt)10000

Donde: P = parmetro de Larson-Miller. T = temperatura, F t = tiempo de rotura, h1000

(t / t ) + (t / t )f 1100 22 30 40 50

f 2

+ ... + ( t / t f ) i + ... + ( t / t f ) n = 1

P=(T+460)(20+logt)x103

Donde t y tf son respectivamente el tiempo de operacin y el tiempo de falla para una combinacin especfica de esfuerzo y temperatura, y (t/tf)i es la fraccin de vida a la cual el tubo soporta una determinada condicin de esfuerzo y temperatura

EJEMPLO 1

EJEMPLO 2

(a)

(b)

Grafitizacin en aceros al carbono en tubo de caldera. (a) microestructura original, mezcla de ferrita y perlita. (b) Microestructura de grafitizacin, ferrita y grafito, 500X

Erosin por gases de combustin. La reduccin de espesor avanza a tal extremo que causa una perforacin.

Ondulaciones causadas por erosin sobre la superficie en contacto con los gases de combustin. Estas son paralelas entre si y perpendiculares a la direccin del flujo de los gases.

Tubo erosionado por el vapor que se fugaba de un tubo adyacente. En la zona erosionada no existe la presencia de xidos significativos.

El hierro reacciona con el vapor para formar el xido de hierro Fe3O4, magnetita, de acuerdo con la reaccin qumica:3 Fe + 4 H 2 O = Fe3O 4

+ 4H

2

La oxidacin es parablica con el tiempo; esto es, el espesor del depsito de xido X es proporcional a la raz cuadrada del tiempo t : X = k t 1/2

Desgaste de tubo, pulgadas

Regin I

Regin II

Rgimen de oxidacin

Rgimen de corrosin por ceniza lquida

Temperatura del metal del tubo, F

Representacin esquemtica de desgaste contra temperatura.log X = [0,00022(T + 460)(20 + log t)] 7, 25

Donde X es el espesor del xido en milmetros.

Reaccin andica (corrosin) :

M M + n + ne Por ejemplo:

Fe Fe 2 + + 2 e

Reacciones catdicas o de reduccin tpicas:

2 H + + 2e H 2O2 + 4 H + + 4e 2 H 2OH 2O + 1 O2 + 2e 2OH 2

(a)

(b)

Proceso de oxidacin. (a) oxidacin normal (b) Oxidacin acelerada al agotarse el oxgeno.

(a)

(b)

Proceso de corrosin debido a aguas contaminadas. (a) oxidacin normal (b) Corrosin acelerada al agotarse el oxgeno y al combinarse con los contaminantes del agua.

(a)

(b)

Picaduras localizadas por oxgeno. (a) Varias picaduras localizadas en un tubo en U. (b) Picadura profunda que perforo el tubo

Fatiga-corrosin. Los xidos dentro de la grieta aceleran su crecimiento.

2HCl + Fe + + 2FeCl + 2H 4H + Fe3 C CH4 + 3Fe

4 Fe + 3O2 2Fe 2O3

2C + SO2 + Fe FeS + 2C O

DPOSITO METAL

Depsitos en la superficie interior y exterior de tubo de caldera: Estos depsitos son frgiles y se desprenden con facilidad. Depsitos porosos pueden actuar como una trampa de impurezas corrosivas.

CURVA DE TERMOFLUENCIA (CREEP)

CAUSAS DE FALLAS (Riley Stoker Corp.) Mecnicas

19%

= 81%

Corrosin =

1. Temperatura elevada por un tiempo corto 2. Temperatura alta por tiempo prolongado (termofluencia) 3. Fatiga trmica, corrosin fatiga 4. Corrosin por ceniza 5. Dao por hidrgeno 6. Erosin 7. Picado por oxgeno 8. Agrietamiento por corrosin esfuerzo 9. Falla en soldadura 10. Ataque custico

ESFUERZO ADMISIBLE DE DISEO (ASME)

1. Un cuarto de la resistencia a tensin a temperatura ambiente. 2. Un cuarto de la resistencia a tensin a temperatura elevada 3. Dos tercios de la resistencia a fluencia a temperatura ambiente 4. Dos tercios de la resistencia a fluencia a temperatura elevada 5. En el intervalo de termofluencia: (a) el esfuerzo que causa un 1% de deformacin en 100 000 h, o (b) los dos tercios del esfuerzo que produce la rotura en 100 000 h

MECANISMOS DE FALLA(Electric Power Research Institute)

1. Degradacin de la microestructura (cambios de microestructura preceden a fallas por termofluencia) 2. Desgaste de metal por oxidacin, corrosin, y erosin 3. Fallas en soldaduras 4. Fatiga ( fatiga trmica, corrosin fatiga) 5. Errores humanos, mantenimiento pobre

DESGASTE ADMISIBLE DE TUBOS

Cuando ocurre desgaste se reduce el espesor y por lo tanto aumenta el esfuerzo, dado que

S=p

( D h ) = p Rm2h h

=p

Ri + h / 2 h

Donde D = dimetro exterior, p = presin, h = espesor, Rm = radio medio y Ri = radio interior

Suponiendo un desgaste por erosin en el lado de gases, y considerando un esfuerzo mximo admisible, S = SU / FS , de la ecuacin anterior, el espesor mnimo admisible ( hmin ) es

hmin

Ri =p Su / FS p / 2

Ejemplo: Dex = 2,75 in, ho = 0,29 in, Su = 60 000 psi , FS = 2,5 y p = 2600 psig ( 2,75 2 0,290 ) /2

hmin = 2600

60000/2,5 2600/2

= 0,124 in

LMITES DE OXIDACIN (Riley Stoker Corp.)

MATERIAL (ACERO)

ESPECIFICACIN ASME TPICA

TEMPERATURA (0C)

Acero al carbono

SA 178, SA 210, SA 192 Acero carbono + Mo SA 209 T1 1 Cr Mo 2 Cr 1 Mo 18 Cr 10 Ni SA 213- T11 SA 213 T22 SA 213 321H

454 482 552 579 816

PROBLEMAS OPERACIONALES QUE CONTRIBUYEN A FALLAS PREMATURAS DE TUBOS *

FUNCIONAMIENTO CON PEQUEAS FUGAS DE VAPOR O AGUA. Escape de vapor puede causar erosin de tubos adyacentes lo cual puede conducir a una falla. CAMBIOS DE CARGA A UNA RATA MAYOR A LA ESPECIFICADA. Esto puede causar esfuerzos adicionales y fatiga trmica de algunos componentes. TRATAMIENTO DE AGUA DE MENOR CALIDAD A LA ESPECIFICADA. OPERACIN CON UN NIVEL DE AGUA BAJO CAMBIO A UN COMBUSTIBLE FUERA DE ESPECIFICACIN

*D. N. French, Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers

FALLA POR EROSIN POR FUGA DE VAPOR EN TUBO ADYACENTE

GRITAS DE FATIGA NUCLEADAS EN PICADURAS DE CORROSIN

TEORA DE EVALUACIN DE VIDA RESIDUALS

( Ri + h / 2 ) =ph

El esfuerzo se calcula en el punto de menor espesor

log X = 0,00022 ( T + 460 )( 20 + log t ) 7,25Donde X el espesor del depsito interno (mils), T es la temperatura promedio de operacin (F), y t el tiempo de operacin ( h )

P = T ( 20 + log t )

ESTIMACIN DE LA TEMPERATURA MEDIA DE OPERACIN EN UNA FALLA POR TERMOFLUENCIA DE UN TUBO DE SOBRECALENTADOR

log X 7,25 T= 460 0,00022 ( 20 + log t )EJEMPLO. Estimar la temperatura media de falla de un tubo de sobrecalentador Especificaciones del tubo: Acero SA-213 T22, Do = 2 in. , ho = 0,315 in. Tiempo de operacin, t = 113 000 h , dimensiones en el rea de falla, D = 2,085 in., h = 0,230 in. , Espesor de depsito en la superficie interior, X = 13,4 mils Temperatura de salida del vapor = 1005 0F. Presin de operacin 2600 psi. Reemplazando valores correspondientes en la ecuacin anterior, la temperatura media del proceso de falla es 1060 0F. Nota. El esfuerzo inicial para el tubo nuevo es 6950 psi, y el esfuerzo justamente antes de la falla es 10500 psi.

FIN DE LA PRESENTACION

En un diseo se establece un tiempo de rotura por termofluencia (creep) de 100000 horas para una temperatura de 1000F. Cuando se aumenta la temperatura de operacin a 1100F, manteniendo constante la presin, cual es la vida estimada de servicio a estas nuevas condiciones?

El parametro de Larson-Miller para las condiciones de diseo, suponiendo que el material es un acero SA-213 T-22:

P = (T + 460)(20 + logt) = (1000 + 460)(20 + log100000)

P = 36500Para una temperatura de servicio de 1100F se tiene que:

P = 36500 = (1100 + 460)(20 + logt)

t = 10

36500 20 1560

t = 2497Como se puede observar la vida estimada de servicio se reduce un 97.5%

TUBO DE UN SOBRECALENTADOR Material: SA-213 T-22. Dimetro exterior: 1.75 (44.45 mm). Espesor: 0.3 (7.62 mm). CONDICIONES DE OPERACIN Condicin 1 2 T (F) 1000 1100 S (psi) 11600 12567 tw (h) 43200 720

Con este esfuerzo y la grafica para el acero SA-213 T-22 se calcula el parmetro de Larson-Miller (PLM) .

Condicin 1 2

S (psi) 11600 12567

PLM 36800 36600

Luego teniendo en cuenta el parmetro de Larson-Miller (PLM) y la temperatura de f operacin se calcula el tiempode falla ( t), segn la siguiente expresin:

P = (T + 460)(20 + logt)Condicin 1 2 T (F) 1000 1100 PLM 36800 36600 tf , (h) 160500 2895

A continuacin se calcula el porcentaje de desgaste teniendo en cuenta el tiempo de operacin a cada una de las condiciones: Condicin 1 2 tw (h) 43200 720t f (h)

tw / t f 0.27 0.25

160500 2895

La vida residual de la tubera, funcionando nuevamente a la condicin 1 es:

(t /t ) +(t /t ) +(t /t ) = 1w

f

1

w

f 2

w

f 3

(0.27 )1+ (0.25)2 +(tw /t f)3= 1

(t /t )w

f 3

= 0.52

tw = 0.52 * t f = 0.52 * (160500 h)

tw = 83460 h

Especificacin ASME SA-178A SA-192 SA-210Al SA-178C SA-209-T1 SA-213-T11 SA-213-T22 SA-213-TP304H SA-213-TP316H

Resistencia a tensin mn. ksi 47000 60000 60000 55000 60000 60000 75000 75000

Resistencia a fluencia mn. ksi 26000 37000 37000 30000 30000 30000 30000 30000

Composicin qumica, % (mn. -max.) Carbono 0.06-0.18 0.06-0.18 0.27 0.35 0.10-0.20 0.15 0.15 0.04-0.10 0.04-0.10 Manganeso 0.27-0.63 0.27-0.63 0.93 0.80 0.30-0.80 0.30-0.60 0.30-0.60 2.00 2.00 Silicio 0.25 0.10 0.10-0.50 0.50-1.00 0.50 0.75 0.75 1.00-1.50 1.90-2.60 18.0-20.0 16.0-18.0 0.44-0.65 0.44-0.65 0.87-1.13 2.00-3.00 Niquel Cromo Molibdeno

8.00-11.00 11.0-14.00

Aceros tpicos que se emplean en tubos de calderas ( ASTM Standards, Annual Book of ASTM, Part 1 )

Especificacin ASME SA-178A SA-192 SA-210-Al SA-178-C SA-209-T1 SA-213-T11 SA-213-T22 SA-213-TP304H SA-213-TP316H

400 (204) 11800 11800 15000 15000 13800 15000 15000 13000 13400

500 (260) 11800 11800 15000 15000 13800 15000 15000 12200 12500

Temperatura mxima del metal, F ( C) 600 700 800 900 1000 (316) (371) (427) (482) (538) 11800 11500 7700 11800 11500 9000 15000 14400 10800 15000 14400 9200 13800 13800 13500 12700 15000 15000 14400 13600 6300 15000 15000 15000 13100 7800 11400 11100 10600 10200 9800 11800 11300 11000 10800 10600

1100 (593)

1200 (649)

2800 4200 8900 10300

6100 7400

Esfuerzos admisibles (psi) en aceros de tubos de calderas segn cdigo ASME, Seccin I.