REVIEW JURNAL Stress and Integrity Analysis of Steam Superheater

Tubes of a High Pressure Boiler Daniel Leite Cypriano Nevesa*, Jansen Renato de Carvalho Seixasa,

Ediberto Bastos Tinocob, Adriana da Cunha Rochac, Ibrahim de Cerqueira Abudc aPETROBRAS, REDUC, Industrial Maintenance, Equipment Inspection,

Duque de Caxias - RJ, Brazil bPETROBRAS, CENPES, Basic Equipment Engineering, Rio de Janeiro - RJ, Brazil

cINT, Laboratório de Metalografia e de Dureza, Rio de Janeiro, RJ, Brazil

Sumber yang dapat menyebabkan kerusakan dari tabung uap superheater dari boiler bertekanan tinggi dipelajari dengan analisis tegangan, berfokus pada tekanan internal dan temperatur yang dialami oleh

material pada kondisi beroperasi secara aktual. Hilangnya pengendalian panas, deposito internal dan hal-hal tak terduga adalah faktor yang menghasilkan beban puncak di atas batas desain bahan tabung, yang

mungkin akan mengalami strain, tekuk, keretakan dan akhirnya berhenti beroperasi. Untuk mengevaluasi integritas dan keandalan komponen, struktur mikro sampel yang dipilih sepanjang superheater itu

dipelajari dengan mikroskop optik. Terkait dengan analisis, inspeksi dimensi, uji tak merusak, kekerasan pengukuran dan cek deposit dilakukan untuk menentukan kondisi material setelah dua puluh tiga tahun

beroperasi.

1. Pendahuluan

Superheater adalah alat untuk pertukaran panas, dengan tujuan meningkatkan suhu uap setelah datang dari boiler dan memiliki nilai kejenuhan yang lebih tinggi. Ini memiliki dua tujuan dasar: untuk meningkatkan efisiensi termodinamika turbin, dimana uap akan diperluas, dan untuk membuat uap bebas dari kelembaban. Dalam operasi normal, boiler dianalisis dalam makalah ini, bernama REDUC/SG- 2001, menghasilkan uap panas sekitar 200 ° C pada inlet turbin. Aliran uap harus kuat untuk memungkinkan penyerapan panas dari tabung, untuk menghindari deformasi karena suhu yang tinggi.

Superheater dapat dibagi menjadi dua bagian, primer dan sekunder, seperti pada boiler, di mana tabung superheater dalam zona radiasi. Setelah sembilan belas tahun beroperasi, menunjukkan adanya beberapa deformasi tabung, yang menjadi lebih besar deformasinya saat diamati pada pemeriksaan terakhir. Deformasi plastic terjadi di outlet tabung, terhubung dengan dilatasi diferensial, karena perbedaan temperatur (ΔT) diantara dua tabung terakhir, dan menyebabkan penekukan. Setelah itu, pada bulan Desember 2001, setelah boiler beroperasi dua-tiga tahun, tegangan dan analisis metalographic dilakukan pada boiler, juga

melibatkan inspeksi dimensi, uji tak merusak, pengukuran kekerasan dan pemeriksaan isi. Tujuannya adalah untuk menentukan keadaan integritas bahan untuk memperkirakan batas deformasi dan kemudian menunjukkan pelayanan perawatan terbaik untuk peralatan, yang sangat penting bagi kelangsungan proses kilang. REDUC adalah biaya ton boiler model VU-60, nominal 365 / jam uap, tekanan desain 119 kgf/cm2 dan tekanan operasi 104 kgf/cm2.

2. Teori

Kekuatan tabung boiler tergantung pada tingkat tegangan sebaik temperatur saat temperatur tabung logam berada dalam kisaran mulur. Karena peningkatan baik tegangan atau temperatur dapat mengurangi waktu untuk pecah, perhatian harus diberikan untuk kedua faktor selama investigasi pada kegagalan oleh mekanisme tegangan-pecah, yang dapat ditemui di sebuah superheater. Hal ini dapat terjadi terutama melalui dua mekanisme: overheating jangka pendek dan pemuluran suhu tinggi. Yang pertama, sebuah insiden tunggal, atau sejumlah kecil insiden, mengekspos tabung baja untuk suhu amat tinggi (ratusan derajat di atas normal) ke titik di mana ada deformasi atau hasil. Hasil overheating dari kondisi normal sama seperti tidak memiliki aliran pendingin, lapisan internal oksida atau terjadinya kebakaran. Yang kedua adalah selain disebut jangka panjang juga perpanjangan kegagalan overheating, dimana hasil dari periode relatif yang terus menerus dari overheating, stres, atau akumulasi dari beberapa periode panas berlebih. Deformasi mulur akan terjadi dalam jumlah kecil atau tidak ada pengurangan pada ketebalan dinding, tetapi menghasilkan pemuluran terukur atau peningkatan diameter dalam tabung baja feritik.

Upaya pertama yang dipublikasikan untuk menghubungkan konsumsi mulur-kehidupan komponen untuk kavitasi (rongga) adalah dari Neubauer dan Wedel. Mereka mengkarakteristikan evolusi rongga dalam baja dalam empat tahap - yaitu, insulasi rongga, orientasi rongga, rongga terkait (microcracks) dan microcracks - seperti ditunjukkan pada Gambar. 1. Berdasarkan pengamatan pada pipa uap di pembangkit listrik Jerman, mereka memperkirakan perkiraan interval waktu yang dibutuhkan untuk kerusakan yang berkembang dari satu tahap ke tahap di bawah kondisi khas berikutny. Mereka merumuskan rekomendasi sesuai dengan empat tahapan kavitasi (A, B, C, D).

Korosi adalah mekanisme lain yang dapat diperkirakan menyebabkan kegagalan tabung superheater. Kerugian umum ketebalan akibat korosi oleh produk-produk combustion (eksternal) atau dari uap, terutama ketika air yang terkontaminasi, datang dari drum, mengalir melalui superheater (internal) setelah beberapa proses yang cacat. Hal ini menyebabkan peningkatan tekanan dalam tabung yang beroperasi pada tekanan internal yang konstan. Selain itu, korosi adalah sumber masalah overheating, dengan membentuk lapisan oksida, yang merupakan penghalang untuk perpindahan panas. Seiring dengan peningkatan ketebalan, suhu logam juga harus meningkat untuk menjaga temperatur outlet konstan. Biasanya, meningkatnya temperatur tabung logam untuk setiap μm 30 sekitar 0,6-1,1 ° C dari oksida internal dibentuk. Membiarkan perubahan kondisi dari kondisi temperatur logam dan stress yang berlebih adalah kunci untuk memprediksi waktu pemuluran pada tabung alloy superheater.

Mekanisme lain yang dapat menyebabkan kegagalan tabung adalah kelelahan. Tekanan peralatan, seperti mesin yang berputar dan struktur pesawat, tidak selalu mengacu kepada kelebihan beban selama siklus. Namun, kehandalan maksimum dan efisien penggunaan bahan dibutuhkan untuk diperlukan untuk menghitung tegangan tekanan dan tegangan termal secara rinci dan untuk menentukan apakah kelelahan terjadi atau tidak dalam beberapa ratus siklus. Kurva fatigue menunjukkan tegangan atau regangan versus siklus kelelahan danfaktor- faktor keamanan yang cukup untuk memberikan operasi siklus yang diijinkan melalui kalkulasi pada tegangan. Nilai tegangan pada kurva kelelahan harus berbanding lurus dengan nilai tegangan seorang desainer untuk menghitung dengan menggunakan metode analisis yang digunakan untuk tegangan tekan, tegangan termal, tegangan konsentrasi, dll.

Gambar 1. Waktu pemuluran berdasarkan klasifikasi rongga

Gambar 2. Posisi sampel yang diambil dari sebuah perakitan superheat primer (dimensi dalam mm).

3. Metode

Analisis Mikrostruktur dilakukan dengan mikroskop optik untuk membandingkan integritas superheater tube dari inlet ke outlet zona uap. Suhu uap dari kisaran 310-450 ° C di superheater primer dan suhu gas luar tabung adalah sekitar 800 ° C, di zona radiasi. Pengukuran kuantitatif dengan mikroskop dibuat sesuai dengan Standart ASTM E 112-965 dan E 562-896. Untuk analisis lapisan internal dan eksternal, untuk menentukan ketebalan dan komposisi, digunakan pemindaian mikroskop elektron (SEM) dengan spektroskopi dispersi energi (EDS).

Sepuluh sampel dari potongan-potongan tabung disusun, diambil dari sebuah perakitan, pada posisi yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Spesifikasi desain baja dikonfirmasi dengan analisis paduan "logam" spektrometri, model 9277, oleh sinar-x fluoresensi spektometri, dan dapat dilihat pada Tabel 1. Sebuah uji kekerasan Rockwell B dilakukan pada bagian-bagian dari sampel, menurut standar NM NBR 188-1-99 7. Pengukuran dimensi (diameter dan ketebalan) dan NDT dengan penetran cair dilakukan selama proses.

Untuk analisis tegangan perangkat lunak komersial, digunakan ANSYS 5,4, dengan metode elemen hingga, untuk menentukan kondisi pasca buckling geometri mempertimbangkan kondisi aktual dari dua tabung terakhir, didalamzona outlet uap. Unsur-unsur tabung khusus, digunakan pipa 20, yang dapat menganalisis situasi yang berisi plastisitas dan perpindahan besar. Dalam kondisi normal, suhu rata-rata perbedaan antara dua tabung terakhir adalah sekitar 25 ° C, tetapi hal ini dapat bervariasi, terutama ketika kehilangan kendali operasional atau keadaan darurat. Perubahan suhu, "ΔT", 50 ° C antara tabung, yang dapat memicu defleksi lateral, karena kompresi-lentur yang terpanas, mirip dengan observasi yang telah dilakukan. Setelah itu, siklus pemanasan dan pendinginan tabung, saat boiler beroperasi dan mati, disimulasikan untuk menentukan waktu dan besarnya deformasi yang dapat menyebabkan nukleasi kelelahan retak. sifat material yang digunakan untuk perhitungan adalah: Modulus elastisitas (E) (21.000 kgf/mm2); tegangan luluh (21 kgf/mm2), dan modulus elasticplastic (200 kgf/mm2).

Tabel 2. Hardness Rockwell B. Sample 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hardness 80.4 78.8 73.5 74.8 72.8 71.8 80.7 77.9 80 76.4

Rockwell B

4. Analisis Hasil

Kekerasan pengukuran diuraikan dalam Tabel 2. Hasil kekerasan di bawah batas maksimum yang diperbolehkan oleh Standar ASTM A2138 (85 HRB) dan tidak terlalu berbeda jauh. Ini menunjukkan bahwa, pertama, sifat-sifat mekanik bahan tersebut diawetkan. Ketebalan pipa tidak menunjukkan kerugian yang signifikan yang disebabkan oleh korosi selama ini dalam pengoperasian. Selama shutdown terakhir laju korosi skala medium sebesar 109 μm / tahun, dan diperkirakan sisa hidup selama 14 tahun, mengingat hilangnya ketebalan dalam perhitungan.

Tabel 1. Spesifikasi material dari sample pada gambar 2Sample Dimensions * Material Observation

1 ∅=50.8; t=7.7 SA-213 Gr.T222 ∅=50.8; t=7.7 SA-213 Gr.T223 ∅=50.8; t=7.7 SA-213 Gr.T22

SA-213 Gr.T22 Welded Jointand SA-213 Gr.T12

5 ∅=50.8; t=4.8 SA-213 Gr.T12 Welded Joint6 SA-213 Gr.T12 Welded Joint

and SA-213 Gr.T127 ∅=50.8; t=6.3 SA-213 Gr.T228 ∅=50.8; t=6.3 SA-213 Gr.T229 ∅=50.8; t=6.3 SA-213 Gr.T22

10 ∅=50.8; t=7.7 SA-213 Gr.T22*∅ = Tube diameter (mm); t = thickness (mm).

4

∅=50.8; t=4.8 and 6.3

∅=50.8; t=7.7 and 4.8

Sebuah pemetaan perakitan-dimensi dilakukan dengan mengukur diameter, yang tidak menunjukkan peningkatan,akan menunjukkan sebuah daerah deformasi mulur. Beberapa penetrasi cairan NDT dan kurva tabung tidak menunjukkan ada yang retak di sana.

Permukaan dalam dianalisis dengan SEM, di mana lapisan permukaan maksimum 15 μm telah diobservasi. Hasil EDS, ditunjukkan dalam Gambar. 3a, mengindikasikan keberadaan besi (Fe), kromium (Cr), oksigen (O), fosfor (P) dan sulfur (S). Unsur-unsur ini berasal dari pembentukan lapisan pelindung, yang mengandung Fe, Cr dan O, dan mungkin dari air dan pengolahan limbah, terutama P dan S. dekarburisasi Mild diamati pada beberapa sampel, nomor 1, 2, 6, 7, 8 dan 9, menjadi normal karena suhu tinggi dan waktu pengoperasian dan peralatan tanpa implikasi buruk pada integritasnya.

Gambar 3. a) lapisan internal dengan SEM dan sesuai spektrum EDS titik 1 ditunjukkan pada gambar, b) lapisan external dengan SEM dan sesuai spektrum EDS titik 1 ditunjukkan pada Gambar.

Tabel 3. Persentase pada transformasi perlite dari tiap sample Sample % Transformed Perlite Haz Base Metal

1 90 - - 2 95 - -

3 100 - -

4 90 Some oxide inclusions and Partial spheroidization of

pores (randomic distribution) cementite of perlite

5 85 Some oxide inclusions and Partial spheroidization of

cementite of perlite

6 85 Some oxide inclusions and Partial spheroidization of

pores (randomic distribution) cementite of perlite 7 90 - - 8 85 - - 9 80 - -

10 90 - -

Gambar 4. Mikroskop optik, 950x: a) sampel 10, dengan diawetkan (panah hitam), dan ditransformasikan (panah putih) perlit b) sampel 3, menunjukkan perubahan perlite 100%; c) sampel 8, dengan diawetkan

(panah hitam), dan berubah ( tanda panah putih) perlit; d) zona yang terkena panas sampel 6, menunjukkan pori-pori, atau rongga, ( lingkaran putih) dan oksida (lingkaran hitam).

Pada permukaan luar lapisan maksimumnya 122,67 μm. Hasil EDS, ditunjukkan dalam Gambar. 3b, menunjukkan adanya besi (Fe), silikon (Si) dan kromium (Cr) dari baja. Residu pembakaran, yang telah disebarkan dari lapisan luar, mengandung vanadium (V), oksigen (O), dan belerang (S) menunjukkan pembentukan sulfida dan senyawa lain yang dapat menyebabkan fase cair, yang merusak lapisan oksida, mengintensifkan proses korosi.

Analisis Mikrostruktur digunakan khusus untuk mencari: sebuah indikasi mulur; kehadiran rongga,retakmikro dan kerusakan mikro, seperti spheroidization karbida. Secara umum,mikrostruktur dengan matrik feritik, butiran perlit dan karbida krom dan silikon, ditemukan baik untuk baja kelas T12 dan T22. Ukuran butir adalah ASTM 6 (φ = 44,9 m), kecuali untuk sampel 10, yaitu sedikit lebih besar - ASTM 5.5 (φ = 53,4 m). Hasil untuk beberapa sampel ditunjukkan dalam gambar 4.

Di beberapa bagian, seperti zona yang terpengaruh panas pada sampel 6 (Gambar 4d), kehadiran pori-pori telah diamati, dalam kuantitas yang rendah dan diameter yang bervariasi, tapi dengan distribusi acak, baik pada batas karbida dan matriks. Barisan atau gabungan karbida tidak ditemukan, tidak ada retakmikro, yang menunjukkan bahwa bahan tidak mencapai stadium lanjut mulur, seperti yang dijelaskan pada literature. Namun, telah diamati bahwa dalam fase perlit, untuk baja T22 dan T12, proses spheroidization sementit telah dimulai. Area yang paling menerima efek panas, sampel 3, memiliki persentase terbesar perubahan perlit, seperti ditunjukkan pada Gambar. 4b. Sebuah persentase yang lebih kecil ditemukan pada sampel 10, Gambar. 4a, yang terletak di luar bagian bawah bahan tahan api, pada suhu yang lebih rendah. Contoh 8, dimana kita mengamati lekuk tabung, menunjukkan tingkat menengah transformasi sementit. Persentase untuk setiap sampel dipaparkan pada Tabel 3. Persentase ini berhubungan dengan sebagian kecil dari perlit pada awal kerusakan mikrostruktur yang disebabkan oleh suhu tinggi, tetapi tanpa mengalami perubahan sifat mekanik yang signifikan.

Simulasi dari ekspansi diferensial dari dua tabung terakhir, disebabkan oleh ΔT=50 ° C, menunjukkan defleksi lateral yang terpanas, menyebabkan deformasi. Total deformasi (εtotal), plastis plus elastis, adalah 0,47%, dekat dua jarak tetap, superior dan inferior. Kondisi yang sama menyebabkan deformasi total 0,26% di tengah rentang. Kumpulan ditunjukkan pada Gambar. 5a, mengilustrasikan deformasi di outlet tabung. Model yang digunakan untuk perhitungan dengan ANSYS 5,4 ditunjukkan pada Gambar. 5b.

Untuk kondisi ini, berbagai tegangantampak, dihitung dengan 0.5 12

×εtotal × E. Dari 67.000 psi terjadi pada titik-titik yang memiliki ketegangan tertinggi, diteruskan kepada siklus pemanasan dan pendinginan selama boiler starting dan shutdown. Menerapkan range tekanan pada bagian grafik ASME Section VIII, divisi 2 (Appendix 5 - Desain Berdasarkan Analisis Kelelahan), yang berhubungan dengan baja feritik, ditemukan bahwa 1500 (seribu lima ratus) siklus akan menyebabkan nukleasi kelelahan retak. Ini adalah waktu yang lama bila dibandingkan dengan waktu pengoperasian boiler.

Dengan melakukan kalkulasi dalam arah yang berlawanan, mengingat 100 (seratus) siklus, sesuai dengan sekitar 50 (lima puluh) tahun beroperasi, maka total deformasi yang diterima sebesar 1,5%. Kondisi ini akan terjadi ketika defleksi lateral mencapai 130 mm, nilai yang harus digunakan sebagai kriteria untuk mengubah tabung superheater.

Gambar 5. a) Perakitan diamati, menunjukkan deformasi plastik yang tersisa dalam tabung outlet, dengan defleksi lateral 57 mm; b) Model untuk perhitungan deformasi dengan ANSYS 5.4.

5. Kesimpulan

1. Mengacu pada hasil kekerasan dicatat bahwa ketahanan mekanik bahan-bahan tersebut telah dipelihara. Pengukuran dimensi dan NDT menunjukkan tidak ada bukti kerusakan mulur.

2. Hasil pengamatan mikroskopis menunjukkan adanya masukan dari uap atau air yang lolos ke superheater pertama. Ketebalan lapisan tidak menunjukkan masalah yang terkait dengan integritas dari bahan atau efisiensi boiler.

3. Analisis Mikrostruktur mengungkapkan beberapa spheroidization dari perlit dan sementit, mengindikasikan beberapa bagianmengalami kerusakan material akibat temperatur tinggi. Barisan rongga atau retakmikro tidak ditemukan pada sampel yang diperiksa. Hal ini menunjukkan bahwa, untuk jangka waktu dua puluh tiga tahun pengoperasian, bahan menunjukkan keadaan integritas yang memuaskan.

4. Sama dengan software ANSYS 5,4 menunjukkan sumber deformasi ditemukan dalam perakitan yang diteliti dan usia kelelahan yang terkait dengan siklus pemanasan dan pendinginan. Dapat disimpulkan bahwa, berdasarkan ini jenis kerusakan, lendutan lateral maksimum yang diizinkan adalah 130 mm, yang dapat menjadi kriteria untuk menunjukkan perlunya perubahan dalam tabung ini.

Referensi

1. ASME – Boiler & Pressure Vessel Code, Section VII, Division 2 – Alternative Rules, 1995. 2. ASTM A 213 – Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic Ally-Steel Booiler,

Superheater and Heat-Exchanger Tubes, 1992. 3. ASTM E 112 – Standard Test Method for Determining Average Grain Size, 1996. 4. ASTM E 562 – Standard Test Method for Determining Volume Fraction by Systematic Manual

Point Count, 1989. 5. Langer, B.F. “Design of Pressure Vessels for Low-Cycle Fatigue”, Journal of Basic Engineering,

p. 389-402, September, 1962. 6. NBR NM 146-1 – Materiais Metálicos – Dureza Rockwell – Parte 1: Medição de Dureza

Rockwell, 1998. 7. Neubauer, B.; Wedel, U. “Rest Life Estimation of Creeping Components by Means of Replicas”,

Advances in Life Prediction Methods, American Society of Mechanical Engineers, New York, p. 307-314, 1983.

8. Viswanathan, R. “Damage Mechanisms and Life Assessment of High Temperature Components”, Chapter 5, ASM International, September, 1995.

9. Wardle, T.J. “Creep-Rupture Assessment of Superheater Tubes Using Nondestructive Oxide Thickness Measurements”, International Conference on Life Management

10. and Life Extension of Power Plant, Xi’na, P.R. China, May, 2000.