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ANÁLISE DA VIDA REMANESCENTE E DO DANO
ACUMULADO EM COMPONENTES DE PLANTAS
TERMELÉTRICAS EXPOSTOS AOS MECANISMOS DE DANO
POR FLUÊNCIA E FADIGA
Bruno Reis Cardoso
Heloísa Cunha Furtado
Carlos Frederico Trotta Matt
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (CEPEL)
Luiz Augusto de Mello Torres
Luiz Felippe
TRACTEBEL ENERGIA
III Seminário Nacional de Manutenção e Gestão de Ativos do Setor Elétrico
29/09/2014 a 03/10/2014, Santos, SP
TÓPICOS INTRODUÇÃO
o MOTIVAÇÃO
o OBJETIVOS
o PROJETO DE PESQUISA DESENVOLVIDO
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO DE DANO o ABORDAGENS PARA AVALIAÇÃO DO DANO POR FLUÊNCIA
Parâmetro de Larson-Miller
Parâmetro de Manson-Haferd
Mecânica do dano
o ABORDAGENS PARA AVALIAÇÃO DO DANO POR FADIGA
Curva de resistência à fadiga
Curvas de desgaste cíclico
PLATAFORMA COMPUTACIONAL TURBODIAG-SOMA o PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS
o ARQUITETURA BÁSICA
o RESULTADOS DISPONIBILIZADOS
CONSIDERAÇÕES FINAIS
INTRODUÇÃO
MATRIZ ENERGÉTICA NACIONAL o ~80% da geração é de origem hidráulica
o 2ª maior fonte de geração de energia é de origem térmica (carvão,
óleo combustível, biomassa, gás e nuclear)
CARACTERÍSTICAS DO DESPACHO DAS USINAS TÉRMICAS o Não operam em base; operam de forma cíclica
o Operam geralmente nos momentos de pico de energia
o Conseqüências:
alto custo de geração (R$/MWh)
materiais submetidos a carregamentos cíclicos (térmico e
mecânico)
o Outro mecanismo de degradação entra em cena e compromete a
segurança e integridade estrutural de componentes críticos: fadiga
termomecânica
INTRODUÇÃO (cont.)
CARACTERÍSTICAS DO DESPACHO DAS USINAS TÉRMICAS o Revisão das metodologias de avaliação de integridade existentes
o Metodologias menos conservadoras, com sólida base científica e
comprovação experimental
o Metodologias capazes de considerar a interação fluência-fadiga
OBJETIVOS Desenvolver uma metodologia computacional robusta e com
acurácia satisfatória para previsão de dano e de vida remanescente
em componentes críticos de usinas termelétricas
Desenvolver uma plataforma computacional de fácil utilização por
parte das equipes de operação e manutenção das usinas de modo a
automatizar a metodologia de avaliação de vida remanescente
INTRODUÇÃO (cont.)
PROJETO INSTITUCIONAL NO CEPEL (TURBODIAG)
Início: final de 2008
Entrega: final de 2014
EQUIPAMENTO DE INTERESSE
Turbina a vapor do complexo termelétrico de Jorge Lacerda
PARCEIROS NO PROJETO
Empresas do grupo Eletrobrás
TRACTEBEL ENERGIA
COMPONENTES SELECIONADOS o Rotor de alta pressão
o Tubulação da carcaça externa de alta pressão
o Caixa de válvula de bloqueio
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO
DE DANO
MECANISMOS DE DEGRADAÇÃO
o Fluência: degradação do material em temperaturas elevadas quando
o mesmo é submetido a um carregamento mecânico estacionário
o Fadiga termomecânica: degradação do material quando o mesmo é
submetido simultaneamente a ciclos de carregamento térmico e
mecânico (operação cíclica de uma usina termelétrica)
ABORDAGENS PARA AVALIAÇÃO DO DANO POR FLUÊNCIA o Parâmetro de Larson-Miller (LM)
o Parâmetro de Manson-Haferd (MH)
o Teoria da mecânica do dano (Kachanov-Rabotnov-Penny – KRP)
ABORDAGENS PARA AVALIAÇÃO DO DANO POR FADIGA o Curva de resistência à fadiga do material (RFM)
o Curvas de desgaste cíclico (CLE)
Objetivos: Estimativa do tempo de ruptura tR, do número de ciclos até a
iniciação de macrotrincas NR, do dano total acumulado até a data de
avaliação
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO
DE DANO (cont.)
ETAPAS DA ABORDAGEM LM
o Monitoramento das grandezas de processo da usina
o Estimativa da temperatura e da tensão mecânica no ponto crítico do
componente de interesse
o Estimativa do valor do PLM através da curva do material
o Estimativa do tempo de ruptura e do dano por fluência
0
100
200
300
400
500
600
15 16 17 18 19 20 21 22
PLM x 0,001
Ten
são
(M
Pa)
PLM CrMoV
Curva de tensão mecânica versus PLM Para aço CrMoV
RtTPLM log20)(
CON
k kR
kC
t
tD
1 ,
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO
DE DANO (cont.)
ETAPAS DA ABORDAGEM MH
o Monitoramento das grandezas de processo da usina
o Estimativa da temperatura e da tensão mecânica no ponto crítico do
componente de interesse
o Estimativa do valor do PMH através da curva do material
o Estimativa do tempo de ruptura e do dano por fluência
Curva de tensão mecânica versus PMH para aço CrMoV
CON
k kR
kC
t
tD
1 ,
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
-4 -3.5 -3 -2.5 -2
PMH x 100
Tens
ão (M
Pa)
PMH CrMoV 370
145,17log)(
T
tPMH R
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO
DE DANO (cont.)
ETAPAS DA ABORDAGEM KRP
o Monitoramento das grandezas de processo da usina
o Estimativa da temperatura e da tensão mecânica no ponto crítico do
componente de interesse
o Estimativa do tempo de ruptura e do dano por fluência a partir da
solução da equação de evolução do dano
ffRC
C
TkC
TkC
tD
D
D
TA
dt
dD
0
)(
)(0
1)(
0)0(
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R TCTA
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Tk
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C dtTAdDD
0
)(0
)(
0
)( )()1(
A(T), B(T), C(T) e D(T) são coeficientes do material, obtidos a partir do ajuste de dados experimentais extraídos de ensaio de fluência
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO
DE DANO (cont.)
ETAPAS DA ABORDAGEM RFM
o Monitoramento das grandezas de processo da usina
o Identificação do início e do fim de cada transiente de operação
o Estimativa da variação da temperatura de metal e da tensão mecânica
no ponto crítico do componente de interesse
o Estimativa da variação de deformação total no ponto crítico
o Estimativa do número de ciclos a partir da curva de resistência à fadiga
),( Tft
1,00E-01
1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05
NR (Ciclos)
t
(%
)
Curva de resistência à fadiga do material
CCN
k kR
kF
N
nD
1 ,
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO
DE DANO (cont.)
ETAPAS DA ABORDAGEM CLE
o Monitoramento das grandezas de processo da usina
o Identificação do início e do fim de cada transiente de operação
o Estimativa da taxa de aquecimento ou resfriamento do vapor durante
cada transiente, Tv/t em oC/h
o Estimativa da diferença entre a temperatura do vapor e a temperatura de
metal, Tvm em oC
o Estimativa do dano por fadiga a partir do diagrama contendo as curvas
de desgaste
vmF
DAvmF
TDA
TDA
t
T F
)(
)(
3
)(1
2
CLE
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO
DE DANO (cont.)
CÁLCULO DO DANO TOTAL ACUMULADO
CÁLCULO DA VIDA REMANESCENTE DO COMPONENTE
FCT DDD
kbasekRkrem ttt ,,, kkRkrem nNn ,,
período ésimo- no ou até avaliadas Grandezas
ciclos) (em fadiga à teremanescen vida
asmacrotrinc de iniciação a até ciclos de número
ciclos de número
horas) (em fluência à teremanescen vida
fluênciapor ruptura de tempo
base em operação de horas
,
,
,
,
,
k
n
N
n
t
t
t
krem
kR
k
krem
kR
kbase
PLATAFORMA TURBODIAG-SOMA
Produto do projeto TURBODIAG
Sistema de monitoramento, de diagnóstico e de prognóstico de vida
remanescente de componentes de usinas termelétricas submetidos aos
mecanismos de degradação por fluência e fadiga termomecânica
Escrito em linguagem de programação Java
Baseado em tecnologia WEB (acesso restrito)
Compatível com equipamentos de medição da empresa National
Instruments (PXI e Fieldpoints)
Integrado ao sistema de supervisão da usina
Arquitetura da plataforma
PLATAFORMA TURBODIAG-SOMA
(cont.)
Evolução temporal da temperatura de metal (sensor I730TT3012) e da pressão do vapor (sensor I731PT3015)
Período: 07/04/2013 a 29/04/2013
PLATAFORMA TURBODIAG-SOMA
(cont.)
Evolução temporal do dano acumulado por fluência e fadiga termomecânica no primeiro estágio de expansão do rotor AP
Período: Janeiro a Dezembro de 2013
PLATAFORMA TURBODIAG-SOMA
(cont.)
Evolução do dano acumulado por fluência e fadiga termomecânica no primeiro estágio de expansão do rotor AP
Período: Janeiro a Dezembro de 2013
PLATAFORMA TURBODIAG-SOMA
(cont.)
Evolução da vida remanescente à fluência para o rotor AP Período: Janeiro a Dezembro de 2013
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Desenvolvimento de metodologia computacional para prognóstico de
vida remanescente de componentes de turbinas a vapor sujeitos à
degradação por fluência e fadiga termomecânica
Abordagens e critérios adotados na metodologia desenvolvida aceitos
pela comunidade científica
Desenvolvimento de plataforma computacional para monitoramento em
tempo real de grandezas de processo relevantes para avaliação de
integridade em componentes de turbinas a vapor
Plataforma computacional com tecnologia WEB, de simples utilização e
integrada ao banco de dados do sistema de supervisão da usina
Ferramenta importante de auxílio à tomada de decisão por parte da
equipe de engenharia da usina em função do acompanhamento da
condição operacional da turbina
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!
Carlos Frederico Trotta Matt, D.Sc., Engenheiro Mecânico
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
Departamento de Linhas e Estações
Telefone: (21) 2598 6141
Fax: (21) 2270 4189
E-mail: [email protected]
METODOLOGIA DE AVALIAÇÃO
DE DANO (cont.)
INTERAÇÃO FLUÊNCIA-FADIGA VIA ABORDAGEM
BASEADA NA MECÂNICA DO DANO
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