Garantire il funzionamento affidabile della caldaia attraverso un'adeguata analisi dei materiali

Stremati e affaticati: questo è lo stato di molte caldaie a carbone al giorno d'oggi. Comprendere i meccanismi di guasto e i metodi di test adeguati per identificare potenziali problemi può aiutarti a trovare i problemi prima che i problemi trovino te.

Anche se l’attuale contesto normativo spinge la nuova generazione di energia a utilizzare il gas naturale rispetto ad altre fonti di combustibile, una quantità significativa della produzione esistente alimentata a carbone rimane in funzione. La maggior parte di queste centrali elettriche a carbone esiste da molto tempo: l’età media è di circa 40 anni. Mantenere questi impianti online e funzionanti in modo efficiente rappresenta una sfida, ma con programmi in atto per monitorare efficacemente le condizioni delle apparecchiature e sostituire le parti critiche in tempi ottimali, queste unità possono continuare a funzionare in modo affidabile per gli anni a venire.

Per il funzionamento a lungo termine dei generatori di vapore alimentati a carbone, lo scorrimento viscoso e la fatica termica sono i due meccanismi di danno che tipicamente influiscono sull'integrità della caldaia. Le caldaie possono anche essere danneggiate da squilibri chimici nell'acqua o nella chimica dei gas di scarico, ma generalmente questi problemi possono essere corretti in un breve periodo di tempo.

Fatica termica. La fatica termica è causata da sollecitazioni cicliche causate da gradienti di temperatura che variano nel tempo. I generatori di vapore subiscono la maggiore quantità di fatica termica durante le attività di avvio e arresto.

Nei tubi delle caldaie ad alta temperatura, le aree localizzate ad alto stress si deformeranno plasticamente fino a quando lo stress non verrà alleviato. Questo processo di deformazione, oltre a fornire un sollievo temporaneo ai componenti a temperature elevate, introduce anche nuove sollecitazioni in questi stessi componenti mentre il sistema si raffredda, con il materiale incapace di tornare nella sua posizione originale.

I progettisti della caldaia prevedono un numero pianificato di cicli di avvio e arresto e progettano la caldaia per gestire questi scenari. Tuttavia, un ciclo eccessivo di un generatore di vapore, dovuto a un invio troppo frequente o a interruzioni forzate e non pianificate (a causa della scarsa affidabilità dell'apparecchiatura), spingerà prematuramente la caldaia oltre la sua vita di progetto originale. Il ciclo eccessivo alla fine porterà alla rottura per fatica termica degli elementi dei tubi della caldaia. Tipicamente, la fatica termica si verifica in corrispondenza delle saldature o dei punti di modifica della configurazione.

Strisciamento. Il secondo meccanismo significativo di guasto dei tubi del generatore di vapore è lo scorrimento viscoso. Il creep è una deformazione progressiva e permanente di un materiale sottoposto a sollecitazioni ad alte temperature.

Quando i materiali vengono fabbricati, si formano microvuoti all'interno della struttura del materiale. Nel corso del tempo questi microvuoti iniziano a propagarsi e ad interconnettersi, formando crepe all'interno del materiale. La deformazione avviene plasticamente e provoca un assottigliamento del materiale, che si traduce in sollecitazioni più elevate e in un aumento della velocità di scorrimento. Questo fenomeno può verificarsi in materiali sottoposti a sollecitazioni elevate, ma ancora a livelli inferiori al limite di snervamento del materiale.

Il creep si verifica in tre fasi definite durante la vita di un materiale. La prima fase è comunemente chiamata creep primario. Durante questa fase la velocità di deformazione è elevata, ma rallenta rapidamente nel tempo a causa dell'incrudimento. Questa prima fase di scorrimento è relativamente di breve durata e non comporta cambiamenti significativi nella struttura del materiale.

La fase successiva dello scorrimento viscoso è la fase secondaria, o di stato stazionario. Il materiale subirà uno scorrimento secondario per la maggior parte della sua durata. Questa fase è definita da una velocità di deformazione relativamente costante, dove l'incrudimento è bilanciato dal tasso di recupero.

La fase finale del creep, la fase terziaria, è definita da un rapido allungamento nel tempo. Questo rapido allungamento accelererà fino al cedimento del materiale.

Esistono approcci matematici per calcolare la vita utile di un materiale in funzione del tempo e della temperatura. Negli anni '50 gli ingegneri della General Electric hanno sviluppato un metodo che può essere utilizzato per estrapolare dati sperimentali sulla resistenza al creep e alla rottura dei materiali. È noto come parametro Larson-Miller ed è espresso come: