como ferramenta Título do trabalho para AIE - ibp.org.br · PDF fileSegurança de Caldeiras e Vasos de Pressão ... Lei de evolução do dano proposta por Kachanov-Rabotnov REGRAS

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL Fórum de Integridade| Setembro 2016 Fórum de Integridade| Setembro 2016

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica -

CEPEL

Autor/apresentador

Área

Título do trabalho

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL

Bruno R. Cardoso, Carlos Frederico T. Matt Fernanda F. M. dos Santos, Heloisa C. Furtado - Eletrobrás Cepel

Monitoramento online como ferramenta

para AIE


EXPECTATIVA DE VIDA ÚTIL DE UTE’s


Europa + USA Década de 80

Objetivo:

HISTÓRICO

Avaliação de Integridade Estrutural

Inspeção do componente;

Diagnóstico de sua integridade estrutural;

Determinar as tarefas para se evitar uma falha do componente;

Cálculo da vida remanescente;

Identificar os investimentos a realizar e o prazo de execução.


Acidente PQU

8 Mortos

Alteração da Norma NR 13 1992 – 1994/95

Segurança de Caldeiras e Vasos de Pressão

Força de Lei – Ministério do Trabalho

Avaliação de Integridade obrigatória para caldeiras de

grande porte com mais de 20 anos

GTMT/GCOI

Início de Avaliação de Integridade

no Setor Petroquímico

1992

Avaliação de Integridade

demanda do Setor Elétrico

HISTÓRICO

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL Fórum de Integridade| Setembro 2016

Avaliação de Integridade Estrutural e Cálculo da Vida Remanescente em Usinas Termelétricas

INÍCIO: 1992

FURNAS

Usina de Santa Cruz e

Campos

Fórum de Integridade| Setembro 2016

HISTÓRICO


Avaliação de Integridade Estrutural e Cálculo da Vida Remanescente em Usinas Termelétricas


HISTÓRICO

DADOS

24 anos de experiência;

98 avaliações de integridade;

Média: 4 avaliações / ano

CLIENTES

CEMIG

CHESF

CGTEE

ELETRONORTE

FURNAS

TRACTEBEL


Avaliação de Integridade Estrutural

LINHAS DE PESQUISA PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA

Envelhecimento de Materiais em

Altas Temperaturas

Monitoração e Diagnóstico

Banco de dados e informação

Banco de Dados para UT

Guia de AES

Guia de Campo para AES

Materiais Térmicas

Carbovida

FeW

Bainítico

Diatérmica

Monitermo

Turbodiag



GESTÃO DE ATIVOS FÍSICOS

Público-Alvo: Engenharia de

Manutenção e Operação de

Usinas

OBJETIVO

PRODUTO: SOFTWARE



BENEFÍCIOS


Redução dos custos de manutenção e inspeção Menor

freqüência de paradas;

Maior confiabilidade e disponibilidade da unidade;

Maior segurança de operação;

Redução das incertezas na estimativa da vida remanescente;

Redução do esforço, a partir da automatização e integração do processo;

Planejamento para substituição de equipamentos;

Monitoração em tempo real (via Internet) da condição operacional do equipamento.


Previsão da Vida Remanescente de

Componentes de Turbinas a Vapor a

partir da Monitoração em Tempo Real de

Grandezas Específicas

Equipamento-Alvo: Turbina


Equipamentos de Usinas Termelétricas a


Temperatura e Pressão

Equipamento-Alvo: Caldeira/Reaquecedor

Diatérmica (2004-2006)

Turbodiag (2010-2016)

PROJETOS PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA

Monitermo (2007-2011)


Equipamentos de Usinas Termelétricas

com Foco na Monitoração em Tempo Real

da Taxa de Deformação

Equipamento-Alvo: Tubulações Principais



OBJETIVO

Estimativa da vida remanescente à fluência de tubos baseada na monitoração em tempo real de grandezas de processo (vazão, temperatura e pressão do vapor).

INÍCIO: 2004

CONCLUSÃO: 2006

CLIENTES:

CHESF

CGTEE

ELETROBRÁS

ELETRONORTE

FURNAS

TRACTEBEL ENERGIA

PROJETO DIATÉRMICA

Feixe de tubos do reaquecedor


ANÁLISE DE ESFORÇOS MECÂNICOS SOB REGIME

DE FLUÊNCIA

MONITORAÇÃO (GRANDEZAS DE

OPERAÇÃO)

MODELO DO ESCOAMENTO DO VAPOR NA TUBULAÇÃO DO RH

MODELO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR (COND. + CONV. + RAD.)

VELOCIDADES

AVALIAÇÃO DE INTEGRIDADE INICIAL – ω0

INSPEÇÃO EM CAMPO

MODELO DE

PROPAGAÇÃO DO DANO DANO ACUMULADO VIDA REMANESCENTE

PROJETO DIATÉRMICA

Metodologia do Projeto

TEMPERATURAS

TENSÕES MECÂNICAS E TAXA DE DEFORMAÇÃO

Modelos metalúrgicos (paramétricos e empíricos) Modelos mecanísticos (fenomenológicos, ex.: mecânica do dano)


MODELAGEM COMPUTACIONAL – PREVISÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS

PROJETO DIATÉRMICA

oitubo

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PROJETO DIATÉRMICA

MODELAGEM COMPUTACIONAL – PREVISÃO DO CAMPO DE TENSÕES

ip

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i

r

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PROJETO DIATÉRMICA

MODELAGEM COMPUTACIONAL – PREVISÃO DO DANO ACUMULADO

PREVISÃO DO TEMPO DE RUPTURA POR FLUÊNCIA

1. MODELOS METALÚRGICOS Parâmetro de Larson-Miller, PLM() = T(C1 + log tR) Parâmetro de Manson-Haferd, PLM() = (log tR – C2)/(T – 370)

2. MODELO DA MECÂNICA DO DANO CONTÍNUO Lei de evolução do dano proposta por Kachanov-Rabotnov

REGRAS DE ACÚMULO DE DANO 1. Regra de acúmulo linear de Robinson

2. Regra de acúmulo não linear dada pela lei de evolução do dano

RRCCrC

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Características Aquisição em tempo real dos dados necessários à análise, empregando

um número maior de sensores

Implementação do processo computacional de cálculo de dano total acumulado e vida remanescente

Análise em tempo real da evolução do dano por fluência nos tubos do reaquecedor

Processo Automatizado e Integrado

PROJETO DIATÉRMICA


SISTEMA DIATÉRMICA

INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): SISTEMA DE ALARMES


SISTEMA DIATÉRMICA

INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): FERRAMENTAS DE PROCESSAMENTO DOS SINAIS COLETADOS


Número do Tubo

Nome do Tubo

Vida Remanescente

SISTEMA DIATÉRMICA

INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): ESTIMATIVA DE VIDA REMANESCENTE À FLUÊNCIA























PROJETO MONITERMO

ESTIMATIVA DE VIDA RESIDUAL A PARTIR DA MONITORAÇÃO

EM TEMPO REAL DAS DEFORMAÇÕES DE TUBULAÇÕES

EM USINAS DE GERAÇÃO TÉRMICA

Objetivo

•Desenvolver um procedimento para monitoração em campo da deformação

de materiais que trabalham em altas temperaturas

•Desenvolver um método matemático capaz de associar as taxas de

deformação destes materiais à sua vida remanescente

Produto

Software capaz de monitorar on-line a taxa de deformação em serviço de

componentes que operam em altas temperaturas e calcular a vida

remanescente dos mesmos.


Clientes

CHESF

CGTEE → Laboratório de Campo

ELETROBRÁS

ELETRONORTE

FURNAS

PROJETO MONITERMO

Caldeira 3 da Usina PRESIDENTE MÉDICI


ETAPAS DO PROJETO

Análise da distribuição das tensões principais – MEF

Escolha do sensor adequado

Instalação em campo

Desenvolvimento de um modelo matemático adequado

Implementação e Monitoração


ANÁLISE DAS TENSÕES

Definição dos pontos de instalação dos sensores


ESCOLHA SENSOR UTILIZADO

DESAFIO EXPERIMENTAL: MEDIR DEFORMAÇÃO EM ELEVADA TEMPERATURA (>450ºC)

→ Características desejáveis

- Estabilidade - Robustez - Precisão


KYOWA HPI SJB

O extensômetro elétrico é um elemento sensível que transforma

pequenas variações de dimensões em variações equivalentes de sua

resistência elétrica.


Kyowa

HPI


Foram realizados diversos testes em laboratório


KYOWA - KHCM-10-120-G15-11 C2M


Sensor escolhido: KYOWA

Encapsulado

Robusto

Maior confiabilidade


Foram soldados 34 sensores, distribuídos em 17 pontos de medição

INSTALAÇÃO EM CAMPO

Soldagem dos extensômetros

Instalação dos termopares

Instalação dos armários


INSTALAÇÃO EM CAMPO

Microestrutura degradada

→ MICROTRINCAS

Réplicas metalográficas


PROGRAMA MONITERMO

- Análise dos dados

- Cálculo do tr

(Monkman-Grant e Larson-Miller)

- Cálculo do dano acumulado

PROCESSAMENTO


PROGRAMA MONITERMO

Tela de visualização dos dados de aquisição em tempo real


PROGRAMA MONITERMO

Tela do módulo de serviços, mostrando valor do dano acumulado e da vida remanescente dos pontos monitorados























PROJETO TURBODIAG

Período 2010-2016

Turbina a Vapor Partes estacionárias e rotativas

Mecanismos de degradação

Fluência

Fadiga de baixo ciclo Termomecânica

Desenvolver e aplicar metodologias de avaliação de vida

remanescente para os componentes mais críticos, considerando-

se os fenômenos de degradação por fluência e fadiga

Produto Software de diagnóstico de turbinas de termelétricas


CHESF

CGTEE

Eletrobrás

Eletronorte

Tractebel Energia

PROJETO TURBODIAG


LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO

ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA

CUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMA

INSTALAÇÃO

MODELAGEM NUMÉRICA

ALGORITMOS DE ANÁLISE

COMPRA DOS SENSORES

IMPLEMENTAÇÃO

ACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOS

SOFTWARE DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICAS

SIMULAÇÃO

INSTRUMENTAÇÃO

PROJETO TURBODIAG


Principais componentes da turbina

Rotor de alta pressão

Rotor de média pressão

Carcaças internas dos rotores de alta e média pressão

Carcaças externas dos rotores de alta e média pressão

Válvulas principais

Palhetas dos rotores de alta e média pressão

Bocais das turbinas de alta e média pressão

Parafusos das carcaças

PROJETO TURBODIAG


Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo

Mathcad Módulos

Dois códigos por componente Fluência e Fadiga

Recebimento e tratamento dos

dados

Biblioteca de materiais e

dados geométricos

Cálculos das grandezas de engenharia

Estimativas de dano acumulado

e vida remanescente

PROJETO TURBODIAG



Cálculo do Dano Total Acumulado e da Vida Remanescente

Teoria de Acúmulo de Dano Linear D= ΦC+ ΦF

Dados de Operação Filtragem dos Dados

Biblioteca de Materiais

Propriedades Termofísicas do

Fluido de Trabalho

Cálculo das Grandezas

de Engenharia

Modelos de Dano e Vida Remanescente

CON

1iiii,R

i

C)σ,T(t

tD

CON

1ii,R

i

FN

ND

∑

PROJETO TURBODIAG


SISTEMA TURBODIAG

Temperatura

Pressão

Deformação

Vazão

Rotação

Vibração

Monitoramento das grandezas em tempo real


SISTEMA TURBODIAG

Evolução do dano em tempo real


Evolução do dano em tempo real

SISTEMA TURBODIAG


CONSIDERAÇÕES FINAIS

Os sistemas de monitoramento desenvolvidos são integrados aos

sistemas supervisórios das usinas;

Os softwares apresentados foram desenvolvidos para

equipamentos específicos, mas são extensivos a qualquer

componente que opera em alta temperatura;

O monitoramento é uma ferramenta da avaliação de integridade

estrutural que deve ser usado em conjunto com inspeções

periódicas de campo;

O monitoramento subsidia o PH a estabelecer a periodicidade das

inspeções de campo.


Heloisa Furtado; Bruno Cardoso; Fernanda Santos [email protected]; [email protected] ; [email protected]

Departamento de Tecnologias Especiais – DTE

Carlos Frederico Matt [email protected]

Departamento de Linhas e Estações – DLE

Diretoria de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação

Obrigado!

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL

mailto:[email protected]




Sensores (termopares) e hardware de aquisição de sinais (módulo FieldPoint da National Instruments)

PROJETO DIATÉRMICA


0 60 0 12 00 18 00 24 00 30 000

20 0

40 0

60 0

Sinal bruto

Sinal filtrado

Temp o [min]

Tem

per

atu

ra [

oC

]

Ts tart

Tend

Tmetal

Tmetalfiltro1

ts tarttend

Tempo Tempofiltro1

0 10 00 20 000

20 0

40 0

60 0

Sinal Filtro 1

Sinal Filtro 2

Tempo [min]

Tem

per

atura

[oC

]

Tmetalfiltro1

Tmetalfiltro2

Tempofiltro1 Tempofiltro2


Filtros de dados de interesse Método da janela móvel

Varredura de uma grandeza Identificação da condição operacional

Exemplo Dados de interesse para fluência

PROJETO TURBODIAG


PROJETO TURBODIAG


Cálculo das grandezas de engenharia

Formulações analíticas

Simulação computacional MEF


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 mestre do parâmetro de Larson-Miller para o aço 1CrMoV

Curva de resistência à fadiga aço 1CrMoV


Modelos de dano

Fluência

Fadiga

PROJETO TURBODIAG

1,00E-01

1,00E+00

1,00E+01

1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05

NR (Ciclos)

t

(%)

Documents

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