D. Pinciroli -Responsabile Ingegneria della Qualità Giornata … · USC Boiler (Bensona carbone) HRSG (Generatori di vapore a recupero -CombinedCycle) WTE (Inceneritori RSU, Biomasse)

Progettazione a creep e a fatica secondo EN12952

Giornata Studio sul CREEP - ISPESL

D. Pinciroli - Responsabile Ingegneria della Qualità

2 Aprile 2009 - ROMA

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Progettazione a creep/fatica secondo EN 12952

Contenuti

1. Cosa sono il Creep e la Fatica per i GV

2. Componenti progettati a creep, a fatica e a creep/fatica

3. Esempi di calcolo secondo EN 12952-3. Criteri di Design e di Material Selection

4. Confronto con le varie normative di progetto sulla valutazione del Creep e Fatica - limiti del Design by formula

5. BSE (Boiler Stress Evaluator) - Two Shift CyclingRetrofit (Part PHRSG - ASME Ed. 2007)

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Attività Ansaldo Caldaie

ANSALDO CALDAIE è una azienda leader nel settore della Power Generation.Tra i suoi Prodotti AC annovera: Utility Boiler (Carbone, Olio, Gas)USC Boiler (Benson a carbone) HRSG (Generatori di vapore a recupero - Combined Cycle)WTE (Inceneritori RSU, Biomasse)Renewable Energy Plant (ex.Solar, Zero Emission - ITEA Oxy CombustionReactor)

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TorreValdaligaTorreValdaliga Nord 660MW Nord 660MW -- USB USB CoalCoal firedfired (3 (3 UnitsUnits))

Vap. Principale

PS(SH)=267barg TS(SH)=613°°°°C

Risurr. Caldo

PS(RH)=75barg TS(RH)=621°°°°C

55


HammHamm UentropUentrop 150MW 150MW -- BensonBenson HRSG (2 HRSG (2 UnitsUnits))

AP

PS(SH)=140barg TS(SH)=575°°°°C

RH

PS(RH)=38barg TS(RH)=575°°°°C

MPPS(SH)=38barg TS(SH)=330°°°°C

BP

PS(SH)= 10barg TS(SH)=250°°°°C

66


AllAll’’internointerno deidei principaliprincipali meccanismimeccanismi didi danneggiamentodanneggiamento a cui a cui sonosono soggettisoggetti i i GeneratoriGeneratorididi VaporeVapore (Utility, USC, GVR, WTE, etc.) (Utility, USC, GVR, WTE, etc.) occupanooccupano un un postiposti didi rilievorilievo ilil Creep e la Creep e la FaticaFatica(LCF (LCF combinatacombinata didi pressionepressione e e temperaturatemperatura). Per ). Per questaquesta ragioneragione, le , le sceltescelte didi progettoprogettosonosono sempresempre pipiùù orientate a orientate a prevenireprevenire e/o e/o limitarelimitare gligli effettieffetti didi questiquesti fenomenifenomeni suglisugliimpiantiimpianti in in esercizioesercizio..


1. Stress Rupture· short term overheating· high temperature high temperature creepcreep ((includingincluding longlongtermterm overheatingoverheating ))· dissimilar metal welds (load distributionand stress accumulation)2. Fatigue· vibration· thermalthermal· corrosion3. Corrosion - Steam/Water-Side· caustic corrosion and oxidation· hydrogen damage· pitting· stress corrosion cracking

4. Corrosion - Fire-Side· type I and II high temperature corrosion· ash deposit (hot corrosion) and erosion· coal ash· oil ash· biofuel ash5. Erosion· fly ash /deposition· falling slag· sootblower· fuel particles: coal, peat6. Lack of Quality Control and Monitoring· maintenance cleaning damage· chemical excursion damage· material defects· welding defects· loss of metal

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Fenomeni di danneggiamento tipici di componenti di caldaia

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Descrizione del fenomeno dello scorrimento viscoso (creepcreep)

Typical Creep-curve(Andrade’s analysis)

In condizioni di sollecitazione costante nel tempo (σσσσ = cost), in fissate condizioni di temperatura e per dati materiali si osserva un allungamento

con velocità di deformazione dεεεε/dt variabile nel tempo che può evolvere sino alla rottura.

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Il fenomeno è molto influenzato dalla temperatura; indicativamente per materiali cristallini, ceramici e polimerici, il campo di temperature in cui il fenomeno del creep è rilevante è di circa 0,3 - 0,6 Tm (Tm temperatura assoluta di fusione).Il fenomeno può essere di due tipi:• short time creep = deformazione del 3% raggiunta entro 10 minuti;• long term creep = deformazione entro 1% raggiunta in 100.000 ore.In generale, gli Acciai al Cromo, al Nickel e al Cobalto resistono meglio al creep; quelli che resistono meno sono i materiali polimerici.Altri problemi connessi con le elevate temperature, come l’interazione con l’ambiente (esempio: in caldaia vi è ossidazione lato vapore e corrosione lato fumi), possono esaltare il fenomeno del creep.

Durante il progetto, si differenzia tutto ciò che viene progettato in regime prettamente elastico (Rp0,2T) da quello che (in funzione della temperatura di progetto) ricade in regime di progettazione a creep.

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PLM (σσσσ) = T (log t r + C)



Il fenomeno ha delle cause fisiche legate alla struttura interna dei materiali (esempio: moto delle dislocazioni) che vengono attivate dalla temperatura. Le equazioni che correlano velocità di deformazione con la temperatura sono del tipo equazione di Arrhenius, equazione di Norton, ecc.

Per il progettista tutto questo si traduce con il ben noto Parametro di Larson-Miller (metodo più comunemente diffuso) che permette di correlare, per ciascun materiale, gli sforzi con la temperatura e la durata prevista:

più è alto il parametro di Larson-Miller e più alta diventa la temperatura massima per una durata fissata; il PLM è quindi un indicatore della resistenza al creep dei materiali.

con C = costante (è funzione del tipo di materiale considerato)

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Descrizione del fenomeno della fatica oligociclica (LCFLCF)

Quando un materiale viene sottoposto a cicli successivi di carico e scarico che superano il limite elastico, inducendo deformazioni di tipi plastico, si parla di materiale sottoposto ad un danneggiamento a fatica. Il numero di cicli a cui può avvenire la deformazione plastica varia da pochissimi a circa 104 - 105 cicli, e in tal caso si definisce questo come il campo della cosiddetta fatica a basso numero di cicli (LCF - Low Cycle Fatigue). Per quanto riguarda i Generatori di Vapore, la fatica può essere legata alle variazioni di temperatura associate alle prese di carico (internal pressure) a cui sono sottoposte le varie membrature a pressione durante l’esercizio di impianto.I materiali tipici di caldaia (che hanno subito trattamento termico di qualità) hanno la tendenza ad addolcire:

•in caso di deformazione imposta la resistenza tende a diminuire nel tempo;•in caso di sforzo imposto la deformazione tende ad aumentare nel tempo.

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I materiali tipici di caldaia (che hanno subito trattamento termico di qualità) hanno la tendenza ad addolcire

1313



Classificazione degli stress cicliciClassificazione degli stress ciclici

1. Cyclic elastic response: non ci sono deformazioni plastiche

2. Cyclic plasticity: il ciclo di deformazione plastico si chiude (isteresi)

3. Ratchetting: la deformazione si incrementa nel tempo

Grafico di composizione del comportamento elasto-plastico(curve tipo Manson-Coffin)

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Il danno da fatica, presente nei componenti di caldaia è“quantificabile” mediante l’utilizzo di metodi di calcolo semplificati (es. EN 12952-3 paragrafo 13) e dipende dalle temperature, dalle differenze delle

temperature ∆∆∆∆T, dalla variazione dei ∆∆∆∆T, dalla pressione interna che determinano la variazione dei valori di stress.

Associando a ciascun tipo di ciclo un ben determinato Stress Range 2f2faadisponibile per il tipo di materiale, giunzione e geometria, possiamo ottenere la stima del numero teorico di cicli massimi disponibile (derivazione dei diagrammi di Wölher).

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CreepCreep--FatigueFatigue InteractionInteraction

In realtà, e per i componenti eserciti ad alta temperatura, i fenomeni del creep e della fatica tendono a sovrapporsi e in qualche modo a sommarsi. Il metodo più semplice e normalmente conservativo per tenere conto dei due effetti è quello appunto di sommarli e fare in modo che la loro somma risulti inferiore ad 1.0

Total Damage (D) = Creep Usage Factor (Dc) + Fatigue Usage Factor (Df) < 1.0

∑=ki ik

ikf N

nD

,∑=

ki ik

ikc T

tD

,

Altri metodi (sia semplificati che analitici) per comporre i due effetti sono disponibili nelle normative internazionali, ad esempio ASME Section III, Division 1 – NH para. NH-3338.

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2. Componenti progettati a creep, a fatica e a creep/fatica


Durante la progettazione, si procede ad una stima della frazione di danneggiamento prevista in particolare per il corpo cilindrico (solo fatica), i collettori e i manifold di uscita vapore SH ed RH (creep-fatica).

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3. Esempi di calcolo EN 12952-3

�La specifica per quanto riguarda il CREEP è molto semplice: 200.000 ore200.000 ore

�Invece, per quanto riguarda la FATICA, le cose si complicano: se il numero di cicli non è stato definito, si utilizzano 2000 cicli2000 cicli del tipo “cold start-up”altrimenti si passa:

�dalle più semplici,

N° of cold start-ups (per 25 years operation) 250

N° of warm start-ups (per 25 years operation) 1125

N° of hot start-ups (per 25 years operation) 6250

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�Alle più complesse!

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• esempio di calcolo a Fatica

• esempio di calcolo a Creep-Fatica

• confronto fra le grandezze in gioco

• criteri di design e di material selection

2020



CORPO CILINDRICO DI ALTA PRESSIONE

Verifica a FATICAPunti limite di progetto (max rate fra 5 ÷ 6 K/min)

I.D.=2000mm; THK.=90mm; Mat.=15NiCuMoNb5; PS=135barg; TS=335°C

2121



2222



DATI DI PROGETTO COLLETTORE

Pressione di progetto = 148 barg

Temperatura di progetto = 565565°°°°°°°°CC

Materiale corpo collettore = ASTM A 335 P91

Diametro esterno = 340 mm

Spessore installato = 33 mm (min)

Efficienza (*) = 0.729

Esempio Collettore SH

(*) questa efficienza definisce il carico di progetto di riferimento; tale carico è applicato ad una zona locale ben precisa in prossimità di una derivazione sul collettore.

2323



RIF. (1)

PS=148barg

TS=565°C

2424



RIF. (2A)

PS=148barg

TS=575°C

RIF. (2B)

PS=132barg

TS=575°C

2525



RIF. (3)

PS=148barg

TS=575°C

L’approccio FFS secondo API 579, per la verifica a creep, sembra dare risultati meno conservativi !

2626



API RP 579 (Metodo FFS); RIF. (3)

65%~ 308.000@575°C (P=PS=148 barg)

EN 12952-4 (con TS(P)); RIF. (2B)

47%~ 423.000@575°C (P=132 barg )

EN 12952-4; RIF. (2A)109%~ 182.000@575°C (P=PS=148 barg)

EN 12952-4; RIF. (1)45%~ 445.000@565°C (P=PS=148 barg)

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Note/Normativa di riferimento

Rapporto (Vita di progetto=200kh /

Vita attesa)

Vita attesa (in ore) al carico

max. calcolato

Temperatura Ammiss./ Pressione

Marca

Verifica a CREEP

Danno cumulativo a Danno cumulativo a CreepCreep ~ 45%~ 45%

2727



Verifica a FATICA

00Load variation6

-61.1415.78Trip and immediate

hot restart5

-47.6415.78Trip and immediate

hot restart4

-13.0715.78Hot start up3

-13.0731.83Hot - warm start up2

-13.0728.85Cold start up1

[K • min -1][K • min -1]##

Cooling rateHeating rateTransientCase

* negligible value less than 0.1%

2.75Cumulative life fraction [%]

0.811000000810000546.00546.00129.608.026

*9079495033.24-15.94546.00264.0057.00515

*10000005022.11-15.94546.00264.0057.0051.004

0.661000000660014.59-15.94546.00264.0057,0051.003

1.06117647125014.59-18.83546.00111.35129.600.502

0.2211307725014.59-23.67546.0015.00129.6001

[%]CyclesCycles[°C][°C][°C][°C][bar g][bar g]#

L fNmaxN∆∆∆∆K∆∆∆∆HTmaxTminPmaxPminCase

Danno cumulativo a Fatica ~ 3%Danno cumulativo a Fatica ~ 3%

2828



CREEP – FATIGUE “Linear” Interaction

Collettore Uscita SH Collettore Uscita SH mkmk.354.354

2929



Principali grandezze in gioco nella progettazione a creep/faticaL’aumento delle temperature di progetto e di esercizio, rende sempre più critico il problema della previsione della vita utile dei componenti di impianto sin dalle prime fasi del progetto. I fenomeni che principalmente combinano i propri effetti alle alte temperature in generale sono il creep, la fatica, l’ossidazione.

Nel caso delle verifiche di fatica su collettori eserciti oltre la temperatura di creep, occorre calcolare entrambi i danneggiamenti stimati e verificare che il total damage

factor risulti comunque inferiore all’unità secondo la EN 12952-4 (ci si può anche riferire alle curve ASME III, Subsection NH per la verifica del danno combinato).

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Per semplicità imponiamo che il carico longitudinale utilizzato nel calcolo sia quello di riferimento per le stress primario di membrana e si ipotizza che localmente, nella realtà, possa essere più basso. Per quanto riguarda lo stress termico, questo dipende in sostanza dal gradiente e dallo spessore^2.

Lo stress termico quindi è tanto più alto (in valore assoluto) quanto più alti sono: lo spessore del fasciame, il ramp rate in start-up o shutdown (°C/m) e il fattore di forma.

Questo rappresenta lo stress (somma di locale di me mbrana + termico) at the crotch corner alla superficie interna e alla intersezione fra il fasciame cilindrico e una apert ura.

Usando l’assunzione semplificata del raggiungimento di una condizione quasi-stazionaria ( ∆T=const. per t →∞→∞→∞→∞ ), il valore della variazione di temperatura consentito viene ca lcolato mediante il corrispondente valore ammissibile di ∆T(stazionario) nel seguente modo:

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I coefficienti di membrana ααααm e di carico termico ααααt.

Il coefficiente per lo sforzo primario di membrana (o stress concentration factor ) può essere misurato oppure calcolato (vedi grafico).

3232



I coefficienti di membrana ααααm e di carico termico ααααt.

3333



Il coefficiente di correzione della temperatura C t*

1-austenitic steel2-ferritic steel

I coefficienti di sicurezza dello Stress Range (S S) e del massimo numero di cicli (S L)

SS = 1,5SL = 10

Le grandezze calcolate vengono confrontate con i dati sperimentali opportunamente modificati da coefficienti di correzione e da fattori di sicurezza.

Il confronto fra lo stress range calcolato e lo stress range sperimentale ci consente di stimare se stiamo lavorando nella zona “Safe” oppure “Unsafe”.

3434



Cosa fa bene alla fatica?

Giunzioni a piena penetrazione

Riduzione degli effetti di intaglio

3535



Materiali per la fatica?

Safe design against fracture!(ndr. mappe di Ashby)

3636



Temperature Temperature RampRamp RateRate realizzati in impianto:

Ad oggi la fatica termica diviene un fattore rilevante nella proAd oggi la fatica termica diviene un fattore rilevante nella proAd oggi la fatica termica diviene un fattore rilevante nella proAd oggi la fatica termica diviene un fattore rilevante nella progettazione di base gettazione di base gettazione di base gettazione di base degli impianti HRSG (in particolare per quelli degli impianti HRSG (in particolare per quelli degli impianti HRSG (in particolare per quelli degli impianti HRSG (in particolare per quelli ““““DrumDrumDrumDrum TypeTypeTypeType””””) che necessitano di ) che necessitano di ) che necessitano di ) che necessitano di frequenti cicli di accensione e spegnimento durante la loro vitafrequenti cicli di accensione e spegnimento durante la loro vitafrequenti cicli di accensione e spegnimento durante la loro vitafrequenti cicli di accensione e spegnimento durante la loro vita utile.utile.utile.utile.

BOILERBOILER Ramp RateRamp Rate Fatigue Fatigue

(CS)(CS) DamageDamage

1) Conventional Boiler (coal): 1,5 / 2 °C/min Negligible

• Conventional Boiler (oil and gas): 1,5 / 2,5 °C/min Negligible

• USC Boiler (coal) - Benson Type: 2 / 3,5 °C/min Negligible

• CCGT HRSG (drum type): 4 / 6 °C/min 50% (Drum)

• CCGT HRSG (Benson type): 6 / 8 °C/min 20% (Steam Separator)

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4. Confronto fra Normative di Progetto


Codici di progetto utilizzati per la verifica Creep-Fatica

CREEP-FATIGUE REFERENCE CODES

TRD 301 Annex1 – Calculation for cyclic loading due to pulsating internal pressure or combined changes of internalpressure and temperatureTRD 508 – Additional Tests on Components, calculated with Time Dependent design strength valuesAPI 530 / ISO 13704 - Petroleum and natural gas industries — Calculation of heater-tube thickness in petroleum refineriesAPI 579-1/ASME FFS-1 2007 - Fitness-For-ServicePD 5500 – British Standard Specification for unfired fusion welded pressure vesselsEN12952-3 - Water-tube boilers and auxiliary installations – part 3: Design and calculation for pressure partsEN12952-4 - Water-tube boilers and auxiliary installations – part 4: In-service boiler life expectancy calculation

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Estratti dal rapporto della American Boiler Manufacturers Association (ABMA), Task Group on Cyclic Service, 2005

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5. BSE e Two Shift Cycling


Il Boiler Stress Evaluator (BSE) è un sistema che raccoglie direttamente dal campo i dati di pressione, temperatura interna fluido, temperatura di “mean wall” e le relative variazioni, necessari al computo del Total Total DamageDamage di un ben preciso punto, di un fissato componente ove il progettista ha previsto esserci il carico massimo e/o la variazione di carico massima.

I BSE possono essere di due tipi:

1) Passivo: si limita a registrare dei dati di campo

2) Attivo: interviene a limitare le rampe di salita e discesa

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I più comuni BSE in commercio hanno la seguente impostazione:

Dal punto di vista puramente teorico la rottura dovrebbe verificarsi per D = 1, ovvero per consumo di vita pari al 100%. In realtà il modello lineare non e’ totalmente corrispondente alla realtà e la rottura spesso avviene in un range di valori D = 0.6÷1.6.Tuttavia, poiché solo la teoria lineare consente di prescindere dalla sequenza con la quale sono applicate le sollecitazioni, questa è alla base della normativa e risulta indispensabile nel caso presente di sistema automatico di calcolo.

I metodi di conteggio tradizionalmente adottati, “range mean” e “rainflow method”, non sono adatti ad un programma di calcolo automatico in linea. Il sistema quindi utilizza il metodo “range.pair” modificato. Il metodo è concettualmente molto semplice: un ciclo viene determinato accoppiando due semicicli aventi pendenza opposta ed estremi circa uguali. I due semicicili possono avere una distanza temporale qualsiasi.

4545



DATI DI INPUT BSE:

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Pagine Video BSE:

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TWO SHIFT CYCLING: NETA (New Electricity Trading Arrangements)

RETROFIT - Come trasformare un HRSG da Baseload Type a Two Shift Cycling Type:

1. Sostituire collettori/barilotti uscita HPSH/RH da P22 a P91; prediligere saldature a piena penetrazione tra tubo-collettore;

2. Installare “stack damper”;

3. Installare barilotti scarico rapido condense al b lowdown (in caso di GT Trip and Hot Restart) sui collettori inferiori (sez ione HPSH/RH) – valvole tipo “quick opening” , azionate dai livelli (come indicato nella applicazione dei requisiti ASME I ed. 2007, part PHR SG);

4. Fare attenzione al tipo e al funzionamento dei DS H installati (water not atomized) ed evitare il formarsi di condense.

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