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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
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EXPECTATIVA DE VIDA ÚTIL DE UTE’s
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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.
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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
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Avaliação de Integridade Estrutural e Cálculo da Vida Remanescente em Usinas Termelétricas
INÍCIO: 1992
FURNAS
Usina de Santa Cruz e
Campos
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HISTÓRICO
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Avaliação de Integridade Estrutural e Cálculo da Vida Remanescente em Usinas Termelétricas
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HISTÓRICO
DADOS
24 anos de experiência;
98 avaliações de integridade;
Média: 4 avaliações / ano
CLIENTES
CEMIG
CHESF
CGTEE
ELETRONORTE
FURNAS
TRACTEBEL
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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
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GESTÃO DE ATIVOS FÍSICOS
Público-Alvo: Engenharia de
Manutenção e Operação de
Usinas
OBJETIVO
PRODUTO: SOFTWARE
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BENEFÍCIOS
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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.
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Previsão da Vida Remanescente de
Componentes de Turbinas a Vapor a
partir da Monitoração em Tempo Real de
Grandezas Específicas
Equipamento-Alvo: Turbina
Previsão da Vida Remanescente de
Equipamentos de Usinas Termelétricas a
partir da Monitoração em Tempo Real de
Temperatura e Pressão
Equipamento-Alvo: Caldeira/Reaquecedor
Diatérmica (2004-2006)
Turbodiag (2010-2016)
PROJETOS PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA
Monitermo (2007-2011)
Previsão da Vida Remanescente de
Equipamentos de Usinas Termelétricas
com Foco na Monitoração em Tempo Real
da Taxa de Deformação
Equipamento-Alvo: Tubulações Principais
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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
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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)
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MODELAGEM COMPUTACIONAL – PREVISÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS
PROJETO DIATÉRMICA
oitubo
tubo RrRdr
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dr
d
r
,0
1
42
42 OHtRriiOHtRrii
tRr
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oooo
oo
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PROJETO DIATÉRMICA
MODELAGEM COMPUTACIONAL – PREVISÃO DO CAMPO DE TENSÕES
ip
r )(
i
r
p
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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t
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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
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SISTEMA DIATÉRMICA
INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): SISTEMA DE ALARMES
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SISTEMA DIATÉRMICA
INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): FERRAMENTAS DE PROCESSAMENTO DOS SINAIS COLETADOS
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Número do Tubo
Nome do Tubo
Vida Remanescente
SISTEMA DIATÉRMICA
INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): ESTIMATIVA DE VIDA REMANESCENTE À FLUÊNCIA
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Previsão da Vida Remanescente de
Componentes de Turbinas a Vapor a
partir da Monitoração em Tempo Real de
Grandezas Específicas
Equipamento-Alvo: Turbina
Previsão da Vida Remanescente de
Equipamentos de Usinas Termelétricas a
partir da Monitoração em Tempo Real de
Temperatura e Pressão
Equipamento-Alvo: Caldeira/Reaquecedor
Diatérmica (2004-2006)
Turbodiag (2010-2016)
PROJETOS PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA
Monitermo (2007-2011)
Previsão da Vida Remanescente de
Equipamentos de Usinas Termelétricas
com Foco na Monitoração em Tempo Real
da Taxa de Deformação
Equipamento-Alvo: Tubulações Principais
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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.
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Clientes
CHESF
CGTEE → Laboratório de Campo
ELETROBRÁS
ELETRONORTE
FURNAS
PROJETO MONITERMO
Caldeira 3 da Usina PRESIDENTE MÉDICI
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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
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ANÁLISE DAS TENSÕES
Definição dos pontos de instalação dos sensores
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ESCOLHA SENSOR UTILIZADO
DESAFIO EXPERIMENTAL: MEDIR DEFORMAÇÃO EM ELEVADA TEMPERATURA (>450ºC)
→ Características desejáveis
- Estabilidade - Robustez - Precisão
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KYOWA HPI SJB
O extensômetro elétrico é um elemento sensível que transforma
pequenas variações de dimensões em variações equivalentes de sua
resistência elétrica.
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Kyowa
HPI
ESCOLHA SENSOR UTILIZADO
Foram realizados diversos testes em laboratório
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KYOWA - KHCM-10-120-G15-11 C2M
ESCOLHA SENSOR UTILIZADO
Sensor escolhido: KYOWA
Encapsulado
Robusto
Maior confiabilidade
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Foram soldados 34 sensores, distribuídos em 17 pontos de medição
INSTALAÇÃO EM CAMPO
Soldagem dos extensômetros
Instalação dos termopares
Instalação dos armários
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INSTALAÇÃO EM CAMPO
Microestrutura degradada
→ MICROTRINCAS
Réplicas metalográficas
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PROGRAMA MONITERMO
- Análise dos dados
- Cálculo do tr
(Monkman-Grant e Larson-Miller)
- Cálculo do dano acumulado
PROCESSAMENTO
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PROGRAMA MONITERMO
Tela de visualização dos dados de aquisição em tempo real
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PROGRAMA MONITERMO
Tela do módulo de serviços, mostrando valor do dano acumulado e da vida remanescente dos pontos monitorados
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Previsão da Vida Remanescente de
Componentes de Turbinas a Vapor a
partir da Monitoração em Tempo Real de
Grandezas Específicas
Equipamento-Alvo: Turbina
Previsão da Vida Remanescente de
Equipamentos de Usinas Termelétricas a
partir da Monitoração em Tempo Real de
Temperatura e Pressão
Equipamento-Alvo: Caldeira/Reaquecedor
Diatérmica (2004-2006)
Turbodiag (2010-2016)
PROJETOS PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA
Monitermo (2007-2011)
Previsão da Vida Remanescente de
Equipamentos de Usinas Termelétricas
com Foco na Monitoração em Tempo Real
da Taxa de Deformação
Equipamento-Alvo: Tubulações Principais
Fórum de Integridade| Setembro 2016
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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
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CHESF
CGTEE
Eletrobrás
Eletronorte
Tractebel Energia
PROJETO TURBODIAG
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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
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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
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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
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Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo
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
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SISTEMA TURBODIAG
Temperatura
Pressão
Deformação
Vazão
Rotação
Vibração
Monitoramento das grandezas em tempo real
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SISTEMA TURBODIAG
Evolução do dano em tempo real
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Evolução do dano em tempo real
SISTEMA TURBODIAG
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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.
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Heloisa Furtado; Bruno Cardoso; Fernanda Santos heloisa@cepel.br; brunorc@cepel.br ; nandafms@cepel.br
Departamento de Tecnologias Especiais – DTE
Carlos Frederico Matt cfmatt@cepel.br
Departamento de Linhas e Estações – DLE
Diretoria de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação
Obrigado!
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL
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Sensores (termopares) e hardware de aquisição de sinais (módulo FieldPoint da National Instruments)
PROJETO DIATÉRMICA
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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
Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo
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
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PROJETO TURBODIAG
Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo
Cálculo das grandezas de engenharia
Formulações analíticas
Simulação computacional MEF
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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
Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo
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
(%)