Analyse thermohydraulique de défaillance de tube de chaudière

Eskom exploite 23 centrales électriques en Afrique du Sud avec une capacité totale de plus de 42 GW. Il fournit environ 95% de toute l'électricité utilisée dans le pays. L'une de ses centrales électriques au charbon connaissait de fréquentes défaillances par fatigue des tubes de la chaudière dans la section de la trémie - la partie inférieure de la chaudière - des six unités.

Les chaudières ont été conçues avec une structure de poutre de support complexe qui berce et entoure la chaudière. Des mécanismes de fixation pivotants existent entre la structure de poutre de support, ou buckstays, et la paroi du tube pour permettre la dilatation thermique tout en fournissant un support adéquat sur les quatre côtés.

La chaudière peut se dilater jusqu'à un mètre vers le bas lors d'une séquence de démarrage. Les haubans se rejoignent aux emplacements de jonction d'angle de la trémie où les parois inclinées et les parois avant/arrière se rejoignent. Ils sont reliés les uns aux autres à l'aide d'éléments articulés appelés liens de connexion de buckstay.

Ces jonctions nécessitent le détournement des tubes de paroi avant/arrière environnants, entraînant des discontinuités dans la disposition des tubes. Des taux élevés de défaillance des tubes ont été identifiés lors de ces manipulations de tubes et les zones ont été considérées comme des emplacements possibles de contraintes élevées.

Une cause présumée des défaillances répétées des tubes (Figure 1) était que le fonctionnement cyclique de l'usine pour s'adapter à l'augmentation des ressources d'énergie renouvelable intermittente et à la réduction de la demande d'électricité pendant les heures creuses provoquait une fatigue cyclique du matériau des tubes. La centrale étant conçue pour un fonctionnement constant à pleine charge, la fatigue cyclique entraînait des dommages aux composants et des problèmes de fiabilité. Les défaillances ont entraîné des arrêts imprévus, des réparations d'urgence et des coûts imprévus.

1. Rupture par fatigue. Cette image montre un emplacement typique de défaillance d'un tube de chaudière dans l'usine appartenant à Eskom. Avec l'aimable autorisation de Flownex SE

On pensait également que l'effet retardé de l'eau de refroidissement fournie entre deux tubes de chaudière adjacents de bancs de tubes différents pourrait être un facteur contribuant à la défaillance par fatigue thermique. L'argument supposait qu'une colonne d'eau de la sortie de l'économiseur atteindrait d'abord la banque de tubes la plus proche, la deuxième banque ensuite, et ainsi de suite. Il a été allégué que cela entraînerait une différence de température de fluide importante entre le tube le plus à l'extérieur du premier banc et le tube adjacent du deuxième banc.

Pour tester les hypothèses, une méthodologie unique d'interaction fluide-structure (FSI) a été développée pour modéliser et prédire la charge de fatigue induite pendant un cycle de démarrage de chaudière. L'écoulement de fluide et le transfert de chaleur ont été modélisés de manière transitoire à l'aide d'un outil de modélisation d'écoulement de tuyau 1-D fourni par Flownex Simulation Environment et validé par rapport à des données expérimentales. Le solveur de flux 1-D était un progiciel de simulations thermo-fluides utilisé pour prédire, concevoir et optimiser les débits, les températures et le transfert de chaleur dans les systèmes de fluides. L'approche de modélisation FSI unidirectionnelle a permis de coupler une charge thermique transitoire, ou toute étape transitoire sélectionnée par l'utilisateur, à un logiciel d'analyse par éléments finis (FEA) 3D fourni par ANSYS pour évaluer la contrainte induite par la chaleur.

La moitié des quatre parois de la trémie de la chaudière ont été modélisées pour obtenir un échantillon représentatif de la section complète de la trémie. Des instruments, y compris des thermocouples et des jauges de contrainte, ont également été installés dans la zone modélisée de la section de la trémie pour obtenir des données mesurées sur l'usine. Le modèle Flownex se composait de 1 219 tubes et 1 858 sommets/nœuds.

La capacité de Flownex à calculer fondamentalement le comportement d'écoulement et de transfert de chaleur du fluide et du matériau de la paroi du tube dans des conditions stables et dynamiques a été considérée comme une solution idéale pour les tests. En utilisant le même profil de température de sortie de l'économiseur que celui obtenu lors de la séquence de mesure de l'usine, ainsi que les propriétés de transfert de chaleur côté gaz ajustées, un scénario de démarrage dynamique a été modélisé pour valider les résultats du modèle par rapport à ceux des données mesurées de l'usine. Un certain nombre d'autres scénarios ont également été modélisés avec succès.

Les résultats obtenus à partir du modèle correspondaient très bien aux données de plantes mesurées (Figure 2). La forte corrélation a permis d'utiliser le modèle pour diverses conditions postulées de la centrale et séquences de fonctionnement. Les résultats de distribution de température de Flownex ont ensuite été importés dans ANSYS, où l'analyse des contraintes structurelles a été effectuée (Figure 3).

2. Validation du modèle Flownex. Les résultats du solveur 1-D (notés FNX Tc13 à FNX Tc16) étaient très étroitement corrélés avec les données des thermocouples installés (notés Tc13 à Tc16). Avec l'aimable autorisation de Flownex SE

3. Procédure de cartographie. Une géométrie de ligne 1D créée dans un progiciel de dessin assisté par ordinateur a été importée dans le logiciel de simulation Flownex pour obtenir des résultats thermiques, qui ont été exportés vers le logiciel ANSYS pour l'analyse des contraintes. Avec l'aimable autorisation de Flownex SE

La méthodologie a permis l'examen de divers scénarios pour évaluer les causes des défaillances sans affecter les opérations de la centrale. Cela a également facilité la modélisation de la structure massive de la chaudière, qui n'aurait pas pu être réalisée de manière économique à l'aide de simulations numériques de dynamique des fluides en 3D.

Les résultats du modèle développé ont indiqué que le retard dans l'approvisionnement en eau entre le tube le plus à l'extérieur du premier banc de tubes et le tube adjacent du deuxième banc n'induisait pas de contraintes perturbatrices comme postulé. Le différentiel de température maximum a été calculé comme n'étant que de 2,2 °C. Cela s'est avéré être dû à la conduction et à l'inertie thermique des parois du tube et de la sangle, ce qui a entraîné une transition en douceur des températures des parois du tube adjacent.

Après avoir exclu les écarts de température extrêmes, les effets des éléments de support structurel sous la forme de plaques de support soudées aux emplacements de jonction des armatures ont été évalués. La méthodologie développée a facilité les comparaisons entre deux cas considérés : d'une part, où les plaques d'articulations coulissantes de la jambe de force étaient présentes, et d'autre part, un cas où ces plaques ont été retirées (Figure 4). En évaluant ces scénarios, le modèle a clairement montré que les contraintes s'aggravaient en présence des plaques.

4. Stressé. Les tracés de contour colorés par la contrainte principale maximale à l'emplacement de la jonction de l'armature sont présentés ici pour les deux cas où la plaque de joint coulissant est présente (à gauche) et retirée (à droite). Avec l'aimable autorisation de Flownex SE

Grâce à ces nouvelles connaissances, Eskom a pu apporter des modifications à la structure de la chaudière pour réduire les contraintes induites. Les plaques ont été retirées, ce qui a considérablement réduit les contraintes sur les parois des tubes sans compromettre l'intégrité de la structure environnante.

Les données initiales prises à la suite de la modification ont indiqué que les contraintes aux endroits auparavant susceptibles d'être endommagés avaient été réduites. Les données de déformation recueillies sur une période de deux ans avant la mise en œuvre de la solution ont été comparées aux données recueillies après les changements. À partir des données moyennées dans le temps, il a été démontré que la déformation moyenne et les charges de fatigue induites par les contraintes ultérieures ont été réduites d'environ 50 %.

La capacité d'éliminer, par simulation, les non-contributeurs à la défaillance et d'identifier de nouveaux mécanismes de défaillance potentiels s'est avérée être un puissant outil d'ingénierie. La méthodologie FSI unidirectionnelle développée s'est avérée efficace pour résoudre les problèmes de charge de fatigue sous contrainte induite par la chaleur résultant d'un flux thermique couplé au fluide. L'obtention d'un champ thermique à partir de la dynamique des fluides computationnelle 3D, telle qu'utilisée pour les conditions aux limites structurelles FEA, n'est pas pratique en raison de la taille des problèmes considérés. Le couplage FSI unidirectionnel 1-D à 3-D n'est pas seulement une alternative réalisable, mais c'est aussi une solution efficace et efficiente.

Des problèmes similaires ont été signalés dans diverses autres centrales électriques d'Eskom. L'identification du principal facteur contribuant à ces contraintes peut conduire à l'atténuation de nombreuses pannes dues aux réparations de défaillances de tubes, ce qui se traduira à son tour par un avantage financier important pour Eskom et une fiabilité améliorée pour les clients. ■

—Marius Botha et Michael P. Hindley étaient membres de l'équipe de test et de développement de la recherche d'Eskom chargée de résoudre le problème de défaillance des tubes de l'usine.

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