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ANÁLISIS DE FLEXIBILIDAD DE LA TUBERÍA DE VAPOR PRINCIPAL, EN UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA.

AUTOR Jesús Zárate Flores

Ingeniero I Comisión Federal de Electricidad

jesus.zarate@cfe.gob.mx Av. Apaseo Ote s/n, Cd. Industrial, C.P 36541 Irapuato, Guanajuato,

México.

COAUTOR José M. Gamero Arroyo

Ingeniero III Comisión Federal de Electricidad

manuel.gamero@cfe.gob.mx Av. Apaseo Ote s/n, Cd. Industrial,

C.P 36541 Irapuato, Guanajuato,

México.

RESUMEN

En el presente trabajo se describe el comportamiento por expansión térmica de la tubería

de vapor principal, que comprende la trayectoria desde la salida del generador de vapor al

turbogrupo. Después de haber realizado el cambio de soportes por mantenimiento, ha

presentado desviaciones que actúan como cargas adicionales perjudiciales e incontroladas

en el sistema y en especial en las conexiones con los equipos, debido a las fuerzas y

momentos que se generan al impedir su expansión. Estas cargas se han traducido en flexión

de algunos elementos estructurales, amortiguadores hidráulicos y el giro de las válvulas de

paro principales; lo que puede generar vibraciones en la turbina de vapor [1]. Se presenta

una propuesta que permite, controlar la expansión sin efectos adversos sobre los soportes,

elementos estructurales o equipos, auxiliándonos de la herramienta de modelado por

elemento finito: AutoPIPE®.

PALABRAS CLAVE Análisis, flexibilidad, tuberías, críticas.

NOMENCLATURA

AM Amortiguador hidráulico.

C Soporte de carga constante

CFE Comisión Federal de Electricidad.

E Dirección cardinal este.

LAPEM Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales.

N Dirección cardinal norte.

O Dirección cardinal oeste.

R Restricción mecánica.

S Dirección cardinal sur.

VP Vapor principal.

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INTRODUCCIÓN El diseño y mantenimiento de tuberías para alta presión y temperatura, es un punto crítico

en el desarrollo de un proyecto para la generación de energía eléctrica por medio de vapor,

y es imperativo tener especial cuidado en aspectos tales como: la expansión térmica, la

concentración de esfuerzos, el peso de la tubería, la selección y localización de los soportes

en la estructura y las cargas en las conexiones con los equipos.

El análisis de flexibilidad tiene por objetivo cuantificar los esfuerzos causados por la

dilatación térmica; permiten calcular con buena exactitud: el esfuerzo interno, las fuerzas y

los momentos que genera la tubería hacia la estructura que la soporta y hacia los equipos

conectados a ella. Estos esfuerzos, fuerzas y momentos son comparados contra los

esfuerzos máximos admisibles del material y contra los valores de norma que rigen los

equipos y lo permitido por las estructuras, para determinar la condición del sistema. [2].

ANTECEDENTES Las centrales generadoras de electricidad actualmente instaladas en nuestro país, con más

de 25 años de operación han optado, en algunos casos, dependiendo de las condición de los

soportes que dan sustento a los sistemas de tuberías críticas, realizar su remplazo; haciendo

un intercambio que podríamos denominar de "soporte por soporte", es decir; se remplaza el

soporte antiguo con uno nuevo de características iguales o similares, en cuanto a carga y

desplazamiento, buscando conservar la condición original de la tubería; sin embargo, para

este caso de estudio, la estructura del generador de vapor presenta una deformación

permanente en el punto de contacto con la tubería de vapor principal; se ha dañado uno de

los amortiguadores hidráulicos cercano a la conexión con el turbogenerador y la válvula de

paro principal izquierda se encuentra desplazada angularmente (ver fig. 2c); lo anterior

podría provocar daños a la tubería o efectos adversos en el turbogenerador, por lo que se ha

efectuado el análisis de flexibilidad para determinar el estado de esfuerzo y deformación

bajo la condición actual, de la tubería de vapor principal.

METODOLOGÍA El análisis de flexibilidad se ha desarrollado con base en el procedimiento interno No.

K3331207: "Evaluación de los soportes, anclajes y la flexibilidad de los sistemas de

tuberías de las centrales generadoras", de nuestra empresa, llevando a cabo las actividades

que a continuación se describen:

Se revisaron los planos de fabricación y montaje de la tubería para corroborar que los

elementos que la constituyen: tubos, codos, reducciones, accesorios en general, soportes,

entre otros, corresponden con los instalados; poniendo particular atención al tipo de

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soportes y su localización en la tubería. La Figura 1, presenta esquemáticamente la línea de

vapor principal considerada para el análisis.

Figura 1.- Esquema general de la línea de vapor principal.

La tubería está constituida por los elementos que se listan en la Tabla 1 y fabricada, en

acero al carbono A335-P22, para soportar una presión de diseño de 139.63 kg/cm2 y

546.11°C.

Tabla 1.- Lista de materiales para la tubería de vapor principal.

No. Cantidad Diámetro Descripción

1 41 m 16" Tubo s/c, A335 P22, ced. 1.850".

2 38 m 14" Tubo s/c, A335 P22, ced. 1.615".

3 1 pza. 16" Codo 90° R=5D, A335 P22.

4 1 pza. 14" Codo 90° R=5D, A335 P22.

5 1 pza. 14" Codo 45° R=5D, A335 P22.

6 1 pza. 16" Tee recta, A335 P22.

7 1 pza. 16"x14" Reducción excéntrica, A335 P22.

8 2 pzas. 16"x14" Reducción concéntrica, A335 P22

9 2 pzas. 14"x12" Reducción concéntrica, A335 P22,

10 1 pza. 16" Codo de 90°, radio largo., A335 P22, ced. 1.850"

11 2 pzas. 14" Codo de 90°, radio largo., A335 P22, ced. 1.615"

12 2 pzas. 12" Codo de 90°, radio largo, A335 P22, ced. 1.474"

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La tubería cuenta con 21 puntos de apoyo: 14 con soportes de carga constante (C), 5 con

amortiguadores hidráulicos (AM) y 4 con restricciones mecánicas (R); los datos de carga y

desplazamiento se presentan en la Tabla 2 y han sido obtenidos de las placas de datos de

cada uno de los soportes. La ubicación de los soportes de carga constante y amortiguadores

hidráulicos corresponden, a lo indicado en el plano de fabricación de la tubería.

Tabla 2.- Datos de placa de los soportes en la línea de vapor principal.

Orientación

No. De soporte

Tipo

Soportes de carga constante

Carga

calibrada

(kN)

Recorrido total

mm Dirección

― VP-01 AM 100 150 ―

― VP-02 C 15.65 42 ↓

― VP-03 (2) C 7.72

3.46

41

41 ↓

― VP-04 C 27.3 57 ↓

E-O VP-05 R ― ― ―

― VP-06 (2) C 15.59

6.89

46

46 ↓

― VP-07 C 13.29 47 ↓

― VP-08 AM 100 150 ―

N-S VP-09 R ― ― ―

45° N-S

45° E-O VP-10 R ― ― ―

― VP-11 (2) C 27.10

27.10

147

147 ↓

― VP-12 (2) C 21.77

21.77

204

204 ↓

E-O VP-13 AM 46 150 ―

― VP-14 (2) C 21.42

21.42

166

166 ↓

― VP-15 (2) C 18.10

18.10

107

107 ↓

N-S VP-16 AM 100 150 ―

E-O VP-17 AM 100 150 ―

N-S VP-18 R ― ― ―

― VP-19 (2) C 10.7

10.7

77

77 ↓

― VP-20(2) C 59.58

59.58

52

52 ↓

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― VP-21 (2) C 59.58

59.58

52

52 ↓

Durante la inspección de la tubería en campo, cuyo propósito es encontrar y registrar las

desviaciones tales como corrosión, interferencia tanto de soportes como de las boquillas de

equipos, aislamiento dañado, varillas dobladas, pasadores rotos, elementos estructurales

dañados o fracturados, orejetas sueltas en las vigas, incorrecta colocación de pernos de

anclaje, entre otros, se encontró un elemento estructural flexionado al igual que la orejeta

del amortiguador hidráulico VP-17, la válvula de paro principal izquierda presenta una

desviación angular de su posición vertical, como se puede observar en fotografías de la

Figura 2.

(a) Flexión de la orejeta del amortiguador hidráulico, VP-13.

(b) Flexión del elemento estructural comprendido entre los soportes VP-16 y VP-17.

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(c) Giro de la válvula de paro principal izquierda.

Figura 2.- Principales desviaciones encontradas en los elementos estructurales y componentes de la

tubería de vapor principal.

Uno de los datos más importantes requerido para el análisis de flexibilidad, es el

desplazamiento de la tubería en las conexiones con el generador de vapor y como con el

turbogenerador, desgraciadamente la central ya no cuenta con la información del fabricante,

por lo que para determinarlo se marcaron puntos específicos en la tubería y cercanos a las

conexiones; la posición de estos puntos de medición se registró, tanto en la condición en

operación como en la condición fuera de operación, y a partir de aquí, se estimaron los

valores de desplazamiento, dichos valores se indican en la Tabla 3.

Tabla 3.- Valores de desplazamiento entre la tubería y las conexiones con el generador de vapor y el

turbogenerador.

Generador de vapor X [mm] Y[mm] Z[mm]

G01 -36 45 34

G02 36 45 34

Turbogenerador X [mm] Y[mm] Z[mm]

T01 -12 -50 5

T02 -12 -50 -20

Con la información técnica y los datos obtenidos en campo, se desarrolló el modelo de la

tubería que se muestra en la Figura 3, de acuerdo a lo que establece el código ASME B31.1

(apartado 100), empleado el software de AutoPIPE®.

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Figura 3.- Modelo de la tubería de vapor principal.

RESULTADOS La Figura 4, muestra el desplazamiento por expansión térmica de la tubería, los valores

obtenidos para cada uno de los puntos de apoyo se indican en la Tabla 4.

Figura 4.- Desplazamiento por expansión térmica, en la tubería de vapor principal.

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Tabla 4.- Desplazamiento por expansión térmica en la tubería de vapor principal.

Punto Desplazamiento [mm] Rotación [grados]

X Y Z R X Y Z R

G01 -36 45 34 66.91 0 0 0 0

G02 36 45 34 66.91 0 0 0 0

P01 -43.51 45.27 34.77 71.77 0.12 0.08 -0.02 0.14

P02 -57.76 67.96 11.44 89.92 0.4 -0.01 0.15 0.42

P03 -36.46 84.53 9.94 92.59 0.23 -0.16 0.19 0.33

P04 -18.69 84.24 6.1 86.51 0.04 -0.04 0.12 0.13

P05 -0.45 89.1 13.85 90.17 0.17 0.07 -0.11 0.21

P06 29.74 75.6 5.73 81.44 0.24 0.13 -0.24 0.37

P07 51.05 59.21 8.76 78.67 0.28 0.03 -0.17 0.33

P08 43.51 44.94 34.2 71.29 0.09 -0.02 -0.01 0.09

P09 -8.6 48.18 0 48.94 0.2 0.05 0.11 0.24

P10 1.15 -0.58 -1.15 1.72 -0.7 0.17 0.07 0.73

P10A 1.42 -2.08 1.42 2.9 -0.78 0.17 0.07 0.8

P11 2.54 -9.5 17.95 20.46 -1.11 0.19 0.06 1.13

P12 -10.87 -121.32 144.1 188.68 -0.79 0.31 0.06 0.86

P13 -43.26 -154.2 98.75 188.16 0.1 0.28 0.12 0.31

P14 -48.14 -151.53 90.88 183.14 0.2 0.26 0.12 0.35

P15 -62.68 -128.39 61.14 155.41 0.44 0.16 0.16 0.5

P16 -66.38 -115.15 48.76 141.58 0.48 0.1 0.17 0.52

P17 -66.66 -70.43 4.11 97.06 0.33 -0.03 0.15 0.36

P18 -66.37 -67.85 0.57 94.91 0.31 -0.04 0.14 0.34

P19 -64.03 -58.2 -15.7 87.94 0.22 -0.1 0.08 0.25

T01 -12 -50 5 51.66 0 0 0 0

T02 -12 -50 -20 55.17 0 0 0 0

La Figura 5, ilustra los valores de esfuerzo a los que se somete la tubería con la

configuración que presenta. El valor más alto de esfuerzo es de 2890.1 kg/cm2, en la zona

de los puntos 10 y 11, la razón de esfuerzos, es decir, el cociente entre el esfuerzo aplicado

y el esfuerzo permisible (2890.1/1726.7) es de 1.67, superior a lo que establece el código

ASME B31.1, y que no necesariamente significa una falla en el sistema, pero si un punto de

análisis, en virtud de que la tubería está sometida a esfuerzos superiores a los permitidos

por el código. La Tabla 5 lista los esfuerzos en cada uno de los puntos de apoyo. En la

válvula de paro principal del lado izquierdo (punto T01), la razón de esfuerzos alcanza

valores de hasta 0.90.

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Figura 5.- Esfuerzos por expansión térmica en la tubería de vapor principal.

Tabla 5.- Valores de esfuerzos en la tubería de vapor principal.

Punto Esfuerzo aplicado Esfuerzo permisible

Razón de esfuerzos kg/cm2 kg/cm2

G01 856.9 1458.54 0.59

G02 454.5 1458.54 0.31

P01 648.93 1458.54 0.44

P02 415.64 1458.54 0.28

P03 370.02 1458.54 0.25

P04 238.74 1458.54 0.16

P05 484.91 1458.54 0.33

P06 101.46 1458.54 0.07

P07 263.22 1458.54 0.18

P08 449.81 1458.54 0.31

P09 729.3 1458.54 0.5

P10 2842.43 1724.53 1.65

P10A 2889.97 1726.72 1.67

P11 2223.63 1749.12 1.27

P12 1437.38 1458.54 0.99

P13 803.26 1458.54 0.55

P14 699.02 1458.54 0.48

P15 361.83 1458.54 0.25

P16 299.74 1458.54 0.21

P17 359.04 1458.54 0.25

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P18 353.51 1458.54 0.24

P19 385.4 1458.54 0.26

T01 1306.4 1458.54 0.90

T02 934.7 1458.54 0.64

De los gráficos presentados y de los datos registrados en las Tablas 4 y 5, se determina que

los mayores esfuerzos se presentan en los puntos 10 y 11, entre los soportes VP-10(R) y

VP-11(C), y en esta zona también se presentan los menores desplazamientos por expansión

térmica.

Por lo anterior se propone retirar la restricción mecánica VP-10(R), (ver Figura 6),

instalada en el punto 10, los resultados en cuanto a desplazamiento y esfuerzo se muestran

en las Figuras 7 y 8; los valores para los puntos de apoyo o soporte se listan en las Tablas 6

y 7.

Figura 6.- Restricción mecánica VP-10.

VP-10

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Figura 7.- Valores de desplazamiento por expansión térmica, retirando la restricción mecánica VP-10.

Tabla 6.- Valores de desplazamiento por expansión térmica, retirando el soporte VP-10(R).

Punto Desplazamiento [mm] Rotación [grados]

X Y Z R X Y Z R

G01 -36 45 34 66.91 0 0 0 0

G02 36 45 34 66.91 0 0 0 0

P01 -43.5 44.99 33.59 71.02 0.01 -0.04 0 0.04

P02 -54.96 46.05 6.65 72.01 0.02 0.06 0.04 0.08

P03 -36.25 48.87 -8.05 61.37 -0.01 0.14 0.06 0.15

P04 -21.09 43.25 -17.74 51.28 -0.07 0.07 0.08 0.13

P05 -0.26 52.2 -11.89 53.54 -0.01 -0.06 0 0.06

P06 29.88 50.47 -5.01 58.86 0.02 -0.11 -0.04 0.12

P07 49.61 47.64 7.38 69.17 0.05 -0.01 -0.03 0.06

P08 43.5 45 33.75 71.11 0.02 0.02 0 0.03

P09 -14.84 7.16 0 16.48 -0.43 0.11 0.05 0.44

P10 -15.76 -41.69 79.07 90.77 -0.84 0.16 -0.05 0.86

P10A -15.94 -43.19 82.02 94.05 -0.84 0.16 -0.05 0.86

P11 -16.86 -50.61 96.59 110.34 -0.84 0.16 -0.06 0.86

P12 -35.42 -119.06 144.42 190.49 -0.23 0.21 -0.04 0.32

P13 -56.09 -120.05 98.68 165.21 0.18 0.17 0.01 0.24

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P14 -59.01 -116.45 90.78 159.01 0.22 0.15 0.02 0.27

P15 -67.06 -97.55 60.99 133.17 0.32 0.08 0.05 0.33

P16 -68.7 -88.48 48.62 122.11 0.32 0.04 0.06 0.33

P17 -66.03 -60.42 4.03 89.59 0.2 -0.03 0.06 0.21

P18 -65.75 -58.89 0.49 88.27 0.18 -0.04 0.06 0.19

P19 -63.68 -53.33 -15.74 84.54 0.12 -0.09 0.03 0.15

T01 -12 -50 5 51.66 0 0 0 0

T02 -12 -50 -20 55.17 0 0 0 0

Figura 8.- Esfuerzo por expansión térmica de la tubería de vapor principal, retirando el soporte VP-

10(R).

Tabla 7.- Valores de esfuerzo por expansión térmica, sin la instalación del soporte VP-10(R).

Punto Esfuerzo aplicado Esfuerzo permisible

Razón de esfuerzo

kg/cm2 kg/cm2

G01 332.52 1458.54 0.23

G02 212.68 1458.54 0.15

P01 147.73 1458.54 0.1

P02 226.49 1458.54 0.16

P03 141.28 1458.54 0.1

P04 233.69 1458.54 0.16

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P05 260.52 1458.54 0.18

P06 68.09 1458.54 0.05

P07 178.8 1458.54 0.12

P08 135.15 1458.54 0.09

P09 922.51 1458.54 0.63

P10 98.66 1458.54 0.07

P10A 82.01 1458.54 0.06

P11 108.87 1458.54 0.07

P12 680.06 1458.54 0.47

P13 363.99 1458.54 0.25

P14 315.45 1458.54 0.22

P15 195.21 1458.54 0.13

P16 204.21 1458.54 0.14

P17 235.26 1458.54 0.16

P18 229.78 1458.54 0.16

P19 311.83 1458.54 0.21

T01 944.1 1458.8 0.65

T02 942.9 1458.8 0.65

El esfuerzo máximo registrado es de 944.1 kg/cm2, en el punto T01 que corresponde a la

válvula de paro principal del lado izquierdo, la razón de esfuerzo es de 0.65. Los valores de

esfuerzo con la nueva configuración de la tubería, comparados contra los valores en la

configuración actual, han disminuido hasta en un 61%, en los puntos de conexión con el

generador de vapor; en el turbogenerador en la válvula de paro principal del lado izquierdo

disminuyeron los esfuerzos en un 27.78%. Los puntos 10 y 11 que presentaban una razón

de esfuerzos de 1.67 y 1.27 respectivamente, alcanzan valores de 0.06 y 0.07. La Tabla 8

resume lo anterior.

Tabla 8.- Comparativo de los valores de esfuerzo.

Punto

Configuración actual Configuración propuesta % Reducción de

la razón de

esfuerzo Esfuerzo

aplicado

Razón de

esfuerzo

Esfuerzo

aplicado

Razón de

esfuerzo

G01 856.9 0.59 332.52 0.23 61.02

G02 454.5 0.31 212.68 0.15 51.63

P10 2889.97 1.67 82.06 0.06 96.40

P11 2223.63 1.27 108.87 0.07 94.48

T01 1306.4 0.90 944.1 0.65 27.78

T02 934.7 0.64 942.9 0.64 0.0

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CONCLUSIONES La tubería de vapor principal en la condición actual presenta, en los puntos de apoyo 10 y

11 niveles de esfuerzo superiores en un 67% a los permitidos por el código ASME B31.1,

empleado para desarrollar el análisis de flexibilidad aquí descrito; lo que no necesariamente

indica una falla en el sistema, pero si un punto de análisis, ya que se están generando

fuerzas que podrían en un momento determinado, provocar una avería de graves

consecuencias.

Los esfuerzos se generan debido a que se impide el desplazamiento por expansión térmica

en los puntos antes mencionados. Una vez que se retira la restricción mecánica VP-10 y la

tubería está libre para expandirse, la condición de esfuerzos mejora considerablemente.

En los puntos 10 y 11 que presentaban los mayores esfuerzos, estos disminuyen hasta en un

96%, mientras que en la válvula de paro principal del lado izquierdo, que presentaba

valores de esfuerzo con una razón de 0.90, disminuyen a 0.65, lo que representa un 27%.

Las conexiones con el generador de vapor presentan una disminución de hasta el 61%.

La configuración propuesta permite abatir los niveles de esfuerzo en la tubería y en las

conexiones con el generador de vapor y con el turbogenerador, por lo que representa una

alternativa para corregir las desviaciones encontradas durante la inspección del sistema de

tubería.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos al Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales de la Comisión Federal de

Electricidad, nuestro centro de trabajo, por darnos la oportunidad y el tiempo para el

desarrollo del presente proyecto. De manera muy particular agradecemos al Ing. Francisco

Vital Flores, Jefe del Departamento de Evaluación de Equipos Electromecánicos y al Ing.

Francisco Reyes Rodríguez, Jefe de la Oficina de Sistemas Mecánicos, por su apoyo y

sobre todo por su motivación para escribir el resultado del análisis realizado.

REFERENCIAS

[1] Corasi, S.A; 2007, “Elementos de Diseño para el Cálculo de Flexibilidad en Tuberías y

Aplicación de Compensadores de Dilatación”; Talleres Workshops; Coprnella de

Llobregat; Barcelona, España.

[2] Urrieta Acosta C.J.; 2009; “Análisis Estático de Flexibilidad de la Línea de Crudo de

Destilación Atmosférica DA-1 de la Refinería de Puerto la Cruz”; Escuela de ingeniería y

ciencias aplicadas, Universidad de oriente; Puerto la Cruz; Venezuela.