Comportamento a creep e fatica di componenti ad alto spessore di generatori di vapore ultra supercritici

The present energy market requirements, in terms of efficiency, flexibility and low environmental effects, lead to complexity in the design and operation of modern Ultra-Supercritical (USC) power plants. Such demands are reflected on the rise of the maximum values of steam temperature and pressure describing the thermal cycle and imply more severe cyclic operations, with serious influence on the design of the boiler's most critical components. This Thesis deals with the Creep-Fatigue analysis of the final superheater's outlet header belonging to an USC power plant. Traditional codes (EN 12952) established to design such components, which have been completely reviewed in this work, show limits as a consequence of the calculation procedures' simplifications, whose results exceed in conservatism. This study is aimed to the development of an alternative method, according to a design by-analysis approach, which is based on the use of the Finite Element software ABAQUS to model the header and to simulate the operating conditions, and is based upon a complete characterization of the material's properties, in this case ASME Grade 92 steel. The statistical approach to experimental data is a crucial point of this work, enabling a correct determination of the material's design properties. This analysis is also reinforced with a definition of the steam parameters during load variations based on the in-field collection of data relating to a plant in operation. All the elements belonging to this by-analysis procedure determine a global damage with a lower value compared to that assessed with EN 12952, underlining that the analysis here developed could be suitable to test and allow more severe operating conditions.

I requisiti del moderno mercato di produzione dell'energia elettrica, in termini di efficienza, flessibilità ed impatto ambientale, determinano complessità nella progettazione e nell'esercizio delle moderne centrali a vapore Ultra-Supercritiche (USC). Queste esigenze si traducono direttamente nell'aumento dei livelli di temperatura e pressione del ciclo termodinamico ed in un esercizio caratterizzato da transitori più frequenti e severi, con profonde ripercussioni sulla progettazione dei componenti più critici del generatore di vapore. A tale proposito in questo lavoro si affronta lo studio del danneggiamento a Creep e Fatica del collettore d'uscita del surriscaldatore finale di un generatore di vapore USC. I tradizionali approcci codificati (EN 12952) per la progettazione di componenti di questa tipologia, ripercorsi in questa sede, dimostrano limiti conseguenti alle semplificazioni contemplate dalle relative procedure di calcolo, i cui risultati sono eccessivamente conservativi. Il presente studio sviluppa una metodologia alternativa di tipo by-analysis, fondata sull'utilizzo del software agli elementi finiti ABAQUS per la simulazione delle condizioni d'esercizio mediante la modellazione del componente e su un'ampia caratterizzazione del comportamento meccanico del materiale, l'acciaio ASME Grade P92. La rielaborazione statistica dei dati sperimentali raccolti ha ricoperto un ruolo centrale nel lavoro, consentendo di determinare le proprietà limite del materiale. Inoltre l'analisi è stata consolidata tramite la definizione dei parametri d'impianto in fase di transitorio, basata sulla raccolta in campo di dati relativi al funzionamento di un generatore di vapore in esercizio. Tutti gli elementi che costituiscono la procedura by-analysis concorrono ad ottenere un danneggiamento globale inferiore a quanto valutato mediante EN 12952, indicando come l'analisi sviluppata possa essere adeguata per determinare l'ammissibilità di condizioni d'esercizio più severe.