Simulasi Thermal Stress pada Tube Superheater Package Boiler

Abstract

This project investigates the thermal stress behavior and the mechanisms of superheater tube failure with experimental method and numerical analysis. First of all the procedures for failure analysis were applied to determine the root cause of them. A visual assessment of boiler critical pressure parts was carried out, and then the failed tube is examined by nondestructive evaluation. For the numerical domain, initially the elastic solution for a superheater tube subjected to an internal pressure is discussed. Next the effects of a temperature gradient across the tube were examined both by itself and in combination with a pressure load. Then the yield pressure load is increased to induce plastic behavior in the tube for an isotropic hardening material. Finally the tube was evaluated using von-Mises yield criteria. Results of the visual examination showed that the clogging inside the header caused by a failed diaphragm affects the imbalance steam flow and makes excessive heat input at the tube wall. The failed tube was characterized by “bulging” and “fish mouth” effects. It is shown that the tube has experienced overheating for a long period of time. The experimental results indicate that the mean diameter and thickness of the failed tube are out of standard. The average hardness on the failure location increases and the remaining elements composition still range as in the appropriate material specification. For the elastic domain, the finite-element models provide excellent correlation with analytical solutions, and tube can still withstand elastic stress. In the combination of temperature and internal pressure, the maximum temperature and heat flux are on the inside of the tube, while the thermal stresses quickly increase and exceed the elastic limit. The effect of strain hardening on the yielding surface is not able to resist the failure due to plastic deformation.

Penelitian ini menginvestigasi perilaku thermal stress dan mekanisme kegagalan tube superheater dengan metode eksperimental dan analisa numerik. Kajian pertama menggunakan prosedur analisa kegagalan untuk menentukan akar penyebab, kemudian tube yang gagal dievaluasi dengan pengujian tak merusak. Untuk analisa numerik, kajian pertama adalah tegangan elastis akibat tekanan internal. Berikutnya efek gradien temperatur dan kombinasi temperatur dengan tekanan internal. Kemudian beban tekanan pada titik mulur dinaikkan untuk menimbulkan perilaku plastis dengan pengerasan regangan material isotropic hardening. Akhirnya tube superheater dievaluasi dengan teori kegagalan von-Mises. Hasil pengamatan visual menunjukkan penyumbatan dalam header akibat diaphragma yang yang telah bergeser dari posisinya menyebabkan temperatur pada dinding tube menjadi naik. Tube yang gagal ditandai dengan "bulging" atau kembung dan adanya efek mulut ikan atau "fish mouth". Gejala ini menunjukkan bahwa tube telah mengalami pemanasan berlebih dalam periode waktu yang lama. Hasil pengujian eksperimental pada tube yang gagal menunjukkan bahwa diameter dan ketebalan rata-rata tidak sesuai dengan standar, kekerasan rata-rata pada lokasi kegagalan meningkat dan komposisi elemen sisa masih sesuai dengan yang tertera dalam spesifikasi material. Untuk tegangan elastis, model elemen hingga memberikan korelasi yang baik dengan solusi analitis, dan tube superheater masih dapat menahan tegangan elastis. Kombinasi temperatur dan tekanan internal menunjukkan temperatur dan fluks panas maksimum terjadi di bagian dalam tube, sedangkan thermal stress meningkat tajam dan mencapai batas elastis. Pengaruh strain hardening pada permukaan mulur tidak mampu menghambat kegagalan akibat deformasi plastis.