A maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios e três turbinas LP paralelas de vários estágios, um gerador principal e um excitador. A turbina HP geralmente é uma turbina de reação de fluxo duplo com cerca de 10 estágios com pás envoltas e produz cerca de 30-40% da potência bruta da unidade da usina. As turbinas LP são geralmente turbinas de reação de fluxo duplo com cerca de 5-8 estágios (com lâminas envoltas e com lâminas independentes dos últimos 3 estágios). As turbinas LP produzem aproximadamente 60-70% da potência bruta da unidade da usina. Cada rotor de turbina é montado em dois rolamentos, ou seja, existem rolamentos duplos entre cada módulo de turbina. A gama de ligas usadas em turbinas a vapor é relativamente pequena, em parte devido à necessidade de garantir uma boa combinação de propriedades térmicas, como expansão e condutividade, e em parte devido à necessidade de resistência a altas temperaturas a um custo aceitável.
- Material para rotores de turbina. Os rotores das turbinas a vapor são geralmente feitos de aço de baixa liga. O papel dos elementos de liga é aumentar a temperabilidade para otimizar as propriedades mecânicas e tenacidade após o tratamento térmico. Os rotores ou são necessários para lidar com as mais altas condições de vapor, portanto, a liga mais comumente usada é o aço CrMoV.
- Material para caixa. As carcaças das turbinas a vapor normalmente são grandes estruturas com formas complexas que devem fornecer a contenção de pressão para a turbina a vapor. Devido ao tamanho desses componentes, seu custo tem um forte impacto no custo total da turbina. Os materiais usados atualmente para revestimentos internos e externos são geralmente aços CrMo de baixa liga (por exemplo, o aço 1-2CrMo). Para temperaturas mais altas, as ligas fundidas de 9CrMoVNb são consideradas adequadas em termos de resistência.
- Material das pás da turbina. Para turbinas a gás, as pás da turbina costumam ser o componente limitante. A temperatura mais alta do ciclo ocorre no final do processo de combustão e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Como de costume, as considerações metalúrgicas (cerca de 1700 K) colocam um limite superior na eficiência térmica. Portanto, as pás das turbinas geralmente usam materiais exóticos como superligas e muitos métodos diferentes de resfriamento, como canais de ar internos, resfriamento da camada limite e revestimentos de barreira térmica. O desenvolvimento de superligas na década de 1940 e novos métodos de processamento, como a fusão por indução a vácuo na década de 1950, aumentaram muito a capacidade de temperatura das pás da turbina. As pás das turbinas modernas geralmente usam superligas à base de níquel que incorporam cromo, cobalto e rênio.
- As pás das turbinas a vapor não são expostas a temperaturas tão altas, mas devem suportar uma operação com fluido bifásico. O alto teor de gotículas de água pode causar o impacto rápido e a erosão das pás que ocorre quando a água condensada é lançada sobre as pás. Para evitar isso, por exemplo, drenos de condensado são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina. Outro desafio para os engenheiros é o projeto das pás do último estágio da turbina LP. Essas pás devem ser (devido ao alto volume específico de vapor) muito longas, o que induz enormes forças centrífugas durante a operação. Portanto, as pás da turbina estão sujeitas ao estresse da força centrífuga (os estágios da turbina podem girar a dezenas de milhares de revoluções por minuto (RPM), mas geralmente a 1800 RPM) e às forças do fluido que podem causar fraturas, escoamento ou falhas por fluência.
Problemas materiais de turbinas
Rastejar
A fluência, também conhecida como fluxo frio, é a deformação permanente que aumenta com o tempo sob carga ou tensão constante . Ocorre devido à longa exposição a grandes tensões mecânicas externas com limite de escoamento e é mais severa em materiais que são submetidos ao calor por longo tempo. A taxa de deformação é uma função das propriedades do material, tempo de exposição, temperatura de exposição e carga estrutural aplicada. A fluência é um fenômeno muito importante se estivermos usando materiais em alta temperatura. A fluência é muito importante na indústria de energia e é da maior importância no projeto de motores a jato. Para muitas situações de fluência de vida relativamente curta (por exemplo, pás de turbina em aeronaves militares), o tempo de ruptura é a consideração de projeto dominante. Obviamente, para sua determinação, testes de fluência devem ser conduzidos até o ponto de falha; estes são denominados testes de ruptura por fluência.
Erosão Corrosão
A corrosão por erosão é o dano cumulativo induzido por reações eletroquímicas de corrosão e efeitos mecânicos do movimento relativo entre o eletrólito e a superfície corroída. A erosão também pode ocorrer em combinação com outras formas de degradação, como a corrosão. Isso é conhecido como erosão-corrosão. A corrosão por erosão é um processo de degradação do material devido ao efeito combinado de corrosão e desgaste. Quase todos os meios corrosivos fluidos ou turbulentos podem causar corrosão por erosão. O mecanismo pode ser descrito da seguinte forma:
- erosão mecânica do material, ou camada protetora (ou passiva) de óxido em sua superfície,
- corrosão aumentada do material, se a taxa de corrosão do material depender da espessura da camada de óxido.
A corrosão por erosão é encontrada em sistemas como tubulações, válvulas, bombas, bicos, trocadores de calor e turbinas. O desgaste é um processo mecânico de degradação do material que ocorre em superfícies de fricção ou impacto, enquanto a corrosão envolve reações químicas ou eletroquímicas do material. A corrosão pode acelerar o desgaste e o desgaste pode acelerar a corrosão.
Oxidação a Vapor
O comportamento da oxidação do vapor está diretamente ligado à implementação da geração de energia de vapor ultra-supercrítico para melhorar a eficiência e reduzir as emissões de CO2. Temperatura mais alta significa maior eficiência; no entanto, taxas de corrosão mais altas ocorrem em uma atmosfera de vapor quando são usados aços ferríticos, ferríticos-martensíticos ou de médio Cr-Ni.
Os materiais que foram desenvolvidos há mais de 50-60 anos não são mais adequados para regimes ultra-supercríticos devido à baixa resistência à corrosão e propriedades inadequadas de resistência e fluência em alta temperatura. Essas tecnologias exigem aços austeníticos avançados e ligas à base de níquel (Ni) com resistência superior à oxidação por vapor.
Fadiga
Na ciência dos materiais, a fadiga é o enfraquecimento de um material causado por carregamento cíclico que resulta em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. Uma vez iniciada a trinca, cada ciclo de carregamento aumentará a trinca em uma pequena quantidade, mesmo quando repetidas tensões alternadas ou cíclicas são de intensidade consideravelmente abaixo da resistência normal. As tensões podem ser devidas a vibração ou ciclagem térmica. O dano por fadiga é causado por:
- ação simultânea do estresse cíclico,
- tensão de tração (seja aplicada diretamente ou residual),
- tensão plástica.
Se qualquer um desses três não estiver presente, uma trinca de fadiga não será iniciada e propagada. A maioria das falhas de engenharia são causadas por fadiga.
Embora a fratura seja do tipo frágil, pode levar algum tempo para se propagar, dependendo tanto da intensidade quanto da frequência dos ciclos de tensão. No entanto, há muito pouco, se houver, aviso antes da falha se a rachadura não for notada. O número de ciclos necessários para causar falha por fadiga em um determinado pico de tensão é geralmente muito grande, mas diminui à medida que a tensão aumenta. Para alguns aços macios, as tensões cíclicas podem continuar indefinidamente, desde que o pico de tensão (às vezes chamado de resistência à fadiga) esteja abaixo do valor limite de resistência. O tipo de fadiga mais preocupante em usinas nucleares é a fadiga térmica. A fadiga térmica pode surgir de tensões térmicas produzidas por mudanças cíclicas de temperatura. Grandes componentes como o pressurizador, o vaso do reator e a tubulação do sistema do reator estão sujeitos a tensões cíclicas causadas por variações de temperatura durante a inicialização do reator, mudança no nível de potência e desligamento
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