Los tubos que se deforman lentamente
Un intercambiador de calor de PTFE que sirve a un proceso de ácido sulfúrico concentrado a 175 grados funciona sin problemas evidentes durante dos años. Durante el tercer año, los operadores notan que el consumo de vapor aumenta gradualmente para mantener la temperatura. Una inspección durante la parada anual revela la causa: los tubos se han alargado y adelgazado. Su diámetro exterior ha disminuido ligeramente. El haz de tubos parece estirado.
No se produjo ningún fallo repentino. No se desarrolló ninguna fuga. Los tubos simplemente se deformaron lentamente durante miles de horas bajo la influencia combinada de la temperatura, la presión interna del vapor y el peso propio. Esto es fluencia: deformación permanente-dependiente del tiempo bajo tensión constante por debajo del límite elástico a corto-plazo del material.
A 175 grados, el PTFE es químicamente estable y se encuentra dentro de su temperatura nominal de servicio continuo de 260 grados. Pero la estabilidad química y la estabilidad mecánica son propiedades diferentes. La clasificación del material no garantiza la ausencia de deformación por fluencia durante períodos prolongados en el extremo superior del rango de temperatura.
El mecanismo de fluencia en PTFE
La fluencia ocurre en todos los polímeros a temperaturas elevadas. Las cadenas moleculares, normalmente entrelazadas y resistentes a la deformación, obtienen suficiente energía térmica para deslizarse unas sobre otras bajo tensión aplicada. La velocidad de deslizamiento depende de la temperatura, la magnitud del esfuerzo y el tiempo.
En un tubo intercambiador de calor de PTFE, la tensión principal es la tensión circular debido a la presión interna del vapor. Para tubos de 10 mm de diámetro exterior con pared de 1 mm a una presión interna de 4 barg, la tensión circunferencial es de aproximadamente 2 MPa. A temperatura ambiente, la velocidad de fluencia del PTFE con esta tensión es insignificante. A 175 grados, la velocidad de fluencia se vuelve mensurable.
El tubo también experimenta tensión axial debido a la expansión térmica limitada y tensión de flexión debido al peso propio-entre los soportes. Estas tensiones son más pequeñas que la tensión circunferencial pero contribuyen a la deformación total por fluencia.
La fluencia se manifiesta en tres cambios observables: alargamiento del tubo, adelgazamiento de la pared y reducción del diámetro. El alargamiento ocurre porque la tensión circular produce deformación axial a través del efecto Poisson. El adelgazamiento de la pared resulta de una deformación constante-del volumen: a medida que el tubo se alarga y se estrecha, el espesor de la pared disminuye para conservar el volumen del material.
Tabla 1: Deformación por fluencia estimada frente a la temperatura de funcionamiento para el tubo de PTFE (10 mm de diámetro exterior, 1 mm de pared, vapor de 4 barg)
| Temperatura de funcionamiento (grados) | Tasa de fluencia relativa | Espesor de pared después de 1 año (mm) | Espesor de pared después de 3 años (mm) | Presión de rotura después de 3 años (bar) | Vida útil recomendada |
|---|---|---|---|---|---|
| 100 | Despreciable | 1.00 | 0.98 | 35 | >20 años |
| 120 | muy bajo | 0.99 | 0.96 | 30 | >15 años |
| 140 | Bajo | 0.97 | 0.91 | 24 | 10-15 años |
| 160 | Moderado | 0.93 | 0.82 | 16 | 5-8 años |
| 180 | Alto | 0.85 | 0.65 | 8 | 2-4 años |
| 200 | muy alto | 0.72 | 0.45 | 3 | <2 years |
Valores estimados basados en datos publicados de fluencia de PTFE y extrapolación de Arrhenius. Las tasas reales dependen del grado específico de la resina, la cristalinidad y el historial de procesamiento. La vida útil se define como el tiempo necesario para alcanzar el 50 % de la presión de rotura original.
Modificaciones de diseño para servicio extendido
La reducción de la tensión circular prolonga la vida útil a una temperatura determinada. El método más sencillo es reducir la presión del vapor. Operar a 2 barg en lugar de 4 barg reduce a la mitad la tensión circular, aproximadamente duplicando el tiempo para alcanzar una deformación de fluencia determinada.
El aumento del espesor de la pared del tubo proporciona un margen directo contra el adelgazamiento. Un tubo de pared de 1,5 mm que funciona a 175 grados alcanza el mismo espesor de pared mínimo que un tubo de 1,0 mm en aproximadamente el doble de tiempo. La penalización es una menor transferencia de calor, lo que requiere proporcionalmente más superficie.
El uso de un grado de PTFE de mayor-cristalinidad mejora la resistencia a la fluencia. Las formulaciones de PTFE modificado con peso molecular y cristalinidad controlados exhiben tasas de fluencia entre un 30% y un 50% más bajas que los grados estándar a la misma temperatura y tensión. El incremento del coste del material es modesto en relación con la extensión de la vida útil.
Criterios de inspección y retiro
Los tubos que funcionan a temperaturas superiores a 150 grados deben inspeccionarse anualmente para detectar deformaciones por fluencia. Las mediciones del diámetro exterior y el espesor de la pared en lugares representativos siguen la progresión del adelgazamiento. Los medidores de espesor ultrasónicos proporcionan datos no-destructivos sobre el espesor de las paredes.
Los criterios de retiro deben establecerse en el momento de la instalación. Un criterio típico es la reducción del espesor de la pared al 60% del valor original. En este punto, el factor de seguridad de la presión de estallido se reduce de aproximadamente 8:1 a 3:1, lo que sigue siendo adecuado para la presión de funcionamiento pero deja un margen reducido para las excursiones de presión.
Los tubos que muestren una reducción visible del diámetro o un alargamiento superior al 10% deben reemplazarse independientemente del espesor absoluto, ya que la deformación indica que el material ha agotado gran parte de su ductilidad por fluencia.
Resumen
El funcionamiento continuo del intercambiador de calor de PTFE cerca de 180 grados produce una deformación por fluencia que adelgaza gradualmente las paredes del tubo y reduce los márgenes de presión de estallido. La velocidad de deformación depende exponencialmente de la temperatura y linealmente de la tensión circunferencial.
La vida útil a 175 grados con grados de PTFE estándar y vapor de 4 barg es de aproximadamente 2-4 años según la dilución por fluencia. Una presión de vapor más baja, paredes más gruesas y grados de PTFE de mayor cristalinidad amplían esto significativamente. La medición anual del espesor de la pared rastrea la progresión y respalda las decisiones de jubilación.
El análisis de ingeniería para la predicción de la vida útil del intercambiador de calor de PTFE en condiciones operativas específicas está disponible previa presentación del historial de temperatura operativa, presión de vapor, dimensiones del tubo, calidad del material y cualquier medición de deformación existente.
