La grieta que aparece después de cientos de ciclos
Una bobina de inmersión de acero inoxidable en un baño de decapado funciona entre 25 y 80 grados a medida que los lotes de producción ciclan. Después de aproximadamente 400 ciclos térmicos, aparece una fuga en un cordón de soldadura. La bobina tiene menos de dos años. El espesor del metal base sigue siendo adecuado. El fallo se localiza precisamente en la junta soldada.
Este patrón de falla es común en los talleres de enchapado, líneas de decapado y operaciones de molienda química donde los intercambiadores de calor experimentan ciclos térmicos repetidos en lugar de un funcionamiento en estado constante-. El mecanismo es la fatiga térmica, concentrada en las discontinuidades metalúrgicas creadas por la soldadura.
Por qué las costuras de soldadura concentran la tensión térmica
Una costura de soldadura se diferencia del metal base en tres aspectos fundamentales. El metal de aportación de soldadura tiene una composición química ligeramente diferente, lo que crea un par galvánico en ambientes corrosivos. La zona afectada por el calor-adyacente a la soldadura tiene una estructura de grano alterada con ductilidad reducida. La geometría de la soldadura crea una concentración de tensión en la punta de la soldadura, donde el refuerzo se encuentra con el metal base.
Cuando una bobina de inmersión metálica se calienta de 25 grados a 80 grados, la expansión térmica genera tensión de compresión. Al enfriarse, la tensión se invierte a tracción. La unión soldada, con sus diferencias microestructurales y concentración de tensiones geométricas, acumula tensión plástica con cada ciclo.
Después de suficientes ciclos, se inician micro-fisuras en el extremo de la soldadura. El ambiente corrosivo del proceso acelera la propagación de grietas. La grieta finalmente penetra el espesor de la pared y el fluido del proceso se filtra hacia el condensado de vapor o viceversa.
Tabla 1: Resistencia a la fatiga térmica de los métodos de construcción de intercambiadores de calor
| Método de construcción | Costuras de soldadura presentes | Factor de concentración de estrés | Ciclos típicos hasta el fallo (ΔT=55 grado) |
|---|---|---|---|
| Bobina soldada SS 316L | Sí (múltiples) | 2,5-3,5 en el pie de soldadura | 300-800 |
| Bobina de titanio soldada | Sí (múltiples) | 2.0-3.0 en el pie de soldadura | 500-1,200 |
| Cobre soldado-níquel | Sí (múltiples) | 2,0-2,8 en la articulación | 200-600 |
| Todo-tubo sin costura de PTFE | Ninguno | 1.0 (uniforme) | >100.000 (sin soldaduras que fallen) |
Factores de concentración de tensiones del análisis de elementos finitos de geometrías típicas de bobinas de inmersión. Datos del ciclo de vida de estudios de fatiga publicados e informes de fallas de campo.
La ventaja de la construcción totalmente-PTFE
Los tubos intercambiadores de calor de PTFE se producen mediante extrusión de pasta, creando longitudes continuas y sin costuras. No hay soldaduras, juntas ni discontinuidades metalúrgicas a lo largo del tubo. El material es homogéneo de punta a punta.
La expansión térmica del PTFE es mayor que la de los metales, una propiedad que normalmente se considera un desafío de diseño. Sin embargo, la flexibilidad del material se adapta a esta expansión mediante deformación elástica en lugar de acumulación de tensiones. Un tubo de PTFE debidamente soportado se expande y contrae libremente con los cambios de temperatura. No se desarrollan concentraciones de tensión localizadas porque no hay discontinuidades geométricas o metalúrgicas.
La resistencia a la fatiga del PTFE bajo cargas cíclicas supera con creces la de los metales en el rango de deformación típico de la expansión térmica. Los tubos de PTFE probados bajo ciclos de flexión repetidos con amplitudes de deformación equivalentes a la expansión térmica superan habitualmente los 100.000 ciclos sin fallar. En operaciones normales de enchapado y decapado, esto se traduce en décadas de servicio sin problemas de fatiga térmica.
El diseño de soporte importa
Toda la construcción-de PTFE elimina las fallas-relacionadas con la soldadura, pero el diseño de soporte adecuado garantiza que se alcance la vida útil completa contra la fatiga. Los soportes deben permitir el libre movimiento axial de la tubería durante la expansión y contracción térmica. La sujeción rígida que limita la expansión puede crear tensiones de flexión localizadas que se concentran en el punto de sujeción.
Los intercambiadores de calor de PTFE suelen estar soportados por placas guía ranuradas fabricadas con PTFE o PVDF sólido. Las ranuras tienen un tamaño con espacio libre para permitir el movimiento axial mientras se mantiene el espacio entre los tubos para la transferencia de calor. Este método de soporte elimina la concentración de tensión en las uniones sujetas-que puede ocurrir con los marcos de soporte metálicos.
Resultados de campo de una operación de decapado por lotes
Una línea de decapado de acero que funcionaba-por lotes con ciclos de temperatura entre ambiente y 75 grados reemplazó las bobinas calefactoras de titanio soldadas que habían fallado repetidamente en las costuras de soldadura. La vida útil promedio de la bobina fue de 11 meses, y todas las fallas se atribuyeron a grietas que se iniciaron en zonas afectadas por el calor-adyacentes a las soldaduras.
Todos los-intercambiadores de calor de PTFE se instalaron con placas guía de PTFE dimensionadas para permitir la libre expansión térmica. Después de cuatro años de servicio de ciclo térmico idéntico, las bobinas de PTFE no mostraron signos de agrietamiento, ni fugas y un rendimiento estable de transferencia de calor. La construcción sin costuras eliminó el único modo de falla que había limitado la vida útil de las bobinas anteriores.
Resumen
Los intercambiadores de calor metálicos soldados concentran la tensión de fatiga térmica en las costuras de soldadura, donde las diferencias microestructurales y las discontinuidades geométricas inician grietas. Bajo repetidos ciclos térmicos típicos de las operaciones de decapado y revestimiento por lotes, estas grietas se propagan hasta provocar fugas en cientos de ciclos.
Toda la construcción del intercambiador de calor-PTFE elimina este modo de falla. Los tubos extruidos sin costura no contienen soldaduras, discontinuidades metalúrgicas ni sitios de concentración de tensiones. La flexibilidad del material se adapta a la expansión térmica sin acumular daños por fatiga. Un diseño de soporte adecuado garantiza el libre movimiento, evitando la concentración de tensiones en los puntos de apoyo.
Para operaciones por lotes que experimentan fallas-en intercambiadores de calor relacionadas con soldaduras, el análisis de ingeniería para todos los-tamaños de bobinas sin costura de PTFE está disponible previa presentación del rango de temperatura de funcionamiento, frecuencia de ciclo, química del baño y dimensiones del tanque.
