El cierre que causó daños
Un sistema de recirculación de ácido se apaga por mantenimiento. La bomba de circulación se detiene. Una válvula de retención en la línea de retorno, ubicada a varios metros por encima del intercambiador de calor de PTFE, contiene una columna de líquido. A medida que la tubería se enfría, el líquido se contrae, creando una presión negativa en la sección cerrada. Los tubos de PTFE, diseñados para la presión positiva interna del vapor, experimentan un vacío externo desde el lado del proceso.
Cuando el sistema se reinicia, la producción de calor se reduce. La temperatura del baño tiene dificultades para alcanzar el punto de ajuste. La inspección revela varios tubos de PTFE parcialmente colapsados-su sección transversal circular-aplanada en un óvalo. Los tubos no tienen fugas, pero la forma deformada restringe tanto el flujo de vapor interno como la transferencia de calor externa.
Este mecanismo de falla es completamente prevenible. Se debe a una protección de vacío inadecuada en el diseño de las tuberías de proceso, no a una deficiencia en el intercambiador de calor de PTFE.
El mecanismo de colapso
Los tubos de PTFE están diseñados para resistir la presión interna-la tensión circular del vapor o el agua caliente que empuja hacia afuera. La flexibilidad y la resistencia a la fluencia del material soportan bien esta carga. La presión externa, que crea una tensión circular de compresión, es una condición de carga diferente para la cual es posible que el tubo no haya sido diseñado.
Un tubo circular de paredes delgadas-bajo presión externa falla al pandearse cuando la presión externa excede la presión crítica de colapso. Esta presión depende del diámetro del tubo, el espesor de la pared, el módulo elástico del material a la temperatura de funcionamiento y la falta de redondez del tubo.
A temperaturas elevadas, el módulo elástico del PTFE disminuye significativamente. Un tubo que resiste el vacío total a 25 grados puede colapsar a 100 grados bajo el mismo diferencial de presión. La combinación de alta temperatura durante el funcionamiento y presión negativa repentina durante el apagado crea la peor-condición de los casos.
Es posible que la sección colapsada no sea todo el tubo. La presión negativa puede localizarse en ciertas secciones de la tubería. El colapso del tubo ocurre en el punto más débil-generalmente en la mitad-del tramo entre los soportes donde el tubo tiene la menor restricción externa.
Tabla 1: Criterios de evaluación del colapso del tubo de PTFE (10 mm de diámetro exterior, 1 mm de pared)
| Ovalidad (%) | Apariencia Visual | Restricción de flujo | Impacto de la transferencia de calor | Disposición |
|---|---|---|---|---|
| < 5 | Ligero aplanamiento, apenas visible | Despreciable | Despreciable | Aceptar para el servicio continuo; monitor |
| 5-15 | Forma ovalada visible | Menor (< 10% flow reduction) | Menor | Reducir la presión del vapor; reemplazo del plan |
| 15-30 | Claramente aplanado | Moderado (reducción del 10-30%) | Moderado | Reemplazar en el próximo apagado programado |
| 30-50 | Severamente aplanado | Severo (30-50% de reducción) | Severo | Reemplazar inmediatamente |
| > 50 | Pared casi cerrada y arrugada | Critical (>50% de reducción) | Crítico | Reemplazo inmediato; inspeccionar tubos adyacentes |
Ovalidad=(Dmax - Dmin) / Dnominal × 100%. Dnominal es el diámetro exterior del tubo original. Medidas tomadas en la sección transversal-más deformada.
Procedimiento de inspección
La inspección comienza con un examen visual externo. Los tubos colapsados están visiblemente aplanados en comparación con los tubos adyacentes que no están dañados. La zona de transición de la sección transversal-circular a ovalada puede mostrar un blanqueamiento por tensión-una apariencia turbia en el PTFE que indica fluencia localizada.
La ovalidad se mide con calibradores o un medidor pasa/no pasa en el punto más deformado. Se registran los diámetros exteriores máximo y mínimo. Las mediciones en múltiples puntos a lo largo del tubo mapean la extensión del colapso.
La inspección interna puede requerir un examen con boroscopio si los extremos del tubo son accesibles. El paso interno puede estar parcial o totalmente cerrado. Para los tubos que parecen completamente colapsados externamente, la inspección interna confirma si queda algún paso de flujo.
También se deben inspeccionar los tubos adyacentes al tubo colapsado. El transitorio de presión que colapsó un tubo puede haber deformado parcialmente otros. Un tubo que parece circular puede tener una resistencia al colapso reducida debido a un adelgazamiento no detectado debido al servicio anterior.
Reparación y Prevención
Los tubos colapsados no se pueden reparar. La forma deformada altera permanentemente el rendimiento mecánico y térmico. El tubo debe taparse o reemplazarse.
Si el diseño del cabezal permite el aislamiento individual del tubo, el tubo colapsado se puede tapar en ambos extremos y dejarlo en su lugar. Los tubos restantes continúan proporcionando transferencia de calor, aunque con una capacidad total ligeramente reducida. La pérdida de capacidad de un tubo obstruido en un conjunto de múltiples-tubos suele ser aceptable.
La prevención requiere protección de vacío en las tuberías de proceso. Una válvula rompedora de vacío instalada en el punto alto del sistema de tuberías permite que entre aire cuando la presión cae por debajo de la atmosférica. La válvula debe dimensionarse para la velocidad de enfriamiento máxima esperada. Para sistemas con paradas frecuentes, un interruptor de vacío automatizado con retroalimentación de posición proporciona una protección confiable.
Alternativamente, el intercambiador de calor de PTFE se puede especificar para servicio de vacío total en la etapa de diseño. Esto requiere paredes de tubo más gruesas o diámetros más pequeños para aumentar la presión crítica de colapso. La penalización en el rendimiento térmico de paredes más gruesas se acepta como el costo de la tolerancia al vacío.
Resumen
El colapso del tubo del intercambiador de calor de PTFE se produce por el vacío externo creado durante el apagado de la bomba cuando la contracción del líquido en un sistema de tuberías cerrado genera presión negativa. Los tubos de pared delgada-diseñados para presión interna pueden doblarse bajo el vacío externo, especialmente a temperaturas de funcionamiento elevadas.
La inspección evalúa la ovalidad en la sección transversal-más deformada. Los tubos con una ovalidad superior al 30 % requieren sustitución. La prevención requiere válvulas rompedoras de vacío en las tuberías de proceso o la especificación de las dimensiones máximas-de vacío-de los tubos en la etapa de diseño.
Las recomendaciones de ingeniería para la evaluación de tubos colapsados y el diseño de protección de vacío están disponibles previa presentación de las dimensiones del tubo, la temperatura de funcionamiento, la configuración de las tuberías y los procedimientos de apagado.
