La conexión del colector agrietada
Un intercambiador de calor de PTFE recién instalado funciona durante tres meses sin incidentes. Entonces una conexión múltiple comienza a tener fugas. El mantenimiento aprieta el accesorio de compresión. La fuga se detiene temporalmente. Semanas más tarde, aparece una pequeña grieta en el tubo de PTFE en la cara del conector. La bobina debe retirarse para su reparación.
El análisis de falla no encuentra degradación química. No hay exceso-de presión. Sin impacto mecánico. La grieta se inició debido a la tensión de expansión térmica.-El tubo no podía moverse mientras se calentaba y enfriaba durante los ciclos operativos diarios. La tensión se concentró en la conexión rígida del colector hasta que el material se fatiga.
Este modo de falla se puede prevenir completamente mediante prácticas de instalación correctas. No se debe a una deficiencia del material sino a una mala comprensión de cómo se comporta el PTFE durante el ciclo térmico.
El problema de la sujeción rígida
El PTFE se expande aproximadamente 0,12 mm por metro por grado Celsius. Un tubo de 1,5 metros calentado de 20 grados a 140 grados crece más de 21 mm. Si el tubo se fija rígidamente en ambos extremos sin previsión para este movimiento, la expansión se convierte en tensión de compresión. La magnitud de la tensión se aproxima al límite elástico por compresión del material a temperatura elevada.
La tensión más alta se concentra en el punto de máxima restricción: la conexión del colector. Aquí el tubo ingresa a un accesorio rígido unido a un cabezal fijo. Si la sección de tubo adyacente no puede expandirse libremente, se desarrolla una tensión de flexión en la cara del conector. Los ciclos térmicos repetidos producen grietas por fatiga en esta concentración de tensión.
El error no es utilizar accesorios incorrectos. Se trata de disponer el sistema de guiado y soporte del tubo de forma que impida el libre movimiento térmico. Cada restricción rígida entre la conexión del colector y el primer punto de expansión libre es un sitio potencial de falla.
Tabla 1: Correcciones y errores comunes de instalación de expansión térmica
| Error de instalación | Consecuencia del estrés | Indicador Visual | Método de instalación correcto |
|---|---|---|---|
| Tubo recto entre dos cabezales fijos, sin bucle de expansión | Pandeo axial o fractura por ajuste | Tubo arqueado entre cabezales; cara de ajuste agrietada | Incorporar bucle de expansión o sección flexible. |
| Primera abrazadera de soporte demasiado cerca del colector | Doblado en voladizo en el montaje | Grieta en la tuerca del accesorio o en la cara del tubo | Primer soporte al 50% del espacio normal desde el encabezado |
| Abrazadera rígida que sujeta firmemente el tubo | Expansión axial restringida; flexión local | Deformación del tubo en el borde de la abrazadera | Guía ranurada con espacio libre de 0,5 mm para deslizamiento. |
| Múltiples codos de tubo en tramo corto sin soporte intermedio | Esfuerzo de flexión compuesto | Grietas en el radio interior de las curvas. | Soporte entre curvas; radios de curvatura generosos |
| Colector fijado rígidamente mientras los tubos están libres. | Esfuerzo de movimiento diferencial en las juntas del cabezal. | Fuga en múltiples conexiones simultáneamente | Deje que el colector flote o asegure una sujeción uniforme del tubo. |
La primera regla de distancia de apoyo
La distancia desde la conexión del colector hasta el soporte del primer tubo es la dimensión más crítica en la instalación de un intercambiador de calor de PTFE. Esta distancia debe ser lo suficientemente corta para evitar una tensión de flexión excesiva debido al peso propio-, pero lo suficientemente larga para permitir que el tubo se expanda y contraiga libremente sin imponer una gran tensión de flexión en el conector.
La regla estándar: la primera distancia de soporte debe ser la mitad del espacio de soporte normal utilizado para el resto del tramo del tubo. Para un intercambiador de calor de PTFE horizontal que funciona a 120 grados con tubería de 10 mm de diámetro exterior, el espacio normal entre soportes es de 300 mm. El primer soporte debe estar a 150 mm de la cara del colector.
Este espacio reducido limita el momento de flexión en voladizo en el accesorio y al mismo tiempo proporciona una longitud libre adecuada para el movimiento térmico. El tubo entre el colector y el primer soporte puede curvarse ligeramente bajo compresión, absorbiendo la expansión sin-esforzar demasiado la conexión.
Integración del circuito de expansión
Para tramos de tubo de más de 1 metro entre puntos fijos, es obligatorio un bucle de expansión. El bucle es una curva en forma de U-en el tramo del tubo que se flexiona para absorber los cambios térmicos de longitud. Las dimensiones del bucle dependen de la expansión esperada, el diámetro del tubo y la tensión de flexión permitida.
Un bucle de expansión diseñado adecuadamente convierte la expansión axial en una deflexión por flexión que permanece dentro del límite elástico del material. El bucle debe ubicarse en el punto medio del recorrido del tubo. Los soportes a cada lado del bucle deben permitir el libre movimiento en la dirección de expansión mientras restringen el movimiento lateral.
Para instalaciones compactas donde no caben bucles de expansión completos, las configuraciones en espiral o bobina proporcionan una capacidad de expansión inherente. El tubo enrollado actúa como un resorte, absorbiendo cambios de longitud mediante ligeros cambios en el diámetro del espiral.
Resumen
La tensión de expansión térmica en las conexiones del colector del intercambiador de calor de PTFE se debe a errores de instalación que impiden el libre movimiento del tubo. Las fijaciones rígidas, la colocación incorrecta de los soportes y la ausencia de bucles de expansión concentran la tensión en la cara de la conexión, lo que provoca grietas por fatiga.
La instalación correcta proporciona libertad controlada para el movimiento térmico. El primer soporte se coloca a la mitad de la separación normal del colector. Los bucles de expansión absorben los cambios de longitud en recorridos más largos. Los soportes guía ranurados permiten el deslizamiento axial evitando al mismo tiempo el desplazamiento lateral.
Las pautas de instalación y la revisión de ingeniería para configuraciones específicas de intercambiadores de calor de PTFE están disponibles previa presentación de los planos de enrutamiento de los tubos, el rango de temperatura de funcionamiento, las dimensiones de los tubos y los detalles de la conexión del colector.
