La inexplicable fatiga del tubo
Un intercambiador de calor de PTFE en un circuito de recirculación por bombeo desarrolla fugas en las conexiones del tubo-al-colector después de 18 meses de servicio. La química es benigna. La temperatura es moderada. La presión está dentro de los límites de diseño. Sin embargo, los tubos muestran signos de grietas por fatiga en los puntos de apoyo y en las juntas del cabezal.
La causa fundamental es la vibración. Los tubos de PTFE son flexibles y livianos. Esta flexibilidad es una ventaja para la acomodación de la expansión térmica y la resistencia al impacto. Pero también hace que los tubos sean susceptibles a la vibración inducida por el flujo-. Cuando el fluido fluye a través de un haz de tubos a ciertas velocidades, genera fuerzas oscilantes que excitan el movimiento del tubo. Durante millones de ciclos, esta vibración produce daños por fatiga en los puntos de concentración de tensiones.
El mecanismo de vibración inducida por flujo-
Dos mecanismos principales excitan la vibración en los haces de tubos del intercambiador de calor. La formación de vórtices se produce cuando el líquido pasa por un tubo, creando vórtices alternos a su paso. Estos vórtices se desprenden a una frecuencia proporcional a la velocidad del flujo dividida por el diámetro del tubo. Cuando la frecuencia de desprendimiento se acerca a la frecuencia natural del tubo, se produce resonancia. El tubo vibra con gran amplitud.
La excitación de turbulencia es un forzamiento aleatorio debido a las caóticas fluctuaciones de presión en el flujo turbulento. No produce el pico de resonancia agudo del desprendimiento de vórtices, pero genera una vibración de amplio-espectro que acumula daño por fatiga con el tiempo. La excitación de turbulencia domina en haces de tubos estrechamente espaciados donde los tubos adyacentes suprimen la formación de vórtices.
La frecuencia natural del tubo depende de su diámetro, espesor de pared, módulo del material, longitud del tramo sin soporte y masa de fluido dentro y fuera del tubo. Los tubos de PTFE tienen frecuencias naturales más bajas que los tubos metálicos equivalentes debido a un módulo elástico más bajo. Esto los acerca al rango de frecuencia de la excitación inducida por flujo común-.
Tabla 1: Evaluación del riesgo de vibración según la condición del flujo y el espacio entre los soportes de los tubos (tubo de PTFE de 10 mm de diámetro exterior)
| Velocidad de flujo cruzado (m/s) | Espaciado de soporte 300 mm | Espaciado de soporte 400 mm | Espaciado de soporte 500 mm | Mitigación requerida |
|---|---|---|---|---|
| 0.3 | Bajo riesgo | Bajo riesgo | Riesgo moderado | Ninguno a mínimo |
| 0.5 | Bajo riesgo | Riesgo moderado | Alto riesgo | Se recomienda rectificador de flujo |
| 0.8 | Riesgo moderado | Alto riesgo | Riesgo muy alto | Acondicionamiento de flujo + espaciamiento reducido |
| 1.2 | Alto riesgo | Riesgo muy alto | Riesgo crítico | Se requiere rediseño |
| 1.5 | Riesgo muy alto | Crítico | Crítico | No recomendado sin una mitigación extensa |
Niveles de riesgo basados en la frecuencia de formación de vórtices en relación con la frecuencia natural del tubo calculada para PTFE con pared de 1,0 mm, densidad del fluido 1100 kg/m³. El riesgo real depende de la geometría específica y la distribución del flujo.
Soluciones de acondicionamiento del flujo de entrada
La mitigación de vibraciones más eficaz es prevenir la alteración del flujo en su origen. El flujo que ingresa a un haz de tubos debe estar distribuido uniformemente y libre de turbulencias a gran escala-. Una cámara de entrada o un cabezal de distribución que expande el flujo entrante reduce suavemente las velocidades locales y rompe los grandes remolinos antes de que lleguen a los tubos.
Las placas de distribución perforadas colocadas entre la boquilla de entrada y el haz de tubos igualan el perfil de velocidad. La placa crea una caída de presión uniforme que distribuye el flujo a través de la sección transversal-del haz. Para que sea efectiva, la caída de presión a través de la placa debe ser al menos 1,5 veces la presión dinámica del flujo entrante.
Las paletas enderezadoras dentro de la boquilla de entrada o de la tubería reducen los remolinos y las turbulencias a gran escala-de los componentes de la tubería aguas arriba. El flujo de descarga de la bomba es particularmente problemático-el impulsor imparte tanto remolinos como pulsaciones periódicas a la frecuencia de paso de la pala. Un enderezador de flujo instalado a 5-10 diámetros de tubería aguas arriba de la entrada del intercambiador de calor rompe estas estructuras.
Modificaciones de soporte para instalaciones existentes
Cuando el acondicionamiento del flujo por sí solo es insuficiente, los soportes de tubo adicionales reducen el tramo sin soporte y elevan la frecuencia natural por encima del rango de excitación. Las placas de soporte intermedias agregadas entre los soportes existentes reducen a la mitad la longitud del tramo y pueden aumentar la frecuencia natural en un factor de cuatro.
La amortiguación se puede aumentar modificando el diseño del soporte. Los soportes con espacio libre-estrecho que permiten el deslizamiento térmico pero evitan el movimiento lateral convierten los impactos del tubo-en-soporte en disipación de energía. El tubo aún puede expandirse axialmente pero no puede generar grandes amplitudes de vibración.
Para instalaciones nuevas, el análisis de vibraciones debe ser parte del proceso de diseño. Las condiciones de flujo esperadas determinan el tramo máximo permitido sin soporte. Este tramo establece el espacio entre las placas de soporte. Diseñar para la prevención de vibraciones cuesta menos que modernizarlo después de que aparecen daños por fatiga.
Resumen
El daño por vibración del tubo del intercambiador de calor de PTFE se debe a mecanismos de excitación inducidos por el flujo-que incluyen la formación de vórtices y las turbulencias. Los tubos flexibles y livianos tienen frecuencias naturales que pueden coincidir con frecuencias de excitación a velocidades de flujo de proceso típicas.
La mitigación comienza con placas de distribución-acondicionadoras del flujo de entrada y paletas enderezadoras que garantizan la entrada de un flujo uniforme y de baja-turbulencia al haz. Los soportes de tubo adicionales reducen el tramo sin soporte y aumentan la frecuencia natural. Para diseños nuevos, el análisis de vibraciones durante la fase de ingeniería evita costosas modificaciones en el campo.
El análisis de ingeniería para la evaluación y mitigación del riesgo de vibración del intercambiador de calor de PTFE está disponible previa presentación de las dimensiones de los tubos, el espaciado de los soportes, la velocidad del flujo, las propiedades del fluido y cualquier síntoma de vibración observado o historial de fallas.
