El factor del coste del ciclo térmico
El sistema de calentamiento de un reactor químico realiza ciclos de 25 grados a 150 grados y viceversa dos veces al día: 730 ciclos térmicos completos por año. Cada ciclo tensiona los materiales del intercambiador de calor a través de la expansión térmica diferencial entre la superficie de transferencia de calor y el sustrato estructural.
Los intercambiadores de calor de acero-revestidos de vidrio se construyen fusionando una capa de vidrio de borosilicato a una carcasa de acero a aproximadamente 850 grados. El vidrio y el acero tienen diferentes coeficientes de expansión térmica: el vidrio a 3-6 × 10⁻⁶/grado, el acero a 12-15 × 10⁻⁶/grado. La diferencia de 2 a 4 veces significa que durante cada ciclo térmico, el vidrio y el acero se expanden y contraen a diferentes velocidades. El esfuerzo cortante se desarrolla en la interfaz vidrio-acero.
Los intercambiadores de calor de PTFE no tienen interfaz. La pared del tubo es de fluoropolímero homogéneo. La expansión térmica se compensa mediante la deformación elástica de todo el espesor de la pared. No se desarrolla ninguna tensión diferencial. La implicación del costo de mantenimiento de esta diferencia fundamental es sustancial a lo largo de la vida útil de los equipos medida en décadas.
El modo de falla por desconchado del vidrio
Bajo ciclos térmicos repetidos, el esfuerzo cortante acumulativo en la interfaz vidrio-acero provoca daños progresivos. Las micro-fisuras se inician en defectos microscópicos en el vidrio-burbujas, inclusiones o puntos delgados de la fabricación original. Cada ciclo térmico alarga ligeramente las grietas.
Finalmente, las grietas se conectan y un trozo de vidrio se separa del sustrato de acero. Esto se está desconchando. El área desconchada expone el acero desnudo al químico del proceso. En servicio ácido, el acero se corroe rápidamente. Los productos de corrosión pueden contaminar el proceso. El área expuesta crece a medida que el químico socava el vidrio adyacente. El intercambiador de calor debe ponerse fuera de servicio para su funcionamiento.
La reglamentación no es una reparación de campo. Se debe retirar todo el intercambiador, enviarlo a una instalación especializada, quitarle los restos de vidrio, reglamentarlo, cocerlo, probarlo y devolverlo. El proceso dura 4-8 semanas. La producción se pierde mientras dura el proceso, a menos que se disponga de un intercambiador de repuesto. El costo de un repuesto-comprado, almacenado y mantenido debe incluirse en el costo del ciclo de vida.
Tabla 1: Comparación de costos de mantenimiento durante 10 años (730 ciclos térmicos/año, 25-150 grados)
| Elemento de costo de mantenimiento | Vidrio-Acero revestido | PTFE |
|---|---|---|
| Vida útil esperada del revestimiento de vidrio bajo ciclo térmico (años) | 3-6 | N/A (sin forro) |
| Eventos de reglamentación a lo largo de 10 años. | 1-3 | 0 |
| Costo de reglamentación por evento (% de equipo nuevo) | 50-80% | N/A |
| Tiempo de inactividad por evento de aplicación de reglas (semanas) | 4-8 | N/A |
| Se requiere intercambiador de repuesto | Sí (para mantener la producción durante la creación de reglas) | No |
| Costo de inspección anual | Moderado (prueba de chispa para detectar defectos de vidrio) | Bajo (espesor visual + ultrasónico) |
| Capacidad de reparación en campo | Ninguno (cualquier daño en el vidrio=reparación de fábrica) | Sí (taponamiento o reemplazo del tubo) |
| Tiempo de inactividad de reparación por daños menores | Semanas (reglas de fábrica) | Horas (reparación de campo) |
| Costo total de mantenimiento a 10 años (relativo) | 2-4 veces el costo inicial del equipo | 0,1-0,3 veces el coste inicial del equipo |
La ventaja de la reparación en campo
Cuando un tubo intercambiador de calor de PTFE presenta una fuga-generalmente después de muchos años de servicio debido al adelgazamiento por fluencia-la reparación se realiza en el campo. El tubo dañado se identifica mediante una prueba de presión. Está conectado en ambos cabezales con tapones de PTFE. El intercambiador vuelve a estar en servicio en unas horas, operando a una capacidad ligeramente reducida.
Si la reducción de capacidad debido a la obstrucción es inaceptable, el tubo o la sección del haz de tubos dañados se pueden reemplazar durante la próxima parada de mantenimiento programada. El reemplazo es mecánico: desatornille los accesorios de compresión, retire el tubo dañado, inserte un tubo nuevo, vuelva a -apretar los accesorios. No se requiere instalación especializada. La reparación la realiza el personal de mantenimiento de la planta utilizando herramientas estándar.
Esta reparabilidad en campo elimina la necesidad de un intercambiador de repuesto. Elimina la interrupción de la producción de 4 a 8 semanas para el control de fábricas. Permite programar y controlar el mantenimiento en lugar de dictarlo por eventos de falla del vidrio.
El contraste de la simplicidad de la inspección
El acero revestido-de vidrio requiere pruebas periódicas de chispas para detectar defectos en el vidrio. Se pasa una sonda de alto-voltaje sobre la superficie del vidrio; una chispa indica un defecto que penetra hasta el acero. La prueba requiere que el intercambiador esté vacío y seco. Lleva mucho tiempo-y detecta solo defectos que ya existen-no puede predecir cuándo se formará el próximo defecto.
Los intercambiadores de calor de PTFE se inspeccionan mediante una medición ultrasónica del espesor de la pared-rápida, no-destructiva y funcional sin necesidad de retirar el intercambiador de servicio. Las mediciones rastrean la progresión lenta y predecible del adelgazamiento por fluencia. El espesor futuro de la pared se puede proyectar a partir de las mediciones actuales, lo que permite planificar el reemplazo con años de anticipación.
Resumen
Los intercambiadores de calor de PTFE ofrecen costos de mantenimiento sustancialmente más bajos que el acero revestido-de vidrio en servicio de ciclo térmico porque el PTFE no tiene revestimiento que se descascarille, ni interfaz de material diferente a la fatiga, y una construcción-reparable en campo que elimina la necesidad de reglas de fábrica e intercambiadores de repuesto. Durante un período de 10-años, los costos de mantenimiento del PTFE son entre 0,1 y 0,3 veces el costo inicial del equipo, en comparación con entre 2 y 4 veces para el acero revestido de vidrio.
La capacidad de reparar intercambiadores de PTFE en el campo en cuestión de horas, en comparación con las semanas necesarias para el reglaje de vidrio, proporciona ventajas de disponibilidad de producción que a menudo superan los ahorros en costos de mantenimiento directo.
El análisis de ingeniería para la selección de materiales de intercambiadores de calor con ciclo térmico está disponible previa presentación del rango de temperatura de funcionamiento, la frecuencia del ciclo, la química del proceso, los registros actuales de costos de mantenimiento y los datos de costos de tiempo de inactividad de producción.
