Análisis de las causas de los problemas de calidad en los intercambiadores de calor de tubos en U

I. Inspección, análisis de la causa raíz y soluciones para el aplanamiento de los tubos en U

1. Análisis y tratamiento tras el conformado en U de tubos en U

A. Inspección

Tras la flexión de los tubos en U, la inspección visual reveló que los tubos en U con radios de curvatura más pequeños presentaban un aplanamiento de la sección transversal del tubo y, en algunos casos, fisuras en el punto de doblado.

B. Análisis de la causa

Desde un análisis basado en el proceso, resulta evidente que, durante el doblado de tubos, la pared exterior de la capa neutra experimenta deformación por tracción y se adelgaza, mientras que la pared interior sufre deformación por compresión y se engrosa. Además, en los dobleces en U con radios de curvatura reducidos, si no se adoptan medidas adecuadas, la sección transversal en el punto de doblado se deforma hasta adquirir una forma aproximadamente elíptica. En consecuencia, las tensiones de compresión en la pared interior superan la resistencia a la fluencia del material, lo que provoca el aplanamiento del tubo en U y una inestabilidad caracterizada por el arrugamiento.

C. Solución

A. Para los tubos en forma de U con un radio de curvatura inferior a 2,5 veces el diámetro nominal, a fin de evitar el aplastamiento del tubo, éste deberá empacarse antes de la curvatura con material que haya sido cribado, lavado y secado, y que esté libre de tierra, limaduras de hierro, otras impurezas y arena.

B. Utilice un doblador de tubos accionado manualmente, equipado con una llave dinamométrica, y determine la fuerza de doblado adecuada mediante ensayos, basándose en el límite elástico del tubo y en el radio de curvatura deseado. Durante el proceso de doblado, fije la rueda mandril fija (la rueda de mayor diámetro) a la mesa de trabajo mediante un pasador o un tornillo. Para compensar el resorte de retorno tras el doblado, ajuste el radio de la rueda grande a un valor comprendido entre 0,8 y 0,95 veces el radio de curvatura previsto. Seleccione el radio de la rueda mandril móvil (la rueda de menor diámetro) de acuerdo con el radio mínimo de curvatura del tubo en forma de U, asegurándose de que la rueda pequeña gire libremente dentro del bastidor empujador y no se agarrote, lo cual podría provocar el aplastamiento del tubo.

C. Al doblar tubos de tipo C, debido al espesor relativamente reducido de la pared, aplique un calentamiento localizado con una llama oxi‑acetilénica en el punto de doblez para minimizar el achatamiento. Durante el proceso de calentamiento, asegúrese de no superar una temperatura excesivamente alta, ya que ello podría alterar la microestructura del acero inoxidable.

D. Tras liberar la fuerza externa aplicada sobre el tubo doblado, el codo recuperará su forma original con una recuperación de entre 3° y 5°. Antes del doblado definitivo, se deberá realizar un doblado de prueba para determinar el ángulo preciso de recuperación del tubo, lo que permitirá fabricar tubos en forma de U que cumplan con las especificaciones requeridas.

E. Tras el doblado, la tubería deberá someterse a una prueba de paso de bola; por lo general, el diámetro de la bola equivale al 75 % del diámetro interior de la tubería, estando los requisitos específicos sujetos a las especificaciones de diseño. Para los codos en forma de U, la desviación de redondez no deberá superar el 10 % del diámetro exterior nominal del tubo del intercambiador de calor; para los tramos doblados…

2. Análisis y tratamiento de las fisuras en el codo de tuberías en forma de U

1. Inspección

Durante la inspección visual y las pruebas hidrostáticas de los tramos doblados de los tubos en U del Grupo 1, se detectaron grietas en las curvaturas de los tubos.

2. Análisis de la causa

A. Durante la aplicación de los bloques de refuerzo de soldadura en secciones en forma de U, un manejo inadecuado sometió el material del tubo doblado a esfuerzos térmicos y mecánicos durante la soldadura, lo que redujo la resistencia a la corrosión bajo tensión de la zona afectada por el calor y provocó fisuración por corrosión bajo tensión a lo largo de los bordes longitudinales del bloque de refuerzo.

B. Con base en un análisis de las fisuras en los tubos en U de otros equipos, cuando la pared superior de un tubo en U con un radio de curvatura reducido se adelgaza, su resistencia a la corrosión bajo tensión durante la operación disminuye, lo que puede provocar fisuración por corrosión bajo tensión.

C. El acero 0Cr18Ni10Ti es un acero inoxidable austenítico estabilizado con titanio; tras el tratamiento de estabilización, presenta una excelente resistencia a la sensibilización y a la corrosión bajo tensión. Durante la soldadura, la temperatura en los extremos de los tubos supera ampliamente la temperatura del tratamiento térmico de estabilización, lo que inevitablemente provoca la sensibilización del material en la zona de la soldadura. Además, no se realizó ningún tratamiento térmico de alivio de tensiones después de la unión soldada entre los tubos de transferencia de calor y los bloques de refuerzo, lo que aumenta significativamente la probabilidad de propagación de grietas intergranulares.

3. Solución

A. Cuando la reducción del espesor de la pared en el radio de curvatura mínimo de un tubo en U supera el 10 % del espesor original de la pared, el tubo deberá reforzarse aumentando su espesor de pared o mediante la soldadura de placas de refuerzo (normalmente utilizando placas de refuerzo soldadas).

B. Para los bloques de refuerzo de los tubos en forma de U, se debe emplear soldadura por puntos, con una corriente de soldadura aproximadamente un 15 % inferior a la utilizada en la soldadura convencional. Deben adoptarse técnicas de soldadura simétricas para minimizar la sensibilización en la zona afectada por el calor.

C. Analizar el entorno de trabajo y el proceso de fabricación de los codos de tubo en U para verificar la idoneidad del proceso de fabricación.

D. El empleo de bloques de refuerzo con dimensiones y configuraciones estructurales más adecuadas puede reducir las concentraciones de tensiones en la zona afectada por el calor de la soldadura.

E. Tras realizar la soldadura de filete entre la tubería y el bloque de refuerzo, deberá efectuarse un tratamiento de alivio de tensiones para reducir las tensiones residuales de soldadura.

II. Inspección, análisis y medidas correctivas de las fugas en la unión entre los tubos en U y las placas de tubos

1. Inspección

Tras finalizar la expansión de las tuberías en U del Grupo 1, una prueba de presión de agua reveló fugas en las uniones expandidas.

2. Análisis de la causa

A. Existe una diferencia de dureza insuficiente entre la placa tubular y los tubos del intercambiador de calor. De acuerdo con las normativas pertinentes, al realizar el expansión por presión de las juntas, la dureza de la placa tubular debe superar en al menos 30 unidades HB a la de los tubos del intercambiador de calor. Las inspecciones revelaron que la placa tubular (fabricada en forjados de 16Mn) presenta, en estado normalizado, una dureza real de apenas 148–158 HB, mientras que los tubos del intercambiador de calor, de acero 0Cr18Ni10Ti, en su condición de entrega estándar (después del tratamiento de solución), exhiben una dureza de 150–167 HB. En otras palabras, los tubos son más duros que la placa tubular. En consecuencia, al someterse los tubos a deformación plástica durante el proceso de expansión, la placa tubular también se deforma. Bajo estas condiciones, resulta intrínsecamente difícil garantizar la calidad de la junta de expansión.

B. El juego entre el diámetro exterior de los tubos en U del intercambiador de calor y el diámetro interior de los orificios de la placa de tubos está diseñado para ser de 1 mm; sin embargo, en la práctica, algunos juegos superan los 1,5 mm. Para garantizar una unión por expansión segura entre los tubos y la placa de tubos, los tubos deben experimentar una deformación considerable; no obstante, dada la delgada espesor de las paredes, una deformación excesiva por expansión puede fácilmente provocar fisuras en los tubos.

C. Las superficies interiores de ciertos orificios de la placa tubular presentan rebabas, manchas de óxido, limaduras de hierro, contaminación por aceite y otras condiciones similares.

D. La profundidad y el ancho de las ranuras en el interior de los orificios de la placa tubular son irregulares, y algunas presentan rayaduras verticales.

3. Solución

A. Aumentar la dureza de la placa tubular. De acuerdo con la norma JB 4726-94, la dureza de las piezas forjadas de 16Mn en estado normalizado es de HB 121–178. Mediante la aplicación de medidas adecuadas en la planta del fabricante o en el lugar de instalación, la dureza de la pieza forjada en estado normalizado puede elevarse hasta alcanzar o aproximarse al límite superior. En el caso de los aceros inoxidables austeníticos, la dureza debe mantenerse por debajo de HB 150 para mejorar la fiabilidad de las juntas de expansión.

B. Pulir las aberturas de los tubos que presenten rebabas o manchas de óxido.

C. En los lugares donde la profundidad y el ancho de las ranuras en los orificios de la placa tubular son inconsistentes, utilice una herramienta de mecanizado de ranuras para rectificar las ranuras y eliminar cualquier rasguño.

D. Calcule la relación de expansión a partir de la holgura entre el diámetro exterior del tubo en U y el diámetro interior de los orificios de la placa tubular, asegurándose de que dicha relación no sea inferior al 1,9 %. En los casos en que la holgura supere el límite especificado, aplique resina epoxi en los orificios de la placa tubular; una vez obtenida una adherencia adecuada, introduzca los tubos y proceda a la expansión.

E. Se utiliza un expansor eléctrico de tubos para realizar la expansión de las juntas, lo que reduce la ocurrencia de subexpansión y sobreexpansión en los tubos en U causadas por la expansión manual. Tras estas mejoras, los tubos en U expandidos fueron sometidos a una prueba de presión hidrostática, y no se observó ninguna fuga en las juntas de expansión.