MANTENIMIENTO Y REPARACION DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
1.- ASPECTOS GENERALES Los programas de mantenimiento básicamente tienen como objetivo reducir la frecuencia y duración de reparaciones, así como la de obtener la máxima eciencia y economía en el funcionamiento y conservación de equipos e instalaciones. El presente capítulo describe las principales actividades del mantenimiento aplicadas a cambiadores de calor. antenimiento. Es el conjunto de actividades que es necesario desarrollar para conservar edicios, equipos, instalaciones, etc., en condiciones óptimas de servicio y prolongar la vida !til y su operación al máximo nivel de eciencia. Las actividades de mantenimiento tienen dos aspectos" El t#cnico y el económico. El objetivo inmediato del mantenimiento es conservar en condiciones de funcionamiento seguro, eciente y conable las instalaciones y equipos, para no demorar ni interrumpir sus servicios. El objetivo básico del mantenimiento es contribuir por los medios disponibles a sostener lo más bajo posible el costo de operación de equipos e instalaciones. El análisis de los m!ltiples problemas que se $an presentado al personal de conservación en las instalaciones e industrias $a determinado la aplicación de los sistemas de mantenimiento clasicándolos en tres grupos" %redictivo %reventivo &orrectivo
Mantenimiento Predictivo. 'e basa fundamentalmente en detectar una falla antes de que suceda, para dar tiempo a corregirla sin perjuicio de la operación, para ello se usan instrumentos de diagnóstico y pruebas no destructivas. (no de los aspectos del mantenimiento predictivo, se reere a la vida !til de los elementos, esto nos lleva a denirlo como los trabajos necesarios para efectuar la reposición de las pie)as que $an estado sujetas a fatigas o desgaste, cuando $an cumplido el t#rmino de vida !til jado por el fabricante o por las normas que lo rigen. En estos casos los elementos deben ser sustituidos, no importa que den la impresión de encontrarse en buenas condiciones de trabajo. El mantenimiento predictivo es aplicado a unidades en las que una falla mecánica imprevista puede poner en peligro las instalaciones o vidas $umanas. El mantenimiento predictivo tiene las siguientes ventajas" a* +o sustituye en forma rutinaria partes costosas sólo para estar del lado seguro. b* etermina el tiempo de vida que le queda a las partes de una máquina, a los tanques, a los recipientes, etc. c* Evita suspender el servicio fuera de programa- por fallas imprevistas.
Mantenimiento Preventivo.
La característica principal del mantenimiento preventivo es la de detectar las fallas en su fase inicial y corregirlas en el momento oportuno. (na buena organi)ación de conservación dedicada al mantenimiento preventivo conoce el tiempo de operación seguro de algunos componentes, o bien, se llega a conocer puntos d#biles de instalaciones, equipos, máquinas, etc. Estas posibilidades son las que $an contribuido al desarrollo del mantenimiento preventivo. Las ventajas del mantenimiento preventivo son" a* Los trabajos se reali)an en la fec$a prevista b* a tiempo para programar y efectuar reparaciones a como resultado un funcionamiento más eciente y sin interrupciones imprevistas de instalaciones y equipos.
Mantenimiento Correctivo. El mantenimiento correctivo es un sistema de trabajo que consiste en corregir las fallas cuando se presentan, ya sean síntomas claros y avan)ados o por falla total. El mantenimiento correctivo origina cargas de trabajo incontrolables que causan actividad intensa y lapsos sin trabajo- cuando las necesidades son imperiosas obliga el pago de $oras extras. +o se controla la productividad se interrumpe la producción, $ay necesidad de comprar todos los materiales en un momento determinado. En resumen, son las consecuencias lógicas que se presentan cuando ocurre un paro no programado. Esta forma de aplicar el mantenimiento impide el diagnóstico exacto de las causas que provocaron la falla, pues se ignora si falló por mal trato, por abandono, por desconocimiento de operación, etc., por lo que no es recomendable el uso de este sistema de mantenimiento por sus desventajas. El mantenimiento predictivo y preventivo son los sistemas de trabajo que más se ajustan a los cambiadores de calor, por las ventajas que representan comparándolos con el mantenimiento correctivo.
.- INSTALACION Y!O MONTA"E DE INTERCAMBIADORES DE CALOR /.0 Espacios para movimientos .0 &imentación y soportes 1.0 +ivelación 2.0 %recauciones de limpie)a 3.0 &onexiones y tuberías principales 4.0 &onexiones y tuberías auxiliares
1. E#$acio# $ara Movimiento#. %ara la instalación de un cambiador de calor, debe disponerse del espacio necesario para los movimientos propios de la instalación además del necesario para el mantenimiento- estos espacios son función del tipo de cambiador que se $a de instalar.
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%ara un cambiador de tubos rectos con $a) de tubos removible, d#jese espacio libre suciente del lado del cabe)al jo para permitir la extracción del $a) de tubos. El diagrama de erección debe se5alar las dimensiones exteriores y la posición de los soportes y las boquillas del cambiador que determinan estos espacios. 'i el cambiador tiene tapa de cora)a removible, debe dejarse libre suciente para su remoción. %ara cambiadores de calor con espejos jos, debe quedar espacio libre en uno de los extremos para permitir la limpie)a y si fuera necesario, el reempla)o de los tubos. ispóngase, en el otro extremo del espacio que permita quitar la tapa del cabe)al. %ara cambiadores de calor con tubos 6 (6, es necesario un espacio libre en el extremo del cabe)al para poder extraer el $a) de tubos.
. Cimentaci%n & So$orte#. La cimentación más adecuada, es la que no permite asentamiento del cambiador de calor, ya que las tuberías causarían esfuer)os excesivos en las boquillas del cambiador. Los tornillos de anclaje en las cimentaciones suelen tener cierta inexactitud de colocación. %ara esto lo mejor será colocar en el colado de las )apatas de concreto, unas camisas de tubo, que con un diámetro igual al doble del de los tornillos, abracen a #stos, para permitir que los centros de los tornillos puedan ajustarse despu#s de la cimentación. El anclado de la unidad en uno de los extremos, 7normalmente es opuesto al cabe)al jo* debe permitir la libre expansión de la cora)a. Los barrenos alargados de los soportes del cambiador fueron $ec$os con este propósito. Las tuberías de alimentación y descarga, deben soportarse de manera tal, que los movimientos por dilatación t#rmica que pudieran presentarse, no afecten al cambiador.
'. Nive(aci%n. El cambiador de calor debe quedar nivelado y orientado de tal manera que la instalación de las tuberías se realice sin esfuer)o, a la ve) que pueda drenarse y purgarse satisfactoriamente.
). Preca*cione# de Lim$ie+a. &on el n de prevenir que materiales extra5os puedan da5ar los cambiadores de calor o los equipos adyacentes, los tapones y tapas se retirarán de la unidad, justamente antes de la instalación. El cambiador de calor y las tuberías de alimentación y descarga, deberán estar perfectamente limpios antes de iniciar la operación. En ciertos casos es necesario instalar ltros o mallas, que dependiendo del servicio, serán permanentes o temporales para el periodo inicial de operación.
,. Coneione# & T*er/a# Princi$a(e#. Es evidente la importancia de instalar las tuberías a sus correspondientes boquillas. 2
En el dibujo del cambiador se debe dar especial importancia a las conexiones de boquillas, puesto que sólo con la correcta instalación puede esperarse un buen funcionamiento. ebe cuidarse que la instalación de la tubería est# protegida contra los movimientos ocasionados por la expansión t#rmica.
0. Coneione# & T*er/a# A*i(iare#. Los cambiadores de calor van provistos de ventilas con el n de desalojar gases no condensables que se $ayan acumulado en el interior. &uando las boquillas del cambiador no fueron construidas para permitir por ellas el drenado de la unidad, el cambiador se proveerá de conexiones de drenaje. 8l instalar tubería de drenaje es conveniente evitar ductos comunes de descarga. 9eneralmente, formando parte de las boquillas se dispone de conexiones para medición, de no ser así, deseando obtener información bajo condiciones de operación, deberá instalarse en las tuberías de entrada y salida, conexiones para manómetros y termómetros. &uando el servicio así lo requiera, deberán instalarse válvulas y tuberías de desviación 7by0pass*, con el n de facilitar las inspecciones, limpie)a y reparaciones.
'.- OPERACIN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR /.0 +ormas generales. .0 :untas empacadas. 1.0 ;mpactos t#rmicos. 2.0 %rincipio de operación. 3.0 etenciones o paros de operación. 4.0 renado de cambiadores de calor.
1. Norma# Genera(e#. +ing!n equipo del intercambio t#rmico deberá ser operado bajo condiciones que excedan lo se5alado en la placa de nombre, una buena precaución, será revisar las especicaciones y dibujos, para enterarse y aplicar las instrucciones particulares de cada unidad. Los arranques y detenciones de operación deben $acerse con gran cuidado, pues pueden ser causa de graves da5os, especialmente en los cambiadores de espejos jos.
. "*nta# Em$acada#. Los cambiadores de calor fueron $idrostáticamente probados en concordancia con los requerimientos del &ódigo de construcción aplicable, sin embargo, puesto que los empaques pueden $aberse deformado en el tiempo comprendido entre la prueba $idrostática y la operación del cambiador, las juntas empacadas deberán reajustarse despu#s de la instalación y preferentemente despu#s de que el cambiador de calor $a alcan)ado la temperatura de operación. 3
Es importante que los espárragos se aprieten uniformemente y en forma diametral, excepto en caso de alta presión de operación, en que deben seguirse las instrucciones especícas del fabricante. 8 continuación presentamos un croquis en el cual se muestra la secuencia adecuada para apretar los espárragos de las bridas.
8l reajustar los espárragos debe tenerse cuidado de no sobre esfor)arlos, si se $a apretado $asta el valor permitido por su material, y persiste alguna fuga, lo mejor será cambiar los empaques. El uso de una llave con dinamómetro resultará de gran utilidad asegurando una carga uniforme para cada espárrago.
Im$acto# T2rmico#. Los cambios de =ujo, arranques y paros deben ser graduales, nunca debe introducirse en un cambiador de calor un =uido caliente cuando la unidad est# fría, ni un =uido frío cuando la unidad est# caliente, pues se producen impactos t#rmicos que pueden da5ar al cambiador.
Princi$io# de O$eraci%n. Los cambiadores de calor de espejo =otante siempre deben ponerse en operación $aciendo circular primeramente el =uido frío para despu#s introducir gradualmente el =uido caliente. En cambiadores de calor de espejos jos, los =uidos deberán introducirse simultáneamente en forma gradual de tal forma que las expansiones diferenciales entre los tubos y la cora)a sean mínimas. 4
urante el arranque deberán permanecer las conexiones de venteo abiertas y todos los conductos deberán estar llenos del =uido de proceso y purgados de aire.
Detencione# & Paro# de O$eraci%n. %ara detener la operación de cambiadores de espejo =otante, debe disminuirse gradualmente el =ujo caliente para despu#s suprimir el =ujo frío. %ara unidades de espejos jos debe suspenderse la operación, teniendo cuidado de limitar lo más posible las expansiones diferenciales entre los tubos y la cora)a.
Drenado de Camiadore# de Ca(or. &uando una unidad es puesta fuera de operación, debe ser drenada completamente, a n de disminuir las posibilidades de corrosión y>o congelación. &uando las unidades vayan a permanecer fuera de operación por periodos más o menos prolongados, deberá tomarse alguna de las siguientes opciones" El cambiador vacío, seco y cerrado- lleno de agua con alg!n in$ibidor de la corrosión tipo comercial o bien llenado con nitrógeno.
).- MANTENIMIENTO Y REPARACION DE INTERCAMBIADORES DE CALOR /. +ormas 9enerales. . 'eparación del $a) de tubos. 1. #todos de limpie)a de cambiadores. 2. %recauciones durante la limpie)a. 3. Locali)ación de fugas. 4. %recauciones en pruebas bajo presión. ?. Errores de interpretación de prueba $idrostática. @. Aolado de tubos. B. :untas tubo0espejo soldadas. /C. Aeempla)o de empaques. //. isponibilidad de materiales. /. Doma de decisiones.
1. Norma# Genera(e#. 8 intervalos regulares, con la frecuencia que la experiencia y la eciencia de los cambiadores de calor lo aconsejen, se examinará el interior de los mismos. El descuido en la limpie)a interior de los tubos, puede provocar la completa obstrucción del =ujo de alguno de ellos, lo cual causará severos esfuer)os t#rmicos y da5os en las juntas de los tubos. (na capa de depósitos en los tubos, reduce la eciencia de los cambiadores, incrementa la caída de presión y reduce el rendimiento, indicando la necesidad de limpie)a. La resistencia por ensuciamiento afecta directamente la eciencia de los ?
cambiadores, a mayor espesor de los depósitos, mayor resistencia y menor eciencia de transferencia t#rmica. %uesto que las dicultades de limpie)a aumentan rápidamente el aumentar el espesor de las costras de depósitos no deben alargarse muc$o los periodos entre limpie)as.
. Se$araci%n de( 3a+ de T*o#. Los movimientos que $an de $acerse con un $a) de tubos, deben $acerse con cuidados extremos para no da5ar el $a) o la cora)a. Los $aces deben soportarse en las mamparas, espaciadores y espejos, nunca en los tubos. Los cables o demás medios para levantar los $aces, deben pasar por los tornillos de ojo o las orejas de i)amiento para ese efecto, de no contar con ellos, deben usarse mallas de acero. 7
'. M2todo# de Lim$ie+a de Camiadore#. Las supercies de transferencia t#rmica deberán conservarse limpias a n de asegurar un funcionamiento satisfactorio. Los medios de limpie)a deberán tenerse siempre disponibles. Los cambiadores de calor, pueden conservarse limpios por medios químicos o mecánicos. La selección del m#todo adecuado la $ará el operador de la planta, dependiendo del tipo de depósitos y de las facilidades disponibles en la planta. %uesto que siempre es posible reducir la cantidad de depósitos o incrustaciones, conviene preferentemente tratar de eliminar del =uido de proceso los elementos que los originan. &uando esto no sea posible, quedará la alternativa de cambiar la composición de los sedimentos para $acerlos fáciles de eliminar esto se consigue por medio de ltros y agregados al =uido de proceso. &uando los depósitos y las incrustaciones persisten, se recomienda seleccionar alguno de los siguientes procedimientos. %ara incrustaciones solubles, circ!lese aceite lavador caliente a trav#s de los tubos o la cubierta a alta velocidad. 8lgunos depósitos salinos pueden eliminarse $aciendo circular agua caliente y limpia El uso de compuestos comerciales para quitar sedimentos y las costras resistentes, agregados al agua caliente o al aceite, suelen dar buenos resultados Escrepas, cepillos giratorios y otros medios mecánicos se usan para remover costras duras u otros depósitos. 7
Limpie)a de sumergiendo en un tanque de di#sel caliente.
). Preca*cione# D*rante (a Lim$ie+a Los tubos no deben limpiarse con vapor en forma individual, puesto que el tubo calentado, al expandirse, provoca grandes esfuer)os. &uando la limpie)a sea mecánica, debe $acerse con muc$o cuidado para evitar da5os a los tubos, ya que la mayoría de estos sistemas arrastran junto con los sedimentos, algo del material del tubo.
,. Loca(i+aci%n de 4*5a#. +ormalmente las fugas de un =uido se maniesta por la contaminación entre =uidos o por la baja presión de operación. 'i bien es cierto que los cambiadores no están exentos de fugas, es preferible y recomendable revisar todo el sistema antes de $acer un diagnóstico apresurado que se5ale el cambiador de calor como fuente de fugas. B
En un cambiador de calor es evidente que las partes más delicadas son los tubos, puesto que se requieren espesores mínimos en las paredes para $acer más efectiva la transmisión t#rmica. %or esta ra)ón, es de esperar que la mayoría de las fugas que suelen presentarse en un cambiador de calor, ocurran en los tubos. Los siguientes procedimientos de prueba $idrostática, permitirán detectar las perforaciones y grietas en los tubos, así como las fugas en las juntas tubo0espejo. En los cambiadores de calor con cabe)ales tipo carrete 7Dipo DE8 8, &, +, L y %* se retiran las tapas planas de los mismos y se aplica presión más y se aplica presión $idráulica en la cora)a. 8 continuación se reali)a la detección de posibles fugas mediante las indicaciones siguientes" &uando se observa en los espejos que en ciertos tubos existe un =ujo continuo de agua, esto nos indica que esos tubos están fracturados, perforados o bien agrietados por lo que se deberán cambiar, o taponear, seg!n se establece en el punto @. Las uniones tubo0espejo se deberán revisar cuidadosamente para detectar el lagrimeo en dic$as uniones 7gotas de agua en la unión* si este existiera. 'i la fuga se presentará se deberá reparar de acuerdo a lo establecido en el punto n!mero @. Aevisar cuidadosamente las juntas soldadas practicadas en la cora)a a n de vericar que no existe lagrimeo a trav#s de ellas, en caso contrario, reparar dic$as juntas. En unidades con cabe)ales tipo bonete 7tipo DE8 F y *, con espejos jos, donde los espejos están integrados con la cora)a, retire los bonetes y aplique presión. 'i los espejos no están integrados en la cora)a, o el $a) de tubos es removible, separe el bonete y retornille el espejo a la cora)a empleando un anillo de prueba tipo 686 7
0. Preca*cione# en Pr*ea# Ba6o Pre#i%n. &uando se $ace una prueba de presión para locali)ar fugas en los cambiadores de calor, deben atenderse las siguientes indicaciones" %or ning!n motivo debe excederse la presión de prueba se5alada en la placa de nombre En cambiadores usados, con corrosión en la cora)a, debe reducirse la presión de prueba proporcionalmente 'iempre que sea posible, evítese $acer pruebas neumáticas, ya que además de ser peligrosas, tienden a da5ar los equipos &uando sea necesario reali)ar una prueba neumática, esta debe ser precedida por una prueba $idrostática e* Las pruebas neumáticas deben sobrepasar con muy poco la presión de operación, y denitivamente, deben evitarse en cambiadores usados. f* En las pruebas neumáticas con gases diferentes al aire, deben usarse gases no corrosivos, no tóxicos, incombustibles y fáciles de identicar cuando escapan. El
transversarlos al cambiador, pues puede presentarse un incremento excesivo en la presión de prueba, en forma repentina, lo cual resulta sumamente peligroso.
7. Errore# de inter$retaci%n de (a Pr*ea 3idro#t8tica. ebe vigilarse que la temperatura del agua en una prueba $idrostática sea la temperatura ambiente, pues de ella depende la correcta interpretación de la prueba. 'i el agua está fría y la atmósfera es $!meda, las condensaciones pueden confundirse con las fugas 7si las $ay*. El agua caliente puede causar expansiones da5inas al equipo.
9. Ro(ado de T*o#. Las juntas tubo0espejo roladas están estandari)adas en cambiadores de calor y el sello de la junta se logra expandiendo el tubo. &uando se presenta una fuga en la unión tubo0espejo, es posible evitarla expandiendo el tubo por medio de un rolador, sin embargo, debe tenerse cuidado de no sobrerolar, pues podría adelga)arse demasiado la pared del tubo, romperse, o da5arse la soldadura aplicada alrededor de este. 'i despu#s de rolado el tubo, ya que puede da5arse el espejo, lo mejor será probar cambiando el tubo. &omo una medida de emergencia y con carácter provisional, puede taponearse un tubo fracturado, perforado o bien agrietado, por el cual se $a presentado la fuga. &omo medida general, se recomienda nunca sobrepasar el taponamiento en un /CG del total de los tubos, sin embargo la caída de presión será la que determinará el porcentaje permitido para cada caso en particular, por lo que este es el parámetro limitante. El diámetro interior nal del tubo será igual al diámetro original del mismo más el claro existente entre el tubo y el barreno del espejo más la expansión por rolado, 7
:. "*nta# T*o-E#$e6o So(dada#. En algunos casos las juntas tubo0espejo se $acen soldadas. &uando se $aga necesario reparar una junta soldada o se vaya a subsistir un tubo, debe anali)arse cuidadosamente el proceso y los materiales con que $a sido $ec$a la junta. 'i ciertas uniones soldadas 7de sello y>o resistencia* tubo espejo, requieren ser reparadas, se deberá primeramente elaborar un procedimiento por personal calicado, para que posteriormente personal experimentado lo aplique, solo así puede asegurarse una buena soldadura.
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Reem$(a+o de Em$a<*e#.
Los empaques y sus asientos deberán estar completamente limpios y libres de imperfecciones, además de ser perfectamente acomodados antes de apretar los espárragos. Es necesario que al rearmar un cambiador, se usen empaques nuevos. Esto tiende a evitar la posibilidad de fugas y da5os a los asientos de los empaques, la ra)ón no //
es otra que los empaques suelen tornarse frágiles y quebradi)os para luego no sellar correctamente al usarse por segunda ve). &uando los empaques son de metal sólido o enc$aquetado, $ay que tomar en consideración que #stos ya presentan deformaciones permanentes, por lo que seguramente al reutili)arlos se afectarán los asientos y difícilmente se logrará el sello.
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Di#$onii(idad de Materia(e#.
8 continuación se muestra una lista de partes de repuestos recomendables para la reparación y mantenimiento de cambiadores de calor. 3G de tubos de repuesto 3G de tornillería juegos de empaques / anillo de prueba Dapones para tubos, 3G del n!mero total de tubos &uando el cambiador sea de $a) de tubos removible, además de lo mencionado, es recomendable contar con un $a) de repuesto. Esto permitirá un mantenimiento más efectivo y una mayor vida !til del cambiador al usarse alternadamente en forma de relevo los $aces de tubos.
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Toma de Deci#ione#.
En este punto es donde el :efe de antenimiento anali)a el tipo de falla que presenta el cambiador, y decide si es reparable o no. 'i es posible repararla, especicará los pasos a seguir tomando en cuenta la cantidad de personal necesario, material requerido, $erramienta disponible y el tiempo que implica la reparación. 'i no es posible repararla, tambi#n tomará la decisión de limpiar, ensamblar y poner en operación el cambiador provisionalmente o bien solicitar una unidad de repuesto, todo dependiendo de las necesidades que deba cubrir el cambiador de calor dentro del proceso de la planta. La decisión que elija el :efe de antenimiento, deberá estar respaldada por la capacidad, experiencia y $abilidad con que cuente, involucrado tambi#n el aspecto económico, ya que una decisión mal tomada implicaría un gasto infructuoso o costos adicionales por reparaciones frecuentes.
CONCL=SIONES •
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En un intercambiador de calor se debe reali)ar paulatinamente un mantenimiento ya que esto puede ocasionar problemas para su funcionamiento. ebemos conocer los pasos para reali)ar una buena operación de los intercambiadores de calor. Es necesario saber los procesos de montaje de intercambiadores de calor, para reali)ar posteriormente su desmontaje y por ende su mantenimiento.
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8l conocer los tipos de intercambiadores de calor podemos seleccionar el intercambiador apropiado, este depende de su aplicación en la industria y por su economía para su elaboración. La utili)ación de los intercambiadores de calor en la industria se puede a$orrar energía lo cual implica costos y mantener las propiedades de tratamiento de los =uidos los mismos que coadyuvan el óptimo desempe5o de las máquinas y equipos. Existen diferentes tipos de intercambiadores 7=ujo y por construcción*, aplicados en instalaciones industriales, instalaciones navales, instalaciones de climati)ación civil que nos $an $a ayudado para los a$orros de costos energ#ticos.
OPINION PERSONAL Los intercambiadores de calor, son considerados como la alternativa más viable para transferir calor, por ende su amplio uso, en todos los niveles de la industria que lo requiera, en consecuencia nosotros los alumnos que estudiamos ;ngeniería ecánica debemos estar imbuidos tambi#n en el tema de ;ntercambiadores de &alor desde su ise5o, instalación, operación, mantenimiento y reparación.
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