Mantenimiento de intercambiadores de calor: una guía práctica para ingenieros

El mantenimiento de intercambiadores de calor es la diferencia entre una unidad que cumple su función de diseño durante más de 20 años y una que pierde entre el 15 y el 30 por ciento de su capacidad en pocos ciclos. El trabajo se divide en cuatro disciplinas: monitorear el desempeño respecto a la línea de base, inspeccionar la degradación del material, limpiar para restaurar la transferencia de calor y decidir cuándo reparar o retubar. El plan adecuado es el que se adapta al servicio, al tipo de construcción y a la aleación de los tubos. Los planes genéricos tienden a limpiar de menos, de más, o a utilizar químicos que destruyen las películas protectoras de las aleaciones de cobre.

Un intercambiador de calor no falla de manera ruidosa, se degrada. Las incrustaciones depositan una capa aislante sobre la superficie de transferencia de calor. La corrosión adelgaza las paredes de los tubos un micrón a la vez. Las vibraciones aflojan los soportes de los baffles. Cada uno de estos fenómenos es invisible hasta que el equipo ya no puede mantener la temperatura de salida, hasta que un tubo se rompe o hasta que la factura de energía sube silenciosamente porque el sistema aguas arriba está compensando la pérdida de capacidad.

La falla de tubos es una de las causas más comunes de paradas en intercambiadores de calor. Los mecanismos están bien documentados en la literatura de TEMA, AMPP y Copper Development Association, y son totalmente manejables con un programa de mantenimiento adaptado a las amenazas reales del servicio.

Las incrustaciones son el principal factor. Se reconocen seis tipos: particulado (sólidos en suspensión), cristalización o sarro (precipitación de minerales), biológico (bacteriano, algal, macrofouling), reacción química (polimerización o coquización), incrustación por corrosión (oxidación de la propia superficie) y congelamiento. Los equipos reales generalmente presentan más de un tipo a la vez, y cada uno responde a un método de limpieza diferente.

La corrosión ataca directamente el material del tubo. Los mecanismos más relevantes para los tubos de intercambiadores de calor son: adelgazamiento uniforme, picadura, dezincificación (en latones sin inhibir), fisuración por tensión-corrosión, ataque galvánico y erosión-corrosión a altas velocidades. Cada aleación de tubo tiene su propio rango de aplicación, razón por la cual el mantenimiento debe partir de la aleación.

La degradación mecánica incluye los daños por vibración de los tubos en los baffles, el flujo de las juntas y el aflojamiento de las conexiones tubo-placa tubular por ciclos térmicos.

Un programa basado en intervalos de calendario tenderá a sobremantener un equipo limpo o a llegar demasiado tarde a uno con incrustaciones. La base más sólida es el monitoreo respecto a la propia línea de base del equipo.

Los cuatro indicadores que importan:

• El coeficiente global de transferencia de calor (U) en descenso es la señal de incrustación más clara.

• La temperatura de aproximación se amplía a medida que se acumulan las incrustaciones.

• La caída de presión creciente en el lado de los tubos indica depósitos internos u obstrucción parcial; en el lado de la carcasa, incrustaciones externas o daños por vibración.

• La deriva de la válvula de control y de la velocidad de la bomba es un indicador temprano de que el sistema está compensando la pérdida de capacidad.

Una heurística operacional común es activar la limpieza con una pérdida del 10 al 15 por ciento del valor U respecto a la línea de base, pero el número correcto depende del costo de la limpieza, del costo de la pérdida de capacidad y de la tasa de degradación en el servicio específico. Nota: este rango es una heurística, no un estándar. Validar con datos propios.

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El monitoreo de desempeño indica que el equipo está perdiendo capacidad. La inspección indica por qué.

Las verificaciones visuales en cada oportunidad de parada detectan la degradación superficial, el estado de las juntas y los signos de pérdidas. Las pruebas de presión según ASME Sección VIII verifican la integridad de los tubos a un múltiplo de la presión de operación.

Para los haces de carcasa y tubo, los ensayos no destructivos son la fuente de los datos operacionales:

• Prueba por corrientes de Foucault (ECT) para tubos no ferromagnéticos (Cu-Ni, latón almirantado, latón con aluminio, acero inoxidable austenítico, titanio). Rastreo rápido del haz completo para picaduras, pérdida de espesor y daños en los baffles.

• Prueba por campo remoto (RFT) para tubos ferromagnéticos (acero al carbono, acero inoxidable ferrítico).

• Sistema de inspección rotativo interno (IRIS), ultrasónico, para mapeo de alta resolución del espesor de pared. Se utiliza para confirmar y cuantificar lo que ECT o RFT señala.

• Prueba por campo cercano (NFT) para haces de tubos con aletas, donde el ECT estándar se distorsiona por la geometría de las aletas.

Una campaña típica usa ECT o RFT para el rastreo del haz completo, luego IRIS para confirmar el espesor de pared en los tubos señalados.

El método correcto depende del tipo de incrustación, de la construcción (si el haz es extraíble) y de la aleación de los tubos.

La limpieza mecánica (hidrolavado, cepillado, perforación, limpieza con lanza) elimina físicamente los depósitos. Eficaz para foulants duros y adherentes. En intercambiadores con placa tubular fija, generalmente solo es aplicable al lado de los tubos, ya que el lado de la carcasa es inaccesible sin retirar el haz.

La limpieza química disuelve los depósitos con productos químicos en circulación. Los productos químicos deben ser compatibles tanto con el depósito como con el material del tubo:

• Los productos ácidos (HCl inhibido, sulfámico, cítrico) actúan sobre incrustaciones de calcio y productos de corrosión, pero pueden destruir la película protectora del Cu-Ni y el latón si el paquete de inhibidores es inadecuado.

• Los productos alcalinos con quelantes actúan sobre depósitos orgánicos y oleosos.

• Los agentes quelantes (EDTA, cítrico, glucónico) eliminan incrustaciones sin la agresividad de los ácidos fuertes y suelen ser una buena opción para tubos de aleaciones de cobre.

• Los biocidas (hipoclorito, dióxido de cloro) para incrustaciones biológicas, con dosis de hipoclorito controlada para compatibilidad con aleaciones de cobre.

La regla general: consultar la hoja de datos de la aleación de los tubos y la tabla de compatibilidad del proveedor de productos químicos antes de cualquier limpieza química. Remover la película protectora de un tubo Cu-Ni puede causar más daño en una sola limpieza de lo que causarían las incrustaciones en un año.

Para incrustaciones pesadas, el enfoque más eficaz suele ser un pretratamiento químico para ablandar los depósitos seguido de remoción mecánica.

La aleación define qué química, qué presión mecánica y qué régimen de flujo son seguros.

Cu-Ni 90/10 (C70600) y 70/30 (C71500). Excelentes para agua de mar y agua salobre. Atención a la remoción de la película protectora por ácidos agresivos o sobredosificación de hipoclorito, y al ataque por sulfuros y amoníaco. Usar químicos suaves cuando sea posible (quelantes en lugar de ácidos fuertes), cloración controlada, presión mecánica moderada. Ver Guía de Tubos de Cobre-Níquel.

Latón almirantado (C44300). Excelente para agua dulce con bajo contenido de cloruros. Atención a la dezincificación en agua estancada o contaminada y al ataque por sulfuros y amoníaco. Evitar los productos ácidos que destruyen la película. Ver Latón Almirantado: Composición, Propiedades y Aplicaciones.

Latón con aluminio (C68700). Tolera cloruros más elevados e impingement mejor que el latón almirantado, pero sigue las mismas reglas de compatibilidad química de las aleaciones de cobre.

Acero inoxidable (316L, Dúplex). Tolera productos de limpieza más agresivos que las aleaciones de cobre, pero es vulnerable a la picadura por cloruros y a la corrosión en hendidura bajo los depósitos. Evitar métodos mecánicos que abrasionen la capa pasiva en servicio con cloruros.

Titanio (Grado 2). El tubo más fácil de mantener limpio. Las precauciones están relacionadas con la compatibilidad química (sensible a ciertos ácidos reductores) más que con la respuesta a las incrustaciones.

Cuando falla un tubo, la primera respuesta estándar es taparlo en ambos extremos de la placa tubular. Rápido, económico y el equipo vuelve al servicio de inmediato. El costo es la pérdida de área, ya que cada tubo tapado es capacidad perdida.

La mayoría de los operadores establece un límite de conteo de tapones del 5 al 10 por ciento del total de tubos antes de considerar la sustitución del haz. Nota: esto es una guía, no un estándar. El límite correcto depende de la capacidad de reserva del equipo y de la tasa de nuevas fallas.

La sustitución completa del haz es la respuesta correcta cuando la tasa de nuevas fallas está aumentando, cuando ECT o IRIS muestran adelgazamiento generalizado de paredes, o cuando el conteo de tubos tapados se acerca al límite de capacidad de reserva. La sustitución del haz es también el momento adecuado para actualizar la aleación si la especificación original no era la correcta para el servicio.

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¿Con qué frecuencia se deben limpiar los intercambiadores de calor?

No existe un intervalo único correcto. La cadencia adecuada está determinada por la tasa de degradación del desempeño, que depende del servicio. Un disparador basado en el desempeño (una caída porcentual definida del valor U respecto a la línea de base) es más confiable que un intervalo fijo de calendario.

¿Cuál es la causa más común de falla en los intercambiadores de calor?

La falla de tubos causada por corrosión o erosión. El mecanismo específico depende de la aleación y del servicio: picadura e impingement en aleaciones de cobre en servicio marino, picadura por cloruros en acero inoxidable, erosión en la entrada y daños por vibración en los baffles en todas las aleaciones.

¿Se puede usar cualquier producto químico de limpieza en cualquier material de tubo?

No. Los productos ácidos pueden destruir la película protectora de las aleaciones de cobre (Cu-Ni, latón almirantado, latón con aluminio) y causar más daño que las incrustaciones. Confirmá siempre la compatibilidad química con la hoja de datos de la aleación antes de realizar la limpieza.

¿Cuándo es preferible retubar en lugar de tapar?

Cuando la tasa de nuevas fallas está aumentando, cuando los ensayos no destructivos muestran pérdida de espesor generalizada en el haz, o cuando el conteo de tubos tapados se acerca al límite de capacidad de reserva del equipo. Fallas aisladas con un haz en buen estado: tapar. Fallas generalizadas o pérdida de espesor extendida: retubar y considerar una actualización de aleación.

Las referencias más relevantes para la práctica de mantenimiento de intercambiadores de calor: TEMA (normas para carcasa y tubo y buenas prácticas recomendadas), ASME (Código de Calderas y Recipientes a Presión, Secciones V y VIII), HEI (condensadores de superficie y calentadores de agua de alimentación), AMPP (control de corrosión y selección de materiales), API (660, 661, 662, 510), CDA (aleaciones de cobre en intercambiadores de calor) y EPRI(orientaciones operacionales para la generación de energía).