Superar los desafíos del sellado

Guardar para leer lista Ingeniería de Hidrocarburos, jueves 28 de abril de 2016 11:30

El sellado a altas temperaturas (normalmente 400 °C y superiores) es un desafío porque los materiales estándar, como el grafito expandido, no pueden funcionar de manera confiable durante períodos prolongados de tiempo en tales condiciones. Esto da como resultado una falla en la junta atornillada y una fuga. Hasta ahora, había que hacer concesiones en la selección del material, lo que tiene un efecto perjudicial en la estanqueidad de una junta atornillada con el tiempo a temperaturas elevadas.

Gráfico que muestra la comparación entre Thermiculita y grafito estándar y inhibido. Tenga en cuenta que, aunque la oxidación se retrasa marginalmente en el grafito inhibido, aún se degrada, mientras que la termiculita no se ve afectada con el tiempo.

Los procesos de alta temperatura se observan en muchas industrias, incluidas las de petróleo y gas, procesamiento químico y generación de energía. Las aplicaciones específicas incluyen craqueo catalítico fluido, producción de fertilizantes de nitrato de amonio, producción de etileno, sistemas de quema, turbinas de vapor y gas, sistemas de escape y, más recientemente, celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) y sistemas de energía solar térmica concentrada que utilizan fluidos de transferencia de calor de sales fundidas. Las sales fundidas operan a altas temperaturas y son químicamente agresivas, lo que añade un desafío adicional al sellado.

Una junta enrollada en espiral estilo HOT con mica en el diámetro exterior e interior. Observe la pérdida de grafito de la espiral debido a la oxidación incluso con la "barrera" de mica. La fuga de la junta provocó el cierre de una planta de dióxido de titanio.

Tradicionalmente, las opciones disponibles para los usuarios de juntas han sido utilizar grafito o mica, o una combinación de los dos materiales, en un esfuerzo por compensar sus debilidades inherentes. Mientras que el grafito sella bien a temperatura ambiente, al ser un material orgánico, a temperaturas moderadas a altas el carbono se oxida y con el tiempo el sello pierde su integridad y el rendimiento disminuye. Esto puede ocurrir sorprendentemente rápido, incluso a temperaturas moderadas, y se acelera a medida que aumentan las temperaturas. Incluso cuando el grafito se trata con productos químicos que inhiben el oxígeno, su efecto es sólo temporal.

El grafito es carbono y el carbono se oxida y hace que el sello se degrade. En los casos más extremos, el grafito se oxida por completo, lo que provoca una pérdida total de contención, lo que puede ser catastrófico.

Comparación de las tasas de fuga entre la junta espiral de mica (azul) y la junta espiral Thermiculite 835 (naranja). Incluso en el caso de tensiones superficiales muy elevadas, la junta de mica sufre fugas apreciables.

Una opción alternativa que se ha utilizado para retrasar la aparición de la oxidación del grafito es proteger el sello mediante una barrera. La mica exhibe una excelente resistencia térmica; sin embargo, como es porosa, no funciona bien como sello.

Esto significa que, aunque en teoría la mica proporciona resistencia térmica y protege el elemento de sellado de grafito, en realidad no proporciona un sello hermético eficaz al gas, por lo que el grafito sigue siendo atacado y, en última instancia, estas juntas de estilo de alta temperatura de funcionamiento (CALIENTE) fallan. .

En algunas aplicaciones de temperaturas muy altas, o donde el grafito es químicamente incompatible o promueve la corrosión, las empresas han intentado utilizar únicamente mica, pero estas juntas no proporcionan un sellado adecuado y, por lo tanto, no pueden considerarse una opción viable. Se han probado otras tecnologías, como materiales hidrofóbicos a base de talco, pero aunque afirman ofrecer un buen rendimiento, se han registrado fallos graves en el servicio debido a que el material no ofrece una integridad fiable a largo plazo.

Las temperaturas de proceso aumentan cada vez más y los operadores buscan ampliar los intervalos de mantenimiento. Esto requiere materiales de junta que puedan soportar estas altas temperaturas y al mismo tiempo ofrecer confiabilidad a largo plazo. La seguridad es fundamental y, por lo tanto, elegir una solución probada y confiable es primordial.

Para abordar estos problemas, Flexitallic desarrolló un nuevo material que tiene las mismas características de sellado del grafito pero la resistencia térmica de la mica. El material se llama Thermiculite® y nació de la necesidad de la industria de un material para juntas que pudiera funcionar a temperaturas más altas durante períodos de tiempo más prolongados manteniendo la integridad del sello.

Thermiculite logra este rendimiento mediante el uso y la fabricación innovadores de vermiculita procesada de forma única. Al combinar vermiculita exfoliada térmicamente y químicamente exfoliada especialmente preparada, la estructura de las placas de cristal en Thermiculite garantiza un sello hermético a los gases incluso en las condiciones de proceso más extremas.

Las innovadoras técnicas de fabricación que se han desarrollado significan que las juntas Thermiculite se pueden ofrecer en muchas formas diferentes: lámina, espiral y Kammprofile, así como la nueva junta Change™. Esto significa que la selección de una tecnología de materiales en una obra es perfectamente realizable.

Change es una junta de intercambiador de calor enrollada en metal altamente resistente que ofrece el sellado más dinámico. Lo más significativo es que Change funciona sin fallas un 60% más que otras juntas de intercambiador de calor, bobinadas en espiral CGI, de doble camisa, de metal corrugado o de perfil kamm.

Una de las innovaciones más importantes en la industria del sellado desde la creación de la junta espiral por Flexitallic hace más de 100 años, Change se introdujo como respuesta directa a los problemas a largo plazo de los intercambiadores de calor de los clientes. Al someterse a múltiples ciclos que contenían rangos extremos de temperatura y presión, los intercambiadores de calor eran propensos a mantenimiento regular y tiempo de inactividad como resultado del reemplazo de juntas que no podían funcionar en estas duras condiciones.

La junta Change patentada se fabrica utilizando equipos patentados y presenta un perfil en espiral de metal cinco veces más grueso que las juntas estándar. Al utilizar un proceso de soldadura láser único que penetra completamente a través del devanado, no se requieren anillos interiores ni exteriores. Las capacidades de la junta se han demostrado a través de una serie de estudios, que incluyen pruebas de corte radial (RAST), pruebas de ciclo térmico extendido de la carcasa, pruebas de fugas y compresión, que arrojaron resultados altamente positivos.

Por ejemplo, durante una prueba de 24 días y 24 ciclos de presión versus ciclo térmico a 302 °C que replica las condiciones de la industria, Change perdió solo 1,5 PSI, superando a todas las demás juntas probadas por al menos nueve días. Las pruebas de compresión revelaron que, basándose en su alto nivel de energía almacenada, Change se recupera casi cinco veces mejor que Kammprofile y las juntas de doble camisa.

Imagen de microscopio electrónico de barrido de la estructura de placa flexible muy delgada de Thermiculite, que proporciona un sello hermético resistente al gas en un amplio rango de temperaturas.

Se llevó a cabo una prueba de corte radial, desarrollada originalmente por PVRC/ASME junto con la Ecole Polytechnique de la Universidad de Montreal, para simular la expansión y contracción diferencial de las bridas del intercambiador de calor. La prueba se realiza en 100 ciclos térmicos con nitrógeno presurizado a 40 bar y prueba de fugas cada 20 ciclos.

La brida es del tipo machihembrado, típica de un intercambiador de calor. El tamaño de la junta es de 453 x 427 mm (espesor nominal de 3,2 mm). La brida inferior se somete a un ciclo a 300 °C y la brida superior se enfría con agua, maximizando así el crecimiento diferencial en el sistema y generando un corte radial de aproximadamente 0,8 mm en la junta. Sin embargo, la medida clave es la relajación del perno, ya que se considera una medida de la resistencia de la junta al corte radial.

La junta sobrevivió a la prueba con daños visibles insignificantes y mostró solo una relajación del 15 % en la tensión del perno después de 100 ciclos. En comparación, el siguiente mejor rendimiento es la junta enrollada en espiral con una relajación del perno de alrededor del 25%. La junta de cambio no mostró fugas importantes en la prueba, lo que contrasta marcadamente con la junta tipo camisa.

Sin embargo, la mejor evidencia proviene de aplicaciones exitosas en las que Change funciona consistentemente en entornos difíciles. Por ejemplo, en una aplicación de refinería, Change funcionó de manera efectiva a través de ciclos que van desde temperatura ambiente hasta 379 °C, sin experimentar problemas hasta la fecha y superando a todas las juntas utilizadas anteriormente. Antes de la instalación de la junta de 63 pulgadas de diámetro y 510 PSI, la refinería requeriría múltiples reemplazos de juntas entre cortes importantes después de 28 ciclos térmicos.

El cambio se puede suministrar con PTFE, relleno de grafito y una variedad de metales, pero destaca en aplicaciones de alta temperatura cuando se combina con Thermiculite.

Debido a que la vermiculita es un silicato inorgánico, el material Thermiculite posee una excelente resistencia a temperaturas muy altas y también a productos químicos agresivos. También pasó la estricta prueba de fuego API 6FB, lo que lo hace ideal para aplicaciones de hidrocarburos. Debido a las propiedades de aislamiento eléctrico del material, ahora se utiliza en aplicaciones donde la corrosión en grietas es un problema, como aplicaciones de petróleo y gas en alta mar y agua de mar.

Thermiculite ofrece una solución única, que reemplaza la necesidad de una variedad de materiales, ninguno de los cuales proporciona una solución duradera a temperatura. Se pueden lograr ahorros reales en términos de reducción de costos de mantenimiento, reducción del tiempo de inactividad, racionalización del inventario, cumplimiento de emisiones y, por supuesto, mayor seguridad a través de una mejor integridad de las juntas.

La termiculita se ha utilizado con éxito en miles de aplicaciones en toda la industria desde 1997.

Una empresa petrolera estatal introdujo innovaciones en productos Flexitallic después de enfrentar problemas de fugas en un ambiente corrosivo y de alta temperatura dentro de sus refinerías, lo que puede tener un impacto en la productividad y la eficiencia.

Las bridas de cabeza dentro de los sistemas de calentamiento de las refinerías tienen una presión de 7 bares y operan a temperaturas entre 520 y 540°C. Anteriormente, la empresa había estado utilizando la junta espiral CG 304 con un relleno de grafito, recomendado por el fabricante del equipo.

Sin embargo, esta combinación de materiales de junta, en las condiciones de servicio, provocaba fugas, lo que exacerbaba la corrosión dentro del sistema de calefacción. Para superar el problema, Flexitallic recomendó el anillo CGI 316 de las juntas espirales y el devanado que contiene relleno Thermiculite 835.

El material de junta Thermiculite de Flexitallic fue desarrollado para su uso en aplicaciones de servicios críticos, desde criogenia hasta temperaturas superiores a 1000°C. Como resultado, el uso de la junta espiral, combinada con termiculita, eliminó las fugas del sistema y, por lo tanto, evitó futuros problemas de corrosión.

Escrito por Alex Lattimer, director de línea de productos, Flexitallic Ltd.

Lea el artículo en línea en: https://www.hidrocarbonengineering.com/special-reports/28042016/overcoming-the-challenges-of-sealing-at-high-temperatures-3152/

Michael FP Bifano, The Equity Engineering Group Inc., (E2G), analiza cómo abordar la vibración de las tuberías en las industrias de petróleo, gas y petroquímica, y espera la próxima API 579 Parte 15.

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