INSTITUTO POLITECNIC O NACIONAL

“DESARROLLO DE UNA METODOLOGIA

PARA LA REPARACION DE TUBERIA DE AGUA EN CALDERAS”

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE M A E S T R O E N C I E N C I A S

EN INGENIERIA MECANICA, OPCION DISEÑO

P R E S E N T A : ING. ARTURO SUAREZ ANGULO.

DIRECTORA DE TESIS:

M. EN C. ALLA KABATSKAIA IVANOVNA.

MEXICO, D.F. DICIEMBRE, 2003.

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL COORDINACION GENERAL DE POSGRADO E INVESTIGACION

CARTA CESION DE DERECHOS En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 29 del mes enero del año 2004, el que suscribe

Arturo Suárez Angulo alumno del Programa de Posgrado, Maestría en Ingeniería Mecánica, Opción

Diseño con número de registro 971527, adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e

Investigación de la ESIME Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor intelectual del presente

Trabajo de Tesis bajo la dirección de la M. en C. Alla Kabatskaia Ivanovna y cede los derechos del

trabajo intitulado “Desarrollo de una metodología para la reparación de tubería de agua en calderas”

al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.

Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, graficas o datos del trabajo

sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la

siguiente dirección: [email protected]

Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del

mismo.

Ing. Arturo Suárez Angulo.

Nombre y firma

INDICE

Página Indice de tablas iv Indice de figuras v Glosario vii Simbología x Resumen xi Abstract xii Justificación xiii Objetivo xiv Introducción xv

I. ESTADO DEL ARTE. 2 1.1 Antecedentes 2 1.2 Generalidades de la caldera 3

1.2.1 Descripción de una caldera 4 1.2.2 Clasificación de las calderas 4 1.2.3 Elementos de las calderas 5 1.2.4 Materiales tradicionales empleados en las calderas 9

1.3 Fallas en las tuberías de las calderas 10 1.3.1 Falla por corrosión 10 1.3.2 Falla por “daño por hidrógeno” 11 1.3.3 Falla por corrosión bajo esfuerzo 12 1.3.4 Falla por corrosión – fatiga 13 1.3.5 Falla por corrosión bacteriológica 14 1.3.6 Falla por sobrecalentamiento (Termofluencia) 14 1.3.7 Falla por soldadura y construcción 14 1.3.8 Falla por implosión y explosión 15

II. MODELO TEORICO TRADICIONAL DE REPARACION. 17

2.1 Tipos de tuberías empleadas actualmente en las calderas 17 2.2 Reparación tradicional de tubería con falla en las calderas 19

2.2.1 Soldadura con arco o con gas 19 2.2.2 Soldadura fuerte o con bronce 19

2.3 Proceso de soldadura de reparación tradicional en tubería de calderas 19 2.3.1 Proceso y aplicación de soldadura con gas y electrodo de tungsteno 20 2.3.2 Equipo para la soldadura con gas y electrodo de tungsteno 21

2.4 Metodología aplicada actualmente en la reparación de tubería de calderas 22 2.4.1 Generalidades 22 2.4.2 Orientación de la soldadura 22 2.4.3 Normatividad para la posición de la tubería 24

III. DESARROLLO DE LA METODOLOGIA DE REPARACION. 26 3.1 Formulación del problema 26

3.1.1 Amplitud de la formulación del problema 26 3.1.2 Métodos de formulación de un problema 27

3.2 Análisis del problema 27 3.2.1 Especificaciones del problema 28

3.3 Determinación de posibles soluciones 28 3.3.1 Modernidad de la solución 29

3.4 Elección de la solución propuesta 29 3.4.1 El proceso de elección 29 3.4.2 Relación costo – beneficio 30

3.5 Especificación de la solución propuesta 31 3.5.1 Factibilidad económica 32 3.5.2 Acondicionamiento de la solución 33

IV. APLICACION DE LA METODOLOGIA DESARROLLADA 35

4.1 Descripción del problema de falla en tubería de calderas 35 4.1.1 Nivel de la solución del problema 37 4.1.2 Descripción del nivel de solución 38

4.2 Diagnóstico del problema presentado en tubería de pared de agua 39 4.2.1 Variables del análisis 39 4.2.2 Especificaciones de entrada 40 4.2.3 Especificaciones de salida 43

4.3 Soluciones propuestas para la reparación de falla en tubería de agua 44 4.3.1 Investigación de factores 44 4.3.2 Propuestas de reparación 44

4.4 Determinación de la solución para la reparación de falla en tubería de agua 45 4.4.1 Elección del tipo de reparación 45 4.4.2 Metodología sistemática de reparación 48

4.5 Análisis de esfuerzos en recipientes de pared delgada bajo presión interna 52 4.5.1 Análisis mecánico 52 4.5.2 Elaboración del círculo de Mohr para esfuerzos en tuberías 56 4.5.3 Principio de SAINT – VENANT 57 4.5.4 Análisis matemático para la determinación de esfuerzos 57

4.6 Aplicación de la solución para la reparación de falla en tubería de agua 62 4.6.1 Identificación de la falla 63 4.6.2 Corte de la ventana 64 4.6.3 Aplicación de la soldadura 65 4.6.4 Prueba hidrostática 66

4.7 Análisis de costo – beneficio 67

V. RESULTADOS Y DISCUSIONES. 71 5.1 Resultados obtenidos 71

5.1.1 Resultados del análisis numérico 71 5.1.2 Resultados del experimento 74 5.1.3 Comparación de los resultados 75

5.2 Discusiones 79

Conclusiones y recomendaciones 80 Bibliografía 84

INDICE DE TABLAS

Página Tabla 2.1 Materiales empleados para tubos sin costura en servicio de alta temperatura 17 2.2 Materiales empleados para tubos sin costura para soldar 17 2.3 Tubos empleados para servicio de alta temperatura 18 2.4 Tubos de fundición empleados para servicio de alta temperatura 18 2.5 Tubos especiales sin costura empleados en calderas 18 2.6 Tubos especiales para soldar empleados en calderas 18 2.7 Materiales para placas empleados en recipientes a presión 19 3.1 Criterios para los costos 28 3.2 Criterio global para el costo – beneficio 28 4.1 Parámetros de operación 42 4.2 Costos sobre la reparación propuesta 68 4.3 Beneficios obtenidos en comparación con la metodología actual 68 5.1 Resultados obtenidos de los cálculos realizados 74 5.2 Comparación de los tiempos empleados en horas 75 5.3 Comparación de los tiempos en servicio del equipo reparado 76 5.4 Comparación entre las técnicas de reparación 78

INDICE DE FIGURAS

Página

Figura 1.1 Vista seccionada de la tubería de una caldera 4 1.2 Domos de una caldera 5 1.3 Calentador de aire 6 1.4 Principio del economizador 7 1.5 Tipos morfológicos de corrosión 9 1.6 Ataque por hidrógeno 10 1.7 Falla por tensión 11 1.8 Fisura por corrosión 11 1.9 Falla por soldadura 12 2.1 Diagrama del proceso para la soldadura con gas y arco de tungsteno 18 2.2 Equipo para la soldadura con gas y arco de tungsteno 19 2.3 Diagrama de orientación de la soldadura 21 2.4 Posición de la tubería 1G 22 2.5 Posición de la tubería 2G 22 2.6 Posición de la tubería 5G 22 3.1 Formulaciones alternativas del problema 24 3.2 Factores para el análisis del problema 25 3.3 Fase de la búsqueda de soluciones 26

3.4 Resultados de la fase de especificación 30 3.5 Fase del proceso de diseño muestran las probables entradas y salidas de cada fase 31 4.1 Diagrama esfuerzo – deformación para un material frágil típico 36 4.2 Diagrama esfuerzo – deformación para un material dúctil típico (acero) 36 4.3 Formulaciones alternativas del problema propuesto 38 4.4 Especificación de la solución probable 44 4.5 Posibles Soluciones de reparación 45 4.6 Líneas de Fuerza que actúan sobre las ventanas 46 4.7 Tipo de ventana ideal para la reparación 46 4.8 Tipo de ventana no apta para la reparación 47 4.9 Aspecto de las ventanas abiertas sobre los tubos dañados 48 4.10 Diagrama de un tubo con falla localizada 49 4.11 Diagrama de un tubo con superficie lista para ser cortada 49 4.12 Diagrama de un tubo con el área de falla cortada y retirada 50 4.13 Diagrama de un tubo con el área nueva para reemplazar 51 4.14 Diagrama de un tubo reparado a través de ventana 51 4.15 Diagrama de un cilindro y los esfuerzos que actúan 52 4.16 Esfuerzo tangencial en un elemento cilíndrico 53 4.17 Esfuerzo axial en un elemento cilíndrico 53 4.18 Esfuerzos que actúan sobre una porción del cilindro 54 4.19 Distribución de esfuerzos que actúan en el espesor del tubo 55 4.20 Diagrama de esfuerzos en superficie exterior 55 4.21 Diagrama de esfuerzos en superficie interior 56 4.22 Círculo de Mohr para los esfuerzos en recipientes de pared delgada bajo presión interna 56 4.23 Pared de agua objeto del estudio 63 4.24 Fuga sobre el cuerpo de la tubería 64 4.25 Ventana en tubo de pared de agua en forma romboidal 65 4.26 Tubo reparado 66 4.27 Fuga en reparación realizada 67 5.1 Comparativo entre costos de reparación 76

G L O S A R I O ACERO AL CARBON Acero que debe sus propiedades en forma principal a diversos porcentajes de carbono, sin cantidades apreciables de otros elementos de aleación. ASME American Society of Mechanical Engineers. ASTM American Society for Testing and Materials. ALEACION Mezcla de dos o más metales, en la mezcla mínimo un elemento debe de ser metal. BOBINA Componente eléctrico para generar campos eléctricos. CALDERA Recipiente para generar vapor. CONFIABILIDAD Se refiere a la probabilidad de que un elemento o sistema no falle durante su operación bajo condiciones prescritas. CORDON LOGITUDINAL Tipo de cordón de soldadura hecho sin oscilación transversal apreciable. CORROSION Reacción química que origina erosión en los metales. CRITERIO Se refiere a los factores que se deben tomar en cuenta para realizar un análisis. DISPONIBILIDAD Se refiere a la proporción de tiempo en que un sistema se encuentra fuera de servicio pero que puede ser utilizada en cualquier momento. ELECTRODO DE TUNGSTENO Electrodo metálico que no es para relleno, es utilizado en la soldadura de arco y gas.

ESPECIFICACIONES Características descritas sobre los métodos, procedimientos, equipos y materiales. Normas y calidad de mano de obra. ESTUDIO DE FACTIBILIDAD Investigación y análisis detallados efectuados para determinar la disponibilidad financiera, económica y técnica. FACTIBILIDAD Facilidad de realizar alguna operación. FALLA Daño en donde cierto flujo plástico se acumula en un elemento en comparación con la condición inicial. FASE DE DESARROLLO DEL DISEÑO Fase en donde se prepara, a partir de los estudios esquemáticos del diseño aprobado, los documentos para el desarrollo del diseño. FASE DE DISEÑO ESQUEMATICO Primera fase del diseño en donde se obtienen las necesidades primarias del problema a resolver. FATIGA Cambio estructural progresivo, localizado y permanente que ocurre en un material sometido a deformación o esfuerzo. FRACTURA Se refiere cuando se observa que en una pieza se inicia un estado en que una grieta se ha iniciado. GENERADOR DE VAPOR Se le denomina al conjunto completo para generar electricidad a través de una turbina movida por medio de vapor. INTERLOCK Dispositivo o seguro que impide que un sistema entre en operación.

MALEABLE Propiedad de los metales de poder convertirse en láminas.

MORFOLOGIA Estudio de las formas en general.

OPERABILIDAD Se refiere a la facilidad con que un diseño determinado puede ser operado por seres humanos. OPTIMIZAR Obtener mayores beneficios con los mismo recursos. PANELES Elemento prefabricado para dividir en secciones un área. POROSIDAD Bolsas de gas o huecos en el metal. RPM Revoluciones por minuto SISTEMATICO Procedimiento que se sigue paso a paso. SOLDADURA Método que se utiliza para la unión de dos metales. SOLDADURA FUERTE (DURA) Soldadura en la cual la unión se obtiene al calentar a la temperatura necesaria de tal forma que el material de aporte se distribuye entre las superficies estrechamente unidas por atracción capilar. TERMOELECTRICA Planta industrial dedicada a la generación de energía eléctrica a través de turbinas movidas por medio de vapor. TIG (o TAW) Soldadura con gas y electrodo de tungsteno TIRO Dúcto por donde circula aire, se refiere también a la chimenea de una caldera. VENTANA Apertura que se abre sobre el cuerpo del tubo para poder ser reparado.

SIMBOLOGIA a Constante A, B, C, . . . Fuerzas A, B, C, . . . Puntos b Distancia c Constante; radio cm. Centímetros cm2 Centímetro cuadrado C Centro Dint Diámetro interior Dext Diámetro exterior d Distancia; diámetro F Fuerza h Altura hr Hora K Factor de concentración de esfuerzos Kg/cm2 Kilogramo por centímetro cuadrado l Longitud MW Mégawatts m Metros m2 Metros cuadrados mm Milímetros m Masa p Presión p* Presión límite P Fuerza pulg. Pulgada r Radio ; radio de giro t Espesor ton/hr Toneladas por hora T Temperatura V Volts x, y, z Coordenadas rectangulares ε Deformación σ Esfuerzo π 3.1415726 ∆x Distancia, sección ° C Grados Centígrados ° F Grados Fahrenheit

DESARROLLO DE UNA METODOLOGIA PARA LA REPARACION DE

TUBERIA DE AGUA EN CALDERAS RESUMEN Las reparaciones realizadas a las tuberías de pared de agua de las calderas actualmente son realizadas por medio de soldadura con gas y electrodo de tungsteno como lo indica la norma ASME para calderas y recipientes a presión, sin embargo esta reparación presenta el inconveniente de ser muy costosa en su proceso y de requerir tiempo considerado para realizar la maniobra. El desarrollo de esta investigación está orientada a presentar una metodología para la reparación de dicha tubería en una caldera, misma que se aplicó prácticamente a la caldera de la unidad generadora N° 3 de una Central Termoeléctrica propiedad de Luz y Fuerza del Centro, además se realizó el análisis mecánico y matemático que es comparado con el análisis experimental. La conclusión sobre el desarrollo de la metodología describe que la factibilidad de ser aplicada es del 95% en la tarea de reparación y en la confiabilidad de operación del equipo dejando como opción éste método como proceso de reparación de mantenimiento establecido por alguna entidad interesada en minimizar sus costos y optimizar sus recursos.

DEVELOP OF A METHODOLOGY FOR THE REPAIR OF

PIPE OF WATER IN BOILERS ABSTRAC

The repairs carried out at the moment to the pipes of wall of water of the boilers are carried out by means of welding with gas and tungsten electrode like it indicates it the norm ASME for boilers and recipients to pressure, however this repair presents the inconvenience of being very expensive in it’s process and of requiring time considered to carry out the maneuver. The development of this investigation is guided to present a methodology for the repair of this pipe in a boiler, same that was applied to the boiler of the generating unit practically N°3 of the Center Thermoelectric property the Luz y Fuerza del Centro, was also carried out the mechanical and mathematical analysis that is compared with the experimental

analysis. The conc1usion on the development of the methodology describes that the feasibility of being applied is of 95% in the repair task and in the confiability of operation of the team leaving as option this method like process of maintenance repair settled down by some entity interested in to minimize it’s costs and to optimize its resources.

OBJETIVO Desarrollar una metodología para la reparación de tubería de pared de agua de una caldera a través de ventanas sobre el cuerpo del tubo con el propósito de minimizar el tiempo de reparación.

JUSTIFICACION Las reparaciones realizadas a las tuberías de agua de alimentación de las calderas actualmente son reparadas por medio de soldadura con Gas y Arco de Tungsteno como lo indica la norma ASME para calderas y recipientes a presión. Sin embargo esta reparación presenta el inconveniente de ser muy costosa en su proceso y de requerir tiempo considerado para realizar la maniobra. El desarrollo de esta investigación nace de la necesidad de presentar una metodología para la reparación de dicha tubería respaldada a través de un análisis mecánico y matemático con la finalidad de reducir tiempos de reparación.

INTRODUCCION En el trabajo titulado “Desarrollo de una metodología para la reparación de tubería de agua en calderas” se presenta una metodología propuesta para reparar fallas en las tuberías de la pared de agua de una caldera a través de “ventanas” de forma romboidal que se abren sobre el cuerpo del tubo para cambiar el área en donde se encuentra dicha falla. La solución de problemas implica desarrollar un método sistemático en el cual la transformación de una situación dada ofrezca una solución parcial o total a la problemática planteada, el problema comúnmente proviene del deseo de lograr la transformación de un estado de cosas a otro a través de los medios, procesos y herramientas que generalmente conocemos como “tecnología”, por lo que a su vez la solución es un medio de lograr dicha transformación deseada.

Al elegir una solución de entre varias propuestas, se debe justificar bajo la especificación de la misma, su desarrollo y la aplicación al problema real con todos los parámetros de condiciones de trabajo actual. La metodología actual que se emplea para la reparación de fallas en las tuberías de pared de agua se realizan bajo las especificaciones del Código ASME para calderas y recipientes a presión, misma que al desarrollarse, repercute directamente en el alto costo de su aplicación tanto en materiales, equipo y tiempo. Para reducir dichos costo y tiempos de reparación se propone una metodología en donde se expresa abrir una “ventana” en forma romboidal para cambiar el área en donde se ha producido la falla, como ventaja se obtiene bajo costo en material y equipo. Por lo anterior se establece como hipótesis, que dicha forma de abertura “ventana” es apropiada para la reparación ya que no es afectada de forma significativa por las líneas de esfuerzos mecánicos sobre la tubería y las concentraciones de esfuerzos en los vértices llega a ser mínima por la forma redondeada que se realiza al cortar el tubo. La metodología tiene la finalidad de analizar y comprobar su aplicación específicamente en este tipo de tuberías bajo condiciones de trabajo del equipo. El presente trabajo integra cinco capítulos que constan del Estado del Arte en donde se mencionan los antecedentes, las generalidades de la caldera como descripción, clasificación, elementos y materiales empleados en su construcción, así mismo, se dan a conocer los tipo de fallas más comunes que se presentan en las tuberías de este equipo. El capítulo dos menciona el modelo teórico tradicional de reparación que se utiliza en tuberías de pared de agua bajo la especificación del código ASME para calderas y recipientes a presión, se presenta una tabla con los tipos de tuberías que se emplean en la actualidad, el proceso de soldadura con gas y electrodo de tungsteno y una descripción breve de la metodología aplicada actualmente. En el capítulo número tres se presenta el desarrollo de la metodología de forma general, esquemática y simplificada mencionando los cinco pasos básicos para la solución del problema: Formulación del problema Análisis del problema Determinación de posibles soluciones Elección de la solución propuesta Especificación de la solución elegida La aplicación de la metodología se realiza en el capítulo número cuatro de forma sistemática y específica, se describe paso a paso el proceso. En este punto es de suma importancia justificar la elección de la solución la cual queda respaldada con un análisis mecánico y matemático para los esfuerzos principales a los cuales está sometido el elemento, además se demuestra su confiabilidad para la operación del equipo bajo las tablas de comparación entre las dos metodologías y el análisis del costo. Se concluye el presente trabajo en el capítulo número cinco con los resultados y se presentan las recomendaciones a trabajos futuros.

1. ESTADO DEL ARTE En este capítulo se desarrolla el Estado del Arte en donde se presentan los antecedentes, una descripción básica sobre la caldera y las fallas más comunes que ocurren en sus tuberías. 1.1 Antecedentes. México a través del tiempo ha desarrollado tecnología para solucionar grandes problemas de ingeniería y en ocasiones se ha visto en la necesidad de adaptar sistemas creados a sus necesidades particulares. En un punto específico, la necesidad de generar energía eléctrica es hoy un tema de actualidad dado que el tiempo transcurrido, ha dejado en condiciones obsoletas a sistemas, equipos y materiales que después de cincuenta años continúan en operación. La energía eléctrica es una fuente muy importante que proviene de la naturaleza y sus manifestaciones más espectaculares y comunes son las descargas atmosféricas conocidas como rayos. Desafortunadamente, no es posible aprovechar éstos como fuente natural y es necesario emplear ciertos dispositivos para producirla a partir de otras fuentes. Gracias a que la producción de esta forma de energía es relativamente simple, el hombre ha contado con ella desde fines del siglo antepasado, por lo que se puede obtener energía eléctrica con sólo mover una serie de espiras de cobre (bobina) en el seno del campo magnético producido por un imán. Por lo anterior, para producir energía eléctrica es necesario disponer de un generador y de suficiente energía mecánica para moverlo, de donde se desprende que la energía eléctrica no es más que energía mecánica transformada. Basándose en este principio, desde hace tiempo el hombre ha podido obtener gran parte de la electricidad que requiere empleando el agua almacenada en grandes presas para mover ruedas provistas de aspas, llamadas turbinas hidráulicas las cuales a su vez dan movimiento a los generadores, las centrales de este tipo se conocen como Centrales Hidroeléctricas. El descubrimiento de que el vapor de agua podía mover también una rueda de aspas, incrementó de manera decisiva las posibilidades de generar energía eléctrica, sin más límite que el de la posibilidad de obtener la energía térmica necesaria para producir el vapor. El vapor se produce en grandes recintos cerrados denominados calderas, cuyas paredes pisos y techos se encuentran cubiertos por tubos llenos de agua. En el interior se quema algún combustible y el calor que se desprende hace hervir el agua en el interior de los tubos, produciéndose el vapor que mueve a la turbina y que posteriormente es condensado y regresado a la caldera.

En nuestro país existen dos entidades que se encargan de generar energía eléctrica “Comisión Federal de Electricidad” (CFE) y “Luz y Fuerza del Centro” (LyFC) en donde un buen número de Centrales Termoeléctricas de ambas entidades, iniciaron su operación comercial desde hace más de 50 años, acercándose así al fin de su vida de diseño original. En consecuencia, la evaluación de la vida útil remanente de estos equipos, los cuales continúan en operación, es imperativa para garantizar su integridad estructural y una operación confiable de las unidades generadoras de energía. Por otro lado dichos equipos ya no son capaces de trabajar al 100% por el cambio de métodos, condiciones y parámetros de trabajo. Durante la generación de la energía eléctrica se realizan operaciones como arranques, paros y cambios de potencia de los turbogeneradores. Dichas operaciones transitorias provocan que ciertos componentes críticos de las turbinas y calderas, como rotores y tuberías respectivamente, sean sometidos a ciclos de esfuerzos mecánicos y térmicos repetitivos lo cual consume su vida útil. Los problemas que enfrentan las calderas específicamente, son las fallas que se presentan en sus tuberías teniendo que dejar de operar para poder ser reparadas. Los departamentos de mantenimiento atienden las reparaciones de emergencia bajo las especificaciones establecidas y en ocasiones los tiempos de respuesta son altos al igual que los costos de materiales, equipos y procedimientos para dicha maniobra de reparación. El problema en particular se presenta en reducir el tiempo en que el equipo se encuentra fuera de servicio ya que las pérdidas por dejar de generar energía eléctrica son millonarias. Por esto, es importante encontrar procedimiento alternativos que permitan realizar las maniobras de reparación en un menor tiempo y minimizar los costos de los factores que intervienen. Al hablar de las calderas, específicamente, las fallas más comunes se presentan en los tubos de pared de agua por ser los expuestos a la combustión directamente y las reparaciones que en ellas se hagan deben de apegarse a las normas de seguridad que marca el código ASME para calderas y recipientes sometidos a presión de tal forma que la operación del equipo sea dentro de los términos de confiabilidad. 1.2 Generalidades de la caldera. La energía eléctrica es una fuente muy importante que proviene de la naturaleza y sus manifestaciones más espectaculares y comunes son las descargas atmosféricas conocidas como rayos. Desafortunadamente, no es posible aprovechar éstos como fuente natural y es necesario emplear ciertos dispositivos para producir la electricidad a partir de otras fuentes por lo que la producción de esta forma de energía es relativamente simple. El hombre ha contado con ella desde fines del siglo antepasado, por lo que se puede obtener energía eléctrica con sólo mover una serie de espiras de cobre (bobina) en el seno del campo magnético producido por un imán.

En las terminales de la bobina se genera un voltaje. Si se conecta un foco a ellas, se ve que su filamento se torna incandescente debido al paso o flujo de electrones. El conjunto formado por el campo magnético y la bobina se denomina generador y es una máquina que transforma la energía mecánica en eléctrica. Por lo anterior, para producir energía eléctrica es necesario disponer de un Generador y de suficiente energía mecánica para moverlo. La energía mecánica se obtiene a través de otro sistema llamado caldera. El conjunto de la caldera y el generador forman el equipo

completo para la generación eléctrica. La ubicación de estos sistemas se denominan termoeléctricas y en 1987 las centrales termoeléctricas suministraron alrededor del 76% de la electricidad. 1.2.1 Descripción de una caldera El término “caldera” no describe adecuadamente el sistema completo para proporcionar la fuerza motriz o energía y es necesario considerar todos los elementos que conforman a una unidad completa. En la generación de vapor existen dos términos que algunas veces son confundidos “caldera” y “generador de vapor”. Técnicamente, la caldera fue la sección de una unidad productora de vapor, la cual contenía el medio de calentamiento sin incluir el hogar y los accesorios necesarios para la operación de la unidad. El término generador de vapor, por otra parte, es el término usado en la actualidad para designar correctamente a la unidad completa con todos los elementos necesarios para la operación de la unidad[4]. El vapor se produce en grandes recintos cerrados denominados “calderas” cuyas paredes, pisos y techos se encuentran cubiertos por tubos llenos de agua. En el interior se quema algún combustible y el calor que se desprende hace hervir el agua en el interior de los tubos y produce el vapor el cual mueve a la turbina y posteriormente se condensa y se regresa a la caldera para iniciar nuevamente el ciclo. 1.2.2 Clasificación de las calderas Los Calderas se pueden clasificar en: a) Según el servicio: - Fijas

- Portátiles - Locomóviles - Marinas

b) Por la posición de los tubos: - Verticales - Horizontales - Inclinados c) Por la forma de los tubos: - Rectos - Curvos d) Por la circulación del medio: - Igneotubulares (Tubos de Humo) - Acuotubulares (Tubos de Agua) 1.2.3. Elementos de la caldera. Los elementos básicos de una caldera son:

a) Hogar.- Es el recinto donde se produce la combustión. Es necesario que el tamaño del hogar sea suficiente para permitir la combustión adecuada, el tiempo de la combustión y la turbulencia suficiente son fundamentales para tener una combustión eficiente. b) Haz Tubular.- Es el conjunto de tuberías que se encuentran dentro de la caldera. Como ejemplo se pueden mencionar los tubos de banco de generación donde se convierte el agua en vapor. Los Tubos de Pantalla, llamados así porque forman una división entre el hogar y el banco generador, forman una mampara que conduce a los gases de combustión hacia el fondo del hogar. Los Tubos del Horno, dan forma al hogar y se encuentran sometidos directamente a la flama. En ellos se genera vapor y se colocan al frente de los quemadores, lados laterales y lado posterior. Los Tubos de Suministro, se emplean para conducir el agua del domo de agua a las paredes del horno. Los Tubos de Retorno, estos conducen la mezcla líquido – vapor de las paredes del horno al domo de vapor. Los Tubos de Vapor Saturado, son los que conducen el vapor saturado casi seco de la salida del domo de vapor hacia su empleo en servicios o a los bancos Sobrecalentadores.

Fig 1.1 “Vista seccionada de la tubería de una caldera” En la figura 1.1 se muestra el corte de una caldera donde se

aprecian el hogar y las diversas áreas de tuberías con los domos. Fuente: [bibliografía 4]

c) Domos.- Los domos pueden ser de vapor o de agua. El domo de vapor es un recipiente a presión con una mitad de su volumen ocupado por agua y la otra por vapor. Su función es separar el vapor saturado de la mezcla agua – vapor descargada por lo tubos de la caldera. El agua remanente es recirculada por los tubos de bajada al domo de agua y de ahí vuelve a los tubos de generación. Este domo recibe el agua de alimentación y también puede recibir sustancias químicas para el acondicionamiento del agua. El Domo de Agua es un recipiente a presión cuya finalidad es recibir el agua a baja temperatura proveniente del domo de vapor a través de los tubos de bajada y distribuirla hacia los tubos generadores o de subida y a los tubos que forman la pared del horno. En ellos se acumulan los sedimentos, los cuales son drenados.

Fig. 1.2 “Domos de una caldera” En la figura 1.2 muestra la interconexión entre los domos primario en la zona inferior y el domo secundario en la parte superior.

Fuente:[bibliografía 4]

d) Sobrecalentadores.- Son nombrados así porque forman serpentines por donde el vapor saturado es sobrecalentado, generalmente estos bancos se localizan detrás de los tubos pantalla. e) Quemadores.- Pueden ser simples o mixtos para combustóleo y gas, generalmente cada uno cuenta con su encendedor. En el caso de quemadores de gas se cuenta con dos líneas de alimentación, una para los quemadores y otra para encendedores. f) Circuito de Aire.- Es el sistema que introduce aire para la realización de la combustión y al mismo tiempo expulsar los gases quemados de la misma. En las centrales termoeléctricas, el gas que se calienta en el hogar de la caldera, es impulsado por el aire de combustión y obligado a salir por la columna cerrada que, en este caso, se denomina chimenea. g) Calentadores de Aire.- Se utiliza con el fin de precalentar el aire para la combustión antes de ponerlo en contacto con el combustible. En un calentador de aire se capta el aire del ambiente y se precalienta utilizando el calor sensible del gas de chimenea de la caldera que se está descargando de la unidad hacia la atmósfera. Esta sistema aumenta la eficiencia global de la caldera y elimina el uso de combustible extra. En la siguiente figura se nuestra un calentador de aire seccionado donde se aprecia los paneles o paquetes por donde pasa el aire para ser calentado.

Fig. 1.3 “Calentador de aire” Llamado también precalentador de aire, la figura muestra un precalentador de tipo paquete.

Fuente:[bibliografía 4]

h) Economizadores.- Es el componente que precalienta el agua de alimentación con respecto a la temperatura de suministro, de igual forma, utiliza el calor sensible del gas de chimenea de la caldera.

Fig. 1.4 “Principio del economizador” En el diagrama se aprecia el principio de un economizador con los recorridos del agua de alimentación y los gases de combustión que salen de la caldera.

Fuente:[bibliografía 25] 1.2.4 Materiales tradicionales empleados en las calderas. Los límites prácticos de la presión y la temperatura del vapor, dependen principalmente de los materiales disponibles en los mercados nacionales para la construcción de equipo. El código ASME para calderas y recipiente a presión, recomienda la selección del grueso de las paredes de los tubos así como la selección de materiales para diferentes condiciones de generación de vapor[1]. El metal básico para la construcción de supercalentadores que trabajan con temperaturas aproximadas de 427o C (800o F), es el acero al carbono. Para temperaturas entre 427 y 468o C (800 y 875o F), es el acero carbono-molibdeno. Para temperaturas entre 468 y 509o C (875 y 950o F), se utiliza acero cromo-molibdeno (5% de cromo y 0.5% de molibdeno). Arriba de 509o C (950o F), se usa el acero inoxidable (18% de Cr y 8% de Ni)[15]. Es una práctica usual prolongar la vida útil de la tubería con el material comercial. Se utilizan los tubos de aleación con el propósito de reducir los esfuerzos, provocar un flujo mayor de masas y a la vez reducir la temperatura del material de los mismos.

Los topes de arandela y los soportes colgantes, están sujetos a mayores temperaturas que los elementos del supercalentador. Por tal motivo son de acero inoxidable 18-8, con el objeto de resistir las deformaciones y la oxidación. Las especificaciones como las denominadas A249/A249M-92 publicadas bajo la jurisdicción del Comité ASTM sobre los aceros al carbón, inoxidables, diferentes aleaciones y tubos soldados de espesor de pared nominal hechos de aceros austeníticos respaldan su utilización para usos en calderas, sobrecalentadores, intercambiadores de calor y condensadores. En las especificaciones se mencionan aspectos como: Descripción en la fabricación Tratamientos térmicos Composición química Pruebas de tensión Pruebas de dureza Prueba de doblado Tamaño de grano Variaciones permisibles en las dimensiones 1.3 Fallas en las tuberías de las calderas. La importancia de los elementos de una caldera sometidos a esfuerzos no solo requieren del mayor cuidado en su construcción, montaje y operación sino también de efectuar inspecciones durante la vida útil con el objeto de diagnosticar el estado actual de dichos elementos, haciendo la operación más segura y confiable. A continuación se mencionan las causas más comunes en fallas de las tuberías de las calderas. 1.3.1 Falla por corrosión. Proceso de acción erosiva sobre la superficie interna de la caldera por el trabajo mecánico de materiales de sólidos, abrasivos transportados por el agua o los gases en circulación. También se presenta por oxidación[18]. Los efectos corrosivos del agua tienen su principal exponente en la red de tuberías por las que circula. En el caso de aguas agresivas que circulan por los circuitos hidráulicos como los de agua potable, agua sanitaria o agua tratada, el problema de corrosión suele ser del tipo generalizado, es decir, la corrosión se produce de una forma uniforme y con la misma velocidad sobre la superficie metálica. Esta corrosión generalizada da lugar a la formación de capas o costras de hidróxidos en tuberías de hierro y de carbonatos en las tuberías de cobre. En el diseño de una instalación habrá de tener en cuenta, de acuerdo con la calidad del agua, el comportamiento de los distintos materiales frente al carácter agresivo. En cuanto a

la unión de los tubos, ésta debe ejecutarse mediante abocardado y biselado de la pieza hembra, efectuando la unión mediante soldadura blanda al 33 % aproximadamente. Las tuberías de acero negro, conocidas también como de hierro negro, al estar en contacto con el aire y si no disponen de protección, se oxidan cubriéndose con una película de color pardo oscuro muy característico. Este tipo de tubería no se utiliza para conducciones de agua potable por presentar este efecto. Básicamente, su uso está limitado al sector industrial.

Fig. 1.5 “Tipos morfológicos de corrosión” Los diagramas muestran los diferentes tipos de corrosión en su forma de actuar sobre el material.

Fuente: [bibliografía 24] 1.3.2 Falla por “Daño por Hidrógeno” Este tipo de falla es irreversible y ocurre a temperaturas elevadas. La severidad de ataque del metal depende de: temperatura, presión parcial del hidrógeno, nivel de esfuerzos, tiempo de exposición y composición química del acero. El daño por hidrógeno se desarrolla por la generación del mismo durante el proceso de corrosión de la superficie interna del tubo. Este mecanismo de falla es el resultado del rompimiento de la capa protectora de magnetita, a causa de la concentración de productos químicos corrosivos dentro de los depósitos formados sobre la superficie interna del tubo. El daño por hidrógeno se presenta bajo las siguientes circunstancias:

• Operación de la caldera a bajo pH. • Concentración de contaminantes corrosivos. • Flujo de calor elevado a través de la pared de los tubos.

Fig. 1.6 “Ataque por hidrógeno” Se presentan dos piezas que han sufrido ataque por hidrógeno, en la primer pieza se muestra un elemento de cobre y en la segunda pieza de

acero, ambas con residuos producidos por dicho ataque. Fuente: [bibliografía 32] 1.3.3 Falla por corrosión bajo esfuerzo Es una forma de ataque localizado en la cual se unen dos factores fundamentales: por un lado, se requiere de la presencia de un medio corrosivo específico y por otro lado es necesario la presencia de esfuerzos de tensión, ya sea aplicados o residuales en el material[18, 25].

Fig. 1.7 “Falla por tensión” Se observa una grieta producida por un esfuerzo de tensión sobre el material el cual cuenta con una estructura de grano grueso.

Fuente: [bibliografía 32] 1.3.4 Falla por corrosión – fatiga Es una forma muy parecida a la corrosión bajo esfuerzo, con la diferencia de que los esfuerzos que la provocan son del tipo cíclico y pueden ser introducidos por procesos térmicos o mecánicos. Aunque la fractura inicial, en la que predominan los efectos de la corrosión, es frecuentemente intergranular, la trayectoria de la fractura final es siempre transcristalina como se observa en la figura 1.8

Fig. 1.8 “Fisura por corrosión” La fisura se ha producido sobre una pieza que está bajo el efecto de corrosión.

Fuente: [bibliografía 32] 1.3.5 Falla por corrosión bacteriológica Este tipo de corrosión es generado por microorganismos de diferentes variedades, los cuales de una manera sinergética actúan para establecer las condiciones adecuadas y formar los mecanismos de corrosión[18].

1.3.6 Falla por sobrecalentamiento (Termofluencia) Cuando los materiales de fabricación de la caldera son expuestos a altas temperaturas se presentan fallas de diferentes tipos dependiendo de las causas que la generan. La Termofluencia es la distorsión permanente, producida a temperaturas elevadas, cuando se aplica un esfuerzo durante largo tiempo[2, 7]. Este tipo de deformación es plástica de metales o aleaciones, mantenidos durante largo tiempo a temperaturas que permiten tales deformaciones, bajo la acción de esfuerzos y se encuentran por debajo del esfuerzo de cedencia. 1.3.7 Falla por soldadura y construcción El conjunto de partes soldadas no debe ser poroso ni tener inclusiones no metálicas significativas. Debe formar contornos superficiales que fluyan suavemente con la sección unida y no tener esfuerzos residuales por el proceso de soldadura.

Fig. 1.9 “Falla por soldadura” En la figura 1.9 se puede apreciar que la pieza ha sufrido fallas en su base por residuos de esfuerzos que fueron formados por la acción de soldadura de los soportes intermedios.

Fuente: [Luz y Fuerza del Centro, Termoeléctrica J.Luque.] 1.3.8 Falla por explosión e implosión Las explosiones en calderas suelen ocurrir cuando la presión de operación de la caldera supera la presión para la cual fue diseñada. Generalmente esto ocurre cuando algunos de los sistemas de alarma o control están descalibrados, dañados o no funcionan. Las implosiones en calderas ocurren generalmente cuando el flujo de agua de entrada para producir vapor no ingresa al equipo, ocasionando un sobrecalentamiento excesivo y el colapso del material.

2. MODELO TEORICO TRADICIONAL DE REPARACION En este capítulo se desarrolla el método tradicional para la reparación de las tuberías de las calderas de acuerdo con el Código ASME para calderas y recipientes a presión. 2.1 Tipos de tuberías empleadas actualmente en las calderas. Los tubos de pared delgada tienen amplio uso en todo el mercado industrial, sus aplicaciones incluyen transmisión de potencia con fluidos, instrumentación y servicio general. Debido a sus diámetros pequeños y pared delgada, el tubo de este tipo de pared se puede doblar en muy diversas configuraciones. Esta flexibilidad y facilidad de trabajo permiten ahorros en el costo, porque minimizan los requisitos de conexiones y accesorios. A continuación se presentan las especificaciones ASTM para materiales empleados para la fabricación de tubería y accesorios empleados actualmente en las calderas.

TUBO SIN COSTURA PARA SERVICIO A ALTA TEMPERATURA. A 106 Acero al carbón

A 335 Acero ferrítico de aleación A 376 Austenítico para servicio en estaciones centrales A 405 Aleación ferrítica, tratamiento térmico especial

Tabla 2.1 “Materiales empleados para tubos sin costura en servicio de alta temperatura”

Fuente: [Bibliografía 1]

TUBO SIN COSTURA PARA SOLDAR A 53 Acero al carbón

A 120 Negro y galvanizado (uso normal) A 312 Acero Austenítico inoxidable

A 333 Acero al carbón (servicio a bajas temperaturas) A 530 Requisitos generales para tubos especiales de acero al carbón

y de aleación

Tabla 2.2 “Materiales empleados para tubos sin costura para soldar” Fuente: [Bibliografía 1]

TUBO FORJADO Y PERFORADO PARA SERVICIO A ALTA TEMPERATURA

A 369 Acero ferrítico de aleación A 430 Acero Austenítico inoxidable

Tabla 2.3 “Tubos empleados para servicio de alta temperatura”


TUBO DE FUNDICIÓN CENTRIFUGADA PARA SERVICIO A ALTA TEMPERATURA

A 426 Aleaciones ferríticas A 451 Aleaciones austeníticas

A 452 Aleaciones austeníticas forjadas en frío

Tabla 2.4 “Tubos de fundición empleados para servicio de alta temperatura” Fuente: [Bibliografía 1]

TUBO ESPECIAL SIN COSTURA A 179 Acero al bajo carbono para intercambiadores de calor y

condensadores A 192 Acero al carbono para calderas en servicio a alta temperatura

A 199 Acero de aleación intermedia estirado en frío A 210 Acero al mediano carbono para calderas

Tabla 2.5 “Tubos especiales sin costura empleados en calderas”


TUBO ESPECIAL PARA SOLDAR A 178 Tubos para caldera de acero al carbono soldado con arco

A 214 Acero al carbono soldado por resistencia eléctrica A 226 Acero al carbono, servicio para alta presión

A 249 Acero Austenítico inoxidable A 254 Acero soldado con soldadura dura

Tabla 2.6 “Tubos especiales para soldar empleados en calderas”


PLACAS PARA RECIPIENTES A PRESIÓN A 240 Inoxidable, al cromo y cromo-níquel

A 285 Acero al carbono para servicio a temperaturas bajas e intermedias

A 299 Acero al carbono-manganeso-silicio A 387 Acero de aleación al cromo-molibdeno

A 515 Acero al carbono para servicio a temperaturas intermedias y altas

A 516 Acero al carbono para servicio a temperaturas moderadas y bajas

Tabla 2.7 “Materiales para placas empleados en recipientes a presión”

Fuente: [Bibliografía 1] Las tablas anteriores fueron realizadas bajo los materiales enlistados en el código ASME que se muestra en los anexos N° 1 y 2. 2.2 Reparación tradicional de tubería con falla en las calderas. Las uniones y reparaciones de tubos se pueden lograr de diversos modos, los métodos siguientes son los más tradicionales.

2.2.1 Soldadura con arco o con gas Esta técnica requiere la fusión de dos superficies metálicas para formar una. En la soldadura de arco se utiliza el calor producido por un arco eléctrico para fundir y unir el metal. También se pueden usar metales de porte como fundentes. En la soldadura con gas se utiliza una llama de dos gases para producir las temperaturas requeridas para la fusión.

2.2.2 Soldadura fuerte o con bronce La soldadura dura, de empleo muy común en sistemas de tuberías domésticas e industriales no ferrosas, es un proceso en el cual se calienta un metal de aporte que tiene punto de fusión superior a 426° C (800° F), pero menor que el del metal base, para producir la unión. Ocurre una acción capilar que atrae al metal de aporte entre las superficies de los metales base ajustadas sin holgura. 2.3 Proceso de soldadura de reparación tradicional en tubería de calderas. Para las reparaciones que se llevan a cabo en las tuberías que han sufrido fallas en las calderas y recipientes a presión el proceso de reparación a través de soldadura es por medio de gas y arco de tungsteno, método que se describe a continuación.

2.3.1 Proceso y aplicación de soldadura con gas y electrodo de tungsteno

La soldadura con gas y electrodo de tungsteno, conocida también como GTAW o TIG, y como soldadura “Heliarc”, “Heliwelding” y soldadura con arco con argón es uno de los procesos de soldadura más nuevos. Es un proceso de soldadura con arco que calienta las piezas que se van a fusionar mediante el arco entre un electrodo de tungsteno no combustible y la pieza de trabajo. Se puede emplear o no metal de aporte. La protección se obtiene con un gas o mezcla de gases inertes. El proceso suele ser manual y permite soldar aceros y metales no ferrosos en todas las posiciones. Se suele emplear para soldar metales delgados y para soldadura de pasadas en la raíz en las tuberías. Requiere de alta pericia del soldador y produce soldaduras de excelente calidad. La soldadura TIG se desarrolló para la industria de aviación a principios de la década de 1940, para unir metales difíciles de soldar, en particular magnesio, aluminio y acero inoxidable[2]. En la figura 2.1 se muestra un diagrama del proceso donde el electrodo de tungsteno se coloca en un soplete que tiene también una boquilla para dirigir el gas protector alrededor de la zona del arco, el cual se forma entre el electrodo de tungsteno y la pieza de trabajo, por lo general se alimenta el metal de aporte, en forma de varilla o alambre en forma manual, aunque la alimentación puede ser automática.

Fig. 2.1 “Diagrama del proceso para la soldadura con gas y electrodo de tungsteno” El diagrama muestra

los factores que intervienen en la soldadura TIG. Fuente: [bibliografía 2]

Este proceso se puede utilizar para soldar aluminio, magnesio, acero inoxidable, bronce, plata, cobre y sus aleaciones, níquel y sus aleaciones, hierro fundido y acero. Se pueden soldar muchos espesores de metal, aunque se emplea más en espesores delgados. Por lo general se emplea argón como gas protector, aunque también se utilizan helio o mezclas de argón y helio. Las características sobresalientes del proceso de TIG son: La capacidad para producir soldadura de alta calidad en casi todos los metales y aleaciones. Se requiere poca o ninguna limpieza después de soldar. El arco y el charco de soldadura están claramente visibles para el soldador. No hay metal de aporte que cruce el arco, por lo cual hay poca o ninguna salpicadura. Se puede soldar en casi todas las posiciones. No se produce escoria que pudiera quedar atrapada en la soldadura.

2.3.2 Equipo para la soldadura con gas y electrodo de tungsteno Para el proceso GTAW o TIG se utiliza una máquina soldadora de diseño especial. Se utilizan corriente alterna y continua. Se puede emplear máquinas del tipo de transformador, de transformador con rectificador o con generador. Por lo general, la máquina incluye un generador de alta frecuencia que se utiliza para iniciar el arco cuando se suelda con corriente continua y su acción es continua cuando se suelda con corriente alterna. La selección de corriente alterna o continua depende del material que se va a soldar. Se recomienda corriente alterna para aluminio y magnesio y corriente continua para aceros inoxidables, aceros al carbono, cobre, níquel y sus aleaciones, así como para metales preciosos. En la figura 2.2 se presenta el diagrama del equipo que se utiliza para soldar con gas y arco de tungsteno TIG donde se aprecia que puede incluir válvulas de solenoide para controlar el gas protector y el agua de enfriamiento así como medidores, cables de trabajo y conectores.

Fig. 2.2 “Equipo para la soldadura con gas y electrodo de tungsteno” El diagrama muestra los elementos que intervienen en la soldadura TIG.

Fuente: [bibliografía 2]

2.4 Metodología aplicada actualmente en la reparación de tubería de calderas. Los procedimientos de soldadura, soldadores y operadores de máquinas automáticas de soldar, calificados de acuerdo con los requisitos de la sección IX del Código ASME, se utilizan actualmente en la fabricación y reparación de calderas y recipientes a presión. Este proceso es el que se utiliza actualmente para reparaciones de tuberías con fallas producidas por la operación.

2.4.1 Generalidades Las reglas en esta sección del código se aplican a la calificación de procedimientos de soldadura, soldadores y operadores de máquinas automáticas de soldar para todos los tipos de procesos de soldadura manual y automática de arco y de gas permitidos en otras secciones del código. Cada fabricante es responsable de la soldadura efectuada por su organización y deberá conducir las pruebas requeridas en esta sección para calificar los procedimientos de soldadura que se use en la construcción y reparación de las partes soldadas construidas bajo este código y para la calificación de habilidades de los soldadores y de los operadores de máquinas automáticas de soldar, quienes aplicarán estos procedimientos de soldadura.

2.4.2 Orientación de la Soldadura Las orientaciones de las soldaduras con respecto a los planos de referencia horizontal y vertical son clasificadas en cuatro posiciones.

En la figura 2.3 se muestran las cuatro posiciones para soldar de acuerdo a la referencia del plano x.

Fig. 2.3 “Diagrama de orientación de la soldadura” Se muestran las posiciones para la aplicación de la soldadura.

Fuente: [bibliografía 7]

2.4.3 Normatividad para la posición de la tubería Posición 1G.- Tubería con su eje horizontal y girando la tubería durante la soldadura de tal

manera que el metal de aporte es depositado desde arriba.

Fig. 2.4 “Posición de la tubería 1G” Fuente: [bibliografía 7]

Posición 2G.- Tubería con su eje vertical y el eje de la soldadura en un plano horizontal. La

tubería no deberá ser girada durante la ejecución de la soldadura.


Posición 5G.- Tubería con su eje horizontal y con la ranura de la soldadura en un plano

vertical. La soldadura deberá ser hecha sin girar la tubería.


3. DESARROLLO DE LA METODOLOGIA DE REPARACION En este capítulo se propone un modelo de diseño que consiste de 5 fases con la finalidad de formular, analizar, buscar, decidir y especificar una solución para la reparación de la tubería que ha sufrido falla durante la operación de una caldera. El desarrollo de esta metodología se describe de forma general y posteriormente se aplicará de forma particular en el siguiente capítulo. 3.1 Formulación del problema En esta etapa se muestra la forma más simple de enunciar la problemática como primer dato para el inicio de la búsqueda de la solución, ya que raramente se presenta el verdadero problema por parte de la persona o área al no tener la información suficiente para determinar la necesidad. Es importante detectar el problema base y traspolar de un estado “A” a un estado “B” para tener una primera visión de lo que se esta buscando. El problema comúnmente proviene del deseo de lograr la transformación de un estado de cosas a otro a través de los medios, procesos y herramientas que generalmente conocemos como “tecnología”, por lo que a su vez la solución es un medio de lograr dicha transformación deseada. Dicho en otras palabras el problema es una diferencia que existe entre una situación real y una deseada. 3.1.1 Amplitud de la formulación del problema En esta etapa es fundamental formular el enunciado del problema desde varios puntos de vista para iniciar el cambio de estado y llegar al alcance de una solución. Esta etapa es fundamental para lograr el tipo de solución que puede ser parcial o total. FORMULACIÓN ESTADO A ESTADO B 1 Problema Solución Parcial 2 Problema Solución Completa 3 Problema Solución Total Fig. 3.1 “Formulaciones alternativas del problema” En la figura 3.1 se muestra un diagrama donde el problema que ha

iniciado en una formulación puede tener mayor alcance en la búsqueda de soluciones. Fuente: [Elaboración propia]

3.1.2 Métodos de formulación de un problema Los problemas se pueden formular verbal o esquemáticamente de un modo satisfactorio, ya sea en papel o en la propia mente. En algunas ocasiones bastará con unas cuantas palabras o quizá sea preferible un esquema más detallado. Los métodos elegidos para la formulación del problema deberán de proporcionar una información más amplia para ir eliminando la limitación de restricciones tanto reales como ficticias. Sin embargo, el idear una formulación amplia de un problema será un aspecto muy diferente al que uno pueda aplicar la solución en el resto del proceso de diseño. El grado en que se justifique y pueda llevar a cabo una formulación amplia de un problema dependerá del alcance de una responsabilidad y de la importancia de ofrecer varios niveles de limitaciones reflejadas en factores de tiempo y económicos para la toma de decisión. 3.2 Análisis del problema Es el momento de iniciar con las especificaciones para poder tomar una idea en que sentido se desarrollará la solución que se busca. El fabricar una solución requiere ya en este momento de contar con los requerimientos mensurables del área solicitante por lo que ya son factores de afectación la información irrelevante, opiniones tradicionales, hechos externos y otros factores.

Fig. 3.2 “Factores para el análisis del problema” En la figura 3.2 se muestran los factores que influyen en el análisis

del problema. Fuente: [Elaboración propia]

Hechos y opiniones importantes Formulación

del Problema Información técnica y opiniones tradicionales

Análisis del Problema

Definición detallada del problema en función de especificaciones, restricciones, criterios, etc.

En la figura 3.2 se puede apreciar como son de factor importante la información tanto de carácter empírico como la información técnica con la que se cuente sobre el tema para lograr una definición más detallada de lo que se ha planteado como problema. 3.2.1 Especificaciones del problema En la formulación de este problema es suficiente identificar el estado “A” y el estado “B” como el mismo problema pero ya solucionado. Sin embargo, para resolver el problema es necesario saber más acerca de la entrada y la salida. Por lo tanto, durante esta etapa del proceso de diseño se determinan las características cualitativas y cuantitativas de los estados A y B. Habrá que tomar en cuanta las restricciones, restricciones ficticias, variables de solución, criterios, utilización y el volumen de producción. Para llegar a un análisis de problema en forma general será necesario mucho trabajo de reunión y procesamiento de información. El resultado será una definición del problema, en detalle para la obtención de una solución óptima. 3.3 Determinación de posibles soluciones En esta fase del proceso de diseño se buscan activamente las soluciones posibles llevando a cabo la investigación necesaria para recabar toda la información posible en fines de posteriormente tomar la solución más viable para el problema. El poder describir lo anterior a través de un diagrama, éste quedaría de la siguiente forma: Fig. 3.3 “Fase de la búsqueda de soluciones” El diagrama muestra como se logra llegar a las primeras soluciones de

un problema. Fuente: [Elaboración propia]

La amplia acumulación de conocimientos humanos proporcionan soluciones “ya creadas” para algunas partes de la mayoría de los problemas. El buscar tales soluciones es un

Análisis del Problema

Fase de Investigación

Demasiadas Soluciones Parciales

proceso relativamente directo, que consiste en explorar nuestra memoria, consultar libros, informes técnicos y aplicar prácticas existentes. 3.3.1 Modernidad de la solución Otro tipo de soluciones para los problemas son las ideas propias que son producto del proceso mental llamado invención. En ocasiones hay que confiar en alto grado en el propio ingenio para resolver los diversos aspectos de circunstancias que no son cubiertos por el aspecto técnico y científico existentes. Pero este procedimiento no es tan directo y controlable como el de buscar las soluciones ya creadas. Para lograr un mejoramiento de la inventiva es necesario desarrollar la ampliación de los conocimientos. Cuando se tiene una idea se combinan dos o más proporciones del conocimiento en una forma nueva para uno mismo, por lo tanto, cuanto mayor sea el conocimiento, mayor será la cantidad de materia prima de la cual se podrá disponer para producir soluciones. 3.4 Elección de la solución propuesta En la fase de búsqueda se amplía el número y la variedad de las soluciones posibles, lo que ahora se necesita es un procedimiento de eliminación que reduzca estas alternativas a la solución preferible. Otro punto importante en este sentido será el análisis costo – beneficio que será determinante en esta fase de decisión. Inicialmente, las soluciones elegibles se expresan sólo en términos generales que podrán ser con simples palabras o croquis. Después que hayan sido eliminadas las alternativas obviamente deficientes o de inferior calidad, con frecuencia por procedimientos de evaluación relativamente rápidos y burdos, se añaden más detalles a las posibilidades restantes, las que se evaluarán mediante métodos más refinados. Este proceso de depuración en varias etapas continuará hasta que surja la solución preferible. A medida que se avanza se evalúan diferentes combinaciones de soluciones parciales para determinar lo óptima. 3.4.1 El proceso de elección Aunque los aspectos específicos varían de un caso a otro, en casi todos los problemas hay que dar los cuatro pasos siguientes antes de que pueda llegarse a una inteligente decisión de solución de problemas y diseño. 1.- Seleccionar los criterios y determinar su importancia relativa. 2.- Predecir el funcionamiento de las soluciones alternativas con respecto a tales criterios. 3.- Comparar las alternativas sobre la base de los funcionamientos predichos. 4.- Realizar una elección. 3.4.2 Relación costo – beneficio Por lo general, el criterio predominante es la razón costo – beneficio, que es la utilidad esperada (en unidades monetarias) de una solución con relación al costo de crearla.

Los criterios pueden ser descritos en la siguiente tabla: CRITERIOS INVERSION Costos de construcción, instalación y

acabados. GASTOS DE OPERACIÓN Operación, mantenimiento, reparaciones,

energía consumida. INCUANTIFICABLES Confiabilidad, seguridad.

Tabla 3.1 “Criterios para los costos” Fuente: [Elaboración propia]

El criterio global de la razón costo – beneficio puede depender de dos aspectos fundamentales que son los beneficios tales como ganancias y renombres y por otro lado el capital que debe invertirse, dicho en otras palabras: La funcionalidad Costos de fabricación: equipo, mano de obra,

materiales, etc. El buen aspecto Costos de almacenamiento. La confiabilidad Costos de repuestos, reparaciones y

refacciones. La facilidad de uso El costo de operación La seguridad El mantenimiento necesario

Tabla 3.2 “Criterio global para el costo – beneficio” Fuente: [Elaboración propia]

Algunos términos comúnmente utilizados en las discusiones de criterios para la toma de decisiones, necesitan más explicación. Un término que se emplea como sinónimo de la razón costo – beneficio es el rédito a la inversión, que significa el provecho o utilidad producida por una inversión, considerada en relación con el monto de ésta. La confiabilidad tiene un significado muy concreto: la probabilidad de que el elemento o sistema en cuestión no falle durante un periodo especificado bajo condiciones prescritas[8].

La operabilidad se refiere a la facilidad con que un diseño determinado puede ser manejado u operado por seres humanos[8]. La disponibilidad es la proporción de tiempo que una máquina está fuera de servicio por reparación, mantenimiento u otras formas de atención. Este criterio es especialmente importante cuando se ha invertido una gran cantidad de dinero en el equipo[8]. La confiabilidad, la operabilidad y la disponibilidad, junto con criterios tales como la reparabilidad y la facilidad de mantenimiento son cada vez más importante a medida que las obras de la solución de problemas aumentan en complicación y costo y a medida que dependemos más de ellas. 3.5 Especificación de la solución propuesta Los datos de entrada a esta fase son la solución elegida, parte de ella en forma de croquis, apuntes, cálculos, etc. y gran parte de ella todavía en proceso de ideas. Además de ser incompleto, este material esta desorganizado y difícilmente en condiciones de poder ser presentado al área solicitante. En esta etapa falta describir con los detalles suficientes los atributos físicos y las características de funcionamiento de la solución propuesta. Los datos de salida de esta etapa consisten usualmente de dibujos del proyecto, un informe escrito y posiblemente un modelo físico o icónico tridimensional. El primer medio de comunicación con el área solicitante son a menudo los planos simplemente, siendo dibujos de la solución cuidadosamente realizados, detallados y acotados. El segundo medio, el informe técnico que suele ser un documento bastante formal que describe la propuesta con palabras, diagramas y croquis. Este informe también describe el funcionamiento de la solución y proporciona una evaluación cabal de ella. Fig. 3.4 “Resultados de la fase de especificación” El diagrama muestra la forma en que se presentan los resultados de la fase de investigación. Fuente: [Elaboración propia]

Fase de

Especificación

* Notas * Ideas * Croquis

* Planos * Informes * Modelos Físicos

3.5.1 Factibilidad económica La concepción de una solución implica la hipótesis de que dicha solución al problema es factible económicamente y que será retribuida con creces la inversión en ingeniería y otros recursos para crearla. Por supuesto, al principio de un proyecto se sabe relativamente poco acerca de la probable solución final, de manera que en esta etapa hay muchas incertidumbres y, por lo tanto, un riego apreciable de estar equivocado al suponer que el resultado es económicamente factible. Las recomendaciones relativas a la factibilidad económica de los proyectos en perspectiva son una parte muy importante del trabajo de diseño. 3.5.2 Acondicionamiento de la solución La solución elegida será objeto de un ajuste a la problemática real para poder llegar a la etapa de la puesta en marcha, en este apartado los ajustes antes de la aplicación juegan un aspecto muy importante ya que repercutirá en los ajustes que se realicen durante la marcha para que dicha solución sea óptima. De igual forma la vigilancia continúa en la etapa de adaptación deberá ser periódica de sus soluciones en uso, de aquí que será especialmente valiosa por su utilidad en mejorar futuros diseños. En la siguiente figura se expresa el diagrama completo de un proceso de diseño que se puede emplear para la búsqueda de soluciones a los problemas específicos.

Fig. 3.5 “Fase del proceso de diseño que muestran las probables entradas y salidas de cada fase”

El diagrama propone una metodología flexible durante el proceso para la búsqueda de soluciones a los problemas. Fuente: [bibliografía 5]

4. APLICACION DE LA METODOLOGIA DESARROLLADA En este capítulo se desarrolla la metodología propuesta presentando el análisis del problema así como la búsqueda, decisión y especificación de la solución elegida. Este desarrollo se realiza por etapas. 4.1 Descripción del problema de falla en tubería de calderas En las centrales termoeléctricas donde la función primordial es la de generar energía eléctrica, se presentan salidas forzadas de las unidades por fallas en equipos y/o elementos que afectan directamente la operación. Las fallas presentadas repercuten directamente en la generación dejando toda una unidad y en ocasiones a toda una planta fuera de servicio por lo que la producción en Mégawatts (MW.) llega a ser considerable en el sistema y más aun cuando se trata de horas pico en el consumo de la energía eléctrica. La falla se considera en un análisis de confiabilidad que se define como la probabilidad que un artículo tiene para desempeñar sus funciones adecuadamente durante un periodo de tiempo determinado, bajo condiciones de operación[32]. Falla es un término general para una condición en la que un elemento está sometido a una deformación plástica, es decir, donde se observan huella irreversibles en un elemento. Falla se emplea para decir cuando un componente ha llegado a ser completamente o parcialmente inoperante o se ha deteriorado lo suficiente y ha llegado a ser inestable o inseguro. Se puede definir como la terminación de la capacidad de un artículo para desempeñar una función requerida. Finalmente, falla se puede definir como “Daño en donde cierto flujo plástico (deformación permanente) se acumula en un elemento en comparación con la condición inicial, pero la pieza se puede seguir usando”[14]. Fractura se define cuando se observa que en una pieza se indica un estado en que una grieta se ha iniciado[7]. Ruptura sin fluencia representa un estado en que un elemento se separa en dos o más partes mientras que la Ruptura con Fluencia es la fractura en el material muy dúctil debido al flujo plástico. (ruptura por deslizamiento) Los tipos de fallas son causadas por diferentes tipos de esfuerzos y cargas: 1.- Esfuerzo Primario.- Puede ocasionar deformación plástica 2.- Esfuerzo Secundario.- Presenta inestabilidad plástica que conduce a un colapso gradual 3.- Esfuerzo Pico.- Presenta falla por fatiga que resulta de cargas cíclicas

Fig. 4.1 “Diagrama esfuerzo – deformación para un material frágil típico” En el diagrama se presenta la deformación

directamente proporcional al esfuerzo. Fuente: [Bibliografía 9]

Fig. 4.2 “Diagrama esfuerzo – deformación para un material dúctil típico (acero)” En el diagrama se presenta la deformación directamente proporcional al esfuerzo.

Fuente: [Bibliografía 9] Por lo anterior, las tareas de mantenimiento son actividades que se desarrollan bajo la presión del tiempo de respuesta debido a las condiciones actuales de la planta, las reparaciones deberán realizarse en el menor tiempo posible ya que el número de horas fuera

de servicio de los equipos comienzan a acumularse rápidamente. Por otro lado, las salidas forzadas de los equipos deberán de ser reportadas y justificadas a través de formatos establecidos en los cuales se describe los acontecimientos del disturbio sufrido. Dado que la gerencia de generación reporta directamente a la Subdirección de Producción, inicia la presión al departamento de operación en el aspecto de solicitar el tiempo estimado en que la reparación del equipo será realizada al igual que el tiempo estimado en que el equipo estará en servicio nuevamente. Los departamentos de mantenimiento en sus diferentes áreas como son máquinas, calderas, laboratorio y eléctrico se han tenido que ver en la necesidad de buscar el camino más corto para realizar sus reparaciones, pero al mismo tiempo contar con la confiabilidad para asegurar la operación del equipo que se a atendido. Por lo anterior el problema a solucionar se define como: “Minimizar el tiempo de reparación en las tuberías de pared de agua de las calderas” En la búsqueda de soluciones, la justificación de una solución puede ser en términos de las horas de operación en las que duró el equipo en servicio después de haber aplicado la decisión tomada aunque metodológicamente no se cuente con el respaldo técnico para avalar las actividades realizadas. Por consiguiente uno de los problemas a resolver es tener dicha justificación técnica en las soluciones creadas por los departamentos de mantenimiento por lo que en este aspecto se realizará el estudio para determinar si las soluciones aplicadas son aceptadas aun si dichas soluciones no estuviesen especificadas. 4.1.1 Nivel de la solución del problema Específicamente en el área de mantenimiento de calderas las reparaciones por salidas forzadas son más frecuentes debido a las fallas en las tuberías de agua de alimentación, sobrecalentadores primarios y secundarios, bancos de generación y tubería principal de vapor dando como origen problemas al momento de reemplazar los tramos de tuberías que han fallado durante la operación. En el departamento de mantenimiento, el personal encargado de realizar las tareas de reparación han encontrado una forma de reparar la tubería dañada logrando reducir el tiempo y el esfuerzo físico hasta en un 60 %. Por lo anterior, se puede describir ya en primera instancia la visualización del problema que se presenta y mencionar las posibles soluciones que satisfagan la necesidad a través de un diagrama de estados marcando las alternativas de solución.

FORMULACIÓN ESTADO A ESTADO B 1 Caldera dañada Caldera con falla localizada 2 Caldera dañada Caldera reparada 3 Caldera dañada Caldera en servicio Fig. 4.3 “Formulaciones alternativas del problema propuesto” En la figura 4.3 se muestran los estados “A” y “B”del

problema con diferentes niveles de solución. Fuente: [Elaboración propia]

4.1.2 Descripción del nivel de la solución Es de suma importancia saber hasta donde queremos llegar con nuestra soluciones a los problemas que se presentan por lo que al describir cada una de las formulaciones anteriores es indispensable comentar con el área solicitante el fin perseguido. La figura 4.3 muestra la formulación del problema y algunas alternativas en su cambio de estado como solución posible notando que el problema inicial en los tres casos se marcan similarmente por ser un punto de partida generalizado. Las tres posibles soluciones que se han marcado de forma inmediata logran abrir una nueva visión hacia la solución verdadera que satisfaga la necesidad básica del usuario. En la formulación número 1 el cambio de estado esta especificado en el orden de lograr encontrar el origen verdadero de la falla y el hecho real del porque el equipo se encuentra fuera de servicio. En ocasiones las solución queda aceptada en los términos de sólo encontrar la falla ya que en ocasiones dicha tarea no es tan sencilla por el tamaño de la caldera teniendo que mantener la caldera encendida para localizar la fuga de vapor o en su defecto realizar varias pruebas hidrostáticas con la caldera fuera de servicio para localizar la fuga de agua. Es importante mencionar que esta solución es propuesta con la aceptación del área solicitante si es que es el problema a solucionar o sólo es una solución parcial a la problemática real. En la formulación número 2 se ha superado la etapa de sólo localizar la falla que ha puesto el equipo fuera de operación y con la diferencia de que la solución llega hasta que dicha falla ha sido reparada. Este tipo de solución se puede proponer en situaciones donde es indispensable reparar el equipo aunque éste no valla a entrar en servicio por diferentes causas como son:

• Falta reparar equipos auxiliares • Falta reparar falla en el generador eléctrico • La caldera queda disponible para ser interconectada con otro equipo • Etc.

En la formulación número 3 la solución ha quedado especificada en términos de que la caldera no sólo fue detectada la falla y reparada, sino que más aun, nuevamente se encuentra en servicio cumpliendo con su función de diseño y operación lo cual involucro muchos otros aspectos de orden técnico y empírico. Hasta este punto sólo se ha conceptualizado el problema como un simple enunciado descrito de la siguiente forma: “Minimizar el tiempo de reparación en las tuberías de pared de agua de las calderas” Hay que notar que el problema no cuenta aún con parámetros específicos que puedan ser medibles ni con los elementos externos que modifiquen el proceso de solución, pero hasta este momento ya se ha descrito un problema como inicio del punto del que se esta partiendo y al cual se pretende llegar concluyendo que en la formulaciones alternativas de primera instancia se trata de lograr una solución marcada como la número 3. 4.2 Diagnóstico del problema presentado en tubería de pared de agua 4.2.1 Variables del análisis En la formulación de este problema es suficiente identificar el estado “A” simplemente como una caldera dañada, y el estado “B” como la misma caldera en servicio pero ya reparada. Sin embargo, para resolver el problema es necesario saber más acerca de la entrada y la salida. Por lo tanto, durante esta etapa del proceso de diseño se determinan las características cualitativas y cuantitativas de los estados A y B. Entrada: Caldera dañada Variables de entrada Limitaciones de entrada Tipo de la falla -- Debe ser falla en tubería

Grado del daño -- No importa Especificaciones de operación -- Deben ser las especificadas Salida programada -- Debe trazarse curva de enfriamiento Salida forzada -- No importa

Salida: Caldera en Servicio

Variables de salida Limitaciones de salida Cantidad de fallas -- No más del 10% de la tubería

Acceso a la falla -- Donde no requiere maniobra adicional

Variables de solución: Tipo de tubo Tipo de material Método para la reparación Tiempo de reparación Lugar de accesibilidad Confiabilidad de operación Restricciones: Tiempo no mayor a 10 días Hay que cambiar el carrete dañado Utilizar herramienta y procesos propios No elevar costos No aplicar nuevos métodos Debe ser confiable a la operación Realizar prueba hidrostática Criterios: Costo bajo Confiable Seguridad para la operación Velocidad de respuesta 4.2.2 Especificaciones de entrada La caldera queda fuera de servicio por una salida programada ya que la falla se presenta en la tubería de la pared de agua. Se debe considerar los parámetros de operación mencionando que la caldera es de tipo acuotubular, con hogar integral de presión positiva forzada, con una superficie de calefacción de 3,550 m2, su presión y temperatura de vapor en condiciones normales de trabajo son de 62 Kg/cm2 y 485° C (900° F) respectivamente; su generación es de 350 ton/hr de vapor. Esta caldera cuenta con los siguientes aparatos, accesorios y auxiliares:

• Tres domos transversales con diámetros de 78 pulg., 66 pulg. y 48 pulg. respectivamente.

• Dos sobrecalentadores de vapor, primario y secundario. • Dos ventiladores de tiro forzado. • Dos precalentadores de aire de tipo regenerativo. • Dos calentadores de aire por medio de vapor. • Tres bombas de agua de alimentación. • Un sistema de quemadores de gas

Además cuenta con un equipo de protección con:

• Un sistema de purgas y drenajes. • Siete válvulas de seguridad, 6 de tipo resorte y una electromática. • Un cuadro de alarmas. • Un interlock.

Cuenta con los siguientes controles:

• Control de agua de alimentación. • Control de temperatura de vapor. • Control de atemperación. • Control de presión de vapor a serpentines. • Control de la estación de sobrecalentadora. • Control de combustión.

Cabe mencionar que el Interlock es un circuito eléctrico a base de relevadores que tiene como finalidad evitar explosiones en el hogar de la caldera; está diseñado para interrumpir el suministro de combustible a los quemadores en caso de falla individual en los mismos, o bien interrumpe totalmente la alimentación de combustible a la caldera, si se desarrollan condiciones inestables en el horno. Para la puesta en servicio de la caldera es necesario seguir un procedimiento de operación que asegure que todos los tubos del sobrecalentador estén libres de agua antes de que la caldera entre en línea o antes de que se abra la válvula de retención. No se puede recomendar un método que pueda servir siempre para tal fin bajo la gran diversidad de condiciones de operación y con los muchos tipos de equipo de encendido, que se encuentran en diversas plantas, como resultado las recomendaciones que se hacen bajo creencia de que cuando una caldera entra en línea no siempre es seguro aumentar la intensidad de encendido que permiten otras condiciones, y que la caldera debe conservarse bajo el control de “Indicaciones de Operación” no solamente hasta que se abra la válvula de retención, sino hasta que los tubos del sobrecalentador estén libres de agua. Las temperaturas iniciales de gas menores de 316° C (600° F) demoran inicialmente la ebullición y una temperatura inicial mayor de 316° C (600° F) aumentará la temperatura de cualquier parte que después pueda ser enfriada súbitamente por las bocanadas de agua expulsadas de los tubos, y obligará a reducir el fuego durante las últimas etapas del período inicial para evitar que se rebase la temperatura máxima de gas permisible de 482° C (900° F). En la siguiente tabla se muestran los parámetros de operación en las diferentes etapas de trabajo de la caldera.

ETAPA DE TRABAJO

TIEMPO APROX. DE OPERACIÓN (Hrs.)

TEMPERATURA (°C)

PRESION (Kg/cm2)

OBSERVACIONES

Encendido 0:10 0 0 Hervido 2:00 150 0 Inicio de Trabajo

5:00 375 50 Condiciones para iniciar el rodado de la máquina y sincronizar

Estabilización 3:30 482 62 Etapa en la que se estabilizan la caldera y la máquina una vez habiendo sincronizado 10Mw.

A plena carga - 485 62 Se sube carga a razón de 1Mw cada 2 minutos. Carga máx. 82Mw.

Tabla 4.1 “Parámetros de operación”

Fuente:[Elaboración propia] El uso de presiones y diseños de caldera que requieren espesores de tambor de más de 4 pulgadas ha requerido un estudio de los esfuerzos térmicos que se pueden producir en los tambores durante los períodos de calentamiento o levantamiento de presión y durante los períodos de enfriamiento o reducción de presión. Los resultados de estos estudios complementados con factores de seguridad bastante amplios han formado las bases de los procedimientos de operación recomendados para cada instalación individual. Consideraciones más avanzadas del problema han permitido establecer un procedimiento que se puede aplicar en general a todos los tambores, y en esta forma se han llegado a la conclusión de que se pueden evitar esfuerzos térmicos anormales en el material si la diferencia de temperatura entre las diferentes partes del tambor se limita a lo siguiente: 38° C (100° F) durante los períodos de levantamiento de presión. 21° C (70° F) durante los períodos de reducción de presión. Estos límites de diferencia de temperatura se aplican para tambores de cualquier espesor. Sin embargo, la experiencia en la planta ha demostrado que para calderas con tambores de un espesor de menos de 4 pulgadas, el tiempo usual de calentamiento el cual esta limitado

generalmente por el sobrecalentador o por otras condiciones y el tiempo usual de enfriamiento durante una parada la cual no se acelera con agua de alimentación o con o con descargas de la caldera, imponen restricciones que automáticamente resultan de acuerdo con los límites de diferencia de temperatura. Para medir la temperatura del material del tambor con exactitud se han instalado 4 termopares, uno en cada uno de los siguientes lugares: Uno en la sección más gruesa de la parte superior del tambor, uno en la sección más gruesa de la parte inferior del tambor, uno a 18 pulgadas aproximadamente de la parte superior del tambor medidas sobre la circunferencia exterior del tambor y otro en un tubo generador de vapor que también puede ser colocado en un tubo de circulación el cual esté siempre lleno de agua a la temperatura de saturación. 4.2.3 Especificaciones de salida De acuerdo al tiempo estimado de la reparación los tubos de la pared de agua deben ser atendidos en una velocidad de respuesta no mayor a 10 días naturales, la reparación debe cumplir con la confiabilidad para la operación bajo las condiciones ya establecidas anteriormente. La reparación deberá consistir en aplicar una maniobra que permita el acceso a la tubería dañada y poder reparar la falla en la tubería con la mayor facilidad para el personal de operación logrando reducir el tiempo para tal tarea. Dicha reparación se pretende realizar a través de una ventana o apertura de tal forma que no afecte a los esfuerzo mecánicos ni en el aspecto metalúrgico por lo que desarrollará el estudio para su justificación. Las restricciones encontradas se dan en el sentido de no poder realizar las ventana en forma longitudinal a las líneas de esfuerzo sobre las tuberías con el objeto de garantizar la confiabilidad de operación del equipo. La reparación puede especificarse de la siguiente forma:

Proceso Predefinido

Fig. 4.4 “Especificación de la solución probable” El diagrama muestra que la solución debe contar con varios factores

determinantes. Fuente:[Elaboración propia]

Caldera Reparada

• Reparación a través de ventana

• Tiempo máximo de reparación 10 días naturales

• Aplicada a tubería de pared de agua

•

4.3 Soluciones propuestas para la reparación de falla en tubería de agua 4.3.1 Investigación de factores Para poder realizar reparaciones en tuberías de la pared de agua fue necesario realizar una investigación a cerca de las líneas de esfuerzo que actúan en el cuerpo del material dando como resultado un análisis mecánico para la determinación de posibles soluciones. Por otra parte las especificaciones de los materiales empleados fue fundamental para completar dicho estudio. En el análisis mecánico se realizó con el objeto de justificar la reparación a través de ventanas de forma romboidal y no de otra forma ya que los esfuerzos mecánicos no afectarán de forma gradual al elemento en estudio. 4.3.2 Propuestas de reparación Dentro de las posibilidades de reparación de la tubería de la pared de agua de la caldera, se encontró con 3 soluciones que parecían ser adecuadas para tal fin, sin embargo, había que justificar y demostrar técnicamente cual de ellas sería más factible y que cumpliera con la confiabilidad y seguridad para la operación del equipo. Dado el espacio de las tuberías y por razones prácticas de manufactura, se acostumbra omitir uno de cada dos tubos para aumentar el espaciamiento. Con este procedimiento se evitan cambios en los trabajos estandarizados del taller y en el ajuste de taladros múltiples. Salvo que se hayan tomado provisiones especiales para prevenir la formación de escorias o para la remoción de aquellas que se lleguen a formar, se ha estimado más prudente errar hacia el lado de la seguridad, dejando los claros del espaciamiento entre los tubos más amplios de lo absolutamente indispensable, especialmente si se trata con combustibles dudosos. En la práctica común se construyen los supercalentadores con claros más amplios en las primeras hileras de tubos, del lado del fuego, dejando los espacios más cerrados en la zona de temperaturas más bajas. Espaciamiento. El espaciamiento de los tubos se rige por las consideraciones siguientes: 1. Pérdida de tiro admisible. 2. Accesibilidad para el sopleteado de hollín, limpieza y reparaciones. 3. Costo inicial.

4. Atención requerida, que está representada especialmente por el costo de la limpieza. 5. Mantenimiento y reparaciones

Dado lo anterior el tipo de reparación se puede realizar a través de una ventana que puede ser de la siguiente forma:

Fig. 4.5 “Posibles Soluciones de reparación” En la figura 4.5 se muestran las tres diferentes soluciones que se proponen

para la reparación de la tubería de agua de las calderas. Fuente: [Elaboración propia]

4.4 Determinación de la solución para la reparación de falla en tubería de agua A continuación se presenta la elección de la solución elegida justificada bajo un análisis de esfuerzos mecánicos así como un breve análisis de costo-beneficio. 4.4.1 Elección del tipo de reparación De las opciones propuestas en la figura 4.5 para abrir una ventana con el objeto de cambiar el área donde se encuentra la falla del tubo, se determina la forma romboidal por ser una forma donde los esfuerzos mecánicos no afectarán a la unión soldada eléctricamente y por ser una forma más fácil de abrir sobre el tubo para el personal de mantenimiento. Las líneas de esfuerzos que actúan sobre el material son significativas en la primer opción donde la ventana es de forma rectangular ya que los esfuerzos longitudinales son paralelos a la línea de soldadura aumentando con esto la posibilidad de una falla en la soldadura. Para la segunda y tercera opción las líneas de esfuerzos actúan de forma más perpendicular a la línea de corte del material por lo que los esfuerzos longitudinales pueden ser más soportados por el material al encontrar resistencia sobre la misma línea de soldadura.

Fig. 4.6 “Líneas de Fuerza que actúan sobre las ventanas” En la figura se muestra como actúan las líneas de esfuerzo

sobre las ventana propuestas para abrir sobre la superficie de la tubería para corregir la falla. Fuente: [Elaboración propia]

Rectangular Romboidal Circular

La selección ideal para la reparación de la tubería de la pared de agua es la circular ya que es la que mejor actúa ante las líneas de esfuerzo en una forma tangencial. El único inconveniente es la comodidad para cortar de esta forma sobre la tubería y más aún cuando se encuentran en espacios reducidos

Fig. 4.7 “Tipo de ventana ideal para la reparación” Tipo de la ventana ideal que se propone abrir sobre la superficie

del tubo. Fuente: [Elaboración propia]

En la forma rectangular, las líneas de esfuerzo quedan paralelamente al corte realizado en la superficie del tubo por lo que los concentradores de esfuerzos se incrementan en los cantos paralelos. De forma similar, los esfuerzos que actúan sobre los cantos de forma perpendicular, actúan de forma cortante al la ranura incrementando la posibilidad de falla por lo que se determina que esta opción es la menos indicada para realizar la maniobra de reparación a través de ventana.

Fig. 4.8 “Tipo de ventana no apta para la reparación” Tipo de la ventana no apta para la reparación por quedar de

forma paralela y perpendicular las líneas de esfuerzo sobre el corte. Fuente: [Elaboración propia]

La opción seleccionada que fue la romboidal se abrirán sobre la superficie de la tubería por el mismo personal de mantenimiento, es necesario comentar que esta forma de ventana se facilita al ser cortada por medio de autógena ya que no se requiere de mayor pericia por parte de los trabajadores. 10 cm.

Fig. 4.9 “Aspecto de las ventanas abiertas sobre los tubos dañados” Tipo de la ventana que se abrirá sobre la

superficie de la tubería.

Fuente: [Elaboración propia] Las ventanas serán seleccionadas aleatoriamente. Se abrirán 5 ventanas en las paredes norte, oriente y poniente y 8 en la pared sur para posteriormente ser colocadas las tapas y ser soldadas por medio de soldadura eléctrica. 4.4.2 Metodología sistemática de reparación Para la reparación de una tubería que presenta una falla sobre su superficie se realizarán cinco pasos básicos. Paso 1. Una vez que la falla es declarada en la caldera se procede a poner fuera de servicio la unidad con una salida programada que se refiere a bajar carga en el generador y posteriormente apagar la caldera en carga mínima. Una vez apagada la caldera se traza una

curva para bajar la presión y temperatura con la finalidad de que el los esfuerzos térmicos sean lo más gradual posible sobre los elementos de la caldera y provocar el menor daño. Es importante comentar que la fuga de la caldera es declarada a través de dos efectos físicos como son la observación directa, que en ocasiones es posible al mirar la fuga del tubo por medio de las mirillas del hogar y la segunda que se determina por el incremento de consumo de agua de alimentación aún cuando no es visible la fuga. Cuando la caldera se encuentra fría (20° C aproximadamente) se puede ingresar al interior para localizar el tubo dañado y llegar a él.

Fig. 4.10 “Diagrama de un tubo con falla localizada” Fuente: [Elaboración propia]

Paso 2. Una vez localizado el tubo con la falla se procede a marcar en forma romboidal sobre la superficie del tubo para cortar el área donde se encuentra la falla.

Fig. 4.11 “Diagrama de un tubo con superficie lista para ser cortada” Fuente: [Elaboración propia]

Paso 3. Por medio de autógena se corta de forma romboidal una ventana que abarque el área donde se encuentra la falla del tubo y se retira. Los bordes se limpian con una lima de acabado sólo para retirar algún exceso de material que haya quedado sobre dichos bordes.

Fig. 4.12 “Diagrama de un tubo con el área de falla cortada y retirada” Fuente: [Elaboración propia]

Paso 4. Posteriormente de un tubo en condiciones óptimas de trabajo (nuevo o usado)se corta una forma idéntica de tal manera que pueda ser colocada sobre la abertura en el tubo que está siendo reparado.

Fig. 4.13 “Diagrama de un tubo con el área nueva para reemplazar” Fuente: [Elaboración propia]

Paso 5. Finalmente se fija la pieza a través de soldadura eléctrica por medio de un soldador denominado por el mismo personal como “soldador de alta presión”. En este momento el tubo ha sido reparado y listo para realizar una prueba hidrostática a 80 Kg/cm2 que se refiere a 20 Kg/cm2 por arriba de la presión de operación. Si la prueba es satisfactoria en el área reparada y así mismo en toda la caldera, esta lista para entrar en servicio nuevamente.

Fig. 4.14 “Diagrama de un tubo reparado a través de ventana” Fuente: [Elaboración propia]

4.5 Análisis de esfuerzos en recipientes de pared delgada bajo presión interna. 4.5.1 Análisis mecánico. Para reparar tubería de agua de alimentación de una caldera es necesario recordar que hablamos de un elemento que se encuentra sujeto a presión interna y que por sus características es considerado como un recipiente de pared delgada. El término de pared delgada no es preciso, pero una regla general es que la relación del radio r al espesor de la pared t debe ser mayor que 10 a fin de que se pueda determinar los esfuerzos en las paredes con exactitud razonable mediante únicamente la estática[11]. Los esfuerzos normales σ� y σ2, que actúan sobre las caras laterales de la tubería, representan los esfuerzos de membrana en la pared. Sobre las caras del elemento no actúan esfuerzos cortantes debido a la simetría del recipiente por lo que el tercer esfuerzo que actúa en la dirección z, es cero. Por lo tanto, los esfuerzos σ� y σ2 son los esfuerzos principales teniendo un esfuerzo biaxial.

Fig. 4.15 “Diagrama de un cilindro y los esfuerzos que actúan” En la figura 4.15 se muestra un cilindro y los esfuerzos

normales que actúan . Fuente: [Bibliografía 9]

Fig. 4.16 “Esfuerzo tangencial en un elemento cilíndrico” Fuente: [Bibliografía 9]

Fig. 4.17 “Esfuerzo axial en un elemento cilíndrico” Fuente: [Bibliografía 9]

Debido a la dirección, el esfuerzo σ� se denomina esfuerzo circunferencial o esfuerzo tangencial (fig. 4.16) y en forma similar, σ2 es el esfuerzo longitudinal o esfuerzo axial (fig. 4.17). Por la simetría axial que presenta el elemento cilíndrico y de su contenido, es claro que no se ejercen esfuerzos cortantes sobre el elemento por lo que los esfuerzos normales σ� y σ2 son los esfuerzos principales.

Fig. 4.18 “Esfuerzos que actúan sobre una porción del cilindro” Fuente: [Elaboración propia]

Para determinar los esfuerzos σ� se retira una porción de recipiente y su contenido limitado por el plano xy y por dos planos paralelos al plano yz con una distancia ∆x de separación entre ellos como se aprecia en las figuras 4.16 y 4.17. Las fuerzas paralelas al eje z que actúan en el cuerpo libre así definido consiste en las fuerzas internas elementales σ� dA en las secciones de pared y en las fuerzas de presión elementales p dA ejercidas sobre la porción de fluido incluido en el cuerpo libre.

La presión p es la presión manométrica del fluido, es decir, el exceso de la presión interior sobre la presión atmosférica exterior. La resultante de las fuerzas internas σ� dA es igual al producto de σ� y del área transversal 2 t ∆x de la pared, mientras que la resultante de las fuerzas p dA es el producto de p y el área 2r ∆x.

Fig. 4.19 “Distribución de esfuerzos que actúan en el espesor del tubo” Fuente: [Elaboración propia]

y σy = σ1 σx = σ2 = σ1/2 x z

Fig. 4.20 “Diagrama de esfuerzos en superficie exterior”

Fuente: [Elaboración propia]

y σy = σ1 σx = σ2 = σ1/2 x σz = σ2 = -p z

Fig. 4.21 “Diagrama de esfuerzos en superficie interior” Fuente: [Elaboración propia]

4.5.2 Elaboración del círculo de Mohr para esfuerzos en tuberías. Dibujando el círculo de Mohr por los puntos A y B, que corresponden respectivamente a los esfuerzos σ1 y σ2, y recordando que el máximo esfuerzo cortante en el plano es igual al radio del círculo, se obtiene el esfuerzo máximo en el plano τmax. Este esfuerzo corresponde a los puntos D y E y se ejerce sobre un elemento obtenido mediante la rotación de 45° del elemento original de la figura 4.14 dentro del plano tangente a la superficie del recipiente. El esfuerzo cortante máximo en la pared del recipiente es mayor. Es igual al radio del círculo de diámetro OA y corresponde a una rotación de 45° alrededor de un eje longitudinal y fuera del plano de esfuerzo.

Fig. 4.22 “Círculo de Mohr para los esfuerzos en recipientes de pared delgada bajo presión interna” Fuente: [Bibliografía 9]

4.5.3 Principio de SAINT – VENANT Para determinar los esfuerzos reales en una sección dada del elemento es necesario solucionar un problema estáticamente indeterminado, mismo que incluye la determinación de fuerzas que pueden resolverse teniendo en cuenta las deformaciones causadas por dichas fuerzas por lo que para calcular los esfuerzos en un elemento es necesario analizar las deformaciones producidas por los esfuerzos. Para realizar lo anterior la teoría matemática de la elasticidad se usa para determinar la distribución de esfuerzos correspondiente a varios modos de aplicación de las cargas en los extremos de un elemento. Al aplicar la fuerza en un elemento, este se deformará de manera continua, la distribución de deformaciones a través del cuerpo debe ser uniforme, o en otras palabras, la deformación axial εy y la lateral εx = - νεy son constantes. Pero si los esfuerzos no exceden el límite de proporcionalidad, la ley de Hooke se aplica y puede escribirse σy = Eεy’ de donde se sigue que el esfuerzo σy también es constante, Así, la distribución de esfuerzos es uniforme a través del cuerpo y en cualquier punto.

σy = (σy)med = P/A La distribución de esfuerzos es independiente del modo real de aplicación de dichas cargas. Esta afirmación se aplica no sólo a cargas axiales sino prácticamente a cualquier tipo de carga. Lo anterior constituye el principio de Saint – Venant, denominado así en honor del matemático e ingeniero francés Adhémar Barré de Saint – Venant (1797 – 1886)[9]. Mientras que el principio de Saint – Venant permite remplazar un modo de carga por otro más simple, con el propósito de calcular los esfuerzos en un elemento estructural, deben recordarse dos cosas al aplicarlo: 1.- Las cargas reales y las usadas para calcular los esfuerzos deben ser estáticamente equivalentes. 2.- Los esfuerzos en la inmediata vecindad de los puntos de aplicación de las cargas no pueden calcularse de esta manera. Deben usarse métodos teóricos avanzados o métodos experimentales para determinar los esfuerzos en estas áreas. 4.5.4 Análisis matemático para la determinación de esfuerzos. Para el desarrollo matemático se utilizan valores de los esfuerzos promedios de acuerdo a las figuras 4.16 y 4.17. Las fuerzas horizontales debidas al esfuerzo σ� y a la presión p actúan en direcciones opuestas, por lo que se tiene la siguiente ecuación de equilibrio:

2 l σ� l ∆x l t = p l Dint l ∆x 2 l σ� l t = p l Dint p Dint σ� = (1) st en donde t es el Espesor de la pared y Dint se puede expresar como el radio interior r del cilindro, por lo que se obtiene: σ� (2t ∆x) – p(2r∆x) = 0 σ� (2t) – p(2r) = 0 σ� (2t) = p(2r) p(2r) σ� = 2t pr σ� = (2) t Para las fuerzas longitudinales σ2 se realiza la ecuación de equilibrio: π l Dint

2 σ2 l π l Dint l t = p l 4 π l Dint

2 σ2 = p l 4π l Dint l t

Dint σ2 = p l (3) 4t o bien: σ2 (2π rt) – p(πr2) = 0 σ2 (2π rt) = p(πr2) p ( π r2) σ2 = 2π rt pr σ2 = (4) 2t El diámetro nominal esta determinado por: Dext + Dint D = (5) 2 Para los esfuerzos principales σ� y σ2 en la superficie exterior, los esfuerzos cortantes máximos localizados en el plano xy se generan cuando el elemento se gira 45° alrededor del eje z, este esfuerzo se determina:

σ� - σ2 σ� pr

(τ máx) z = = = (6)

2 4 4t Los esfuerzos cortantes máximos obtenidos mediante rotaciones a 45° alrededor de los ejes x y y son en forma respectiva: σ� pr (τ máx) x = = (7) 2 2t σ2 pr (τ máx) y = = (8) 2 4t Por lo que obtenemos el esfuerzo cortante máximo absoluto: σ1 pr (τ máx) = = (9) 2 2t y se presenta cuando el elemento se gira 45° respecto del eje x. Las condiciones de esfuerzo en la superficie interior, los esfuerzos normales principales son: pr σ1 = (10) t pr σ2 = (11) 2t

σ3 = − p (12) Para la condición de teoría de resistencia de esfuerzos tangentes máximos, se obtiene: 2 l τmax = σmax - σmin ≤ σadmisible sustituyendo: σmax = σ1 σmin = σ3 σ3 promedio = - p/2 (13) por lo que para el espesor t se obtiene: pDint t = 2σadm -p pDint t = (14) 2 ϕσadm -p para soldadura utilizamos ϕ = 0.7 Para determinar la presión límite p* en un elemento cilíndrico se determina:

200 t σdef. plástica p∗ = D En donde D = Dint + t y σdef. plástica = esfuerzo de deformación plástica Dext p∗ =100 σdef. plástica ln (15) Dint la ecuación 12 es resultado de la condición de plasticidad de Saint – Venant. 4.6 Aplicación de la solución para la reparación de falla en tubería de agua Los datos de entrada a esta fase son la solución elegida, parte de ella en forma de croquis, apuntes, cálculos, etc. y gran parte de ella todavía en proceso de ideas. Además de ser incompleto, este material esta desorganizado y difícilmente en condiciones de poder ser presentado al área solicitante. En esta etapa falta describir con los detalles suficientes los atributos físicos y las características de funcionamiento de la solución propuesta. Los datos de salida de esta etapa consisten usualmente de dibujos del proyecto, un informe escrito y posiblemente un modelo físico o icónico tridimensional. El primer medio de comunicación con el área solicitante son a menudo los planos simplemente, siendo dibujos de la solución cuidadosamente realizados, detallados y acotados. El segundo medio, el informe técnico que suele ser un documento bastante formal que describe la propuesta con palabras, diagramas y croquis. Este informe también describe el funcionamiento de la solución y proporciona una evaluación cabal de ella. 4.6.1 Identificación de la falla. La falla se puede determinar en el momento en que la caldera se encuentra en servicio al momento de detectar que los consumos de agua, gas y aire han aumentado, por lo general, también las fugas son detectadas visualmente al ver directamente dentro del hogar por las ventanas de inspección con las que cuenta la caldera.

Fig. 4.23 “Pared de agua objeto del estudio” La figura muestra la sección de la tubería de la pared de agua en donde se

ha localizado la falla para ser reparada. Fuente: [Luz y Fuerza del Centro, Termoeléctrica J. Luque.]

Fig. 4.24 “Fuga sobre el cuerpo de la tubería” La figura muestra un acercamiento de la sección de tubería de agua que

contiene una falla. Fuente: [Luz y Fuerza del Centro, Termoeléctrica J. Luque.]

4.6.2 Corte de la ventana. Una vez detectada la falla como se muestra en las figuras 4.17 y 4.18 se procede a vaciar la caldera por debajo de la falla presentada con el objeto de no vaciarla en su totalidad y desperdiciar agua que posteriormente se traducirá en tiempo ahorrado al momento de llenar la caldera a nivel de encendido para que entre en servicio. El corte se realiza por medio de autógena sobre la superficie del tubo, posteriormente se realiza una limpieza sobre los bordes del corte con la finalidad de dejar preparado el tubo para la soldadura de la nueva pieza que sustituirá a la falla presentada.

Fig. 4.25 “Ventana en tubo de pared de agua en forma romboidal” En la figura se aprecia la ventana que ha sido

abierta sobre la superficie del tubo que tenía falla. Fuente: [Luz y Fuerza del Centro, Termoeléctrica J. Luque.]

4.6.3 Aplicación de la soldadura. La soldadura que se aplica es de tipo eléctrica con electrodos 6010 o 6013 a través de cordón continuo sobre los borde de la pieza. Con este método se abrevia tiempo en la maniobra de aplicación para la reparación de la falla.

Fig. 4.26 “Tubo reparado” La imagen muestra el tubo reparado a través del método propuesto por ventana de tipo

romboidal. Fuente: [Luz y Fuerza del Centro, Termoeléctrica J. Luque.]

4.6.4 Prueba hidrostática. La prueba hidrostática se realiza poniendo en servicio las bombas de agua de alimentación con la succión cerrada y la descarga abierta con el objeto de subir la presión dentro de la caldera por encima de la presión de operación que es de 62 Kg/ cm2. La presión a la que se somete la caldera es a 80 Kg/cm2 de acuerdo con las especificaciones de operación. Posteriormente a la prueba de no existir una fuga, se da por aceptada la reparación y la unidad queda disponible para entrar en servicio en cuanto el departamento de operación lo indique.

Fig. 4.27 “Fuga en reparación realizada” La imagen muestra una fuga sobre la reparación realizada en el tubo al momento de estar haciendo la prueba hidrostática.

Fuente: [Luz y Fuerza del Centro, Termoeléctrica J. Luque.] En el caso de presentarse una fuga sobre la reparación, se procede a retirar la soldadura que se ha aplicado incorrectamente y se repite el proceso. Este tipo de falla se presenta comúnmente por la aparición de poros sobre la soldadura. 4.7 Análisis de costo - beneficio Por lo general, un criterio predominante es la razón de costo – beneficio que es la unidad monetaria esperada de una solución con relación al costo de crearla. Para la solución elegida en la reparación de la tubería de agua de alimentación de una caldera, el beneficio es el ahorro en gasto de operación, de horas – hombre y material empleado, mientras que el gasto es relacionado directamente a la construcción e instalación de equipo.

En la tabla 4.2 se presentan los costos que se tomaron en cuenta para la determinación del gasto total en comparación de la solución propuesta contra la solución que actualmente se emplea.

COSTO OPCION ACTUAL OPCION PROPUESTA

Nuevas Adquisiciones

$0.00 $0.00

Mano de Obra por Día

$130.00 $130.00

Mano de Obra en Tiempo Extra

$140.00 $0.00

Material $10,000.00 $700.00

Equipo $0.00 $0.00

TOTAL $10,270.00 $830.00

Tabla 4.2 “Costos sobre la reparación propuesta”

Fuente: [Elaboración propia] A continuación se presentan los beneficios en la tabla 4.3 comparados en las dos opciones.

BENEFICIO OPCION ACTUAL OPCION PROPUESTA

Funcionalidad P P

Buen Aspecto P O

Confiabilidad P P

Operación Normalizada

P O

Facilidad de Aplicación

O P

Seguridad de Aplicación

O P

Rapidez de Aplicación

O P

Tabla 4.3 “Beneficios obtenidos en comparación con la metodología actual”

Fuente: [Elaboración Propia]

Como se aprecia en las tablas anteriores los beneficios en función de la aplicación son más factibles para la opción propuesta. La operabilidad, confiabilidad y seguridad son los aspectos que más están seguros en la aplicación de la nueva opción.

5. RESULTADOS Y DISCUSIONES A continuación se presenta en este capítulo los resultados obtenidos así como las discusiones sobre dichos resultados. 5.1 Resultados obtenidos 5.1.1 Resultados del análisis numérico. Para la determinación de los esfuerzos tangenciales σ� se aplica la ecuación (2) que fue determinada en el capítulo anterior:

pr

σ� = t

con los datos de trabajo del tubo analizado: p = 50 Kg/cm2 r = 1 ¼ pulg. = 3.175 cm t = ¼ pulg. = 0.635 cm sustituyendo:

50 Kg/cm2(3.175 cm)

σ� = 0.635 cm

σ� = 250 Kg/cm 2 Determinando los esfuerzos longitudinales σ2 aplicamos la ecuación (4) obteniendo:

pr

σ2 = 2t

Sustituyendo con los datos anteriores:

50 Kg/cm2(3.175 cm)

σ2 = (2)0.635 cm

σ2 = 125 Kg/cm2

El diámetro nominal esta determinado por:

Dext + Dint D =

2 Dext = 2 7/8 pulg. = 7.3025 cm. Dint = 2 ½ pulg. = 6.35 cm.

7.3025 cm. + 6.35 cm. D =

2

D = 6.82625 cm. Para obtener el esfuerzos cortantes máximos absolutos aplicamos: σ� - σ2

(τ máx) z = 2 250 Kg/cm2 −125 Kg/cm2

(τ máx) z = 2

(τ máx) z = 62.5 Kg/cm2 σ1 pr

(τ máx) = = 2 2t 250 Kg/cm2

(τ máx) = 2

(τ máx) = 125 Kg/cm2

Determinando el espesor ideal aplicamos:

pDint t =

2 ϕσadm -p en donde para soldadura utilizamos ϕ = 0.7

50 Kg/cm2(6.35 cm.) t = 2(0.7)250 Kg/cm2 - 50 Kg/cm2

t = 1.05 cm. = 3/8 pulg. 5.1.2 Resultados del experimento. Los valores que se obtuvieron para las condiciones de trabajos del equipo a máxima carga fueron los siguientes: Capacidad de la caldera 350 ton/hr. Presión de trabajo del vapor a la salida de la caldera

62 Kg/cm2

Temperatura de trabajo del vapor a la salida de la caldera

485° C

Presión en los tubos de la pared de agua de la caldera

50 Kg/cm2

Temperatura en los tubos de la pared de agua de la caldera

120° C

Esfuerzos tangenciales en tubería de la pared de agua de la caldera

σ1 = 250 Kg/cm2

Esfuerzos longitudinales en tubería de la pared de agua de la caldera

σ2 = 125 Kg/cm2

Diámetro nominal D = 6.82625 cm. Esfuerzos cortantes máximos absolutos (τ máx) z = 62.5 Kg/cm2

(τ máx) = 125 Kg/cm2 Espesor ideal de la tubería t = 1.05 cm. = 3/8 pulg.

Tabla 5.1 “Resultados obtenidos de los cálculos realizados” Fuente: [Elaboración propia]

5.1.3 Comparación de los resultados. La oportunidad de aplicar la investigación de la ciencia es la de relacionar los modelos actuales contra los métodos alternativos con el fin de comparar las ventajas y desventajas de ambos procesos. A continuación se presenta una gráfica en donde se muestra los tiempos de reparación en horas aproximadas de ambos procesos. HORAS ACTIVIDAD

1 2 3 4 5 10 24 48 72

Enfriamiento de la caldera

Localización de la falla

Preparación del equipo

Retiro de la falla en el tubo

Preparación del tubo nuevo

Reparación de la falla

Retiro del equipo

Prueba hidrostática

Puesta en servicio

Reparación teórica tradicional Total = 102 hrs. = 4.2 días Metodología propuesta Total = 92 hrs. = 3.8 días

Tabla 5.2 “Comparación de los tiempos empleados en horas” Fuente: [Elaboración propia]

En el punto específico de los costo de la reparación existe una diferencia significativa que pudiera ser el aspecto más importante de la comparativa entre las técnicas de reparación, hay que recordar que parte del objetivo general es el de obtener resultados con el mismo presupuesto de ser posible. $ 50,000 25,000

10,000 5,000 1,000 0

Reparación Metodología tradicional propuesta

Fig. 5.1 “Comparativo entre costos de reparación” Fuente: [Elaboración propia]

Otro punto que se desarrollo en función de importancia fue la confiabilidad de la reparación dentro de la operación del equipo a máxima carga de trabajo, este parámetro se determinó al anotar las horas de servicio del equipo una vez reparado por ambas técnicas durante un mes de servicio.

ESTADO DE LA UNIDAD REPARACION TRADICIONAL

(hrs.)

METODOLOGIA PROPUESTA

(hrs.) Unidad en servicio 720 720 Unidad disponible 0 0 Unidad fuera de servicio 0 0

Tabla 5.3 “Comparación de los tiempos en servicio del equipo reparado” Fuente: [Elaboración propia]

La aplicación de la metodología propuesta ha dado resultados aceptables para la operación confiable de las calderas, a continuación se mencionan las ventajas que se han obtenido al aplicar dicha técnica. 1.- La preparación de la maniobra para la reparación se redujo en un 80% al concretarse prácticamente sólo a la localización de la falla, ya que anteriormente después de ser localizada se realizaba el proceso de quitar candados que sostienen la tubería con el fin de moverla para realizar la maniobra. Actualmente, sólo se corta en forma de ventana sobre la falla con autógena. 2.- La aplicación de la soldadura eléctrica contra la de gas es en suma importancia más económica y rápida en su aplicación, reduciendo la actividad en un 50%. Por otro lado, el equipo que se emplea es menos sofisticado reflejándose en la maniobrabilidad dentro de espacios muy reducidos dentro del hogar de la caldera. En ocasiones, los espacios para trabajar son tan reducidos que el mismo personal de mantenimiento no puede ingresar tan fácilmente, por lo que se facilita trabajar sólo con el electrodo de soldadura. 3.- La preparación de la superficie a reparar es mínima, limitándose solamente a la limpieza de los bordes de la apertura sobre el tubo que será atendido. 4.- Los tiempos de reparación se han visto reducidos hasta en un 60% con ésta técnica, lo que repercute directamente en el tiempo fuera de servicio de la caldera y por lo consiguiente, en la puesta en servicio del equipo prácticamente después de terminada la reparación. 5.- Al realizar la prueba hidrostática y en el caso de resultar “no satisfactoria”, la corrección de la reparación se realiza con gran sencillez retirando solamente la soldadura que ha presentado porosidad volviendo aplicar el cordón. Cabe mencionar que este tipo de error es poco frecuente ya que una vez terminada la reparación se auxilian de una radiografía del elemento para cerciorarse de que no existan tales porosidades. 6.- La duración de la reparación en la metodología propuesta, se ha demostrado en la realidad que dura de igual forma que la reparación tradicional una vez que el equipo se encuentra nuevamente en servicio. Así, los resultados son satisfactorios de tal forma que se puede comprobar que el objetivo principal de esta investigación se a cumplido satisfactoriamente, el cual es el de reducir el tiempo de reparación de los tubos de agua de alimentación de las calderas, los cuales han sufrido una falla. Para poder visualizar con mayor claridad los resultados obtenido, se presenta una tabla de comparación de los factores más representativos entre la reparación tradicional y la técnica propuesta.

CARACTERISTICA TECNICA TRADICIONAL

TECNICA PROPUESTA

La reparación se desarrolla con la caldera fuera de servicio.

ü ü

La reparación de la fuga se desarrolla una vez localizada la falla.

û ü

Hay que realizar maniobra adicional para iniciar la reparación.

ü û

Se colocan andamios y equipo para realizar la maniobra de reparación.

ü ü

Se desarrolla una limpieza profunda de la pieza antes de realizar la reparación.

ü û

El equipo de reparación es sofisticado en su operación.

ü û

Se requiere de personal calificado para la reparación.

ü ü

Una vez localizada la falla, el tiempo de reparación es de aproximadamente de 24 hrs.

ü û

Una vez localizada la falla, el tiempo de reparación es de aproximadamente de 8 hrs.

û ü

Se realiza prueba hidrostática para comprobar la reparación.

ü ü

La reparación esta realizada bajo especificaciones técnicas.

ü û

La reparación es confiable en la operación del equipo.

ü ü

La reparación es avalada por un estudio mecánico.

ü ü

Tabla 5.4 “Comparación entre las técnicas de reparación” Fuente: [Elaboración propia]

5.2 Discusiones La reparación propuesta por la metodología desarrollada es cuestionada bajo el argumento de que no está determinada bajo el código ASME para calderas y recipientes de presión, misma que regula el diseño, construcción, operación y mantenimiento para los equipos que

trabajan a presión interna. Sin embargo, así como la metodología propuesta no esta determinada específicamente, tampoco se presenta la prohibición de la misma en algún documento oficial por lo que permite realizarla bajo un estudio mecánico que asegure la confiabilidad tanto en la reparación como en la operación del equipo bajo las condiciones de trabajo. El mejor resultado se observa en las horas de operación de la caldera reparada que son similares y en algunos casos superiores. La tubería de pared reparada presenta menos fallas, aproximadamente en 99% en comparación con la tubería que no cuenta con algún tipo de reparación. El análisis mecánico y matemático justifica plenamente que las líneas de esfuerzos, obtenidas a través del análisis matemático no afectan el corte ni la soldadura de la pieza reparada bajo las condiciones de trabajo que son principalmente cambios de presión y temperatura. Esto significa la aceptación de la metodología desarrollada del 90% comprobada con los resultados reales.

Conclusiones En este trabajo se desarrolló una metodología de reparación de tubería de pared de agua de una caldera utilizada en una central termoeléctrica la cual proporciona varias ventajas en comparación con el método teórico tradicional. 1. Con la finalidad de reducir los tiempos empleados en las tareas de reparación se optó por la aplicación de un método alternativo que proporcionara bajo costo y reducción considerable del tiempo empleado sin descuidar la calidad para salvaguardar la confiabilidad en la operación del equipo. 2. El cálculo mecánico y matemático demuestran la confiabilidad para la operación del equipo en condiciones máximas de trabajo que a su vez fue respaldado por los resultados de la aplicación experimental. 3. Esta metodología amplia los métodos de trabajo desarrollados para los departamentos de mantenimiento dando una nueva opción en las técnicas de reparación de equipo mecánico por lo que se puede mencionar que ésta investigación es una aportación importante al desarrollo tecnológico de México. 4. Adaptar el proceso de diseño para la búsqueda de soluciones a los problemas de la industria en el área de la mecánica, ofrece gran alternativa de soluciones que pueden ser aplicadas para dichos problemas.

Finalmente se puede concluir que la búsqueda de nuevos métodos, aplicaciones, equipos y materiales, son un campo de investigación tan amplio que requieren de apoyo para su estudio. La búsqueda de métodos alternativos puede llegar a ser una solución a problemas específicos o generales que den como resultado la disminución de recursos y la optimización de los mismos, sin duda alguna se ha demostrado que lo que no esta permitido, generalmente tampoco esta prohibido. Recomendaciones La investigación desarrollada deja varias puertas abiertas para el estudio y análisis de nuevas metodologías, procesos y materiales que pueden ser sustituidos por técnicas alternativas. A continuación recomiendo varios puntos que permiten continuar con investigaciones futuras 1.- Aplicar la metodología desarrollada con modificaciones al corte, eliminando los vértices de la forma romboidal con el objeto de reducir más las concentraciones de esfuerzos. 2.- Investigar otro tipos de metodologías para la reparación de tuberías de agua en calderas, con la finalidad de continuar reduciendo tiempos y costos de reparación. 3.- Realizar investigación de nuevos materiales y aleaciones utilizados para la operación de elementos de calderas con mayor resistencia a las condiciones de trabajo a que están sometidos. 4.- Buscar algún modelo matemático que permita acercar con mayor precisión los resultados teóricos a los obtenidos experimentalmente. 5.- Desarrollar un estudio metalúrgico a partir de la reparación realizada a través de esta metodología con la finalidad de verificar los esfuerzos residuales después de aplicar la soldadura. 6.- El estudio de la vida residual de los generadores de vapor y los elementos que lo componen, son aspectos de suma importancia que se deben analizar en la actualidad con la finalidad de justificar la eficiencia y eficacia de la generación de energía eléctrica en México cuando se habla de reformas para el sector eléctrico.

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