Superar los desafíos de sellado

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Apr 02, 2023

Superar los desafíos de sellado

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

El sellado a altas temperaturas (típicamente 400 °C y más) es un desafío porque los materiales estándar, como el grafito expandido, no pueden funcionar de manera confiable durante períodos prolongados en tales condiciones. Esto da como resultado la falla de la junta atornillada y la ocurrencia de una fuga. Hasta ahora, se han tenido que hacer concesiones con la selección de materiales, lo que tiene un efecto perjudicial en el rendimiento de fugas de una unión atornillada con el tiempo a temperaturas elevadas.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Cada vez más, las temperaturas del proceso aumentan y los operadores buscan extender los intervalos de mantenimiento. Esto requiere materiales de junta que puedan soportar estas altas temperaturas, al mismo tiempo que ofrecen confiabilidad a largo plazo. La seguridad es fundamental y, por lo tanto, elegir una solución comprobada y confiable es primordial.

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

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

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

Change es una junta de intercambiador de calor enrollada en metal altamente resistente que ofrece el sello más dinámico. Lo que es más importante, Change funciona sin fallas un 60 % más que otras juntas de intercambiador de calor, de bobina en espiral CGI, de doble revestimiento, de metal corrugado o de perfil Kamm.

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

La junta Change patentada se fabrica con equipo patentado y presenta un perfil en espiral de metal cinco veces más grueso que las juntas estándar. Mediante el uso de un proceso de soldadura láser único que penetra completamente a través del devanado, no se requieren anillos internos ni externos. Las capacidades de la junta se han probado a través de una serie de estudios, que incluyen pruebas de corte radial (RAST), ciclos térmicos extendidos de carcasa, pruebas de fugas y compresión, que arrojaron resultados muy positivos.

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

Imagen de microscopio electrónico de barrido de la estructura de placa flexible muy delgada de Thermiculite, que proporciona un sello hermético resistente a los gases en un amplio rango de temperatura.

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

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

La junta sobrevivió a la prueba con un daño visible insignificante y mostró solo un 15 % de relajación en la tensión del perno después de 100 ciclos. En comparación, la siguiente con mejor rendimiento es la junta enrollada en espiral con una relajación del perno de alrededor del 25 %. La junta Change no mostró fugas importantes en la prueba, lo que contrasta marcadamente con la junta de tipo encamisado.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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