Autor: Lic. Carlos Luis Lasarte V, 5 noviembre 2021.
Introducción
La caldera es un equipo utilizado en la ingeniería con el objetivo de generar vapor sobrecalentado y saturado mediante un proceso de transferencia de calor a una presión contante; tienen una gran aplicación en la industria de gas y petróleo pesado para mejorar su fluidez.
Este artículo tiene como objetivo analizar las fallas en las calderas mediante el análisis de los internos del sistema de generación de vapor, los equipos auxiliares, los procedimientos de operación, con el fin de garantizar la integridad mecánica, confiabilidad y seguridad operacional de estos equipos. Tienen una gran aplicación en la industria de petróleo y gas, como generadores de vapor para diferentes procesos industriales.
La mayoría de los operadores de calderas y autores de temas relacionados con el funcionamiento y operación de estos equipos, consideran que la primera causa de los daños y fallas en las calderas se debe a la calidad del agua, sin analizar que hay condiciones operacionales que influyen en estas fallas tales como:
1 El nivel de agua en las calderas.
Si el nivel del agua supera el Nivel Normal de diseño, (Figura 1). En este caso se pueden presentar los siguientes problemas:
- Desde la parte superior del nivel, pueden ser arrastradas grandes cantidades de agua y sólidos. Esta condición generará ensuciamiento interno de los sobre-calentadores, de los intercambiadores de calor y/o asientos de válvulas.
- Al distanciar la parte superior del nivel de la línea de purga, esta será menos efectiva y no logrará remover los sólidos que tienden a ir hacia el sobrenadante y podrían llegar a formar espumas.
Figura 1. Los fabricantes de calderas definen, en función de los códigos de diseño, cuál debe ser el nivel de agua dentro de la caldera. Cuando se trabaja con un nivel de agua por encima del nivel normal del agua, se cambia el diseño de la caldera.
2 Sobrecalentamiento por la incidencia de llamas contra las superficies de intercambio
Bajo esta condición, los sólidos disueltos y/o suspendidos se adhieren a la superficie de intercambio; por lo tanto, se acelerará el sobrecalentamiento del material de los tubos.
3 Obstrucción y taponamiento de los pasos de gases
En este caso, el paso de los gases puede ser obstruido por las cenizas (Figura 2), o por taponamiento mecánico para corregir fugas en los tubos (Figura 3); por lo cual, la mayor cantidad de gases pasará por los tubos de mayor libertad de paso y habrá más evaporación e incrustaciones, con el consiguiente sobrecalentamiento.
Figura 2. Tubos obstruidos por cenizas de combustión.
Figura 3. Tubos taponados para revisar fugas.
4 Una baja circulación, operación a baja carga
Cuando la caldera no opera a su carga nominal, normalmente la circulación del agua y mezcla agua-vapor no logran su velocidad de circulación. Por lo cual:
- Los químicos que se dosifican en el tratamiento interno no se homogenizan y se tendrá en el interior de la caldera diferentes condiciones de concentración. Cerca de los puntos de dosificación existirán altas concentraciones de los químicos y bajas en las más lejanas, formando una celda de corrosión diferencial por concentración, generando daños por corrosión localizada en el interior de la caldera (Figura 4).
Los análisis químicos del agua para el control de su calidad, se deben realizar un par de veces a la semana; lo cual, evitara variaciones de las concentraciones, garantizando un buen funcionamiento operacional.
Figura 4. Evidencia de concentración del químico dosificado y corrosión localizada.
- Si la carga es muy baja, la circulación también disminuirá, causando la precipitación de los sólidos en suspensión e incluso la separación de las fases agua-vapor / agua-espuma y dejando expuesta la superficie de intercambio de calor a condiciones de sobrecalentamiento.
- En el caso de calderas pirotubulares, cuando se trabaja a bajas cargas, además de la baja circulación, el quemador estará operando a bajo fuego, la llama estará incidiendo en la parte superior del hogar, en donde además habrá importante cantidad de lodos depositados, si realmente la calidad del tratamiento de agua no es buena. Bajo esta condición, esa zona marcada (figura 5), irá sobrecalentándose y finalmente fallará.
a) Zona en la que incide la llama, b) Incidencia de llama, c) Incidencia de llama y de acumulación excesiva de lodos vistos desde el lado agua, d) Cuando ocurre un evento de pérdida de nivel, esa zona donde la llama incide a baja carga – bajo fuego, se ve sensibilizada o envejecida y se deforma.
5 Representatividad de las Muestras de Agua-Vapor
Por otro lado, ¿está usted seguro que la purga de superficie o purga continua de la caldera realmente tiene la capacidad de captar los sólidos en suspensión? ¿Es una tubería perforada a lo largo de la caldera o es solo un orificio?
La toma de la purga – muestra de agua de la caldera tiene que ser una línea perforada que tome muestra o purgue agua de toda la caldera, nunca un orificio que capte solo un punto de esta.
6 Procedimientos de arranques y paradas
Si no se cumple con la curva o procedimiento de arranque de la caldera, de acuerdo con las instrucciones del fabricante; es decir, si se efectúan arranques rápidos, para operar la caldera lo antes posible.
- El agua no circulará a velocidad adecuada y no enfriará las superficies de intercambio,
- Se generarán burbujas de vapor, que no se desplazarán y formarán barreras de vapor que podrán sobrecalentarse en la superficie y la temperatura máxima permitida para el material de los tubos, será excedida.
- En el caso de los sobre-calentadores, ellos superarán las temperaturas máximas permitidas para los materiales; por lo cual, la caldera no generara el vapor necesario para enfriarlos y podrían romper por sobrecalentamiento rápido.
7 Procedimientos de enfriamiento rápido o de vaciado con la caldera aún caliente.
- Seguir procedimientos de enfriamiento rápido, además de los daños que se generan sobre el sistema de refractarios, también afectará las uniones o expandido entre tubos y placas o domos, y a corto plazo causarán fugas en dichas uniones.
- Si la caldera se vacía aún caliente, los sólidos que pueden estar en suspensión se adherirán a las superficies de intercambio, se incrustarán y finalmente acelerarán el sobrecalentamiento del material de los tubos.
8 Períodos de la caldera fuera de servicio sin cumplir un procedimiento de preservación.
Las calderas han de ser acondicionadas para los períodos en que están fuera de servicio, ya sea en húmedo o secas, con el fin de garantizar que no se darán procesos de corrosión por el ingreso de aire al despresurizarla.
Conclusión
Para el buen funcionamiento de una caldera es importante, no solo considerar la calidad del agua para la generación del vapor, sino todas las condiciones operacionales, expuestas y analizadas en este trabajo; las cuales, pueden ocasionar daños y fallas, cuando no se realizan los procedimientos operacionales adecuados para conservar la integridad física y confiabilidad de estos activos.
Referencias
Fuente propia
Lic. Carlos Luis Lasarte V.
Director General – Consultor Combustión, Energía & Ambiente, S.A.(carlos.lasarte@ceaca.com)
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