Inspección Dimensional de Intercambiadores de Calor

Resumen

Los intercambiadores de calor son equipos mecánicos complejos utilizados en muchas aplicaciones industriales. Su principal función es la transferencia de calor entre dos o más fluidos. Las prácticas indebidas de mantenimiento, inspección y operación durante el ciclo de vida de los intercambiadores, hace que estos operen de manera insegura y poco rentable, haciéndose común la aparición de fallas o paradas no programadas. Las consecuencias de las fallas en estos equipos pueden ir desde costos adicionales por inspecciones, paradas de producción, mantenimientos no programados, etc., trayendo como consecuencia problemas de calidad y la operación a una tasa de producción menor a la esperada, afectando la operación de la planta. Como parte del avance de la tecnología de mediciones a distancia y captación de datos remota existen en la actualidad técnicas, probadas y aceptadas por fabricantes y usuarios, para la medición y determinación de desviaciones en las medidas de los equipos. Se trata del sistema de medición láser de coordenadas 3D Laser Tracker a través del cual, en un tiempo mucho menor, se inspeccionan y verifican las dimensiones de los intercambiadores, permitiendo incrementar la seguridad y rentabilidad de los sistemas durante su ciclo de vida útil.

Introducción

En las plantas de procesos químicos (alimentos, energía, manufactura), petroquímicas y de refinación de petróleo, es común la utilización masiva de intercambiadores de calor, siendo los más frecuentes los del tipo Tubo y Carcasa. Dependiendo de la aplicación, condiciones de proceso y mantenimiento, estos pueden variar de forma y en las combinaciones de los arreglos. La norma más utilizada para la clasificación de estos equipos es la TEMA, por sus siglas en inglés (Tubular Exchanger Manufacturers Association).

Figura 1. TEMA
Figura 1. TEMA

La falla funcional de este tipo de equipos con mayor impacto en la seguridad de las personas, medio ambiente e instalaciones es, sin duda, la pérdida de integridad mecánica o capacidad de contener presión y el modo de falla más común es la fuga externa por las empacaduras. Siendo esta una de las fallas considerada de mayor riesgo en instalaciones industriales.

Es por este nivel de riesgo que los intercambiadores de calor en general y más aún, aquellos donde estén involucrados fluidos clasificados por la norma como de alto impacto, deben ser inspeccionados frecuentemente con la intención de mitigar al máximo los riesgos de falla.

Las principales normas de referencia asociadas a la inspección de intercambiadores son TEMA, ASME PCC-2, ASME PCC-1, API 660 e ISO 16812. Dentro de los aspectos a inspeccionar se encuentran la desviación de dimensiones (Control dimensional) y se considera que la mayor contribución sobre la estanqueidad del equipo está en los asientos de las empacaduras.

Tradicionalmente, los controles dimensionales (planitud) en los asientos de intercambiadores, se realizan con la ayuda de tornos portátiles, los cuales requieren una logística (izamientos, andamios, movilizaciones, etc.) que incide sobre su productividad y a su vez el costo de la inspección, por ejemplo, tornos como los mostrados en la Figura 2 pesan entre 300 y 500 Kg aproximadamente. Adicionalmente se debe disponer de varios tamaños, tipos de tornos y accesorios para poder cubrir las demandas de inspección.

Figura 2. Torno montaje externo hasta 762 mm. Torno portátil.
Figura 2. Torno montaje externo hasta 762 mm. Torno portátil.
Fuente: The AT Group.
Figura 3. Torno montaje interno hasta 1524 mm. Torno portátil.
Figura 3. Torno montaje interno hasta 1524 mm. Torno portátil.
Fuente: The AT Group.

Inspección dimensional de los principales componentes

Según la NPL (National Physical Laboraty, Instituto Nacional de Metrología del UK) existen seis (6) principios rectores, identificados como buenas prácticas para realizar una medición.

  1. Mediciones correctas: las mediciones solo deben realizarse para satisfacer los requisitos acordados y bien especificados.
  2. Las herramientas correctas: las mediciones deben realizarse utilizando equipos y métodos que se han demostrado adecuados para su propósito.
  3. Las personas adecuadas: el personal de medición debe ser competente, debidamente calificado y bien informado.
  4. Revisión regular: Debería haber una evaluación interna e independiente del desempeño técnico de todas las instalaciones y procedimientos de medición.
  5. Consistencia demostrable: Las mediciones realizadas en un lugar deben ser consistentes con las realizadas en otros lugares.
  6. Los procedimientos correctos: Deben implementarse procedimientos bien definidos y coherentes con las normas nacionales o internacionales para todas las mediciones.

De los seis principios, existen dos que marcan una diferencia importante en el campo industrial, cuando se refieren a mediciones dimensionales de alta precisión y alto volumen, como las presentes en los intercambiadores de calor.

Como muestra la gráfica de abajo, en escala logarítmica, el eje X representa el tamaño del objeto a medir y en el eje Y la incertidumbre de la medición.

Los objetos presentes en el ámbito industrial podrían ser ubicados entre 1 y 10 metros, con incertidumbres de medición que no deberían exceder de 0,1 mm y para casos de hasta 100 metros, no exceder 1 mm. Estos rangos permiten identificar (recuadro punteado) que la tecnología que mejor se ajusta a estos requerimientos es la de medición láser de coordenadas 3D (Laser Tracker).

Figura 4. Incertidumbre vs distancia.
Figura 4. Incertidumbre vs distancia.
Fuente: NPL

Laser Tracker 3D o Sistema portátil de medición por coordenadas 3D.

La tecnología fue desarrollada en la Oficina Nacional de Estándares y Tecnología de EEUU (NIST), a mitad de los 80, específicamente para la calibración de robots industriales. El sistema consiste de un cabezal de medición, unidad de procesamiento (MCU) y software de control. En el cabezal se encuentran el emisor del láser y los motores de giro horizontal y vertical, los cuales permiten girar el cabezal en dos ejes para seguir al esférico (SMR) que hace el contacto con el objeto a medir. El rango de medición es de 80 metros de radio esférico con una precisión máxima 0,009 mm.

Figura 5. Medición con láser tracker.
Figura 5. Medición con láser tracker.
Fuente: FARO
Figura 6. Mediciones.
Figura 6. Mediciones
Figura 7. Mediciones sobre intercambiador de calor.
Figura 7. Mediciones sobre intercambiador de calor.
Fuente: The AT Group

Aplicaciones

Un intercambiador típico, TEMA AET, posee 8 asientos de empacaduras, sin tomar en cuenta las boquillas bridadas de las tuberías, cada uno de estos asientos representa una posible causa de pérdida de estanqueidad, este elemento clave en el análisis costo riesgo beneficio, determina cuáles intercambiadores deben ser inspeccionados, sin embargo, las variables involucradas en el costo de la inspección con métodos tradicionales, ahora con el uso del Laser Tracker pueden ejecutar más inspecciones en el mismo tiempo y muy probablemente con un menor costo, permitiendo contribuir a la mitigación de riesgos asociados a la fuga externa en empacaduras de intercambiadores. Normas como API 660 e ISO 16812 sugieren, por ejemplo, que los intercambiadores en aplicaciones con hidrocarburos con un diámetro de casco mayor a 1220 mm (48 pulgadas), deben tener una planitud menor a 0,2 mm (0,008 pulgadas).

El uso del Laser Tracker para la inspección dimensional en intercambiadores de calor se basa en la representación geométrica del sistema, por medio de entidades CAD (planos, cilindros, círculos, puntos o líneas), que son medidos por medio del Laser Tracker y/o construidos en el software por el especialista, permitiendo definir referencias a lo largo del proceso que permiten validar la calidad de las mediciones; adicionalmente facilitan el registro del historial de cada objeto o componente inspeccionado.

Ejemplo de control dimensional realizado en un asiento de empacadura de un haz tubular.

Figura 8. Lecturas típicas
Figura 8. Lecturas típicas
Figura 9. Resumen de las mediciones. Mediciones y construcción representada en el software
Figura 9. Resumen de las mediciones. Mediciones y construcción representada en el software
Figura 10. Construcción de modelo CAD.
Figura 10. Construcción de modelo CAD.
Fuente: AT Group

Beneficios

Un sistema mecánico, en este caso un intercambiador de calor sin pérdida de estanqueidad, permite una operación segura y rentable. Ahora bien, como se menciona al principio, se debe empezar por contar con mediciones apropiadas, que deben estar definidas, ejecutadas profesionalmente con equipos y personal acordes a la exigencia, con procesos de trabajo documentados y divulgados, así mismo con la posibilidad de verificar los resultados.

En la siguiente tabla podemos comparar las prácticas tradicionales y la mejor práctica identificada en la actualidad.

Tabla 1. Comparación de las prácticas tradicionales y la mejor práctica identificada en la actualidad
Tabla 1. Comparación de las prácticas tradicionales y la mejor práctica identificada en la actualidad

Referencias

  1. TEMA 
  2. API 686 
  3. ISO 16812 
  4. ASME PCC-1 
  5. ASME PCC-2 
  6. ASME Y14.5 
  7. Vantage Laser Tracker User Manual. Faro 
  8. Vantage Laser Tracker Training Manual. Faro 
  9. SpatialAnalyzer UserManual. New River Kinetics 
  10. SpatialAnalyzer TrainingManual. New River Kinetics, Metrology Institute 

Autor: José Edgardo Rodríguez
MSc, CMRP, PMP. 

The AT Group
Correo: jrodriguez@theatgroup.net 

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