Una caldera pirotubular es una caldera en la que los gases calentados fluyen desde una llama a través de uno o más tubos, fluyendo a través de un tubo de agua sellado. El calor de los gases se transmite por conducción térmica a través de las paredes del tubo, calentando el agua y eventualmente produciendo vapor. Esta caldera se usó en la configuración de locomotora horizontal en casi todas las locomotoras de vapor. Este tiene un contenedor tubular que contiene los tubos de fuego y una extensión para colocar la cámara de combustión de un extremo. Esta cámara de combustión tiene una base abierta para tener un área amplia de la parrilla, estirándose para crear una estructura rectangular o cónica fuera del contenedor cilíndrico.
Qué materiales se utilizan para fabricar los tubos de las calderas? ¿Qué tipo de tubería se utiliza para la caldera?
Los tubos de caldera son tubos sin costura (astm a179) y están hechos de acero al carbono (o aleación) o de hierro forjado tradicional. Son ampliamente utilizados en calderas de vapor, para generación de energía, en plantas de combustibles fósiles, plantas de procesamiento industrial, plantas de energía eléctrica, etc. Los tubos de caldera pueden ser tubos de caldera de media presión o tubos de caldera de alta presión.
Debido a la corrosión y al agrietamiento por corrosión bajo tensión, el acero inoxidable, particularmente de las formas austeníticas, no se usa en las secciones húmedas de los tubos de calderas. Sin embargo, el acero inoxidable ferrítico se encuentra con frecuencia en áreas sobrecalentadas que no están sujetas a agua hirviendo, y los tubos de calderas con carcasa de acero inoxidable calentados eléctricamente están permitidos para el procesamiento de vapor para esterilizadores y desinfectantes según la “Directriz para dispositivos a presión” europea.
El cobre o el latón también se utilizan en versiones de vapor vivo, ya que es más barato producirlos en tubos de caldera más pequeños. Tradicionalmente, el cobre se usa con mayor frecuencia en cámaras de combustión debido a su mejor conformabilidad y mayor conductividad térmica; sin embargo, en los últimos años, los precios del cobre han hecho que esta sea una opción económica y luego se utilizan alternativas asequibles (como el acero).
El único producto utilizado en la construcción de calderas durante la mayor parte de la "era del vapor" victoriana fue el hierro forjado de la más baja calidad, con montaje mediante remaches. Este hierro se obtuvo principalmente de herrajes especializados, como los de la región de Celator Moor (Reino Unido), conocidos por la alta naturaleza de su acero laminado, que era ideal para su uso en aplicaciones esenciales, como tubos de calderas de mayor presión. La innovación tecnológica en el siglo XX se desplazó hacia el uso de acero en la producción soldada, que es más segura y sencilla, que se puede hacer más rápido y con menos mano de obra. Los tubos de calderas de hierro forjado se corroen aún más gradualmente que sus contrapartes de acero convencional y son menos propensos a picaduras irregulares y corrosión bajo tensión. La longevidad de los tubos de calderas de hierro forjado más antiguos es muy superior a la de los tubos de calderas de acero soldado.
Requisitos de material del tubo de caldera:
Los materiales utilizados para los tubos de las calderas deben seleccionarse cuidadosamente para cumplir con los siguientes requisitos:
(1) Resistencia a altas temperaturas y alta resistencia
Los tubos de calderas de alta presión a menudo están expuestos a condiciones de alta temperatura y alta presión durante su uso. Bajo la acción de los gases de combustión y el vapor de agua a alta temperatura, las tuberías se oxidarán y corroerán. Se requiere que las tuberías de acero tengan una alta resistencia duradera, alta resistencia a la oxidación, resistencia a la corrosión y buena estabilidad estructural. Las condiciones de trabajo de los tubos de calderas de alta presión son muy duras. Deben trabajar de forma segura bajo alta presión, alta temperatura y la erosión y corrosión del flujo de aire, agua y gas a alta velocidad durante 10 a 20 años, o incluso más.
(2) Conductividad térmica
Los tubos de calderas, especialmente los tubos de calderas de alta presión, son tuberías que se utilizan para transportar vapor o agua caliente a alta temperatura y alta presión y desempeñan un papel importante. En el diseño y uso de tubos de calderas de alta temperatura, la conductividad térmica es un indicador muy crítico.
La conducción térmica es el proceso mediante el cual se transfiere calor de un objeto de alta temperatura a un objeto de baja temperatura. En los tubos de calderas de alta temperatura, la conducción de calor se produce principalmente a través de la conducción en la pared del tubo. Las características de conducción de calor de la pared de la tubería están relacionadas con la conductividad térmica del material, el espesor de la pared, el diámetro de la tubería y el gradiente de temperatura.
(3) Cumplir con los estándares: Los materiales deben cumplir con los estándares de seguridad y calidad establecidos por agencias reguladoras como ASTM, ASME o EN.
Las normas ASTM comunes para tubos de calderas incluyen:
ASTM A192/A192M: Esta es la especificación estándar para tubos de calderas de acero al carbono sin costura para aplicaciones de alta presión.
ASTM A210/A210M: Cubre estándares para tubos de calderas y tubos de humo de calderas de acero al carbono medio sin costura, incluidos extremos de seguridad, tubos de bóveda y soporte, y tubos de sobrecalentador.
ASTM A213/A213M: Proporciona especificaciones para tubos de intercambiadores de calor, sobrecalentadores y calderas de acero de aleación austenítica y ferrítica sin costura.
ASTM A335/A335M: Especifica el espesor de pared mínimo y nominal para tubos de calderas de acero de aleación ferrítica sin costura adecuados para servicio a alta temperatura.
ASTM A450/A450M: Cubre estándares para espesor mínimo de pared, calderas de acero al carbono sin costura y tubos de sobrecalentador para aplicaciones de alta presión.
Tubo de caldera de acero al carbono soldado por resistencia ASTM A178 / ASME SA178
ASTM A178 Tubos de calderas y sobrecalentadores para soldadura eléctrica de tubos de calderas y sobrecalentadores de acero al carbono y acero al carbono y manganeso. ASTM A178 es lo mismo que ASME SA-178 y es una especificación estándar que cubre tuberías soldadas con resistencia de espesor de pared mínimo para tubos de calderas, conductos de humos de calderas, conductos de humos de sobrecalentadores y un espesor de pared mínimo de acero al carbono y acero al manganeso al carbono.
ASTM A179 Tubo para calderas de alta temperatura es un tubo de acero que se utiliza en ambientes de alta temperatura con buena resistencia a la presión y a altas temperaturas. El tubo para calderas de alta temperatura ASTM A179 es un tipo de tubo de acero sin costura, fabricado mediante un proceso de tratamiento térmico, con las características de alta precisión, alta suavidad, alta resistencia al desgaste, etc. Esta tubería de acero se utiliza principalmente en ambientes de alta temperatura y alta presión, como calderas, intercambiadores de calor, unidades de craqueo de petróleo, etc.
La temperatura de servicio del tubo de caldera de alta temperatura ASTM A179 depende del material y las especificaciones del tubo de acero. Normalmente, el rango de temperatura de servicio de este tipo de tubería de acero es de -200°C a 450°C. Dentro de este rango de temperatura, los tubos de acero pueden mantener buenas propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión. Cabe señalar que la temperatura de uso real debe seleccionarse de acuerdo con los requisitos específicos del equipo y del proceso para garantizar la seguridad y confiabilidad de la tubería de acero.
Ofrece tres niveles:
Grado A – Acero dulce
Grado C - acero al carbono medio
Grado D - acero al carbono manganeso
Ejemplo de norma ASME: tubo de caldera ASME SA192
SA192 es un material, concretamente, es un estándar utilizado para la fabricación de tubos para calderas de alta presión. Esta tubería funciona bien en entornos de alta presión debido a su excelente resistencia a la tracción y límite elástico, así como a su buen alargamiento, y es capaz de soportar grandes presiones y tensiones. La composición química de los tubos de acero SA192 está estrictamente controlada e incluye principalmente elementos como silicio, manganeso, cromo, molibdeno, cobre y níquel. El contenido de estos elementos tiene un impacto importante en el rendimiento y la calidad de la tubería. Además, SA192, junto con SA-193 y SA-194, está clasificado como estándar para acero inoxidable, hierro inoxidable o acero aleado.
Materiales de uso común para tubos de calderas:
Los tubos de calderas suelen estar hechos de acero al carbono, acero inoxidable y tubos de acero aleado. Sus diferencias se muestran en la siguiente tabla.
| Attribute | Carbon Steel Boiler Tubes | Stainless Steel Boiler Tubes | Alloy Steel Boiler Tubes |
|---|---|---|---|
| Chemical Composition | Iron and carbon, low carbon content (<0.35%) | At least 10.5% chromium, often with nickel, molybdenum | Iron, carbon, and various alloying elements (e.g., manganese, silicon, chromium, nickel) |
| Mechanical Properties | Lower strength and hardness | Good formability; moderate strength | Higher strength, toughness, and wear resistance |
| Corrosion Resistance | Low; may need coatings or linings | High due to chromium oxide layer | Good to excellent, depending on alloying elements |
| Applications | General-purpose, low to moderate temperature and pressure | Corrosive environments, food processing, chemical industry | High-temperature and high-pressure applications, such as in power stations |
| Cost and Economy | Lower initial cost; may require more maintenance | Higher initial cost; potentially lower lifecycle cost | Varies; can be more expensive due to alloy content |
| Environmental Impact and Sustainability | Regular maintenance may be needed | Recyclable; low maintenance | Varies; some alloys are highly recyclable |
| Lifespan | Shorter lifespan if not properly protected against corrosion | Longer lifespan due to self-healing properties and corrosion resistance | Long lifespan, especially in harsh environments; depends on alloy composition |
Componentes y materiales de los tubos de caldera utilizados:
| Boiler Component | Function Description | Typical Material Used |
|---|---|---|
| Water Wall Tubes | Main heat-receiving surface around the furnace. | Carbon Steel |
| Convection Tubes | Further heating of fluid in the convection area of the boiler. | Carbon Steel or Alloy Steel |
| Downcomer Tubes | Transport water from the steam drum to the downcomer. | Carbon Steel |
| Header (Collector) | Collects and distributes boiler water; not typically exposed to radiant heat. | Carbon Steel or Stainless Steel |
| Superheater Tubes | Heat saturated steam into superheated steam, improving steam quality. | Alloy Steel |
| Economizer Tubes | Use residual heat from exhaust gases to raise feedwater temperature. | Carbon Steel or Alloy Steel |
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