¿Cómo la agitación del tanque causa fatiga por vibración en los calentadores de PTFE?

Los calentadores colocados en tanques agitados siguen estropeándose en el mismo lugar, generalmente inmediatamente debajo del punto de montaje de la brida, aunque no hay evidencia de ataque químico, sobrecalentamiento o daño por impacto. El tanque tiene un mezclador robusto que hace que la superficie del agua parezca turbulenta y las corrientes de flujo sean fuertes en todo el volumen. Cada vez que lo reemplaza, vuelve a aparecer la misma rotura limpia después de unos meses. Hasta que los gerentes de mantenimiento y los expertos en confiabilidad se den cuenta de que el problema no es una pieza defectuosa sino la fatiga por vibración causada por la agitación del tanque, tendrán que lidiar con el tiempo de inactividad y los gastos de reemplazo una y otra vez.

Cuando la funda del calentador se dobla hacia adelante y hacia atrás demasiadas veces, se fatiga por vibración. La longitud sin soporte del calentador funciona como una viga o palanca en voladizo, lo que hace que incluso las pequeñas vibraciones del impulsor del agitador, el flujo turbulento o la recirculación de la bomba sean mucho más fuertes. Pequeños movimientos en la pared del tanque o en la superficie del fluido se convierten en movimientos mucho mayores en la punta del calentador. Durante miles de ciclos, comienzan a formarse pequeñas grietas en los puntos de mayor concentración de tensión. Esta suele ser la transición de brida-a-vaina, donde hay cambios de forma y soldaduras o engarces. La tensión cíclica extiende lentamente estas fisuras a través de la pared de PTFE hasta que la funda se rompe y permite que el fluido del proceso llegue a las partes internas.

La firma de falla única distingue la fatiga por vibración de otros tipos de daños. La rotura parece limpia y quebradiza y suele ocurrir en ángulo recto con respecto al eje del tubo. No hay deformación, abolladuras ni fusión localizadas. Las estrías de fatiga clásicas se pueden ver en las superficies de fractura cuando se magnifican a baja potencia. Esto es muy diferente del daño causado por un impacto, que deja aparentes grietas por aplastamiento o irradiación alrededor de una abolladura, o de un ataque químico, que hace que la superficie sea más blanca y delgada con el tiempo. Debido a que la fractura ocurre dentro del tanque y puede permanecer bajo el agua, los operadores generalmente solo se enteran cuando la protección de falla a tierra-se dispara o el control de temperatura se vuelve loco.

Existen una serie de medidas prácticas que pueden eliminar o disminuir considerablemente la fatiga por vibración. La solución mejor y más rentable-es utilizar soportes intermedios. Un único soporte en la mitad del tramo, generalmente un soporte revestido con PTFE o fluoropolímero y fijado a la pared o al piso del tanque, acorta la longitud sin soporte y mantiene la deflexión al mínimo. En la vida real, un único soporte en la mitad del tramo puede reducir la amplitud de la vibración en un 90 % y hacer que los calentadores duren meses o años más. Los amortiguadores de vibraciones o las almohadillas de montaje resistentes en la brida ayudan a mantener el calentador aún más separado del movimiento de la pared del tanque. Hacer que el diámetro o el espesor de la pared del calentador sea mayor lo hace más rígido y aleja la frecuencia natural del rango de trabajo del agitador.

Evitar la resonancia es otra herramienta poderosa. La longitud, el diámetro, el módulo del material y las condiciones finales de un calentador afectan su frecuencia natural. Cuando esta frecuencia coincide con la velocidad de rotación del agitador o la frecuencia de paso de la cuchilla-, la amplitud de la vibración aumenta enormemente. Una técnica para arreglar la resonancia es cambiar un poco la longitud del calentador para que su frecuencia natural ya no sea la misma que la velocidad del agitador. Cambios simples en el campo, como acortar el calentador entre 100 y 150 mm o agregar un poco de masa en la punta, pueden sacar el sistema de resonancia sin afectar su buen funcionamiento. Los operadores pueden evitar las velocidades críticas encontradas durante la puesta en servicio cambiando la velocidad del agitador o agregando motores de frecuencia-variable.

Al diseñar tanques nuevos, el análisis de vibraciones evita que surjan problemas en primer lugar. El modelado-de elementos finitos o los cálculos manuales básicos pueden indicarle cuáles serán las frecuencias naturales y las amplitudes de deflexión previstas en determinadas condiciones de agitación. Antes de fabricar los calentadores, puede optimizar sus posiciones, longitudes y necesidades de soporte. Los tanques existentes pueden beneficiarse del monitoreo ocasional de vibraciones con acelerómetros portátiles que se conectan temporalmente a la brida calefactora. Si las lecturas de velocidad RMS superan los 5 mm/s, significa que hay demasiada tensión del ciclo y es necesario agregar más soporte de inmediato.

La fatiga por vibración, la longitud sin soporte, la frecuencia de resonancia, los soportes intermedios y la tensión cíclica son cosas que pueden controlarse y no son solo el resultado de la agitación. Un buen diseño mecánico y un buen sistema de soporte pueden convertir una fuente de tiempo de inactividad que ocurre todo el tiempo en una operación confiable a largo plazo-. Los ingenieros de planta y los expertos en confiabilidad que piensan en estas cosas mientras escriben especificaciones o realizan cambios en los sistemas existentes preservan sus inversiones y mantienen la producción en circunstancias en las que los procesos siempre cambian. El análisis temprano de vibraciones durante el diseño puede encontrar problemas con tanques que tienen agua muy turbulenta o elementos calentadores que son anormalmente largos. Esto le permite elegir configuraciones de calentador potentes desde el principio con confianza.