Fiabilidad de la brida de titanio en servicio a alta temperatura

Fiabilidad de Bridas de Titanio en Servicio a Alta Temperatura

El calor cambia cuatro cosas en una junta atornillada, y solo una de ellas es la resistencia de la brida. Las piezas crecen, el tornillo se relaja, la junta se asienta y la tubería empuja la boquilla. El titanio se comporta de manera diferente al acero en las cuatro, y mayormente a su favor: se expande menos, mantiene su resistencia hasta unos 400 grados y su baja conductividad ralentiza el calor que llega a la junta. Esta página expone esos cuatro efectos con números y los detalles de diseño que mantienen apretada una junta a alta temperatura.

Datos de Bridas

Comportamiento Térmico Comparado

Expansión, micrómetros por m K8.612.0Crecimiento de 1 m a 200 K de aumento1.72 mm2.40 mmMódulo de elasticidad, GPa110207Tensión térmica restringida a 200 Kaproximadamente 189 MPaaproximadamente 497 MPaConductividad térmica, W por m Kaproximadamente 22aproximadamente 50 Límite de resistencia útilaproximadamente 300 Caproximadamente 400 C con acero aleado

La tensión restringida es el número que vale la pena recordar. Si un tramo de titanio se sujeta entre dos anclajes y se calienta 200 kelvin, la tensión elástica que se acumularía si no pudiera crecer es de alrededor de 189 MPa, que una brida Gr2 puede soportar a temperatura. El mismo tramo en acero al carbono acumularía unos 497 MPa, muy por encima de su límite elástico, razón por la cual las tuberías de acero necesitan bucles de expansión y las de titanio a menudo no. El corolario es que una línea de titanio se mueve menos pero empuja más por grado de lo esperado si está restringida, por lo que las cargas de anclaje aún se calculan en lugar de asumirse.

La Relajación del Tornillo es el Riesgo Real

A temperatura, el tornillo se arrastra y la junta se comprime, y la junta pierde la precarga sin que aparezca ninguna fuga hasta que la carga cae por debajo del requisito de asiento. Dos detalles lo controlan: un material de tornillo con una expansión similar a la de la brida, para que la diferencia no consuma la precarga, y un resorte de disco o un conjunto de arandelas Belleville debajo de la tuerca, que almacena recorrido y mantiene la carga mientras la junta se asienta. Un reapriete en caliente después del primer ciclo de calor es una práctica normal en una línea de alta temperatura, y la cifra de torque se toma del fabricante de la junta para la temperatura de operación, no de la hoja de montaje en frío.

Juntas a Temperatura

El PTFE está fuera por encima de unos 200 grados, y la elección se convierte en grafito o una junta espiral con relleno de grafito. El grafito tolera la temperatura y el ciclo térmico, pero necesita una mayor tensión de asiento, que el tornillo debe poder suministrar, y debe mantenerse alejado de oxidantes fuertes. Se utiliza una junta anular donde el ciclo es severo y la clase es alta, porque un anillo metálico no se asienta como lo hace una junta blanda. Cualquiera que se elija, la temperatura de la junta es la temperatura de la cara de la brida, no del fluido del proceso, y es por eso que a veces se especifica el aislamiento de la brida.

Aislamiento, Puntos Fríos y Temperatura de Contacto

El titanio conduce el calor a aproximadamente la mitad de la velocidad del acero al carbono, por lo que una brida de titanio caliente funciona más fría en su borde exterior que una de acero y pierde menos energía, lo cual es una ventaja hasta que la misma propiedad crea un punto frío en una línea que debe permanecer por encima de una temperatura de hidrato o cristalización. Se utilizan cajas de aislamiento extraíbles en ambos casos, y en una línea de titanio también protegen el lado del personal: la baja conductividad significa que la superficie exterior de una brida sin aislar permanece caliente durante más tiempo después del apagado de lo esperado.

Dónde se Utilizan Bridas de Titanio a Alta Temperatura

Los servicios típicos son vapor sobrecalentado y condensado, agua caliente de proceso, circuitos de aceite de transferencia de calor, conductos de secadores y hornos, sistemas de escape de turbinas y de flash en desalinización, y el lado caliente de reactores químicos. En cada caso, se elige el titanio porque el fluido es clorado, ácido o salino además de caliente, que es la combinación que descarta el acero inoxidable. Por encima de unos 400 grados, la elección pasa a Gr5 o se aleja del titanio por completo, porque la película de óxido crece demasiado rápido y el metal comienza a absorber oxígeno.

Pedido de una Brida a Alta Temperatura

Pedir por estándar, presión, tamaño, cara, tipo, grado y diámetro interior, por ejemplo DN 100, PN 16, EN 1092-1 tipo 11, Gr2, cara elevada, diámetro interior para que coincida con tubo de 114.3 por 3.6 mm, probado por UT, junta de grafito suministrada suelta. Indicar la temperatura de diseño y el número de ciclos, porque deciden el grado, la junta y si se necesitan resortes de disco, e indicar si la brida estará aislada, porque eso cambia el acabado y el marcado. Para una línea que será analizada por tensiones, solicitar el certificado con la química real, ya que la expansión y el módulo utilizados en el modelo provienen del calor, no del estándar.

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