Mecanismo de falla de los tubos del sobrecalentador de una caldera acuotubular

Super-heater tube failure due to overheating when using bagasse as fuel

En este artículo se investigaron las causas de las fallas presentadas por fisuración longitudinal a partir de la superficie externa en los tubos del sobrecalentador de una caldera acuotubular. La superficie externa de los tubos presentó una capa de color blanco-rojizo que presentó cadenas parafínicas: C-H, grupos funcionales: C-O, N-H y compuestos de azufre, esta capa frágil impide la transferencia de calor, causando un aumento de temperatura del tubo. La falla se presentó por termofluencia debido al sobrecalentamiento de larga duración, la microestructura del tubo de acero en el lado externo presentó: crecimiento de grano, globulización de la cementita y fisuras intergranulares que producen pérdidas de las propiedades mecánicas del acero. Las observaciones anteriores evidencian un deterioro de la microestructura facilitado por un material que no está en capacidad de operar usando exclusivamente bagazo como combustible.

Introducción

Una caldera tiene como finalidad producir vapor bajo determinadas condiciones y funciona como un gran intercambiador de calor que entrega energía a un fluido de trabajo, como lo es el agua, por intermedio de un combustible. En la Figura 1 se muestra la representación esquemática de los tubos del sobrecalentador en la caldera. Los tubos que se encuentran conectando el domo inferior y el domo superior contienen agua, debido al calor generado por la combustión; el agua sale por el domo superior en forma de vapor saturado, posteriormente pasa a los tubos del sobrecalentador por donde sale en forma de vapor sobrecalentado, como suministro de vapor vivo a los generadores principales de la fábrica. Durante el período previo a la falla la caldera suministraba el vapor de compensación para la red de vapor vivo de menor presión con 21.1 Kg/cm² (300 psi), que responde a los requerimientos de los accionamientos de los dos tándems de molinos para caña de azúcar.

El material del tubo es un acero con especificación SA 213 grado T11 con una temperatura de resistencia a la oxidación de 566 °C y una composición de máximo 0.15 % de carbono, 0.3-0.6 % de manganeso, 0.03 % de fósforo, 0,5-1 % de silicio, 1-1.5 % de cromo, 0.44-0.65 % de molibdeno, 0.025 de azufre. Este tipo de acero no debe operar por encima de los 600 °C, ya que a partir de esta temperatura empiezan a presentarse cambios microestructurales y oxidación térmica excesiva. Las condiciones de operación de los tubos del sobrecalentador de la caldera fueron: presión de 28.1 Kg/cm² (400 psi) y temperatura de vapor de 440 °C.

El presente estudio corresponde al análisis de falla de tubos del sobrecalentador de una caldera acuotubular que ha funcionado durante aproximadamente nueve años como equipo principal de generación de vapor en un ingenio azucarero. Aunque inicialmente operó en forma combinada con carbón y bagazo (sobrante orgánico del proceso de producción de azúcar), en los últimos dos años la caldera se encontraba operando exclusivamente con bagazo.