ES2645743T3 - Método para formar, insertar y unir permanentemente nervios en tubos de caldera - Google Patents

Método para formar, insertar y unir permanentemente nervios en tubos de caldera Download PDF

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ES2645743T3 ES09251469.4T ES09251469T ES2645743T3 ES 2645743 T3 ES2645743 T3 ES 2645743T3 ES 09251469 T ES09251469 T ES 09251469T ES 2645743 T3 ES2645743 T3 ES 2645743T3
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Abstract

Un método para formar unos nervios en una pared interior de un miembro tubular (20) que comprende las etapas de: proporcionar un huso (100) que tiene un diámetro menor que el diámetro interior del miembro tubular, teniendo el huso un canal helicoidal (2) que se extiende por una longitud del huso; enrollar de manera compresiva un miembro similar a un cable (6) helicoidalmente a lo largo de la longitud del huso, teniendo el miembro similar a un cable una sección transversal de cuadrilátero; unir temporalmente un extremo del miembro similar a un cable al huso para evitar que el extremo del miembro similar a un cable se desacople del huso; aplicar una pasta de cobresoldadura (16) que lleva níquel BNi-2 sobre una superficie exterior del miembro similar a un huso; insertar el huso con el miembro similar a un cable enrollado en el mismo en el interior del miembro tubular; liberar la compresión del miembro similar a un cable enrollado de manera compresiva; extraer el huso del miembro tubular dejando por tanto el miembro similar a un cable en el miembro tubular de manera que el miembro similar a un cable se expanda para adaptarse a la superficie interior del miembro tubular; y calentar el miembro tubular a una temperatura que es al menos el punto de fusión de la carga de cobresoldadura que lleva níquel BNi-2 fundiendo por tanto la pasta de cobresoldadura que lleva níquel BNi-2 para unir el miembro similar a un cable a una superficie interior del miembro tubular.

Description

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DESCRIPCION
Metodo para formar, insertar y unir permanentemente nervios en tubos de caldera Campo y antecedentes de la invencion
La presente invencion se refiere generalmente a tubos utilizados en equipo de generacion de vapor y, mas espedficamente pero no en exclusiva, un metodo para formar internamente tubos de caldera con nervios. Los nervios proporcionan una perturbacion de flujo interno controlada dentro de los tubos para evitar el estancamiento de las burbujas de vapor que se forman durante el hervimiento de formacion de nucleo; es decir, una condicion operativa en la que las burbujas de vapor en estancamiento forman una capa aislante que impide el paso del calor a traves de la pared de tubo al agua que fluye en su interior.
Un componente operativo principal de cualquier sistema de generacion de vapor convencional es la caldera. La generacion de vapor se logra normalmente por el paso de agua a traves de una multiplicidad de tubos, durante cuyo paso el agua se calienta suficientemente para provocar que cambie de estado; es decir, para cambiar de lfquido a vapor.
A medida que el agua fluye a traves del tubo, el agua que esta en proximidad mas cercana a la pared interior del tubo se calienta mediante el calor que se transmite a traves de la pared del tubo. Esta capa exterior de agua cambia a vapor. Durante este proceso de cambio a vapor, el primer cambio que sufre la capa exterior de agua es la formacion en su interior de burbujas de vapor. Las burbujas de vapor actuan como una capa aislante. A menos que las burbujas de vapor se mezclen con el agua en el tubo, permaneceran adyacentes a la pared del tubo, y adoptaran los atributos de una capa o pelfcula aislante, provocando por tanto zonas de calor localizadas que se desarrollan a lo largo de la pared del tubo. Estas zonas de calor, a su vez, pueden provocar un sobrecalentamiento del tubo, y por ultimo conducir a un fallo del tubo. Adicionalmente, a menos que se mezclen, las burbujas de vapor gracias a su capacidad aislante tambien funcionaran para evitar un calentamiento adicional del nucleo de agua, que pasa rapidamente a traves del centro del tubo.
Asf, para lograr una transferencia rapida y eficaz de calor a traves de las paredes del tubo al agua que fluye en su interior, existe la necesidad de proporcionar alguna forma de medio para interrumpir el flujo laminar de agua a traves del tubo y realizar el mezclado de la capa exterior de agua y por tanto tambien las burbujas de vapor atrapadas en su interior con el nucleo de agua que fluye a traves de la region central del tubo. Uno de tales medios que se ha empleado en la tecnica anterior implica el uso de nervios (resaltos o hendiduras) en las superficies internas de los tubos de caldera.
En cuanto a la naturaleza de la tecnica anterior existente referente a los metodos para realizar tubos de caldera con superficies de pared interiores con nervios, puede hacerse referencia a la patente de Estados Unidos N.° 3.088.494; 3.213.525; 3.272.961; 3.289.451 y 3.292.408. La patente de Estados Unidos N.° 3.088.494, que se expidio a P. H. Koch et al., va dirigida a proporcionar un tubo de generacion de vapor que tiene su pared interior formada con resaltos y hendiduras helicoidales, que se proporcionan y disponen en una manera predeterminada particular. La patente de Estados Unidos N.° 3.213.525, que se expidio a W. M. Creighton et al., se dirige a un metodo para formar un nervio interno en la perforacion de un tubo en el que el material se retira de la pared de tubo interior mediante una operacion de corte para formar el nervio objeto. Un ejemplo todavfa adicional de estas ensenanzas de la tecnica anterior puede encontrarse en la patente de Estados Unidos N.° 3.272.961, que se expidio a L. A. Maier, Jr. et al., y en la que un metodo y aparato se ensenan para hacer tubos de generacion de vapor nervados y de acuerdo con los que un nervio se deposita en la superficie interior del tubo mediante un proceso de soldadura. La patente de Estados Unidos N.° 3.289.451, que se expidio a P. H. Koch et al., se dirige a un metodo y aparato para formar nervios helicoidales internos en un tubo en el que los nervios internos se forman mediante una operacion de extraccion en frio. Finalmente, la patente de Estados Unidos N.° 3.292.408, que se expidio a J. R. Hill, se dirige a un metodo para formar tubos nervados internamente en el que el tubo esta provisto de una hendidura helicoidal asimetrica para facilitar la retirada de la herramienta de formacion del tubo.
A pesar de la existencia de estas ensenanzas de la tecnica anterior, existe la necesidad de un metodo nuevo y mejorado para proporcionar tubos de caldera con una superficie interior nervada. Estos metodos de la tecnica anterior que se han empleado para este fin tienen notables desventajas y pueden ser relativamente caros de emplear.
Una desventaja en el uso de estos metodos y aparatos de la tecnica anterior es la dificultad para retirar de manera exitosa el miembro de formacion del tubo despues de completar el proceso de deformacion de metal. Generalmente, un miembro que tiene una configuracion externa predeterminada, tal como un patron helicoidal, se inserta en el tubo, y despues el tubo se reduce en diametro de manera que el patron helicoidal en el miembro se forma en la pared interior del tubo. Para retirar este miembro del tubo es necesario, debido al hecho de que la superficie interior del tubo se ha deformado para volverse esencialmente un complemento exacto de la superficie externa del miembro, desatornillar virtualmente el miembro del tubo para realizar la retirada del primero de este ultimo. El grado de dificultad al realizar la retirada del miembro del tubo depende de la longitud del miembro que se ha insertado en el
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tubo, y la extension relativa en la que el patron formado en la pared de tubo interior es un verdadero complemento del patron formado en la superficie externa del miembro antes mencionado.
Los metodos actuales de fabricar tubos de caldera de nervio de avance unico (SLR) y tubos de caldera de nervio de avance multiple (MLR) a menudo requieren un proceso de deformacion mecanico o metalurgico en el que un tubo liso se extrae sobre un mandril rotativo ranurado. Durante este proceso, la superficie interior lisa del tubo se deforma plasticamente y se obliga progresivamente a adaptarse a la forma del mandril ranurado, produciendo asf nervios de avance helicoidales a lo largo de la longitud del tubo. Este proceso de deformacion no solo es diffcil y costoso, sino que tambien se limita inherentemente en su capacidad para producir con precision formas en seccion transversal de nervio con el detalle geometrico deseado y con la precision dimensional requerida. Los procesos metalurgicos convencionales se limitan en su capacidad de producir angulos de 40° o mas de avance de nervio optimizados.
Ademas, la produccion de tubos SLR y MLR de materiales resistentes a la deformacion, de alta resistencia y alta temperatura (tal como la aleacion 800H), es muy diffcil usando metodos de procesamiento de deformacion convencionales.
El documento EP 01793164 describe un tubo generador de vapor, un metodo de fabricacion del mismo y un generador de vapor de paso continuo. De acuerdo con este documento, el tubo tiene un inserto dispuesto en un espacio interior del tubo para formar un perfil interior. El inserto tiene un conjunto de cables que se enrollan en espiral a lo largo de una pared interior de tubo en la forma de enrollamientos de multiple inicio. Un angulo de avance de los cables en oposicion a un plano de referencia orientado en perpendicular a un eje de tubo oscila entre 30 y 70 grados. Los cables que descansan en la pared interior se conectan uno con otro mediante varillas de refuerzo radiales y/o con un cable intermedio que se desarrolla a lo largo del eje del tubo. Tambien se menciona un metodo para fabricar tubos de generador de vapor con un perfil interior.
El documento US 2 708 306 describe un metodo para estriar tubos metalicos. Este documento se refiere a tubos estriados y metodos de producir tales tubos, y mas en particular a tubos metalicos estriados de pared fina y metodos para producir tales tubos.
El documento US 2002/0112350 describe metodos de fabricacion de intercambiador de calor y composiciones de metal de carga de cobresoldadura utiles en su interior, caracterizados por bajas frecuencias de filtrado de mquel. De acuerdo con este documento, se divulgan metodos para la fabricacion de conjuntos que inclrnan componentes de cobresoldadura y en los que se usan metales de carga basados en mquel/cromo en los que los conjuntos fabricados se caracterizan por bajas frecuencias de filtracion de mquel y agua en fluidos basados en agua. Mas espedficamente, se divulgan metodos para la fabricacion de un intercambiador de calor u otro conjunto cuyo metodo incluye una etapa de cobresoldadura, asf como una etapa de condicionamiento despues de la cobresoldadura para tratar el intercambiador de calor u otro conjunto. Los intercambiadores de calor fabricados y otros conjuntos se describen como particularmente utiles en la manipulacion de materiales destinados al consumo humano como agua, bebidas o alimentos ya que los intercambiadores de calor fabricados u otros conjuntos se caracterizan por frecuencias de filtracion reducidas de mquel en fluidos que pasan a traves del intercambiador de calor. Las composiciones de cobresoldadura utiles en tales conjuntos fabricados tambien se describen.
Sumario
Los aspectos y realizaciones particulares se exponen en las reivindicaciones independientes y dependientes adjuntas.
Un aspecto se extrae para proporcionar un nuevo y mejorado metodo de realizar tubos de caldera en el que estos ultimos se proporcionan con medios operativos para provocar una perturbacion de flujo interno controlada que se realiza en su interior.
Otro aspecto se extrae para proporcionar un metodo de realizar tubos de caldera en el que estos ultimos se proporcionan con superficies de tubo interior que estan nervadas.
Otro aspecto se extrae de un metodo para realizar tubos de caldera nervados en el que el patron nervado a formar en la superficie interior de tubo se establece mediante la envoltura de forma desmontable de un miembro similar a un cable alrededor de la circunferencia de un huso.
Otro aspecto adicional se extrae de un metodo para realizar un tubo de caldera nervado en el que el huso puede retirarse del tubo de caldera dejando el miembro similar a un cable unido a la pared interior del tubo.
Otro aspecto adicional se extrae de un metodo para realizar un tubo de caldera nervado que esta ventajosamente caracterizado por el hecho de que es relativamente barato de utilizar, relativamente simple de emplear y es extremadamente flexible en lo que se refiere a la variedad de diferentes patrones de nervio; es decir, helicoidal, circular, etc., que pueden formarse con el mismo en tubos de caldera.
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Por consiguiente, la presente invencion puede implicar un metodo de fabricacion de tubos con una superficie interior lisa y una fabricacion separada de los miembros de nervio similares a cables, que se forman tfpicamente a partir de un cable metalico plano no circular. Los miembros de nervio similares a cables pueden ser de seccion transversal trapezoidal, pero tambien pueden ser rectangulares, cuadrados o de alguna otra forma geometrica deseada incluyendo circular. Los nervios se insertan posteriormente y se colocan dentro del tubo liso y se unen por cobresoldadura a la superficie de tubo interior para fijar permanentemente la posicion y orientacion de los nervios usando un metal de carga basado en mquel y resistente a la corrosion.
Los tubos SLR y MLR y los miembros de nervio similares a cables pueden producirse a partir de una variedad de diferentes materiales metalicos, incluyendo acero al carbono, acero inoxidable y aleaciones basadas en mquel.
Las diversas caractensticas de novedad que caracterizan la invencion se senalan con particularidad en las reivindicaciones adjuntas y formando una parte de esta divulgacion. Para un mejor entendimiento de la invencion, sus ventajas operativas y beneficios espedficos logrados por sus usos, se hace referencia a los dibujos adjuntos y la materia descriptiva en la que se ilustran ejemplos.
Breve descripcion de los dibujos
En los dibujos:
la Figura 1 es una vista lateral de un huso equipado con un canal helicoidal opcional;
la Figura 2 es una vista en alzado lateral de la etapa de envoltura del miembro similar a un cable en el canal helicoidal del huso;
la Figura 3 es una vista en alzado lateral de aplicacion de material metalico de carga en la superficie exterior del miembro similar al cable e insercion del huso en un tubo de caldera;
la Figura 4 es una vista en alzado lateral de una superficie interior lisa de una porcion de un tubo de caldera; y la Figura 5 es una vista en alzado lateral de los nervios helicoidales en una porcion de un tubo de caldera. Descripcion espedfica
En referencia a los dibujos generalmente, en los que los numeros de referencia similares indican elementos funcionalmente similares o iguales a traves de los varios dibujos, y mas particularmente la Figura 5 de los mismos, se representa en su interior un tubo de caldera, generalmente indicado por el numero de referencia 20, que a traves de la practica del metodo del presente ejemplo, con medios operables para realizar una perturbacion de flujo interno controlada del fluido que pasa a traves del tubo de caldera 20. Mas espedficamente, el tubo de caldera 20 esta provisto de nervios 26 que son helicoidales y funcionan para producir turbulencias dentro del tubo 20 que, a su vez, es operativo para realizar una interrupcion del flujo laminar de agua o vapor que fluye a traves del tubo 20. Esto promueve una transferencia de calor mas eficaz durante la generacion de vapor para evitar el sobrecalentamiento del tubo 20, particularmente que surge del estancamiento de las burbujas de vapor formadas durante el hervimiento de formacion de nucleo.
De acuerdo con el presente ejemplo, se proporciona un metodo en el que un huso 100, una porcion del cual se ha representado en la Figura 1 de los dibujos, se utiliza en la realizacion del tubo de caldera 20 nervado helicoidalmente. El huso 100, en el presente ejemplo, esta provisto de un canal moldeado helicoidalmente 2 formado en la superficie exterior del huso 100 y que tiene una anchura y profundidad suficiente para acomodar un material de nervio similar a un cable (no se muestra) que se usara para formar los nervios en la superficie interior del tubo. Los canales 2 se orientan helicoidalmente con un angulo de paso y una configuracion correspondiente al angulo de paso de nervio SLR o MLR deseado.
El huso 100 se dimensiona de manera adecuada para recibirse dentro del tubo de caldera 20. Mas espedficamente, el huso 100 puede adoptar la forma de cualquier tipo convencional y adecuado de miembro metalico, ceramico, natural o polimerico que sea sustancialmente cilmdrico en configuracion, y que sea capaz de utilizarse de la manera de un huso. Como alternativa, los husos sin canales 2 pueden usarse.
Tal como se muestra en la Figura 2, un miembro similar a un cable 6 elasticamente resiliente se enrolla en los canales 2 del huso 100. El miembro similar a un cable 6 puede adoptar la forma de un cable helicoidal o tira plana en espiral tal como se muestra en la Figura 2, o cualquier otro tipo de miembro similar a un cable que sea funcionalmente equivalente al cable helicoidal y la tira plana en espiral. El miembro similar a un cable puede tener una seccion transversal cuadrada, rectangular, trapezoidal o cualquier otra y formarse de metal incluyendo, pero sin limitarse a, acero al carbono, acero de aleacion baja, acero inoxidable y aleaciones basadas en mquel.
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Los extremos 8 del miembro similar a un cable 6 se fijan entonces temporalmente a los extremos 4 del huso 100 con el fin de sujetar el miembro comprimido elasticamente 6 y enrollado dentro del canal helicoidal 2, o la superficie lisa es un canal que no se usa, del huso 100.
Con el miembro similar a un cable 6 que se ha enrollado en el canal 2 del huso 100, la siguiente etapa de acuerdo con el metodo del presente ejemplo, como se muestra en la Figura 3, es aplicar una pasta metalica de carga de cobresoldadura 16 en la superficie exterior del miembro similar a un cable 6. La pasta metalica de carga de cobresoldadura 16, en el presente ejemplo, es una pasta metalica de carga de cobresoldadura que lleva mquel BNi- 2; sin embargo, cualquier pasta metalica de carga de cobresoldadura o papel metalico puede usarse. La pasta metalica de carga de cobresoldadura 16 se aplica generalmente mediante su cepillado sobre el miembro similar a un cable 6 o mediante algun otro metodo conocido para aplicar tal material sobre superficies. Como alternativa, la pasta metalica de carga de cobresoldadura o papel metalico puede aplicarse en el diametro interior 22 del tubo de caldera 20, o tanto al miembro similar a un cable 6 como al diametro interior 22 del tubo de caldera 20.
En referencia a la Figura 3, la siguiente etapa del metodo de la presente invencion es insertar el huso 100 con el miembro similar a un cable 6 enrollado en el mismo en un tubo de caldera 20 (mostrado en la Figura 4). Los extremos 8 del miembro similar a un cable 6 se liberan, permitiendo que los enrollamientos helicoidales elasticamente resilientes se expandan, se adapten y contacten con la superficie interior lisa 22 del tubo 20, colocando por tanto los nervios helicoidales en preparacion para la union. La pasta metalica de carga de cobresoldadura 16 sirve como lubricante para facilitar el desenrollamiento del miembro similar a un cable 6 y el asentamiento conforme al miembro similar a un cable 6 contra la superficie de tubo interior 22.
Una vez que el miembro similar a un cable 6 se adapta a la pared de tubo interior 22, la siguiente etapa que se realiza de acuerdo con la presente invencion es la retirada del huso 100 del interior del tubo de caldera 20.
Despues de que se retire el huso 100, el miembro similar a un cable 6 se cobresuelda para fijar permanentemente su posicion y orientacion dentro del tubo 20. La cobresoldadura del miembro similar a un cable 6 y a la superficie interior 22 del tubo 20 podna realizarse mediante calentamiento del tubo 20 a la temperatura de fusion del metal de carga de cobresoldadura 16 en un horno de transportador de cinta de malla continuo electrico o encendido por gas, un horno transportador de fogon de rodillo electrico o encendido por gas, un horno de caja electrica o encendido por gas, calentamiento de induccion, o cualquier otro medio de aplicacion de calor al conjunto.
Varios metales de carga de cobresoldadura estan disponibles y podnan usarse para unir el miembro similar a un cable a la superficie interior del tubo. Sin embargo, debe reconocerse que los elementos de aleacion diferentes en el metal de carga de cobresoldadura BNi-2 (donde Ni= 82,6 %, Cr= 7 %, Fe= 3 %, Si= 4,5 %, B= 2,9 %) juntos descenderan el punto de fusion de la aleacion a 1000 °C (1830 °F) (donde, por comparacion, el mquel puro se funde a 1400 °C (2551 °F)). Si el tiempo a la temperatura de cobresoldadura con este metal de carga se extiende a aproximadamente 1 hora, la mayona del boro se difundira fuera de las juntas de cobresoldadura y en el metal de base del tubo y los nervios del cable. Esto dara como resultado una junta de cobresoldadura terminada integral de Ni-Cr-Si-Fe con una alta resistencia, una resistencia a la corrosion mejorada y debido a la difusion de boro, un punto de fusion superior (normalmente aproximadamente 1260 °C (2300 °F)) que el metal de carga de cobresoldadura original. Por consiguiente, BNi-2 es un ejemplo de material que es particularmente adecuado para la union de los nervios de cable a la superficie interior de tubos que estan destinados para el funcionamiento a altas temperaturas.
Despues de la refrigeracion del tubo 20, se proporciona de acuerdo con el metodo del presente ejemplo un tubo de caldera 20 que tiene un patron nervado helicoidal formado en la pared interior 22 del mismo. Puede hacerse referencia a la Figura 5 del dibujo para una ilustracion de tal tubo de caldera 20 que incorpora un patron nervado helicoidal 26. Debe apreciarse que el metodo de la presente invencion no se limita al patron nervado helicoidal, sino que puede formar diferentes patrones nervados en la superficie interior del tubo de caldera.
El coste de realizar los tubos de caldera SLR y MLR usando el nuevo metodo descrito antes es competitivo con el coste de realizar tubos de caldera convencionales SLR y MLR usando tecnicas de procesamiento de deformacion de metal. El uso de este metodo de fabricacion proporciona una mayor flexibilidad en el diseno SLR y MLR ya que los parametros tal como las formas de seccion transversal del nervio y los angulos de avance del nervio no se limitan por limitaciones en la produccion de nervios integrales a traves del procesamiento de deformacion de metal. Esta mayor flexibilidad permite el desarrollo de un diseno unico de los tubos de caldera SLR y MLR, tal como secciones transversales complejas que no pueden lograrse con los medios de deformacion de la tecnica anterior, que mejoran el rendimiento con costes de produccion disminuidos. Ademas, la produccion de tubos SLR y MLR a partir de materiales de alta temperatura, alta resistencia y resistentes a la deformacion, (tal como la aleacion 800H) es muy diffcil usando metodos de procesamiento de deformacion convencionales.

Claims (3)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para formar unos nervios en una pared interior de un miembro tubular (20) que comprende las etapas de:
    proporcionar un huso (100) que tiene un diametro menor que el diametro interior del miembro tubular, teniendo el huso un canal helicoidal (2) que se extiende por una longitud del huso;
    enrollar de manera compresiva un miembro similar a un cable (6) helicoidalmente a lo largo de la longitud del huso, teniendo el miembro similar a un cable una seccion transversal de cuadrilatero;
    unir temporalmente un extremo del miembro similar a un cable al huso para evitar que el extremo del miembro similar a un cable se desacople del huso;
    aplicar una pasta de cobresoldadura (16) que lleva mquel BNi-2 sobre una superficie exterior del miembro similar a un huso;
    insertar el huso con el miembro similar a un cable enrollado en el mismo en el interior del miembro tubular; liberar la compresion del miembro similar a un cable enrollado de manera compresiva;
    extraer el huso del miembro tubular dejando por tanto el miembro similar a un cable en el miembro tubular de manera que el miembro similar a un cable se expanda para adaptarse a la superficie interior del miembro tubular;
    y
    calentar el miembro tubular a una temperatura que es al menos el punto de fusion de la carga de cobresoldadura que lleva mquel BNi-2 fundiendo por tanto la pasta de cobresoldadura que lleva mquel BNi-2 para unir el miembro similar a un cable a una superficie interior del miembro tubular.
  2. 2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 en el que el miembro similar a un cable tiene una seccion transversal rectangular.
  3. 3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1 en el que el miembro similar a un cable tiene una seccion transversal trapezoidal.
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