¿Afecta la holgura de los orificios de los tubos a la soldadura de la placa tubular?

Recuerdo a un capataz de taller en Ohio sosteniendo dos muestras de placas tubulares. En una, el tubo se insertó en el orificio casi sin resistencia. En la otra, fue necesario usar un mazo de goma. «La misma broca», dijo. «El mismo operario. Dos ajustes diferentes. ¿Cuál debo soldar?».

Esa es la pregunta que todo fabricante de intercambiadores de calor debe plantearse al analizar el ajuste entre el tubo y la placa tubular. El orificio puede estar demasiado ajustado, demasiado suelto o en un punto intermedio. Y la respuesta varía según el diseño de la junta, el proceso de soldadura y las condiciones de servicio.

Por qué es importante el ajuste entre el tubo y la placa tubular

La holgura entre el diámetro exterior del tubo y el diámetro interior del orificio de la placa tubular no es un detalle menor. Afecta directamente a la transferencia de calor, las tensiones residuales y la calidad de la soldadura.

Es necesario un cierto margen de holgura para el montaje. El tubo debe deslizarse dentro del orificio sin rozamiento ni deformación. Pero si la holgura es excesiva, pueden surgir problemas de caída, penetración y repetibilidad. Si la holgura es excesiva, existe el riesgo de desgasificación explosiva durante la soldadura, lo que provoca porosidad. Si es demasiado holgada, se produce una penetración incompleta de la raíz y una fusión inconsistente.

En aplicaciones de intercambiadores de calor de placas tubulares, la holgura afecta a más que la soldabilidad. Modifica el comportamiento de la junta bajo carga. Investigaciones sobre conexiones de tubos laminados a placas tubulares han demostrado que la holgura real suele superar el valor nominal especificado en las normas de diseño, y un aumento de esta holgura se correlaciona directamente con un incremento de las tensiones residuales en la junta. Los niveles de tensión más altos se observaron con holguras de 0,40 mm o superiores, lo que puede provocar deformación plástica localizada y reducir la resistencia a la fatiga con el tiempo.

¿Qué establecen las normas?

TEMA, la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares, establece los requisitos de holgura para la fabricación de intercambiadores de calor de placas tubulares. Para aplicaciones estándar, TEMA especifica que al menos el 96 % de los orificios perforados deben estar dentro de una tolerancia estricta, permitiendo generalmente una sobretolerancia máxima de solo 0,05 mm a 0,10 mm, según el diámetro del tubo.

Esta tolerancia no es arbitraria. Si los orificios son demasiado grandes, la holgura entre la pared del tubo y el interior del orificio se vuelve excesiva, lo que provoca una sobreexpansión durante el montaje, endureciendo el metal del tubo y provocando agrietamiento por corrosión bajo tensión.

Para tubos de mayor diámetro y tramos sin soporte más largos, TEMA permite una holgura ligeramente mayor. Cuando la longitud máxima del tubo sin soporte es de 36 pulgadas o menos, o para tubos con un diámetro superior a 1-1/4 pulgadas, los orificios estándar tienen una holgura de 1/32 de pulgada (0,8 mm) sobre el diámetro exterior del tubo. Cuando la longitud sin soporte supera las 36 pulgadas para tubos más pequeños, la holgura se reduce a 1/64 de pulgada (0,4 mm).

El rango óptimo de holgura

Las investigaciones indican un rango específico donde el ajuste entre el tubo y la placa tubular funciona mejor.

Un estudio sobre conexiones de tubos y placas tubulares laminados determinó que el rango óptimo de holgura se encuentra entre 0,10 mm y 0,30 mm. Este rango logra un equilibrio entre garantizar la fiabilidad de la unión y mantener niveles de tensión aceptables, minimizando el riesgo de fallas prematuras. Por debajo de 0,10 mm, el ensamblaje se dificulta y la desgasificación explosiva durante la soldadura puede causar porosidad. Por encima de 0,30 mm, las tensiones residuales aumentan bruscamente y la unión pierde resistencia a la fatiga.

Para la soldadura de sellado entre el tubo y la placa tubular, este rango es aún más importante. Una soldadura de sellado es una soldadura por fusión entre el tubo y la placa tubular, generalmente realizada de forma autógena sin material de aporte. Si la holgura es demasiado grande, el baño de fusión no tiene a qué unirse. Si es demasiado estrecha, el gas atrapado en el espacio anular se expande durante la soldadura y se libera a través del baño.

Un estudio sobre uniones soldadas por fricción-agitación reveló que los parámetros óptimos para lograr la máxima resistencia y penetración de la soldadura eran una proyección del tubo de 2 mm y una holgura radial de 0 mm. Si bien este ideal de holgura cero no es práctico para la fabricación en campo, nos indica algo importante: cuanto más ajustado sea el ajuste, mejor será la calidad de la soldadura, siempre que se pueda ensamblar el haz de tubos.

Cómo la holgura modifica los parámetros de soldadura

Los parámetros de soldadura de la placa tubular no son independientes de la holgura. Si se modifica la holgura, es necesario modificar el programa de soldadura.

Cuando la holgura es mayor, el arco tiene que recorrer una mayor distancia para alcanzar la pared de la placa tubular. El aporte térmico debe aumentar para asegurar la fusión en la raíz. Puede ser necesario reducir la velocidad de avance. La frecuencia de pulso podría requerir un ajuste para evitar que el baño de fusión se hunda en la holgura.

Cuando la holgura es mínima, ocurre lo contrario. Un exceso de calor conlleva el riesgo de perforación o dilución excesiva. El baño de fusión cubre fácilmente la unión, y el riesgo pasa de una fusión incompleta a una sobrepenetración.

 

Aquí es donde un fabricante de máquinas de soldadura de tubos a placas tubulares demuestra su valía. El mejor equipo permite a los operarios ajustar los parámetros rápidamente cuando el ajuste varía. Un sistema programable almacena múltiples programas: uno para ajustes precisos, otro para ajustes holgados y otro para ajustes nominales. El operario mide la holgura o simplemente observa el ajuste durante la inserción del tubo, selecciona el programa adecuado y la máquina se encarga del resto.

Lo que vemos en talleres reales

Fabricamos sistemas de máquinas de soldadura de tubos a placas tubulares. Los problemas de ajuste que observamos se dividen en tres categorías:

Agrandamiento de orificios por retubado. Cada vez que se retublan los tubos de un intercambiador de calor, los orificios se agrandan ligeramente. Después de dos o tres ciclos de retubado, las holguras que comenzaron en 0,20 mm pueden llegar a ser de 0,50 mm o más. Un estudio sobre orificios de placas tubulares excesivamente agrandados investigó holguras que superaban las prescripciones de TEMA hasta en diez veces. En ese punto, los procedimientos estándar de soldadura de sellado de tubos a placas tubulares ya no funcionan. La soldadura carece de penetración de raíz suficiente y la junta no supera la prueba de fugas.

Perforación inconsistente. La perforación CNC es precisa, pero no perfecta. Las tolerancias de ubicación acumuladas pueden variar en una placa grande y los diámetros de los orificios varían dentro del rango de tolerancia permitido. Si el 96 % de los orificios se encuentran dentro de la tolerancia, el 4 % no lo hacen. Estos valores atípicos afectan el ajuste entre el tubo y la placa tubular y requieren ajustes de parámetros.

Expansión térmica durante la soldadura. A medida que la soldadura calienta la placa tubular, el orificio se expande. Si el tubo se expande a una velocidad diferente (lo cual ocurre con materiales distintos), la holgura cambia durante la soldadura. Una máquina de soldadura TIG automática para unir tubos y placas tubulares compensa esto manteniendo una longitud de arco constante mediante sensores electrónicos. La soldadura manual no puede.

Cuando el ajuste falla

Las consecuencias de ignorar el ajuste entre el tubo y la placa tubular se reflejan en los informes de inspección.

La penetración de raíz incompleta es el defecto más común cuando la holgura es excesiva. La soldadura cubre el espacio, pero no se fusiona con la pared de la placa tubular. Bajo presión, esta junta presenta fugas. Bajo ciclos térmicos, se agrieta.

La porosidad por desgasificación explosiva se produce cuando la holgura es demasiado pequeña. El gas o la humedad atrapados en el espacio anular se expanden durante la soldadura y se filtran a través del baño de fusión. Los poros resultantes debilitan la junta y crean vías de fuga.

Con el tiempo, se desarrolla agrietamiento por tensión residual. Investigaciones sobre juntas laminadas demostraron que holguras de 0,40 mm o mayores producen niveles de tensión que pueden provocar deformación plástica localizada, comprometiendo la integridad estructural y reduciendo la resistencia a la fatiga. Para un intercambiador de calor de placa tubular en servicio cíclico, esto se traduce en una falla prematura.

La solución de automatización

Una máquina de soldadura TIG automática de tubo a placa tubular no elimina la variación de ajuste, pero la gestiona.

La máquina se centra en el diámetro interior del tubo, no en el orificio. Esto significa que mantiene la concentricidad incluso cuando el tubo se encuentra descentrado en un orificio sobredimensionado. La longitud del arco se controla electrónicamente, por lo que la antorcha sigue el contorno de la junta independientemente de la variación de la holgura.

Más importante aún, la máquina almacena múltiples conjuntos de parámetros de soldadura de la placa tubular. Cuando el operador encuentra un ajuste holgado, selecciona el programa programado para esa condición. La máquina ajusta la corriente, la velocidad de avance y la frecuencia de pulsos en consecuencia. Sin conjeturas. Sin retrabajo.

Para la soldadura de sellado de tubos a placa tubular en intercambiadores con tubos reemplazados donde las holguras han aumentado, una máquina de soldadura TIG automática de tubo a placa tubular puede ejecutar un programa de mayor temperatura que garantiza la fusión de la raíz sin perforar la pared del tubo. El registro de datos registra cada parámetro, por lo que se dispone de evidencia del proceso realizado.

En resumen:

¿Afecta la holgura del orificio del tubo a la soldadura de tubo a placa tubular? Sin duda. Afecta la penetración, la porosidad, la tensión residual y la vida útil a la fatiga a largo plazo. El rango óptimo es de 0,10 mm a 0,30 mm para la mayoría de las aplicaciones, con tolerancias más estrictas para tubos de pequeño diámetro y servicio a alta presión.

Pero un ajuste perfecto no siempre es posible, especialmente en trabajos de reparación y retubado. Por eso, al desarrollar procedimientos, es fundamental considerar el ajuste entre el tubo y la placa tubular junto con los parámetros de soldadura de la placa. Y por eso, una máquina de soldadura TIG automática para tubos y placas tubulares, capaz de adaptarse a diferentes holguras, es una inversión que vale la pena.

Si suelda haces de placas tubulares de intercambiadores de calor con un ajuste inconsistente, está dejando la calidad al azar. Consulte con un fabricante de máquinas de soldadura para tubos y placas tubulares que comprenda la relación entre la holgura y la calidad de la soldadura. El equipo adecuado marca la diferencia.

 

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuál es la holgura ideal entre el tubo y la placa tubular para la soldadura?

Los estudios indican que la holgura óptima oscila entre 0,10 mm y 0,30 mm. Esto equilibra los requisitos de montaje con la calidad de la soldadura, manteniendo las tensiones residuales dentro de límites aceptables. Las normas TEMA suelen permitir una tolerancia de entre 0,05 mm y 0,10 mm para aplicaciones estándar, con tolerancias mayores para tubos largos sin soporte.

P: ¿Cómo afecta una holgura excesiva a la soldadura de sellado entre el tubo y la placa tubular?

Una holgura excesiva provoca una penetración incompleta de la raíz, ya que el baño de fusión no puede cubrir el espacio de forma eficaz. También aumenta las tensiones residuales, lo que reduce la resistencia a la fatiga. Para la soldadura de sellado entre el tubo y la placa tubular, la soldadura debe fusionarse tanto con el tubo como con la pared de la placa tubular; un espacio demasiado amplio impide dicha fusión.

P: ¿Puede una máquina de soldadura TIG automática entre el tubo y la placa tubular manejar holguras variables?

Sí. La máquina almacena múltiples programas de parámetros de soldadura de placas tubulares. Cuando el operario encuentra un ajuste demasiado apretado o demasiado flojo, selecciona el programa adecuado. La máquina ajusta automáticamente la corriente, la velocidad de desplazamiento y la frecuencia de pulsos. Esto resulta especialmente útil para trabajos de retubado donde se ha producido un agrandamiento del orificio.

P: ¿Qué ocurre si el ajuste entre el tubo y la placa tubular es demasiado apretado?

Un ajuste demasiado apretado provoca una desgasificación explosiva durante la soldadura. El gas o la humedad atrapados en el espacio anular se expanden rápidamente y se dispersan a través del baño de soldadura, creando porosidad. También dificulta la inserción del tubo y aumenta el riesgo de dañar la superficie del orificio.

P: ¿Cómo aborda un fabricante de máquinas de soldadura de tubo a placa tubular los problemas de holgura?

Un buen fabricante de máquinas de soldadura de tubo a placa tubular diseña equipos que se centran en el diámetro interior del tubo en lugar del orificio, mantienen una longitud de arco constante electrónicamente y almacenan múltiples programas de parámetros para diferentes condiciones de ajuste. Además, ofrecen capacitación sobre cómo medir la holgura y seleccionar el programa adecuado para cada junta.