Cómo elegir correctamente el material para los haces tubulares de convección

La elección correcta del material para los haces tubulares de convección requiere una consideración integral de las condiciones de operación de la caldera, el entorno operativo, la economía y los requisitos del proceso de fabricación. Los siguientes son los pasos y factores clave para seleccionar el material del haz tubular de convección:

1. Comprender las condiciones de operación
Temperatura: Los haces tubulares de convección generalmente se encuentran en un ambiente de gases de combustión de temperatura media a alta (aproximadamente 300-800 °C, dependiendo del tipo de caldera y la ubicación del haz). Es necesario seleccionar un material que pueda soportar este rango de temperatura, evitando la fluencia a alta temperatura o la disminución de la resistencia.
Presión: La presión del fluido de trabajo dentro de los tubos (como agua o vapor) (baja presión, presión media o presión ultra alta) determina los requisitos de resistencia del material. Las calderas de alta presión requieren el uso de materiales de mayor resistencia.
Método de circulación: La circulación natural, la circulación forzada o las calderas de flujo directo tienen diferentes requisitos para el rendimiento de resistencia a la fatiga del material.

2. Considerar el entorno de los gases de combustión
Corrosividad: Los gases de combustión pueden contener sulfuros, cloruros u óxidos, lo que puede provocar corrosión a alta temperatura o corrosión por punto de rocío a baja temperatura. Es necesario seleccionar materiales resistentes a la corrosión, como acero de baja aleación o acero inoxidable.
Abrasión: Las cenizas volantes de las calderas de carbón pueden causar abrasión en los haces tubulares, especialmente en áreas de gases de combustión de alta velocidad. Se debe seleccionar un material con alta dureza o que pueda someterse a un tratamiento de endurecimiento superficial.
Acumulación de cenizas: Ciertos combustibles (como el carbón con alto contenido de cenizas) son propensos a la acumulación de cenizas, lo que afecta la eficiencia del intercambio de calor. Se deben considerar las características de la superficie del material (como la suavidad) o las medidas de protección adicionales (como el diseño de aletas).

3. Selección de materiales comunes
Según el tipo de caldera y las condiciones de operación, los siguientes son los materiales comunes para los haces tubulares de convección:

Acero al carbono (como acero 20#, SA-106B):
Adecuado para calderas de baja presión y baja temperatura (como pequeñas calderas industriales).
Ventajas: Bajo costo, buen rendimiento de procesamiento.
Desventajas: Resistencia limitada a altas temperaturas y a la corrosión, adecuado para temperaturas de gases de combustión inferiores a 400 °C.

Acero de baja aleación (como 15CrMo, 12Cr1MoV, SA-213 T11/T22):
Adecuado para calderas de presión media y alta, con temperaturas de gases de combustión entre 400-600 °C.
Ventajas: Buena resistencia a altas temperaturas y resistencia a la oxidación, buena relación calidad-precio.
Desventajas: Sensible a la corrosión a alta temperatura, es necesario controlar la composición de los gases de combustión.

Acero de alta aleación/Acero inoxidable (como SA-213 TP304, TP321, TP347):
Adecuado para calderas de presión ultra alta, supercríticas o entornos altamente corrosivos (como calderas de incineración de residuos).
Ventajas: Excelente resistencia a la corrosión a alta temperatura y resistencia a la oxidación, adecuado para temperaturas de gases de combustión superiores a 600 °C.
Desventajas: Alto costo, difícil de procesar.

Materiales compuestos resistentes al desgaste y a la corrosión:
En áreas de alto desgaste, se pueden utilizar tubos compuestos con soldadura de superficie (como aleaciones a base de níquel) o recubrimientos cerámicos rociados.
Ventajas: Prolonga la vida útil, reduce el mantenimiento.
Desventajas: Alto costo de fabricación.

4. Equilibrar la economía y el rendimiento
Costo inicial: El acero al carbono tiene el costo más bajo, mientras que el acero aleado y el acero inoxidable tienen costos progresivamente más altos. Es necesario elegir según el presupuesto y la vida útil esperada.
Costo de operación y mantenimiento: Los materiales resistentes a la corrosión y al desgaste pueden reducir la frecuencia de las paradas para mantenimiento, reduciendo los costos de mantenimiento a largo plazo.
Expectativa de vida útil: Las calderas de alta presión o alta temperatura deben priorizar la selección de materiales de alto rendimiento para garantizar una operación segura a largo plazo, mientras que las calderas de baja presión pueden seleccionar materiales económicos de manera apropiada.

5. Considerar el rendimiento de fabricación y procesamiento
Soldabilidad: Los haces tubulares de convección deben soldarse a colectores o placas tubulares, y el rendimiento de soldadura del material (como la resistencia de la soldadura, la tendencia a la fisuración) es crucial. El acero de baja aleación y el acero al carbono tienen buena soldabilidad, mientras que el acero de alta aleación requiere procesos de soldadura especiales.
Rendimiento de doblado de tubos: Los haces tubulares de convección a menudo deben doblarse para darles forma, y el material debe tener buena plasticidad y tenacidad para evitar el agrietamiento por flexión.
Requisitos de tratamiento térmico: Algunos aceros aleados requieren tratamiento térmico (como normalización, revenido) para mejorar el rendimiento, y es necesario evaluar la complejidad del proceso de fabricación.

6. Referencia a normas y especificaciones
Cumplir con las normas industriales relevantes, tales como:
China: GB/T 5310 (Tubos de acero sin costura para calderas de alta presión), GB/T 3087 (Tubos de acero sin costura para calderas de baja y media presión).
Internacional: ASME SA-213 (Tubos de acero aleado ferrítico y austenítico sin costura para calderas), ASTM A106 (Tubos de acero al carbono sin costura para alta temperatura).
Según los parámetros de diseño de la caldera, consultar los materiales recomendados por las normas y asegurarse de que el material cumpla con los requisitos de certificación.

7. Combinar con la experiencia de aplicación práctica
Tipo de combustible: La composición de los gases de combustión de las calderas de carbón, petróleo, gas natural o biomasa varía mucho. Por ejemplo, las calderas de petróleo requieren materiales más resistentes a la corrosión por azufre.
Cambios en las condiciones de operación: Considerar si la caldera se enciende y apaga con frecuencia (requiere resistencia a la fatiga térmica) o si la carga de operación fluctúa (requiere resistencia a la fluencia).
Datos históricos: Consultar los registros de operación de calderas del mismo tipo, comprender el rendimiento y los modos de falla de los materiales comunes y optimizar la selección.

8. Medidas de protección adicionales
Si el material en sí mismo es difícil de cumplir completamente con los requisitos, el rendimiento se puede mejorar de las siguientes maneras:
Tratamiento superficial: Como rociar recubrimientos resistentes al desgaste y a la corrosión, nitruración o endurecimiento por laminación.
Optimización estructural: Instalar manguitos antidesgaste, aletas o elementos de turbulencia para reducir el desgaste y la acumulación de cenizas.
Optimización de la operación: Al controlar la velocidad del flujo de gases de combustión o soplar cenizas regularmente, se reduce la corrosión y el desgaste del material.