Revista Ciencias Holguín

Ciencias Holguín / Revista trimestral / Volumen 21, abril-junio 2015

Tecnología de fabricación por soldadura de un tanque separador de vapor-expansión / Manufacturing technology by welding a steam-expansion separator tank

Osmundo Héctor Rodríguez-Pérez (1), Luis Antonio Bravo-Sosa (2).

Contactos de los Autores

Correo:hrgez@facing.uho.edu.cu (1), luisbra01ster@gmail.com (2)

Instituciones: Universidad de Holguín “Oscar Lucero Moya”(1), UPTP Luis Mariano Rivera(2)

País: Cuba(1), Venezuela(2)


RESUMEN
En el trabajo se realiza el diseño de la tecnología de fabricación por soldadura de un separador de vapor por expansión (vapor-flash) que está compuesto de un tubo central, dos tapas (una superior y otra inferior), cuatro tramos de tubos soldados al tanque central y uno a la tapa superior. Se selecciona el acero A36 para fabricar el separador, así como el material de aporte E7018 con el cual se suelda el equipo. Se calcula por el método de elementos finitos el espesor del conjunto del separador y se diseña la tecnología de soldadura que se completa con los siguientes elementos: limpieza superficial de los bordes y proyecto de las uniones soldadas que son: una costura a tope, 5 en T y dos en ángulo. Se recomiendan las intensidades de corriente y las tensiones eléctricas necesarias y se brinda la secuencia de ensamblaje de la pieza.

PALABRAS CLAVES: SOLDADURA; FABRICACIÓN; PIEZAS; TECNOLOGÍA.

ABSTRACT
In this paper a manufacturing technology by welding a steam-expansion (steam-flash) separator which is composed of a central tube, two covers (upper and lower), four pieces of pipe welded to the center tank and one on the top cover. The A36 steel was selected to make the separator, as well as the filler E7018 with which the equipment was welded, and the welding technology was designed; which was completed with the following design elements: surface cleaning of the edges and design of welded joints which are a butt seam, 5 on T and two at an angle. The currents and voltages are recommended and the required assembly sequence of the workpiece is provided.


KEY WORDS: WELDING; MANUFACTURING; PIECES; TECHNOLOGY

INTRODUCCIÓN

El inevitable desarrollo de la civilización contribuye a la prosperidad de la humanidad y se basa en la industrialización con el subsiguiente progreso de las diferentes ramas del saber, entre las cuales se encuentran las siguientes: matemáticas, física, mecánica, etc. En el avance de la mecánica se encuentra la industria naval. Un barco es una obra de ingeniería, constituida por una estructura flotante denominada viga-casco, donde se instalan las maquinarias y equipos que garantizan el funcionamiento normal bajo distintas condiciones marítimas y de carga y está diseñado de manera tal que la seguridad de la carga, los pasajeros, los tripulantes y la preservación del medio ambiente sean de vital importancia.
La propuesta de la instalación de un separador de vapor por expansión (vapor-flash) a la planta desalinizadora de un buque se realiza con el propósito de mejorar su eficiencia e incrementar el volumen de agua dulce producida, esto conduce a realizar un estudio para determinar el material para fabricar y de las diferentes tecnologías por soldadura que pueden ser utilizadas en su construcción. Un esquema del mismo se muestra en la siguiente figura.


Figura 1. Diseño de un tanque separador de vapor por expansión.

El problema científico del trabajo es que no se conoce la tecnología de fabricación por soldadura de un separador de vapor por expansión, partiendo de lo expuesto anteriormente el objeto de la investigación se refiere a los principios teóricos y tecnológicos existentes y que pueden ser utilizadas en el proceso de fabricación por soldadura del separador de vapor por expansión que se propone instalar a la planta desalinizadora, la cual utiliza el principio de evaporación-condensación para producir agua dulce a partir de agua salada. Tomando como base el problema de la investigación, se plantea un estudio para la fabricación de un tanque separador de vapor por expansión, mediante procesos de soldadura y el objetivo es determinar la tecnología de fabricación de un separador vapor por expansión mediante procesos de soldadura. 
El proceso de destilación simple es uno de los más utilizados en los buques, sus dos elementos básicos son: el evaporador y el condensador. El evaporador es el elemento en el cual se produce el aporte energético al proceso en forma de energía térmica; como consecuencia de ello, una parte del agua que se encuentra en él se evapora y pasa al condensador; aquí el vapor se condensa debido al agua de refrigeración que se hace circular por su interior, esta a su vez,  se utiliza como el agua de alimentación del evaporador, porque en este proceso de intercambio térmico adquiere cierta temperatura y de este modo se disminuye la cantidad de calor que hay que aportar en el evaporador [1].
La presencia de condensados debe ser restringida ya que es indeseable en el circuito de vapor, la presencia de este en el circuito de vapor tiende a ocupar las partes bajas de las tuberías, y las altas velocidades alcanzadas por el vapor arrastran el condensado produciendo ruido, abrasión y golpes de ariete.
Por las razones expuestas anteriormente es necesario evitar el condensado en esta zona del sistema. En la actualidad no se concibe un circuito de vapor sin una red de condensados que permita el aprovechamiento de este para producir vapor por expansión. Las razones son claras, por un lado la economía de la instalación de retorno de condensados debido a menores diámetros utilizados en las tuberías y por otro la economía energética debido a que se dispone de un vapor que se puede utilizar de nuevo. Con la propuesta de instalación del tanque separador de vapor por expansión a la planta destiladora surge la necesidad de evaluar el proceso de fabricación del mismo partiendo de un diseño.


MATERIALES Y MÉTODOS

Fabricación de separadores de vapor.
Los separadores de vapor se fabrican de aceros al carbono que no son más que aleaciones de hierro y carbono que contienen otros elementos en pequeñas cantidades tales como: silicio, manganeso, azufre y fósforo.

Los procesos tecnológicos asociados a la soldadura ocupan un lugar fundamental en la fabricación de piezas, estos son: soldadura por arco manual, con llama oxiacetilénica, bajo fundente (arco sumergido), con alambre tubular, por arco con gases protectores,  por arco con electrodo de tungsteno y argón (TIG) [2].

El proceso de soldadura manual por arco eléctrico con electrodo revestido se establece con el cebado y mantenimiento de un arco eléctrico entre un electrodo y la pieza a soldar. Para realizar la soldadura por arco eléctrico se aplica una diferencia de potencial entre el electrodo y la pieza a soldar, con lo cual se ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de este modo se cierra el circuito y la corriente eléctrica circula a través de él. El calor del arco funde el material de aporte y parcialmente el material base, el material de aporte se deposita la pieza y crea el cordón de soldadura [3].



RESULTADOS DEL TRABAJO

Tecnología fabricación por soldadura del separador de vapor por expansión para la industria naval.
El separador de vapor por expansión por el cual circula condensado a alta presión y temperatura es una construcción de alta responsabilidad por los riesgos que implica el fallo de las uniones soldadas.
En la figura 1 se observa el separador de vapor flash que se desea fabricar; el mismo está compuesto por un tubo de 930 mm de largo y 166 mm de diámetro, con un espesor de pared de 5 mm. Se le sueldan 4 tramos de tubos, dos tapas en los extremos y un niple a la tapa inferior, estas se detallan a continuación:

  1. Se dobla una plancha de 5 mm de espesor a un diámetro de 166 mm para soldarla a tope y construir el tubo central. Costura (1)
  2. Se suelda al tubo central a un pedazo de tubo (2a) con 95 mm de longitud, 19 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Costura (5)
  3. Se suelda al tubo central un pedazo de tubo (3) con 90 mm de longitud, 63,5 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Costura (3)
  4. Se suelda al tubo central un pedazo de tubo (4) con 95 mm de longitud, 38 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Costura (2)
  5. Se suelda al tubo central (1) un pedazo de tubo (2b) con 95 de longitud, 19 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Costura (4)
  6. Se suelda al tubo central una tapa inferior de 166 mm de diámetro y 5 mm de espesor. Costura (7) 
  7. Se suelda al tubo central una tapa superior hueca (5) de 166 mm de diámetro exterior y con un orificio central de 60,8 mm de diámetro y un espesor de 5 mm. Costura (6). Esta tapa lleva insertado un tubo (niple) (6) de 100 mm de longitud de 51 mm de diámetro y 4 mm de espesor. Costura (8)
  8. Por último los elementos que soportan el separador formado por dos platinas de 310 mm de longitud, 30 mm de ancho y 8 mm de espesor.

Los tramos de tubos soldados al tubo central y el niple se realizan mediante uniones en forma de T y las tapas soldadas al tubo central se sueldan en uniones en forma de ángulo. Los cordones de soldadura se realizan por todo el contorno de la futura costura.
De los estudios realizados la fabricación de los separadores de vapor por expansión se plantea hacerlos con acero al carbono A36, composición química se muestra en la siguiente tabla.

Tabla 1. Características del metal base


Tipo de acero

Composición química y propiedades mecánicas

C

Mn

Cu

P

S

σT, MPa

σf, MPa

δ, %

A36

0,27

0,6-0,9

0,2

0,04

0,04

400 - 550

250

20

En vista a que el diámetro del tubo principal del separador (1) no estaba especificado en los planos, se procede a su determinación haciendo uso del método de elementos finitos, para eso se realiza un modelo del separador y se especificaron las condiciones de operación del mismo (temperatura y presión) para el acero A36 se obtiene como resultado un espesor de 5 mm [4].

Tecnología para la fabricación del tanque separador de vapor por expansión de acero al carbono mediante procesos de soldadura.
En la fabricación por soldadura del equipo en cuestión es necesario tener en cuenta tres partes que son: preparación del trabajo, soldadura y acabado
Preparación del trabajo.
En la preparación del trabajo se deben tener en cuenta tres aspectos esenciales, que son: preparación de los bordes, limpieza superficial y colocación relativa de las piezas.
Preparación de los bordes y colocación relativa de las piezas.
La preparación de los bordes se realiza para garantizar la fusión de la raíz de las costuras y las dimensiones de estos dependen del espesor de la plancha. En este caso se encuentran tres tipos de uniones: una unión a tope que une la plancha roleada del tubo central, las que unen los pedazos de tubos al tubo central que son uniones en T y las que unen las tapas laterales al tubo central que son uniones en ángulo; los esquemas de montaje y preparación de los bordes se muestran en la siguiente figura. La preparación de los bordes se debe realizar mediante mecanizado en el torno y según las normas correspondientes [5].


Figura 2. Tipos de uniones soldadas en el separador flash

 

Limpieza superficial.
La limpieza superficial de los bordes es necesaria para eliminar óxidos, pinturas, grasas, aceites, tierra, arena y suciedades que pueden disminuir las propiedades mecánicas de la unión soldada. Se deben mantener las medidas que exige la norma en cuanto a la separación de las piezas y el desnivel entre ellas. 
Soldadura.
El proceso de soldadura se compone de 4 partes fundamentales que son: selección del proceso de soldadura, selección del material de aporte, ejecución del cordón de la raíz y de relleno.
Selección del proceso de soldadura.
El proceso de soldadura que se va a utilizar es de soldadura manual por arco eléctrico ya que solo hay que fabricar un solo equipo y las longitudes y espesores del equipo así lo determinan.
Selección del material de aporte.
La resistencia a la tracción del acero A36 es de 475 MPa y trabaja a altas temperaturas (425oC) y en un ambiente salino, por lo tanto el material de aporte que se va a utilizar es el electrodo E7018 que tiene 535 MPa de resistencia a la tracción, además es de revestimiento básico, sirve para soldar en todas las posiciones y emplea corriente directa conectado al polo positivo [6]. Este electrodo necesita una temperatura de almacenamiento de 120 °C y resecarlos a 250 °C durante 2 horas.
Ejecución del cordón de la raíz y de relleno.
Se debe garantizar con el electrodo de 2 mm seleccionado la penetración de la raíz y el relleno con 3 mm, el tipo de corriente puede ser alterna (CA) o directa (CD) conectado al polo positivo. Las intensidades de corriente eléctrica para los electrodos de 2 y 3 mm son de 70 y 130 A respectivamente y las tensiones eléctricas de 21 y 24 V.
Acabado.
Control de la calidad.
El control de la calidad que se debe aplicar es el control visual y el de ultrasonido.

 

CONCLUSIONES
Las conclusiones del trabajo son:
a) Se realiza un estudio teórico del problema de manera que permite fundamentar el objeto de la investigación y fundamentar el material con el cual se debe fabricar el separador de vapor por expansión que fue el acero al carbono A36.
b) Se calcula el espesor necesario del separador mediante el método de elementos finitos.
c) Se decide de manera argumentada no precalentar el acero A36 ya que su carbono equivalente es de 0.274.
d) Se selecciona el electrodo E7018 para el acero A36.
e) Se diseñan los otros elementos de la tecnología entre los cuales se encuentran: el depósito de los cordones de la raíz y relleno, cálculo de las intensidades de corriente y tensiones eléctricas y precalentamiento.

 

BIBLIOGRAFÍA

  • Zarza Moya, E.  Desalinización de agua del mar mediante energías renovables. Plataforma Solar de Almería Disponible en: CIEMAT www.dipalme.org/Servicios/Anexos/anexosiea.nsf/...SA.../SA-C10.pdf‎].
  •  (2014). Soldadura por arco con electrodo refractario en atmósfera protectora de gas inerte (soldadura TIG). La Habana : Editorial Universitaria. Biblioteca Virtual, EcuRed, RedUniv.
  • Rodríguez, O. (2013). Metalurgia de la soldadura. La Habana : Editorial Universitaria. Biblioteca Virtual, EcuRed, RedUniv.
  • Rodríguez, O. (2008). Selección automatizada de electrodos para la soldadura manual de los aceros al carbono [versión electrónica]. Rev Ciencias Holguin, 14 (2). Disponible en: www.ciencias.holguin.cu. [consultado 22 /12 / 2014]
  • Rodríguez, O. (2006). Consideraciones teórico prácticas acerca de la soldadura de los aceros al carbono [versión electrónica]. Rev Ciencias Holguin, 12 (3). Disponible en: www.ciencias.holguin.cu. [consultado 22 /12 / 2014]
  • ASTM A36A/A 36M – 00a. Especificaciones normalizadas para aceros al carbono estructurales: Washington.
  • AWS D1.1/D1.1M:2004. Structural Welding Code—Steel: Miami, Florida; EUA.
  • Manual de electrodos para soldar. Electrodos INFRA. Disponible en: www.electrodosinfra.com.mx/pdf/manual_general/manual_general.pdf.

Dr. C. Osmundo Hctor Rodrguez-Prez. hrgez@facing.uho.edu.cu

Profesor Titular, Profesor Emrito, Profesor Consultante, Profesor Titular y Doctor en Ciencias Tcnicas con una experiencia de 44 aos en las universidades. Desarrolla diversos trabajos cientfico tcnicos importantes en el campo de la soldadura y la recuperacin de piezas, con una repercusin notable desde el punto cientfico tcnico, social y econmico. Posee varias publicaciones escritas en Cuba y en el extranjero entre trabajos cientficos, monografas, artculos de revistas y otras publicaciones docentes. Ha impartido varias conferencias magistrales en el mbito nacional e internacional. Participa en eventos tanto en Cuba as como en el extranjero y ha impartido cursos, diplomados en Cuba y fuera del pas. Ostenta la Orden Lzaro Pea de 1.Grado, la Orden Carlos J. Finlay, la Orden Frank Pas de Primer Grado, la Distincin Especial del Ministro en el trabajo Cientfico en dos ocasiones, posee otras medallas, Premios al Mrito Cientfico y de la Academia de Ciencias de Cuba. Ha desarrollado colaboracin cientfico con varios pases y tiene varias maestras tutoradas, una especialidad de postgrado y ha participado en tribunales y oponencias de grados cientficos. Es experto de la Junta de Acreditacin Nacional de Carreras Universitarias, Maestras y Doctorados.

Ms. C. Ing. Luis Antonio Bravo-Sosa.

Fecha de Recepcin: 04 de septiembre 2014 Fecha de Aprobacin: 10 febrero 2015 Fecha de Publicacin: 29 de mayo 2015

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