Estudio de la influencia de las desviaciones dimensionales en la unión placa-tubo de intercambiadores de calor de caja cerrada

[SPA] Los intercambiadores de calor se usan, básicamente, para transferir calor de un medio a otro, siendo un componente clave en diversas industrias. Esta tesis se centra en el estudio de la fabricación de uno de sus elementos, concretamente en la unión por soldadura de los tubos del haz tubular con la placa tubular, y en los problemas detectados en un tipo de intercambiador, los aeroenfriadores, donde la caja que forma el cabezal no es atornillada, sino soldada. Este tipo de caja cerrada dificulta al equipo de soldeo el acceso a la unión placa-tubo, pues ´esta queda en su interior. Los equipos de soldadura GTAW orbital usados en este tipo de unión acceden a ella sin prácticamente visibilidad por parte del operador de soldeo. El acceso se realiza a través de la placa de tapones de la caja, apoyándose en ella, y usando una extensión de la antorcha del equipo de soldeo hasta llegar a la placa tubular, paralela a la anterior, en la que se realiza la unión. A la dificultad de acceso se añade la problemática de las deformaciones y desviaciones de paralelismo entre la placa de tapones y la placa tubular, generadas durante la fabricación de la caja por soldadura. En la tesis se evalúa la magnitud de estas desviaciones de paralelismo y se analiza el efecto que tienen sobre la calidad de la soldadura del tubo a la placa. Para ello, se fabrican dos cabezales de caja cerrada y se realiza un estudio metrológico de las desviaciones de paralelismo entre su placa de tapones y la placa tubular. Con el rango de desviaciones medido se diseñan y se fabrican cupones de ensayo que reproducen estas desviaciones y sobre los cuales se ejecuta la soldadura de la unión placa-tubo de forma similar a como se realizaría en producción. La calidad de las uniones placa-tubo se analiza, fundamentalmente, a través de la penetración de la soldadura en el rango de las desviaciones de paralelismo medidas y para dos temperaturas de precalentamiento. Se evalúa también cómo se ve afectada la zona fundida y la ZAT de las uniones en función de estas desviaciones entre las placas y de la temperatura de precalentamiento. Los resultados obtenidos muestran variaciones importantes en la penetración de la soldadura cuando las desviaciones de paralelismo son iguales o superiores a 1 mm sobre la distancia teórica, no alcanzándose en esos casos la penetración requerida en la normativa de aplicación de los equipos, por lo que podría ocasionar fallos en servicio. Para resolver la problemática estudiada, se diseña y patenta un procedimiento y dispositivo de posicionamiento que mejora el control y regulación mecánica de la antorcha de la máquina GTAW orbital. El nuevo equipo facilita las tareas del operador del soldeo y corrige los defectos de un mal posicionamiento del equipo provocados por la falta de visibilidad del operador de soldeo y por las deformaciones de la caja. Finalmente, el dispositivo y procedimiento se evalúan soldando un nuevo cupón similar a los anteriores.[ENG] Heat exchangers are a key component in various industries and are primarily used to transfer heat from one medium to another. This thesis focuses on the manu­facturing aspects of a specific part of the heat exchanger, particularly on the study of the welding process used to join the tubes of the tube bundle to the tubesheet, and the issues identified in a specific type of heat exchanger, the air coolers, where the head box is not bolted but welded, a design referred to as a closed-box head. In these exchangers, the head box is manufactured through welding, which leads to distortions in the box and misalignments in the parallelism between the plugsheet and the tubesheet. These issues also pose challenges for the execution of the tube­to-tubesheet weld joint. This joint is performed using orbital welding equipment, employing the gas tungsten are welding (GTAW) process with tungsten electrodes and inert gas shielding. The equipment accesses the joint, located inside the head box, with minimal visibility for the welding operator. Access is achieved through the plugsheet of the box, with the welding torch extended to reach the tubesheet, which is parallel to the plugsheet, where the tube is welded. This thesis evaluates the magnitude of these parallelism deviations and analy­zes their impact on the quality of the tube-to-tubesheet weld. To this end, two closed-box heads were manufactured, and a metrological study of the parallelism deviations between the plugsheet and the tubesheet was conducted. Based on the range of measured deviations, coupons replicating these deviations were designed and fabricated. Welding of the tube-to-tubesheet joint was then performed on these coupons in a manner similar to production practices. The quality of the tube-to­tubesheet joints was analyzed primarily by assessing the weld penetration across the range of measured parallelism deviations and for two preheating temperatu­res. Additionally, the effect of these deviations and preheating temperature on the heat-affected zone (HAZ) and the molten zone of the welds was also evaluated. The results showed significant variations in weld penetration when parallelism deviations reached or exceeded 1 mm from the theoretical distance. In such cases, the requi­red penetration specified by the applicable equipment standards was not achieved, potentially leading to service failures. To address the studied issues, a positioning procedure and device were designed and patented. This innovation enhances the mechanical control and regulation of the torch in the orbital GTAW equipment.The new equipment facilitates the tasks of the welding operator and corrects defects cau­sed by poor positioning of the equipment, which result from the welding operator's lack of visibility and the deformations of the box. Finally, the device and procedure are evaluated by welding a new coupon similar to the previous ones.

Author

• García González, José

• Intercambiadores de calor
• Soldadura del tubo
• Aeroenfriadores
• Soldadura GTAW

Identifier

hdl:10317/18466

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/18466