Thread Content
Este artículo presenta de manera profesional ocho métodos para analizar las causas de rotura de los revestimientos de los termopares. Basándose en investigaciones en el terreno, experiencia práctica y datos relevantes, Changhui Instruments ha resumido las causas más comunes de rotura de dichos revestimientos, con el fin de servir como referencia para los técnicos especializados en instrumentación. El termopar es un elemento sensor de temperatura muy utilizado en los instrumentos de medición de temperatura. Se emplea ampliamente en la producción industrial, la investigación científica y otros campos. Mide directamente la temperatura del medio, convierte las señales de temperatura en señales de electromotrizidad térmica en tiempo real, y luego, a través de instrumentos eléctricos, se convierte esa información en una lectura de la temperatura del medio medido, lo que permite mostrar, transmitir y controlar la temperatura. Dado que se utilizan con frecuencia en entornos de altas temperaturas, altas presiones, medios altamente corrosivos y choques de fluidos a altas velocidades, para garantizar un funcionamiento normal, seguro y estable del sensor de temperatura, generalmente se emplean manguitos termopar para protegerlo. Aunque el diseño de la cubierta del termopar tiene como objetivo proteger su funcionamiento adecuado, en la práctica también cumple esa función de protección. Sin embargo, según el análisis de los tipos de fallos que ocurren en los termopares, se puede observar que la rotura de la cubierta sigue siendo la forma más común de fallo. Changhui Instruments clasifica y describe los métodos de estudio relacionados con la rotura de las vainas de los termopares, resume los causas generales de dicha rotura, y sintetiza las medidas preventivas para evitarla. Causas de la rotura del revestimiento del termopar: yunrun.com.cn/tech/2904.html. 1. Apariencia y selección del revestimiento del termopar. Figura 1: Tubo de protección para sensores de temperatura THERMOWELL. Figura 2: Revestimiento del termopar. Las figuras 1 y 2 muestran ejemplos de revestimientos de termopar comunes. Para obtener más información sobre la selección y los parámetros técnicos del revestimiento del termopar, consulte el documento “Tubo de protección para sensores de temperatura THERMOWELL”. 2. Métodos de análisis de la falla por rotura del manguito del termopar. En este artículo, Changhui Instruments realiza un análisis y estudio de los manguitos de termopar que han sufrido roturas. Para determinar las causas de la fractura y encontrar medidas para abordarla, generalmente se utilizan métodos como el análisis macroscópico de las grietas, el análisis de la composición química, el análisis de las propiedades mecánicas, el análisis metalográfico y el análisis con microscopio electrónico de barrido. Además, el análisis de evaluación de la corrosión, el análisis modal y el análisis por simulación numérica también son métodos comúnmente utilizados en el análisis de la rotura de tuberías causada por la corrosión estructural, las vibraciones intensas y los impactos de fluidos. ①Análisis macroscópico de las grietas: El análisis macroscópico de las grietas se utiliza generalmente para determinar la ubicación de la zona de fractura, así como el estado general de las piezas cercanas a dicha zona, las características de la superficie de la grieta, sus dimensiones, la distinción entre la zona de fractura instantánea y la zona de propagación de la misma, la distribución del color en la superficie de la grieta, el nivel de planicidad y suavidad de la zona fracturada, el tipo de fractura, la presencia o ausencia de deformaciones plásticas evidentes, la presencia o ausencia de manchas por corrosión, así como defectos de soldadura como bordes dentados. Todo esto sirve para obtener una idea preliminar sobre las condiciones de la fractura, lo cual constituye una base para análisis y estudios posteriores. La Figura 3 muestra una fotografía macroscópica de la sección transversal del manguito del termopar. La superficie de la sección es lisa y uniforme, y se pueden observar los patrones en forma de concha característicos de las fracturas por fatiga. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051714288764.png Figura 3: Foto macro de la sección transversal del manguito del termopar. ② Análisis de la composición química: Se toman muestras en forma de bloques del manguito del termopar dañado, y mediante análisis químico o espectroscópico, se determina la composición química del material que constituye el manguito. El objetivo principal es verificar si los contenidos de los diferentes elementos que componen el material cumplen con los requisitos establecidos para ese tipo de material. Por ejemplo, Xia Mingliu y colaboradores realizaron un análisis químico de un manguito de acero inoxidable dañado; resultó que el contenido de elemento P cumplía con los requisitos establecidos para este tipo de acero de alta calidad ； Sin embargo, el contenido de elemento S es elevado, y un nivel excesivo de S perjudica gravemente las propiedades de este acero resistente al calor. Esto puede provocar su fragilidad térmica y una disminución en su resistencia a altas temperaturas, lo que a su vez afecta la vida útil del tubo. ③Análisis de las propiedades mecánicas. El análisis de las propiedades mecánicas de los revestimientos de termopar se realiza, principalmente, a través de pruebas de tracción, con el fin de determinar si las propiedades mecánicas reales del material cumplen con los requisitos establecidos en las normas. En estudios realizados sobre revestimientos de termopar hechos de 20Cr25Ni20, se constató que la resistencia a la tracción de estos revestimientos cumple con los requisitos estándar para dicho material; sin embargo, su plasticidad es inferior a la requerida para el acero 20Cr25Ni20. Después de las pruebas de tracción, los ejemplos de material presentaron cierta deformación plástica. ④Análisis metalográfico: En el análisis metalográfico de las roturas en los revestimientos de los termopares, se toman muestras del área dañada, de los puntos de soldadura y de las uniones. Estas muestras se pulen y se tratan con una solución de ácido oxálico en proporciones adecuadas. Luego, se observa su estructura metalográfica bajo microscopio, a fin de determinar el tipo de estructura del material base y el estado de fusión de los puntos de soldadura. La microfotografía metalográfica de la cubierta del termopar se muestra en la Figura 4. Tras el análisis, se observó que hay una gran cantidad de partículas de carbonuro en la estructura del material base, lo que indica que su contenido de carbono es muy alto. Además, se descubrió que no solo hay muchas partículas de carbonuro, sino que su distribución también es evidentemente en forma de bandas. Esto afectará negativamente las propiedades del acero, causando anisotropía en el material. Además, las pruebas de dureza revelaron que la precipitación de una gran cantidad de partículas de carburo causó un endurecimiento significativo en el material del revestimiento del termopar. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051711177149.png Figura 4: Microfotografía metalográfica del revestimiento del termopar. ⑤ Análisis con microscopio electrónico de barrido. El análisis con microscopio electrónico de barrido se realiza, por lo general, sobre la base del análisis metalográfico, utilizando este tipo de microscopio para observar y analizar en mayor detalle la estructura microscópica de la fractura. Según las necesidades del análisis, suele ser necesario utilizar diferentes niveles de ampliación para poder determinar la ubicación de origen de las grietas, su dirección de propagación, el tamaño de las zonas afectadas, así como las características de la fractura. Este es un paso clave para evaluar las causas de la rotura del revestimiento. ⑥Análisis de evaluación de la corrosión. El análisis de evaluación de la corrosión no es una opción obligatoria; solo se realiza cuando existen manchas de corrosión evidentes, y es posible que la rotura del tubo sea causada por la corrosión. Además, en el caso de algunos manguitos de termopar cuyas roturas no han sido reparadas durante mucho tiempo y en los que se observan óxidos evidentes en las zonas de fractura, también puede realizarse un análisis de corrosión. ⑦El análisis modal se utiliza con frecuencia para determinar las causas de la rotura de los revestimientos de los termopares; esto suele ocurrir debido a vibraciones intensas o incluso resonancias. El análisis modal puede incluir pruebas en el sitio, así como simulaciones mediante métodos de elementos finitos. El objetivo de este análisis es determinar las frecuencias naturales de la estructura y del fluido, especialmente aquellas frecuencias bajas que tienen un gran impacto en las vibraciones. Es importante evitar que las frecuencias naturales de la estructura y del fluido sean iguales o similares entre sí. ⑧El análisis por simulación numérica incluye también el uso de software de análisis por elementos finitos (como ANSYS, entre otros) para realizar el análisis modal, como se mencionó anteriormente. Sin embargo, también es común estudiar la rotura de las cubiertas de los termopares mediante métodos basados en la mecánica de fluidos computacional (es decir, el método CFD). Por ejemplo, en algunos estudios se utilizó el método de simulación de grandes vórtices para analizar numéricamente cómo afecta el flujo de fluido a las cubiertas de los termopares. De este modo, se pudieron determinar las fuerzas que actúan sobre dichas cubiertas, y a través del análisis posterior de los resultados, se propusieron medidas efectivas para reducir esas fuerzas. 3. Causas de la rotura del revestimiento del termopar. Existen diversas causas que pueden provocar la rotura del revestimiento del termopar; las situaciones reales pueden variar. Changhui Instruments, basándose en investigaciones en el terreno, experiencia práctica y datos relevantes, ha resumido las causas más comunes de esta rotura: ① Defectos en la soldadura. Al analizar los lugares donde ocurren las roturas en el revestimiento del termopar, se observa que las zonas cercanas a los puntos de soldadura son las más propensas a sufrir roturas. Esto se debe, en gran medida, a defectos en la soldadura. En la literatura, al analizar las causas de la rotura de los manguitos de los termopares en las líneas de transferencia de aceite a baja presión, se menciona que la mala calidad de la soldadura, así como la heterogeneidad de la estructura en la zona afectada por el calor, provocan defectos como bordes de soldadura irregulares. Estos defectos causan la concentración de impurezas en la zona cercana a la pared exterior del manguito. Además, la estructura microscópica presenta defectos como porosidades y huecos. Bajo cargas de impacto intensas, se generan grietas que se expanden rápidamente, lo que finalmente conduce a la rotura del manguito del termopar. ②Vibraciones de la carcasa: La tubería principal que conecta la carcasa del termopar suele estar llena de fluido. Si la densidad del fluido es alta y su velocidad de flujo es excesiva, además de que el flujo sea turbulento, se generarán vórtices cerca de la carcasa. Cuando estos vórtices se separan periódicamente de ambos lados de la carcasa, se generan fuerzas ascendentes y descendentes en ella. Esto provoca cambios constantes en la distribución de la presión dentro de la tubería. La presión y la dirección del fluido que actúa sobre la carcasa también cambian continuamente, lo que finalmente causa vibraciones en la tubería. Se produce resonancia cuando la frecuencia de excitación del fluido es similar o incluso igual a la frecuencia natural del tubo. Una vez que se produce una resonancia intensa, en el interior del tubo se generan tensiones alternativas periódicas. Los tubos que están sometidos durante mucho tiempo a estas tensiones alternativas elevadas pueden sufrir fracturas por fatiga en las zonas donde la tensión es más alta. ③Desprendimiento por corrosión: Las cubiertas de los termopares suelen encontrarse en entornos extremos, con altas temperaturas, presiones elevadas y alta humedad, además de estar expuestas a medios altamente corrosivos. Por esta razón, es frecuente que estas cubiertas se dañen o se rompan debido a la corrosión. Algunos tipos de corrosión pueden observarse a simple vista, mientras que otros requieren análisis metalográfico para ser detectados. Por ejemplo, la corrosión intergranular; en los lugares donde ocurre esta corrosión, es común que surjan grietas que causan fracturas por fatiga. ④Elección inadecuada del material para la carcasa: Las carcasas de los termopares requieren un alto nivel de resistencia del material, así como capacidad para soportar condiciones extremas. Las principales causas de rotura de las carcasas debido a una elección inadecuada del material son tres: primero, el material no cumple en absoluto con los requisitos establecidos en las normas correspondientes ； En segundo lugar, el material utilizado en la práctica no coincide con el material seleccionado para el diseño (esto es un problema que se encuentra con frecuencia en los análisis de composición química; además, es una razón importante por la cual es necesario realizar dichos análisis) ； En tercer lugar, la selección de los materiales se centra en su resistencia, sin tener en cuenta aspectos como la resistencia a altas temperaturas y presiones, ni a la corrosión; además, no se consideran los efectos a largo plazo de estos factores. ⑤Si la ubicación del termopar no es adecuada, y si la rotura del revestimiento del termopar ocurre cerca de componentes como codos, placas de orificio, conexiones de diferentes tamaños o válvulas, es muy probable que esto se deba a una mala instalación del termopar. Estos son lugares donde se concentran las fuerzas de excitación y la energía. Por lo tanto, siempre que no sea necesario para la medición y control de la temperatura, la ubicación del termopar debe evitarse en estos lugares. ⑥La mala instalación del termopar: si el tubo que contiene el termopar está instalado verticalmente en la tubería principal, su estado de carga puede simplificarse como el de una viga colgante. La rotura generalmente ocurre en el punto de conexión entre el tubo que contiene el termopar y la tubería principal; esa zona corresponde a la base de la viga colgante, siendo así el lugar donde se ejerce más presión. También es allí donde es más probable que se produzca concentración de esfuerzos. Por lo tanto, para aquellos termopares para los cuales una instalación inclinada también cumple con los requisitos de uso, se puede optar por instalarlos bajo un ángulo adecuado. Además, la longitud del tubo que contiene el termopar dentro de la tubería principal también es un factor importante que afecta su resistencia a la ruptura; por lo tanto, debe elegirse adecuadamente. Este artículo se centra en analizar los métodos para determinar las causas de la rotura de las fundas de los termopares, así como las causas más comunes de dicha rotura. Le invitamos a seguir leyendo el artículo “¿Cuáles son las medidas para evitar la rotura de las fundas de los termopares?”. Autores: Yuan Wei, Yang Zhirong