Serpentín de Tubos como Superficie Primaria de Transferencia de Calor
Un serpentín de tubos de calentador encendido es el ensamblaje tubular continuo a través del cual fluye el fluido de proceso mientras es calentado por los gases de combustión dentro de un calentador encendido. El serpentín de tubos es la superficie primaria de transferencia de calor del calentador encendido, absorbiendo energía térmica de la radiación de la llama (sección radiante) y de la convección de gases de combustión calientes (sección de convección).
El calentador encendido es un dispositivo de calentamiento de encendido directo en el que el fluido de proceso fluye dentro de los tubos mientras la combustión del combustible ocurre externamente a los tubos. El serpentín de tubos es el componente crítico de contención de presión del calentador encendido y está diseñado y fabricado según API 560 (Calentadores Encendidos para Servicio General de Refinería), ASME B31.3 (Tuberías de Proceso) y GB/T 16507 (Calderas de Tubos de Agua) para aplicaciones domésticas.
Secciones de Calentadores Encendidos – Configuración del Serpentín por Ubicación
Serpentín de Sección Radiante
La sección radiante (cámara de combustión) es donde el fluido de proceso recibe la mayor parte de su carga térmica a través de la radiación directa de la llama. Los tubos en la sección radiante están expuestos al mayor flujo de calor y a las temperaturas del metal del tubo.
Disposición de tubos: Vertical (helicoidal o serpentina) u horizontal (fila única o múltiple)
Soporte de tubos: Los tubos radiantes están soportados por colgadores de tubos, soportes guía o anclajes refractarios
Flujo de calor: Predomina la transferencia de calor radiante; la temperatura del metal del tubo es típicamente 50°C–100°C por encima de la temperatura de salida del fluido de proceso
Configuraciones comunes:
Serpentín helicoidal: Tubos en espiral alrededor de la circunferencia de la cámara de combustión; común en calentadores cilíndricos
Serpentín serpentino: Tubos dispuestos en múltiples pasos horizontales o verticales con codos de retorno que conectan tubos adyacentes
Serpentín de paso único: Cada tubo va de entrada a salida sin codos intermedios
Serpentín de múltiples pasos: El fluido de proceso realiza múltiples pasos a través de la sección radiante a través de codos de retorno
Serpentín de Sección de Convección
La sección de convección está ubicada encima de la sección radiante, donde la transferencia de calor ocurre principalmente por convección forzada de gases de combustión calientes. Los tubos en la sección de convección operan a menor flujo de calor y temperaturas del metal del tubo.
Disposición de tubos: Filas horizontales o verticales con paso de tubos escalonado o en línea
Superficie extendida: Los tubos de convección a menudo se suministran con aletas o espárragos para aumentar el área de transferencia de calor
Tubos de blindaje: Las primeras 2–3 filas de tubos de convección expuestas al calor radiante de la cámara de combustión suelen estar desnudas (sin aletas) para evitar daños en las aletas por exposición a altas temperaturas
Tipos de tubos comunes: Tubo desnudo, tubo con aletas, tubo con espárragos (tubo de pasador)
Tubería de Transición / Cruce
La tubería de cruce conecta la salida de la sección de convección con la entrada de la sección radiante (o viceversa), típicamente ubicada fuera de la carcasa del calentador. La tubería de cruce debe acomodar la expansión térmica entre secciones.
Parámetros de Diseño del Serpentín – Según API 560 / ASME B31.3
| Parámetro | Rango | Estándar / Nota |
|---|---|---|
| OD del Tubo | 50.8mm – 273.1mm (2" – 10.75") | Según API 560 Tabla 4 |
| Espesor de pared del tubo | 3.0mm – 25.0mm | Según API 530 (cálculo de espesor de tubo) |
| Longitud del tubo (por sección recta) | 3.0m – 15.0m | Limitado por transporte y manipulación |
| Presión de diseño | Hasta 35 MPa | Según ASME B31.3 / API 560 |
| Temperatura de diseño (metal del tubo) | Hasta 590°C | Dependiente del material; Cr-Mo para > 425°C |
| Tolerancia a la corrosión | Según API 560 7.1.2 | Mínimo según especificación del comprador |
| Paso de tubos (centro a centro) | 2× OD del tubo (radio corto estándar) | Según API 560 Tabla 4 |
| Flujo de calor máximo admisible | Según diseño de sección radiante / API 560 | Determina la temperatura del metal del tubo |
Selección de Materiales – Materiales del Serpentín de Tubos (Según API 560 Tabla 5)
Aceros al Carbono
| Grado | Especificación | Temp. Máx. | Aplicación |
|---|---|---|---|
| SA-106 Gr.B / SA-192 | ASTM A106 / A192 | ~425°C | Servicio general de refinería, temperatura moderada |
| SA-210 Gr.A1 | ASTM A210 | ~425°C | Servicio de tubos de calderas y calentadores |
| 20# | GB 9948 | ~425°C | Estándar doméstico para servicio de craqueo de petróleo |
Aceros Aleados de Cromo-Molibdeno
| Grado | Composición | Temp. Máx. | Aplicación |
|---|---|---|---|
| SA-209 T1a | 0.5Cr-0.5Mo | ~540°C | Temperatura elevada moderada |
| SA-213 T11 | 1.25Cr-0.5Mo | ~590°C | Tubos de calentador de refinería; resistencia moderada a la fluencia |
| SA-213 T22 | 2.25Cr-1Mo | ~590°C | Hidrocraqueo, reformador, alta temperatura/alta presión |
| SA-213 T5 | 5Cr-0.5Mo | ~590°C | Servicio corrosivo a alta temperatura |
| SA-213 T9 | 9Cr-1Mo | ~590°C | Servicio erosivo a alta temperatura |
| SA-213 T91 | 9Cr-1Mo-V | ~590°C | Servicio avanzado de fluencia a alta temperatura |
Aceros Inoxidables Austeníticos
| Grado | Temp. Máx. | Aplicación |
|---|---|---|
| TP304H / TP321H | ~600°C | Temperatura elevada, resistencia a la corrosión, resistencia a la fluencia |
| TP316L | ~450°C | Servicio con cloruros (moderado) |
| TP347H | ~600°C | Resistencia a la fluencia a alta temperatura; grado estabilizado |
| SUS310S | ~700°C | Resistencia extrema a la oxidación a alta temperatura |
Aleaciones de Níquel
| Grado | Temp. Máx. | Aplicación |
|---|---|---|
| Alloy 800H / 800HT | ~600°C | Servicio corrosivo a alta temperatura; gas amargo |
Configuración del Serpentín – Soportes y Guías de Tubos
Según API 560, se requieren soportes de tubos para mantener la alineación de los tubos y evitar pandeo o vibración:
Sección radiante: Colgadores de tubos (para tubos verticales), soportes guía (para tubos horizontales) o anclajes refractarios
Sección de convección: Placas de soporte o planchas de tubos con orificios perforados para alojar los tubos
Espaciado de soportes: Determinado por el tamaño del tubo, material y temperatura de operación – típicamente 1.5m – 3.0m
Guías de tubos: Permiten la expansión térmica axial mientras restringen el movimiento lateral
Gestión de la Expansión Térmica
Los serpentines de calentadores encendidos experimentan una expansión térmica significativa debido a las diferencias de temperatura entre las condiciones de arranque y operación
La expansión se acomoda mediante:
Codos de retorno: Accesorios en forma de U que absorben la expansión diferencial entre tubos adyacentes
Bucles de expansión: Configuraciones de tuberías que absorben la expansión axial
Soportes guiados: Permiten que los tubos se deslicen axialmente manteniendo la alineación
Colectores flotantes: Cabezales que se mueven con el serpentín para absorber la expansión
Superficie Extendida – Aletas y Espárragos (Sección de Convección)
Para aumentar la transferencia de calor en la sección de convección, los tubos a menudo se suministran con superficie extendida:
| Tipo de Superficie Extendida | Descripción | Aplicación |
|---|---|---|
| Tubo con aletas | Aletas helicoidales soldadas o extruidas en el OD del tubo | Sección de convección; aumenta el área de superficie en 5–10× |
| Tubo con espárragos (tubo de pasador) | Espárragos (pasadores) soldados a la superficie del tubo | Servicio con incrustaciones; permite la limpieza con soplado de hollín sin dañar las aletas |
| Aleta serrada | Aleta cortada o serrada para un mayor coeficiente de transferencia de calor | Servicio de convección de alta eficiencia |
Parámetros típicos de aleta/espárrago:
Altura de la aleta: 12mm – 25mm
Paso de la aleta: 4 – 12 aletas por pulgada (FPI)
Material de la aleta: Acero al carbono, acero inoxidable o acero aleado
Material del espárrago: Típicamente el mismo que el material del tubo o aleación compatible
Codos de Retorno – Conexiones del Serpentín
Los codos de retorno conectan tubos adyacentes en serpentines de múltiples pasos, invirtiendo la dirección del flujo en 180°:
Ubicación: Dentro de la cámara de combustión (sección radiante) o dentro de una caja de cabezal (compartimento aislado fuera de la cámara de combustión)
Presión y temperatura de diseño: Codos de retorno dentro de la cámara de combustión – igual que los tubos de conexión; dentro de la caja de cabezal – misma presión de diseño, temperatura del fluido +30°C
Espesor: Al menos el mismo espesor que los tubos de conexión
Accesorios: No se utilizarán accesorios soldados longitudinalmente
Estándares: SH/T 3065 (Codos de Retorno para Calentadores Tubulares Petroquímicos), ASME B16.9
Dimensiones de centro a centro de los codos de retorno (según API 560 Tabla 4):
| OD del Tubo (mm) | Centro a Centro del Cabezal (mm) |
|---|---|
| 60.3 | 101.6 |
| 73.0 | 127.0 |
| 88.9 | 152.4 |
| 101.6 | 177.8 |
| 114.3 | 203.2 |
| 127.0 | 228.6 |
| 141.3 | 254.0 |
| 152.4 | 279.4 |
| 168.3 | 304.8 |
| 193.7 | 355.6 |
| 219.1 | 406.4 |
| 273.1 | 508.0 |
Cabezales y Colectores
Los cabezales (colectores de entrada y salida) distribuyen el fluido de proceso hacia y desde el serpentín de tubos:
Cabezales de tapón: Tapones extraíbles para acceso a los tubos; utilizados para servicio limpio
Cabezales de placa de cubierta: Cubierta atornillada para acceso completo a los tubos; utilizados para servicio con incrustaciones
Cabezales de colector de tubería: Construcción soldada; utilizados para servicio de alta presión
Presión de diseño: Igual que los tubos de conexión
Temperatura de diseño: Temperatura del fluido en esa ubicación +30°C para instalación en caja de cabezal
Proceso de Fabricación – Ensamblaje del Serpentín de Tubos
Preparación de tubos: Tubos cortados a medida; extremos biselados según ASME B16.25 para soldadura a tope
Fijación de codos de retorno: Codos de retorno soldados a los extremos de los tubos (raíz GTAW + relleno SMAW) según ASME Sección IX
Soldadura de aletas/espárragos: Aletas o espárragos soldados a los tubos de convección (soldadura de alta frecuencia o soldadura por resistencia)
Ensamblaje del serpentín: Tubos ensamblados en filas y fijados a los soportes
Fijación del cabezal: Cabezales soldados a la entrada/salida del serpentín
PWHT: Requerido para aleaciones Cr-Mo y secciones de acero al carbono de pared gruesa (según ASME B31.3 / API 560)
Prueba hidrostática: 1.5 × presión de diseño (según API 560 / ASME B31.3)
Aplicación de refractario/aislamiento: Aplicado a la carcasa y soportes de tubos (instalado en campo)
Inspección y Pruebas (Según API 560 / ASME B31.3)
Examen No Destructivo (NDE)
| Examen | Método | Alcance | Criterios de Aceptación |
|---|---|---|---|
| Superficie del tubo | PT o MT | 100% de soldaduras y codos | Según ASME / API 560 |
| Soldaduras a tope | RT o UT | 100% (según API 560 / ASME B31.3) | Según ASME Sección VIII / B31.3 |
| Soldaduras de codos de retorno | PT + RT | 100% | Según SH/T 3065 / ASME B16.9 |
| Soldaduras de aletas/espárragos | Visual + prueba de tracción | Muestra por lote | Sin grietas; resistencia a la tracción ≥ especificada |
| Dimensional | Plantilla / CMM | Según dibujo del serpentín | Según ASME B16.9 / SH/T 3065 |
| PMI | Espectrómetro XRF | 100% de lotes de material | Coincide con el certificado de material |
Prueba Hidrostática
Presión de prueba: 1.5 × presión de diseño (según API 560 / ASME B31.3)
Medio de prueba: Agua limpia con inhibidor de corrosión
Tiempo de retención: ≥ 30 minutos
Aceptación: Cero caída de presión; sin fugas visibles en ninguna soldadura o accesorio
Prueba de Fugas Neumática (si se especifica)
Presión de prueba: 0.6 MPa de aire o nitrógeno
Detección de fugas: Burbuja de jabón o espectrometría de masas de helio
Aceptación: Sin burbujas; tasa de fuga ≤ 1×10⁻⁵ Pa·m³/s
Perfiles de Aplicación – Configuraciones de Serpentín por Tipo de Calentador
Calentador Cilíndrico (Vertical)
Tipo de serpentín: Serpentín radiante helicoidal (espiral) + serpentín de convección horizontal
Disposición de tubos: Tubos verticales en círculos concéntricos; codos de retorno en la parte superior e inferior
Aplicación: Calentadores de refinería pequeños a medianos; rehervidores; calentadores de proceso
Calentador de Caja (Horizontal)
Tipo de serpentín: Serpentín radiante serpentino (pasos horizontales o verticales) + serpentín de convección horizontal
Disposición de tubos: Tubos en múltiples filas; codos de retorno en cajas de cabezal fuera de la cámara de combustión
Aplicación: Calentadores de refinería grandes; calentadores de crudo; calentadores de vacío
Calentador de Doble Encendido / Multicelda
Tipo de serpentín: Secciones radiantes duales compartiendo una sección de convección común
Disposición de tubos: Tubos encendidos por ambos lados
Aplicación: Calentadores de refinería de alta capacidad; hornos reformadores
Calentadores Especializados
Horno reformador: Tubos llenos de catalizador (verticales) con codos en U; materiales de aleación de alta temperatura
Horno de craqueo de etileno: Tubos de alta aleación con geometría de serpentín especializada
Horno de producción de hidrógeno: Tubos reformadores con catalizador; servicio de hidrógeno a alta presión
Documentación por Envío
Certificados de prueba de materiales (EN 10204 3.1 o 3.2) – tubos, accesorios, cabezales, aletas/espárragos
Hoja de datos API 560 / ASME B31.3
Informe de inspección dimensional (OD del tubo, espesor de pared, paso, radio de curvatura, centro a centro)
Informes NDE – PT/MT/RT/UT/PMI según corresponda
Informe de prueba hidrostática (con registros de presión y tiempo)
Informe de prueba de fugas neumática (si se realiza)
Especificación del procedimiento de soldadura (WPS) y registro de calificación del procedimiento (PQR)
Gráfico PWHT (registro de tiempo-temperatura) – si se realiza
Dibujo del serpentín tal como se construyó – con recuento de tubos, configuración de pasos, dimensiones del cabezal
Procedimiento de soldadura de aletas/espárragos y registros de prueba de tracción (si son con aletas/espárragos)
Lista de Verificación de Selección – Serpentín de Tubos de Calentador Encendido
Tipo de calentador – Cilíndrico / Caja / Doble encendido / Reformador / Craqueo
Sección del serpentín – Radiante / Convección / Ambas
OD y espesor de pared del tubo – Según API 560 / ASME B31.3
Grado del material del tubo – CS / Cr-Mo / SS / Aleación – según API 560 Tabla 5
Presión y temperatura de diseño – Según API 560 / ASME B31.3
Configuración del serpentín – Serpentino / Helicoidal / Paso único / Múltiples pasos
Número de pasos – Determina la cantidad y disposición de los codos de retorno
Superficie extendida requerida – Desnudo / Con aletas / Con espárragos – especificar parámetros de aleta/espárrago
Tipo de codo de retorno – Radio corto (2× OD del tubo) / Radio largo (3× OD del tubo)
Tipo de cabezal – Tapón / Placa de cubierta / Colector de tubería
Tolerancia a la corrosión – Según API 560 7.1.2
Requisito de PWHT – Basado en material y espesor
Requisito de NDE – Según API 560 o especificación del proyecto
Método de limpieza – Decoking con vapor-aire / Limpieza con cerdo mecánico – afecta el diseño del serpentín
Declaración de Limitación de Diseño – Serpentín de Tubos de Calentador Encendido
El serpentín de tubos de calentador encendido está sujeto a las siguientes limitaciones:
Solo está clasificado para la presión y temperatura de diseño especificadas en la hoja de datos; operar fuera de estos límites anula el diseño
La temperatura del metal del tubo no debe exceder la temperatura de servicio máxima admisible del material a la presión de diseño especificada
No se utilizarán accesorios soldados longitudinalmente (codos de retorno) según API 560 8.3.4
El serpentín debe diseñarse para la expansión térmica; una acomodación inadecuada de la expansión conduce a distorsión del tubo, daño del soporte o falla de la soldadura
No apto para fluidos con alto contenido de sólidos (> 2% en peso) sin selección de material resistente a la erosión o aumento del espesor de pared
Los tubos con aletas/espárragos en las secciones de convección requieren soplado de hollín o limpieza para mantener el rendimiento; las incrustaciones aumentan la caída de presión y reducen la transferencia de calor
El reemplazo del serpentín requiere una coincidencia cuidadosa con la geometría existente del calentador (paso de tubos, configuración de pasos, dimensiones del cabezal) – las modificaciones de campo pueden requerir una reclasificación
