Come il Butter-Pad (o strato di supporto per saldatura) influisce sulla precisione delle termocoppie Tubeskin

Un butter-pad consente alle raffinerie di saldare le nuove termocoppie su di esso piuttosto che direttamente sul tubo del forno nudo, poiché la saldatura ripetuta danneggia l’integrità del tubo. Tuttavia, la sovrapposizione di questa saldatura influisce sull’accuratezza delle letture della temperatura. WIKA ha condotto una serie di scansioni IR, simulazioni CFD e test per quantificare le deviazioni di temperatura causate dall’uso di un butter-pad con termocoppie tubeskin.

Il monitoraggio della temperatura è essenziale per il funzionamento efficiente dei riscaldatori a combustione. Letture accurate della temperatura consentono alle raffinerie di operare con tubi del forno molto vicini allo scorrimento e di ridurre al minimo le incrostazioni e il coking all’interno di tali tubi.

Il modo più efficiente per ottenere letture precise della temperatura dei tubi del forno è quello di utilizzare termocoppie di superficie, che presentano vantaggi rispetto ai pirometri. Grazie a test approfonditi, il Centro di Ricerca e Sviluppo WIKA ha verificato che le letture delle termocoppie a superficie rappresentano fedelmente la temperatura effettiva del metallo del tubo, misurata dalle termocoppie di riferimento installate.

Termocoppie Tubeskin, problemi di saldatura e butter-pad

Le termocoppie sono sensori di temperatura accurati e di lunga durata. Tuttavia, poiché le termocoppie tubeskin (TSTC) sono soggette a temperature estreme, la loro affidabilità è limitata a pochi cicli di fermo impianto, dopo i quali devono essere sostituite. Ecco qual è il problema:

1. Le termocoppie tubeskin sono tipicamente saldate sulla superficie del tubo.
2. I sensori di temperatura sostitutivi devono essere installati vicino alla posizione esistente delle termocoppie guaste.
3. La metallurgia di alcuni tubi non consente le saldature dopo un uso prolungato.

Pertanto, le raffinerie sono limitate nella loro capacità di saldare nuove termocoppie direttamente sui tubi nudi quando le vecchie termocoppie si guastano.

Uno dei modi per superare le limitazioni metallurgiche del tubo del forno è il butter-pad. Si tratta di uno strato di supporto per saldatura installato sulla superficie del tubo. La nuova termocoppia tubeskin viene quindi montata su questo strato di saldatura anziché sul tubo nudo, evitando così qualsiasi problema di integrità del tubo o la necessità di un esteso trattamento termico post-saldatura.

Metodo: verifica dell’accuratezza delle termocoppie tubeskin installate sul butter-pad

WIKA dispone di un centro di ricerca e sviluppo a Houston con un riscaldatore da 9,6 milioni di BTU in grado di riprodurre una varietà di condizioni di processo. Questa unità di prova ci permette di determinare l’accuratezza delle termocoppie tubeskin installate sui butter-pad.

Le variabili di questo progetto:

Butter-pad installato radialmente (longitudinalmente)

Butter-pad installato in modo circonferenziale (trasversale)

• Materiale da saldare di dimensioni e spessore fissi, installato circonferenzialmente (trasversalmente) o radialmente (longitudinalmente)
• Diversi valori di emissività di termocoppie installate tramite butter-pad
• Differenze tra termocoppie installate direttamente su tubo nudo vs. butter-pad
• Condizioni operative diverse

Termocoppie di riferimento

Come riferimento, abbiamo installato termocoppie testate con accuratezza nota. Il peening (che vede una termocoppia installata in un foro, e i bordi del foro deformati tramite ripetute martellature al fine di fissare la termocoppia nel foro) è uno dei metodi più comuni per installare le termocoppie tubeskin di riferimento, in quanto ne fornisce le temperature più veritiere. Tuttavia, il numero di test che avevamo pianificato avrebbe richiesto molti cambi e fori, rendendo questo metodo impraticabile.

Un’alternativa al metodo peened-in è il metodo della scarica capacitiva per attaccare i termometri di riferimento alla superficie. Abbiamo testato questo metodo alternativo confrontando le sue letture di temperatura con quelle di una termocoppia inserita e abbiamo scoperto che la deviazione media di temperatura tra i due è di 0,5°C (~1,1°F) in varie condizioni di accensione e di processo. Poiché questa deviazione è minima, ci siamo sentiti sicuri nell’utilizzare il metodo della scarica capacitiva per saldare le termocoppie di riferimento al butter-pad.
Nota: il riscaldatore a combustione presso il Centro di Ricerca e Sviluppo WIKA è ripetibile entro 0,5°C (1°F), in base ai numerosi test di benchmark e di profilazione eseguiti su questa unità.

Risultati del test: butter-pad su tubo nudo

Fig. 1: Butter-pad trasversale (a sinistra) e longitudinale su tubeskin, termografia IR (cliccare per ingrandire)

Prima di testare le termocoppie tubeskin installate su un butter-pad, abbiamo dovuto capire la distribuzione della temperatura dei butter-pad stessi. Utilizzando la scansione a infrarossi (IR), abbiamo scoperto che la temperatura della superficie di saldatura è costantemente superiore di circa 2,2°C rispetto al tubo nudo (vedi Figura 1). I risultati delle simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) corrispondono perfettamente ai dati dei test (cfr. Tabella 1).

Tabella 1: Temperatura del tubo nudo rispetto al butter-pad, termografia IR e simulazione CFD

La temperatura superficiale del butter-pad è risultata inferiore a quella prevista per un metallo con uno spessore di 0,196″ (5 mm). La scansione IR ha rivelato un valore di emissività di 0,67 che corrisponde alla temperatura, e questo è stato ulteriormente convalidato con il modello CFD della configurazione. La CFD è stata eseguita nuovamente, questa volta con un’emissività di 0,45 e 0,85, entrambe alla massima velocità di cottura, per comprendere l’impatto dell’emissività sulla temperatura superficiale.

Come previsto, quando il butter-pad è più lucido del tubo nudo, il suo valore di emissività più basso si traduce in una temperatura superficiale più fredda. È vero anche l’inverso: una superficie meno lucida (valore di emissività più alto) risulta in una temperatura superficiale più calda (vedi Tabella 2).

*al centro

È interessante notare che la temperatura del butter-pad non era uniforme su tutta la superficie. Piuttosto, la temperatura tendeva a essere più alta ai bordi e più fredda verso il centro (vedi Figura 2).

Fig. 2: Temperature del butter-pad con diversi orientamenti e valori di emissività, simulazione CFD

Variazione longitudinale con ε

• La variazione dai bordi al centro era più pronunciata con ε = 0,45 rispetto a ε = 0,85
• Variazioni massime e minime:
  -9.4°C (tra ε = 0,67 e ε = 0,45)
  -16°C (tra ε = 0,67 e ε = 0,85)
• Il centro è più freddo dei lati per tutti e tre i valori di emissività

Variazione trasversale con ε

• La variazione dai bordi al centro è stata meno pronunciata con ε = 0,45 rispetto a ε = 0,85
• Variazioni massime e minime: -15°C (tra ε = 0,67 e ε = 0,45) -13°C (tra ε = 0,67 e ε = 0,85)
• Il centro è più caldo dei lati a ε = 0,85 e più freddo dei lati a ε = 0,45

L’ultima simulazione CFD è stata effettuata per capire l’impatto delle condizioni di accensione più calde sulla temperatura del butter-pad rispetto alla temperatura della superficie nuda (vedi Tabella 3).

Tabella 3: Temperatura del tubo nudo e del butter-pad a diverse accensioni, simulazione CFD

Il modello CFD convalidato è stato utilizzato per simulare le condizioni di prova per le quali sono disponibili i dati di prova del prodotto per l’installazione del tubo nudo.

Risultati dei test: termocoppia installata sul butter-pad

Dopo aver analizzato e convalidato i dati di cui sopra, abbiamo eseguito simulazioni e test reali sulle prestazioni della nostra termocoppia saldata sul butter-pad. Questo ci ha permesso di capire l’impatto del butter-pad sulla precisione del sensore. I punti di prova MMBtu/ora sono stati mantenuti invariati per mantenere una base di confronto simile.

In primo luogo, abbiamo testato il prodotto, non schermato e schermato, su un tubo nudo (vedere Tabella 4).

Tabella 4: Deviazione di temperatura della termocoppia tubeskin non schermata rispetto a quella non schermata su tubo nudo

I dati mostrano che sia i sensori non schermati che quelli schermati sono precisi entro i limiti di tolleranza standard di errore (SLE) delle termocoppie sia per il rilascio di calore normale che per quello elevato.

In secondo luogo, abbiamo testato il prodotto, non schermato e schermato, installato su un butter-pad. (vedere Tabella 5).

Tabella 5: Deviazione di temperatura della termocoppia tubeskin non schermata rispetto a quella non schermata su un butter-pad

A giudicare dai dati, sia il prodotto non schermato che quello schermato leggono una temperatura superiore di ≥20°F quando sono installati su un butter-pad rispetto a un tubo nudo. Vale la pena ricordare che i prodotti utilizzati in questi test sono molto precisi quando vengono installati su tubi nudi; le termocoppie meno precise potrebbero subire una deviazione di temperatura ancora maggiore, a seconda del loro design.

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