Mejores Prácticas De Filtrado Para La Medicíon Precisa De Tubos De Hornos A Fuego

La termografía es una herramienta de inspección sin contacto ideal para tubos dentro de un horno de refinado de petróleo en funcionamiento. Sin embargo, realizar mediciones de temperatura a través de llamas es un desafío. Afortunadamente, las nuevas técnicas de filtrado mejoran la precisión de dichas mediciones.

La inspección de los tubos dentro de un horno de refinado de petróleo en funcionamiento es crítica para maximizar la seguridad, la eficiencia y la duración. Sin embargo, tomar imágenes infrarrojas (IR) y realizar mediciones de temperatura a través de los gases calientes en un horno en funcionamiento es un desafío. La solución es una cámara óptica de imágenes de gas equipada con un filtro especial que permite a los inspectores tomar medidas precisas dentro de hornos activos.

En la industria petroquímica, el procesamiento de crudo en otros productos implica calentarlo a temperaturas superiores a 400 °C utilizando hornos. Esto se hace normalmente bombeando por los tubos dentro de hornos, en donde los quemadores calientan los tubos y el petróleo en ellos en consecuencia. Es fundamental tener un buen control de la temperatura de la superficie a lo largo de los tubos. Si algunas partes están demasiado calientes por 50 °C, los tubos diseñados para durar entre 20 y 25 años podrían fallar en cinco años. Por otro lado, operar un horno demasiado frío puede reducir significativamente la eficiencia del sistema, lo que provoca un menor rendimiento

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VISTA DENTRO DE UN HORNO

Por lo tanto, es importante mirar más allá del gas caliente y medir la temperatura de los tubos. Una forma de medir es utilizando un termopar, un sensor de temperatura conectado al tubo. Aunque proporcionan información útil, los termopares solo pueden medir la temperatura del punto en donde están conectados. Debe confiar en que la temperatura es constante alrededor del termopar ya que no detectará picos de calor cercanos (vea la Fig. 1).

Fig. 1. Los termopares de los tubos no detectan las zonas más calientes cercanas, que parecen más brillantes en esta imagen, solo miden su propia temperatura local.

Una cámara de horno puede ver un área más grande de tubos y medir el calor dentro del área la imagen. Si hay variaciones de temperatura de una parte del tubo a otra, la cámara puede detectarlo.

Los quemadores que calientan un horno generan vapores y gases que la mayoría de las cámaras IR no pueden ver claramente. Sin embargo, las cámaras termográficas especiales con filtros espectrales pueden ver a través de estos, midiendo las variaciones de temperatura en los tubos que hay detrás de ellas.

DENTRO Y FUERA

¿Qué podría causar dichas variaciones? Hay dos procesos que pueden interferir con la transferencia suave de calor de las llamas del quemador a través del tubo hacia el petróleo interior. Una se denomina incrustación, cuando el calor excesivo provoca la formación de una capa de óxido en la superficie externa del tubo. Estas capas de óxido pueden variar en emisividad, ser delgadas o gruesas, absorber calor y tener una conductividad deficiente, lo que limita la transferencia de calor a los tubos. Estas áreas parecen más calientes en la imagen IR aunque en realidad mantienen el proceso demasiado frío bloqueando el paso de algo de calor al tubo (vea la Fig. 2).

Fig. 2. La incrustación en los tubos produce un aspecto irregular, tanto en luz infrarroja como visible. Las áreas con bordes definidos que aparecen calientes en la termografía no se sobrecalientan.

Aunque la incrustación provoca un sobrecalentamiento aparente, otro problema diferente, el coque, provoca un sobrecalentamiento real. El coque se genera por un aumento localizado de la temperatura que puede descomponer el petróleo crudo en carbono e hidrógeno. Mientras el hidrógeno sigue el flujo de petróleo, el carbono puede adherirse y acumularse en áreas localizadas en la superficie interna de los tubos. La acumulación impide el flujo de petróleo –que normalmente transporta parte del calor del tubo a medida que fluye– y hace que esa sección del tubo se caliente demasiado.

Supongamos que está mirando una sección de tubo que generalmente tiene 400 °C. Puede haber un área pequeña con una temperatura aumentada de 450 °C en algún lugar del tubo frente a los quemadores. Normalmente es el lado de frente a los quemadores porque se someten más directamente al calor, por lo que es más probable que aparezcan allí la incrustación y el coque. En una imagen térmica, esa zona más caliente tendrá claramente un color diferente al del tubo circundante. Sin embargo, ¿cómo sabemos si un sobrecalentamiento de este tipo es de incrustación o coque?

DISTINGUIR LA DIFERENCIA

Debido a que el coque y la incrustación son dos problemas diferentes –uno que provoca un sobrecalentamiento aparente mientras que el otro provoca un sobrecalentamiento real–, es importante poder diferenciarlos. La incrustación suele indicarse mediante un gradiente térmico nítido y generalmente con un aspecto irregular que puede verse en la luz visible y en la imagen IR. Si el patrón visible coincide con el patrón IR, es probable que el problema sea incrustación. El coque normalmente muestra un gradiente térmico más suave en la imagen IR –generalmente llamado “brillo fantasma”– que no corresponde a ninguna característica visible en la superficie del tubo (vea la Fig. 3). Distinguir la diferencia y cuantificar las variaciones de temperatura requiere una imagen de buena calidad. Para adquirir dicha imagen, las cámaras IR utilizan filtros que pueden eliminar el calor de los vapores y gases de la imagen, esencialmente viendo a través del horno hasta los tubos. Sin un filtrado adecuado, la imagen puede parecer opaca. La opacidad puede degradar significativamente la precisión de la medición de temperatura y dificultar la detección de áreas sobrecalentadas como resultado del coque o la incrustación.

Fig. 3. Las áreas de los tubos que sufren de coque en el interior muestran bordes blandos y un “brillo fantasma” en la termografía, lo que indica áreas reales de los tubos más calientes que podrían estar sobrecalentadas.

Una cámara termográfica puede tener un detector InSb con un filtro que solo pasa radiación con una longitud de onda de 3.9 μm. A esa longitud de onda, el vapor y los gases del horno emiten poca o ninguna radiación, por lo que son funcionalmente invisibles, y la mayoría de los fotones recolectados por el detector provienen de otros objetos detrás del vapor. El detector y ese filtro están contenidos en la parte de la cámara que se enfría por debajo de 70 Kelvin para reducir el ruido y el autocalentamiento del filtro que afectaría negativamente a la imagen y la precisión.

Estas cámaras también pueden tener un filtro de reducción de densidad neutro fuera del área refrigerada que elimina un cierto porcentaje de radiación en un amplio rango de longitudes de onda para evitar la sobresaturación del detector a altas temperaturas de escena. Sin embargo, esta configuración puede continuar con problemas con un fenómeno no deseado llamado dispersión de luz: el exceso de radiación que llega al detector.

DISPERSIÓN INDESEADA

La dispersión de luz no es un gran problema en muchos tipos de mediciones térmicas, especialmente cuando el objeto que se mide está más caliente que el área circundante. Sin embargo, en los hornos, el área circundante suele estar mucho más caliente que los propios tubos, lo que puede provocar problemas. La dispersión de luz ocurre cuando los fotones IR se reflejan en varias superficies y viajan por caminos no deseados. Puede provenir del campo de visión de la cámara o de objetos calientes fuera del campo de visión, como un quemador. La dispersión de luz puede rebotar dentro de la cámara hasta que llega al detector, creando un efecto opaco que reduce la calidad de la imagen y afecta a la precisión de las mediciones de temperatura (vea la Fig. 4).

Fig. 4. Un cuerpo negro cálido con un filtro de densidad neutra (imagen superior) muestra un aspecto opaco debido a la dispersión de luz. El mismo objeto visto a través de una abertura (imagen inferior) es mucho más nítido. Nota: la opacidad de la imagen superior se ha ampliado para ilustrar más visualmente la diferencia

UN NUEVO ENFOQUE

Para resolver el problema de dispersión de luz, se pueden sustituir poruna abertura los filtros de densidad neutra. La abertura es una placa de aluminio con un pequeño orificio y bloquea un gran porcentaje de la radiación, al igual que un filtro de densidad neutra. La placa está recubierta en ambos lados con IR black, un revestimiento que absorbe la radiación IR. La dispersión de luz que golpea el exterior de la abertura se absorbe para que no rebote más en la cámara. Una ventaja adicional de la abertura es que aumenta la profundidad de campo de la cámara, de modo que se pueden enfocar al mismo tiempo más partes de los tubos. Esto permite al termógrafo inspeccionar una franja más ancha de tubos a la vez (vea la Fig. 5).

Fig. 5. Estas imágenes se tomaron a través de la misma ventana de observación, una con una abertura (imagen inferior) y otra con un filtro de densidad neutra (imagen superior). El lateral de la ventana de observación, a lo largo del lado derecho de cada imagen, tiene un enfoque más claro con la abertura. (Crédito: Mikael Cronholm)

Por supuesto, el calor de varios cientos de grados Celsius procedente de un horno sería suficiente para fundir no solo el revestimiento IR black, sino también la propia cámara. Por lo tanto, la cámara debe funcionar siempre con un escudo térmico frontal y una ventana frontal adicional de protección que suprima las longitudes de onda no deseadas.

LOS LÍMITES DE MEDICIÓN

En una prueba reciente, se señaló una cámara a través del puerto de inspección de un horno en un radiador de cuerpo negro con una temperatura y emisividad conocidas en el otro lado del horno. El uso de una abertura con recubrimiento reduce el error de medición a la mitad, suprimiendo eficazmente la dispersión de luz. Otros factores también afectan a la precisión de la medición. Funciona mejor con gas natural de combustión limpia que alimenta los quemadores ya que las variaciones en los hornos o impurezas en el combustible pueden cambiar las longitudes de onda emitidas por los vapores, lo que introduce errores.

El puerto de inspección impone otra limitación, básicamente una mirilla en el lateral del horno. Los hornos tienen muros de medio metro de espesor para retener el calor y los puertos tienden a ser pequeños. Apuntar la cámara directamente hacia el puerto proporciona solo una vista de frente, lo que limita el área para obtener de la imagen. Los usuarios pueden agregar un extensor de lente, un dispositivo delgado que se ajusta en la mirilla y se puede desplazar para ver más tubos, lo que aumenta la probabilidad de encontrar cualquier problema.

UNA HERRAMIENTA ÚTIL

Las cámaras termográficas son una herramienta importante para recopilar mediciones de temperatura de los tubos dentro de los hornos utilizados para el refinado de petróleo y petroquímico, proporcionando mediciones más detalladas que los termopares. Aunque ver a través de los gases en un horno puede ser un desafío, es importante que se haga con precisión, dado que las temperaturas de los tubos tan solo a 50 grados Celsius más altas pueden reducir significativamente la duración de los tubos.

Elegir la configuración de filtro adecuada puede afectar a la precisión de la medición y ayuda a los usuarios a distinguir entre incrustación externa y el coque interno. El uso de un filtro de densidad neutra alivia el problema de sobresaturación del detector pero no elimina la dispersión de luz que puede rebotar en el detector y crear una imagen opaca y menos útil. Una nueva técnica se basa en una abertura, un pequeño orificio en una placa de aluminio recubierta con IR black para absorber la dispersión de luz antes de que pueda llegar al detector.

Al elegir la configuración de filtro adecuada y considerar otros factores que puedan afectar la exactitud, como la pureza del gas combustible y la eficiencia del quemador, los inspectores de hornos pueden evaluar qué tan bien funciona el proceso y detectar problemas antes de crear gastos adicionales.