Tubi della Caldaia Spiegati

Cosa sono i tubi della caldaia?

In tutte le caldaie, il calore viene trasferito dall'interno dei tubi all'esterno (caldaie a tubi di fiamma), oppure dall'esterno dei tubi all'interno (caldaie a tubi d'acqua). Il numero di tubi all'interno di una caldaia varia da centinaia a migliaia in una singola caldaia, a seconda delle dimensioni e del design della caldaia. Lo scopo principale dei tubi della caldaia è trasferire il calore prodotto dalla combustione del carburante in acqua o vapore.

Tubi della Caldaia a Tubi di Fiamma e a Tubi d'Acqua

Nota – ‘tubo d'acqua’ può essere scritto anche come ‘tubo-d'acqua’, o ‘tubo di acqua’, ma le varianti significano tutte la stessa cosa.
Nota – ‘tubo di fiamma’ può essere scritto anche come ‘tubo-di-fiamma’, o ‘tubo di fiamma’, ma le varianti significano tutte la stessa cosa.
Nota - per facilitare la comprensione e la familiarizzazione, questo articolo utilizza una miscela di ortografie per entrambe le caldaie a tubi di fiamma e a tubi d'acqua.

Tipi di Tubi della Caldaia

Una caldaia può avere diversi tipi di tubi per soddisfare vari requisiti di riscaldamento. Il tipo di tubo utilizzato dipende dal design della caldaia e dalla posizione del tubo all'interno della caldaia. 

• Tubi economizzatori – per preriscaldare l'acqua di alimentazione.
• Tubi surriscaldatori – per surriscaldare il vapore oltre il suo punto di saturazione.
• Tubi evaporatori – per la conversione dell'acqua in vapore (dove avviene l'evaporazione).
• Tubi di sostegno – per il trasferimento di calore e per aggiungere resistenza strutturale alla caldaia.
• Tubi alettati – per aumentare la superficie di trasferimento del calore.

Nota – il termine ‘surriscaldamento’ si riferisce al processo di trasferimento di calore sensibile al vapore saturo per aumentare la sua temperatura e quindi la quantità di energia che il vapore contiene.

Nota – i tubi di sostegno sono progettati appositamente non solo per trasferire calore ma anche per rafforzare la struttura interna della caldaia. I tubi di sostegno sono più spessi dei tubi normali, fornendo ulteriore supporto strutturale alla caldaia.

Designazioni dei Tubi della Caldaia a Tubi d'Acqua

Design dei Tubi della Caldaia

I tubi della caldaia sono progettati per soddisfare rigorosi standard di sicurezza e efficienza , richiedendo specifici requisiti di design e materiale. A differenza dei tubi ordinari, i tubi della caldaia spesso hanno pareti più spesse e mancano di saldature longitudinali, migliorando la loro resistenza e integrità sotto condizioni di alta pressione e alta temperatura. I tubi della caldaia sono solitamente prodotti senza saldature per evitare punti deboli che potrebbero causare guasti sotto stress. I tubi della caldaia sono fabbricati in stretta conformità con specifici standard internazionali. Ad esempio, ASTM A192 fornisce specifiche standard per tubi in acciaio al carbonio ad alta pressione.

Design delle Caldaie a Tubi d'Acqua e a Tubi di Fiamma

Disposizione dei Tubi della Caldaia

La disposizione dei tubi all'interno di una caldaia è scelta in base a vari fattori, tra cui il tasso di trasferimento del calore, la caduta di pressione, la complessità di fabbricazione e l'efficienza desiderata.

Disposizione dei Tubi della Caldaia a Tubi d'Acqua

Di seguito sono elencate alcune disposizioni comuni dei tubi della caldaia:

• Disposizione a Tubo Sfalsato – questa configurazione posiziona i tubi in un modello sfalsato, migliorando il tasso di trasferimento del calore grazie all'aumento della turbolenza nel flusso del fluido.
• Disposizione in Linea o a Griglia – i tubi sono disposti in un modello a griglia regolare. Sebbene offra facilità di fabbricazione e pulizia, può risultare in una minore efficienza di trasferimento del calore rispetto alle disposizioni sfalsate.
• Disposizione a Quadrato Ruotato – i tubi sono posizionati in un modello quadrato ma ruotati ad un angolo. Questa disposizione può migliorare il trasferimento di calore interrompendo il flusso del fluido più efficacemente rispetto a un layout a griglia standard.
• Disposizione a Passo Triangolare – i tubi sono disposti in un modello triangolare, che massimizza il numero di tubi in un'area data, portando a tassi di trasferimento del calore più elevati.

Esempi di Passo dei Tubi

Confronto tra Tubi e Tubi della Caldaia

I tubi della caldaia differiscono significativamente dai tubi standard in diversi modi:

• Spessore della Parete – i tubi della caldaia hanno tipicamente pareti più spesse per resistere alle grandi pressioni interne a cui saranno sottoposti (le caldaie delle centrali elettriche operano tipicamente a pressioni superiori a 160 bar (2.400 psi) e temperature superiori a 540⁰C (1.000⁰F).
• Misurazione – a differenza dei tubi, che sono misurati dal loro diametro interno, i tubi della caldaia sono misurati dal loro diametro esterno.

Tubo con Saldatura Longitudinale

Cause di Guasto dei Tubi della Caldaia

I guasti dei tubi della caldaia sono tra le principali cause di arresto delle caldaie, con diverse ragioni sottostanti:

• Surriscaldamento – la causa più comune di guasto dei tubi. Può verificarsi a causa di accumulo di incrostazioni all'interno dei tubi, che agisce come uno strato isolante, o a causa di flusso inadeguato di acqua o vapore (raffreddamento inadeguato), o da errori operativi come sovra-alimentazione, dove un eccesso di carburante aumenta la temperatura della caldaia oltre i limiti di sicurezza.

Incrostazioni all'interno di un Tubo della Caldaia

Nota – le incrostazioni all'interno dei tubi della caldaia a tubi d'acqua causano un flusso del fluido di processo (acqua o vapore) a una velocità aumentata, riducendo anche il tasso di trasferimento del calore del tubo. Una riduzione del tasso di trasferimento del calore causa una riduzione dell'efficienza e una maggiore probabilità di surriscaldamento localizzato (i tubi della caldaia a tubi d'acqua e a tubi di fiamma sono raffreddati dal fluido di processo).

• Corrosione – può degradare il metallo del tubo sia internamente che esternamente, innescata da fattori come trattamento dell'acqua scadente o esposizione ambientale a sostanze chimiche e gas.
• Erosione – consuma il materiale del tubo dall'esposizione continua a fluidi in movimento o particelle, specialmente nelle caldaie a carbone ad alto contenuto di cenere.
• Stress Meccanico – causato da pressione, espansione termica, e vibrazione, che può portare a fatica e eventuale guasto dei tubi della caldaia.
• Difetti del Materiale – difetti di fabbricazione o incoerenze del materiale possono portare a guasti prematuri dei tubi della caldaia sotto stress operativi normali.

Riparazione e Manutenzione dei Tubi

Il processo di riparazione dei tubi della caldaia coinvolge tipicamente la saldatura (una tecnica utilizzata per fondere il metallo insieme attraverso calore intenso). Data la complessità e l'alta abilità richiesta, la saldatura è solitamente eseguita da saldatori certificati.

Vari Tipi di Saldature

Tipi di Riparazione dei Tubi della Caldaia

I quattro modi più comuni di riparare i tubi della caldaia sono:

• Cladding – questo comporta l'applicazione di uno strato di materiale di saldatura per ispessire e rafforzare le aree indebolite.
• Chiusura della Rottura – in caso di rotture dei tubi, l'area danneggiata è spesso saldata dopo aver riallineato i bordi.
• Riparazione a Finestra – una sezione gravemente danneggiata del tubo può essere tagliata e sostituita con un nuovo pezzo, garantendo continuità e integrità.
• Chiusura con Tappi – eseguita nei casi in cui il danno è impossibile da riparare con altri mezzi. Con questo metodo, tappi realizzati con materiale adatto sono inseriti in entrambe le estremità del tubo danneggiato, isolandolo idraulicamente.

IMPORTANTE: Non è consigliato operare una caldaia con più del 10% dei suoi tubi chiusi con tappi. 

Manutenzione Preventiva dei Tubi della Caldaia

Seguire il piano di manutenzione preventiva raccomandato dal produttore della caldaia è importante per mantenere la caldaia e le sue parti interne in condizioni ottimali. I piani di manutenzione preventiva includono solitamente quanto segue:

• Controllo della chimica dell'acqua e del vapore (molto importante!)
• Ispezioni visive esterne a intervalli programmati, ad esempio ogni 4 ore o giornalmente, ecc.
• Ispezioni visive interne a intervalli programmati, ad esempio ogni 6 mesi.
• Ispezioni dei tubi della caldaia e aggiornamento delle mappe dei tubi della caldaia (queste elencano la condizione di ciascun tubo all'interno della caldaia).
• Campionamento del carburante.
• Campionamento dei gas di scarico.
• Ispezioni termografiche.
• Ispezioni del refrattario.

Si prega di notare che questi sono solo alcuni dei compiti richiesti per mantenere una caldaia industriale funzionante correttamente!

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