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Spawanie i ciecie gazowe Leon Mistur GENERADORES DE ACETILENO Y SU EQUIPAMIENTO 1. CONOCIMIENTOS GENERALES Generador de acetileno se denomina al conjunto de equipos que sirven para producir y almacenar instantáneamente acetileno. El generador de acetileno esta formado por dos partes principales: El cuerpo (recipiente principal) y el cierre hidráulico. El cuerpo de un generador – casi en todos los generadores – esta constituido por tres recipientes; Recipiente de agua (para el enfriamiento de las cámaras de reacción y descomposición del carburo de calcio). Recipiente de carburo de calcio (caja o canastillo). Recipiente de gas (espacio donde se almacena el acetileno producido). El cierre hidráulico, es uno de los componentes más importantes del generador de acetileno para el soldeo o corte seguro de metales. Como accesorios, también se clasifican a; el limpiador, empleado principalmente en los generadores de acetileno estacionarios. En los países industrializados, cada generador es examinado detalladamente por organizaciones técnicas altamente especializadas y solo después de haber pasado pruebas con resultados satisfactorios, un generador de acetileno puede ser puesto en servicio. Los generadores fabricados en serie, son marcados por un representante de la organización encargada de controlar este tipo de equipos y no puede en ningún caso ser modificado en su construcción sin la previa autorización de estas organizaciones. 2. CLASIFICACIÓN DE LOS GENERADORES DE ACETILENO Los generadores de acetileno se clasifican tomando en cuenta: El mayor rendimiento constante m3/h La máxima presión kg¢m2 (bar)
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Su forma de funcionamiento, es decir, la forma en que se lleva a cabo la reacción del carburo de calcio con el agua. Su tamaño – transportable o estacionario El mayor rendimiento constante, es el mayor caudal de acetileno en m3/h, a una presión de 0,1 MPa (14,5 PSI) y temperatura de 15 ºC, que puede ser conseguido cumpliendo los requerimientos de seguridad. En algunos países, los generadores usados son de: 0,4, 1,0, 2,5, 10, 16, 25, 40, 100 y mas m3/h. Dependiendo de la máxima presión permitida, los generadores se dividen en: Generadores de baja presión – con presiones máximas permitidas hasta 10 kPa (0,1 Bar) Generadores de alta presión – con presiones máximas permitidas entre 10 – 150 kPa (0,1 – 1,5 Bar)
Dependiendo de la forma de funcionamiento se diferencian en: De vertiente (A), donde el carburo de calcio es derramado al agua Fig. 12ª. Por goteo (B), en el cual, el agua cae sobre el carburo de calcio Fig. 12b. De desplazamiento (C), en el cual el acetileno a elevadas presiones en el generador, desplaza el agua a un espacio aislado, separando el agua del carburo de calcio Fig. 12c. Seco (D), en el cual, como resultado de la reacción del carburo de calcio con el agua, se produce un polvo seco.
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Fig. 12. Esquema de generadores de acetileno: a) De vertiente, b) Por goteo, c) De inmersión (o desplazamiento) 1- Recipiente de carburo de calcio, 2- Tornillo sin fin (alimentador), 3Salida de gas, 4- Parrilla para carburo de calcio, 5- Caja de carburo de calcio, 6- Válvula de control de agua, 7- Válvula de alimentación de agua hacia el carburo de calcio, 8- Canastillo de carburo de calcio, 9- Espacio de desplazamiento de agua. Dependiendo de su tamaño se diferencian en: Transportables (P) donde la carga de carburo de calcio puede ser realizado de una vez hasta 10 kg, además pueden ser transportados de un lugar a otro. Estacionarios (S) en los cuales se puede cargar de una sola vez, más de 10 kg de carburo de calcio, además están ubicados en instalaciones separadas de donde el acetileno es distribuido a través de conductos a los puestos de trabajo. Las personas que operan los generadores de acetileno, deben conocer exactamente todas las instrucciones y funcionamiento, así mismo deben conocer las reglamentaciones de seguridad. Los generadores de acetileno deben ser manipulados solamente por personas debidamente preparadas y mayores de 18 años.
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3. FUNCIONAMIENTO DE LOS GENERADORES Durante la reacción exotérmica del carburo de calcio con el agua, en el generador se desprende gran cantidad de calor. Polimerización, es el proceso de unión en altas temperaturas de algunos pedazos del compuesto inicial polimerizador en pedazos del mismo compuesto químico, pero de mayor masa molecular. Los compuestos formados de esta manera se denominan polímeros (por ejemplo el benzol C6H6 es un polímero del acetileno C2H2). El acetileno puro polimeriza a temperaturas mayores a 300 ºC e incluso a presiones insignificantes formando compuestos químicos (hidrocarburos complejos) los cuales en altas temperaturas pueden provocar explosiones. Por esto, en el generador de acetileno debe ser controlado el nivel de agua, el cual debe existir aproximadamente 10 litros por cada kilogramo de carburo de calcio, con objeto de enfriar suficientemente el acetileno producido en el generador. El acetileno después de ser formado, es un gas contaminado y por esto tiene mayor tendencia a polimerizar, a temperaturas entre 115 – 120 ºC. Por esta razón es necesario controlar y no permitir que en ninguna parte del generador se presente la temperatura del gas mayor a 100 ºC y durante el trabajo normal del generador la temperatura del agua refrigerante no debería sobrepasar los 60 ºC. Los síntomas de la fase inicial de la polimerización del acetileno en el generador, puede observarse en el calcio resultante, el cual se presenta seco de coloración amarillenta, ligeramente grisácea y de olor desagradable. Por efecto de la operación incorrecta del generador, puede ser producido acetileno en cantidades mayores a la que puede ser almacenado en el recipiente de gas. La causa de este fenómeno es la gran cantidad de agua que entra en reacción con el carburo de calcio, entonces el acetileno se desprende hacia el exterior del generador a través de la válvula de alivio por sobre-presión. La sobreproducción de acetileno es un fenómeno dañino y peligroso, puesto que se desperdicia una cierta cantidad de acetileno, por otro lado
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el acetileno que se desprende puede formar con el aire una mezcla explosiva. GENERADORES DE ACETILENO DE ALTA PRESIÓN Son los más empleados, debido a que estos alimentan los puestos de trabajo con acetileno a altas presiones. Pueden ser fácilmente reconocidos por su construcción cerrada y porque poseen en la parte superior un manómetro para indicar la presión del acetileno y una válvula de seguridad por sobre-presión. Los generadores de alta presión producen acetileno a presiones hasta de 150 kPa (1,5 Bar). La compresión de acetileno en generadores sobre los 150 kPa no es permitido, puesto que el acetileno comprimido por encima de este límite, fácilmente se descompone y se corre el peligro de explosiones. La válvula de seguridad en los generadores de alta presión debe empezar a funcionar a presiones de 135 kPa. GENERADORES MOVILES DE ALTA PRESION El generador de la Fig. 17 es de una capacidad de 0,5 kg de carburo de calcio y sirve para trabajar con sopletes de bajo rendimiento. El máximo rendimiento del generador es de 300 Lts/hr y es empleado para efectuar trabajos de soldadura blanda (soldering), soldadura fuerte (brazing) y soldeo de láminas delgadas de acero.
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Fig. 17 Esquema de un generador de acetileno móvil de alta presión El generador de la Fig. 17 es de contacto, porque el carburo de calcio cargado en el canastillo 1 entra en contacto con el agua que se encuentra en el recipiente 2, el cual alcanza la altura del indicador de control de nivel de agua 3 en el interior del generador. El contacto del canastillo 1 con el agua se produce por el accionamiento del mango 4. El acetileno producido es almacenado en el recipiente 5 y por el conducto de gas 6 fluye hacia el cierre hidráulico 7 y seguidamente por el conector 8 se dirige hacia el soplete. A presiones elevadas en el generador, el acetileno presiona sobre el agua y lo bombea hacia la cámara lateral del recipiente a través del orificio 11 y de esta forma se produce la separación del agua del carburo de calcio. El generador de acetileno, es herméticamente cerrado por la parte superior con la tapa 10, en la cual se ubican; un manómetro y una válvula de seguridad. CIERRE HIDRAULICO Todos los generadores de acetileno empleados para la soldadura o corte deben estar equipados con cierres hidráulicos. La función que cumplen
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estos, es el de proteger al generador de retornos de llama o mezclas de acetileno y oxígeno. El retorno de llama o mezclas se produce por la mala operación de los sopletes y pueden provocar accidentes peligrosos. En base a exámenes especiales se determinó que la presión a tiempo de la explosión de la mezcla acetileno-oxígeno es cientos de veces mayor que la presión inicial y puede alcanzar en los cierres de baja presión hasta 10 MPa (100 Bar) y en los cierres hidráulicos de alta presión hasta 50 MPa. Debido a que la presión en el momento de explosión actúa un corto lapso de tiempo (0,04 a 0,001 segundos) esta no provoca ningún desperfecto en el cierre hidráulico. Cada cierre hidráulico debe poseer una certificación que autorice su empleo, otorgado por organizaciones técnicas encargadas del control de éste tipo de equipos, por ejemplo en algunos países como prueba de esto, llevan un sello en una de las esquinas de la placa de fábrica. Los cierres hidráulicos al igual que los generadores, se dividen en: cierres hidráulicos de baja y alta presión. Además se diferencian cierres hidráulicos para centrales (principales) y de red, dependiendo de su lugar de servicio, estacionarios-principales o si están instalados en puestos de trabajo de red o generadores móviles individuales. CIERRE HIDRAULICO DE ALTA PRESION
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Fig. 24 Esquema de un cierre hidráulico de alta presión: a) cierre hidráulico durante el trabajo normal, b) a tiempo del retorno de llama. El acetileno del generador fluye hacia el cierre hidráulico por medio del conducto de gas 3, por la válvula anti-retorno 4. Luego de pasar por los orificios de la capucha 5 y por la capa de agua, el acetileno se almacena en la parte superior del cierre hidráulico y por intermedio del conector 6 fluye por una manguera hasta el soplete. En el caso de presentarse retorno de llama (Fig. 24b) los gases resultantes – que poseen mayor presión- cierran la válvula de retención 4, cortando la alimentación de acetileno hasta el cierre hidráulico. Los gases resultantes escapan al exterior del cierre hidráulico por medio del conector 6 luego de abrir la válvula de acetileno en el mango del soplete. El tapón 1 del cierre hidráulico sirve para llenar el agua. Con objeto de asegurar el correcto funcionamiento del cierre hidráulico, es necesario antes de empezar todo el trabajo, controlar minuciosamente el estado del nivel de agua en el cierre hidráulico con la ayuda del tapón
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de control 2. Esta operación se recomienda realizar no solamente antes del inicio del trabajo, sino varias veces en un día. El control del nivel agua en los cierres hidráulicos de alta presión se lleva a cabo de la misma forma que en los de baja presión. Teniendo en cuenta los reglamentos de seguridad (de otros países) de un cierre hidráulico puede consumir acetileno solamente un soldador. Ampliar conectores adicionales de consumo de gas de un cierre hidráulico está categóricamente prohibido. En invierno y en trabajos a la intemperie existe el peligro de congelamiento de los cierres hidráulicos. Para evitar esto, se recomienda el uso de agentes químicos que bajan la temperatura de congelamiento del agua hasta -10 ºC, como ser una mezcla de 30% de glicerina técnica y 70% de agua. 6. VALVULAS DE SEGURIDAD Las válvulas de seguridad son empleadas solamente en generadores de acetileno de alta presión. En los generadores de baja presión la función de las válvulas de seguridad cumplen los conductos de seguridad (de sobre medida) ubicados en el interior del recipiente de gas y que sobresale al exterior del recipiente. El papel que cumplen las válvulas de seguridad es la de permitir el escape de exceso de presión de acetileno hacia la atmósfera, en caso de que la presión en el generador de acetileno suba a más de 150 kPa. Una válvula de seguridad que trabaje eficientemente debería empezar a actuar a una presión de 135 kPa. A una presión de 150 kPa debería producirse la completa abertura de la válvula y a la presión de 120 kPa un completo cierre.
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En la Fig. 26, se presenta la sección de una válvula de seguridad para un generador portátil de una capacidad de 6 m3/h.
Fig. 26 Sección de una válvula de seguridad para generadores portátiles de alta presión tipo ZB-6. 1. Asiento de válvula 2. Diafragma de goma 3. Capuchón 4. Resorte 5. Sello de goma 6. Palanca para el soplado de la válvula.
Los generadores de acetileno ENHA-1 y 2 tienen similar construcción y se diferencian solamente entre ellos en que el generador ENHA-1 tiene una sola cámara de reacción y el generador ENHA-2 tiene dos cámaras de reacción Fig. 18. Este tipo de generadores son económicos y son los mas frecuentemente usados para trabajos de soldadura. Pertenecen al
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grupo de generadores transportables con capacidad de generación hasta 200 litros de acetileno por hora y pueden estar provistos de cierre hidráulico con dos conectores para consumo de acetileno. Un cierre hidráulico de este tipo debe estar provisto de una placa adicional con numeración ODT, que fue permitido para trabajar con dos conectores de gas. En este caso, pueden simultáneamente conectarse dos soldadores.
Fig. 19. Esquema de funcionamiento de un generador de acetileno tipo ENH-2 El esquema de un generador ENHA-2 se presenta en la Fig. 19. El agua del recipiente principal 1 fluye a través del regulador de presión de agua 2 y válvula 3 hacia la cámara de reacción 4, donde baña al carburo de calcio almacenado en una caja 5. El acetileno producido fluye por el conducto de gas 6 hacia el recipiente principal 1 y seguidamente por el conducto de salida 7 y por el cierre hidráulico 9 de donde es alimentado hacia el soplete. El llenado de agua al recipiente principal 1 se realiza del recipiente de reserva 10, al cual llega un conducto de gas el cual esta conectado con el
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recipiente de gas. En la parte superior del recipiente de gas se encuentra montado un manómetro 11 así como una válvula de alivio por sobrepresión 12. El nivel de agua se controla con la válvula 14. El regulador de presión 9 sirve para mantener el flujo constante de gas durante la soldadura y se encuentra ajustado a una presión constante de 20 kPa independientemente de la presión fluctuante dentro del generador de acetileno. El agua que fluye hacia el carburo de calcio es regulada a través del regulador de presión 2, el cual automáticamente abre el paso de agua a una presión del acetileno de 60 kPa y cierra a una presión de 80 kPa. Después de consumir el carburo de calcio en una de las cajas se dirige el agua hacia la segunda caja, realizando el cambio de posición del mango 13 de la válvula de agua.
Fig. 18. Generador de acetileno transportable de alta presión ENHA-2
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VII. FLAMA OXIACETILENICA Y SOPLETES PARA SOLDAR 1. PROPIEDADES DE LA FLAMA OXIACETILENICA La flama oxiacetilénica se produce a la salida del inyector del soplete de soldadura, luego del suministro al soplete de una mezcla de gases – acetileno y oxígeno u oxígeno y otro gas combustible. Las características que presenta una flama oxiacetilénica son: Alta temperatura, la cual alcanza 3100 ºC a una distancia entre 2 a 8 mm de la punta del dardo, en función al tamaño de la boquilla, lo cual permite un rápido calentamiento y fusión del material soldado. Las propiedades reductoras de los gases (zona desoxidante de la flama) Facilidad de regulación precisa de la flama, esto es, la consecución de una relación apropiada de acetileno y oxígeno. Con objeto de conseguir una flama oxiacetilénica se alimenta al soplete oxígeno y acetileno en proporciones adecuadas. En una flama regulada como normal (neutral) no debería existir una demasía de oxígeno ni de acetileno, de tal manera que la relación teórica de estos dos gases, debería ser 1:1. Pero en la práctica, el consumo de oxígeno es algo mayor, puesto que para cada litro de acetileno se consume aproximadamente 1,2 litros de oxígeno. Una flama oxiacetilénica forma tres zonas, de las cuales cada una presenta una composición química (Fig. 68).
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Fig. 68. Diagrama calorífico de una flama oxiacetilénico y distribución de zonas Dos zonas; el dardo y la cola son visibles y entre ellas existe una tercera zona invisible, denominada zona desoxidante o reductora. Dardo. La formación del dardo en la flama es un fenómeno producido por la desintegración del acetileno en carbono e hidrógeno por la influencia de las altas temperaturas. El carbono se combustiona en atmósfera de oxígeno y forma a la salida del inyector del soplete un cono radiante. Zona desoxidante. Las moléculas candentes de carbono se combustionan (en la periferia del dardo) en monóxido de carbono CO, en atmósfera de oxígeno suministrado del botellón, el cual con el hidrógeno proveniente de la desintegración del acetileno, forma la zona desoxidante de la flama. En la flama se encuentra no solamente hidrógeno molecular H2, también una cierta cantidad de hidrógeno atómico (H). Entonces la
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reacción de combustión del acetileno en la zona desoxidante se produce según la ecuación; 2 2 C2 H 2 O2 2CO H 2 H Q 3 3
La zona desoxidante se compone en promedio de 60% de CO, 20% H2 y 20% H. Los gases de esta zona, forman la zona reductora de la flama y posibilitan el contacto del lago de metal fundido con el oxígeno y nitrógeno del aire con la condicionante de que el soplete sea manipulado correctamente durante la soldadura y además se encuentra apropiadamente regulado. Cola. En esta zona de la flama se produce la combustión de los gases de la segunda zona, en esto el dióxido de carbono reacciona con el oxígeno del medio ambiente y forma dióxido de carbono. El hidrógeno reacciona con el oxígeno y forma vapor de agua (H2O). El balance térmico de una flama oxiacetilénica normal de reacción química completa, tal como se lleva a cabo durante la combustión del acetileno en tres zonas particulares, con oxígeno tomado del botellón y del aire ambiental, se lleva a cabo como sigue: 2 2 MJ H 2 H 297,26 3 3 mol
Zona 1.
C 2 H 2 O2 2CO
Zona 2:
2 1 MJ H H 2 150,72 3 3 mol
Zona 3:
2CO O2 4 N 2 C 2 O 2 N 2 242,83
MJ mol
(combustión completa) H 2 0,5O2 2 N 2 H 2 O 2 N 2 242,83
Total
MJ mol
1260,21
MJ mol
Regulación de la flama. Una regulación exacta de la flama y el manipuleo correcto del soplete durante la soldadura tienen una influencia
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importante en la soldadura. La Fig. 69 presenta las características de la flama oxiacetilénica de regulación normal (neutral), con exceso de acetileno y con exceso de oxígeno. La demasía de acetileno se puede reconocer fácilmente en la flama debido a que la punta del dardo de alarga y se forma al final del dardo una especie de escoba (Fig. 69b), y la cola tiene una coloración como el de una vela. La demasía de oxígeno en la flama se reconoce porque el dardo es corto y tiene la forma de un cono afilado (Fig.69c). La flama se torna fuertemente ruidosa de coloración claro violeta, Un soplete correctamente regulado debería presentar una flama sin exceso de oxígeno y sin exceso de acetileno. El exceso de acetileno en la flama o el contacto con el dardo del metal fundido (Fig. 69b) provoca la carburación de la soldadura, con lo cual se consigue una soldadura dura y frágil. El exceso de oxígeno en la flama (Fig. 69c) o que el metal soldado se encuentre a una distancia muy alejada del dardo, influye en la oxidación de la soldadura y la misma resulta con propiedades de resistencia mecánica disminuidas. La parte mas caliente de la flama no es aprovechada, lo cual implica mayor tiempo de soldeo.
Fig. 69. Formas de flama oxiacetilénica: a) flama normal, b) flama con demasía de acetileno, c) flama con demasía de oxígeno. Durante la soldadura, el soplete debería estar ubicado de tal manera que la zona de mayor temperatura (3100 ºC) se encuentre a una distancia entre 2 a 8 mm de la superficie soldada. La ubicación correcta del soplete y regulada adecuadamente, nos da una garantía de una buena soldadura, incluso cuando no se tiene una práctica suficiente de soldeo. 2. SOPLETES DE ALTA Y BAJA PRESION PARA SOLDAR
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El soplete para soldar es una herramienta en el cual se produce una mezcla exacta de los gases (por ejemplo acetileno y oxígeno), luego del cual la mezcla de estos gases se combustionan a la salida del inyector, formando una flama oxiacetilénica. El soplete para soldar debería brindar una garantía completa de seguridad de trabajo así como debería ser práctico en su uso. Los sopletes para soldar se pueden dividir (PN-80/M69180) y según diferentes criterios, por ejemplo tomando en cuenta: En función a la aplicación en: o Soplete para soldar – símbolo PS o Soplete para corte de metales – símbolo PC o Soplete iniversal
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Como se define un generador de acetileno? Generador de acetileno se denomina al conjunto de equipos que sirven para producir y almacenar instantáneamente acetileno. De que partes consta un generador de acetileno?? El generador de acetileno esta formado por dos partes principales: El cuerpo (recipiente principal) y el cierre hidráulico. El cuerpo de un generador – casi en todos los generadores – esta constituido por tres recipientes;
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Recipiente de agua (para el enfriamiento de las cámaras de reacción y descomposición del carburo de calcio). Recipiente de carburo de calcio (caja o canastillo). Recipiente de gas (espacio donde se almacena el acetileno producido).
Que se toma en cuenta para clasificar a los generadores de acetileno? Los generadores de acetileno se clasifican tomando en cuenta: El mayor rendimiento constante La máxima presión Su forma de funcionamiento, es decir, la forma en que se lleva a cabo la reacción del carburo de calcio con el agua. Su tamaño Dibujar y describir el funcionamiento de un generador de acetileno de alta presión por inmersión (desplazamiento o de contacto) Para que sirve el cierre hidráulico de un generador de acetileno?? Cual es la función que cumple la válvula de seguridad en un generador de acetileno? El papel que cumplen las válvulas de seguridad es la de permitir el escape de exceso de presión de acetileno hacia la atmósfera, en caso de que la presión en el generador de acetileno suba a más de 150 kPa. Una válvula de seguridad que trabaje eficientemente debería empezar a actuar a una presión de 135 kPa. A una presión de 150 kPa debería producirse la completa abertura de la válvula y a la presión de 120 kPa un completo cierre. Cuales son las características que presenta una llama oxiacetilénica? Las características que presenta una flama oxiacetilénica son: Alta temperatura, la cual alcanza 3100 ºC a una distancia entre 2 a 8 mm de la punta del dardo, en función al tamaño de la boquilla, lo cual permite un rápido calentamiento y fusión del material soldado.
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Las propiedades reductoras de los gases (zona desoxidante de la flama) Facilidad de regulación precisa de la flama, esto es, la consecución de una relación apropiada de acetileno y oxígeno. Dibujar y describir el diagrama calorífico de una flama oxiacetilénica Fig. 68. Diagrama calorífico de una flama oxiacetilénico y distribución de zonas
Escribir las reacciones químicas que se producen en las tres zonas de una flama oxiacetilénica: 2 2 MJ H 2 H 297,26 3 3 mol
Zona 1.
C 2 H 2 O2 2CO
Zona 2:
2 1 MJ H H 2 150,72 3 3 mol
Zona 3:
2CO O2 4 N 2 C 2 O 2 N 2 242,83
MJ mol
(combustión completa) H 2 0,5O2 2 N 2 H 2 O 2 N 2 242,83
Total
MJ mol
1260,21
MJ mol
