Refractarios y aislamiento para calderas

El revestimiento refractario de una caldera es un sistema diseñado

El revestimiento de una caldera rara vez se compone de un único material. La cara caliente debe resistir la radiación de la llama, los gases de combustión, las cenizas, los depósitos y las operaciones de limpieza, mientras que la capa de respaldo controla la transmisión de calor hacia la envolvente. Los morteros, anclajes, juntas de dilatación, interfaces con las paredes de tubos, aberturas de quemadores, puertas y pasos deben funcionar conjuntamente con ambas capas. Sustituir un componente por un producto con una mayor resistencia térmica no corrige una química incompatible, una dilatación mal prevista, anclajes deteriorados ni un procedimiento de secado inadecuado.

El material refractario protege y conforma el recinto de combustión, pero no constituye la barrera de presión de la caldera. La integridad de tubos, calderines, virolas, colectores, válvulas y dispositivos de protección debe evaluarse conforme a los requisitos del fabricante de la caldera y al régimen de inspección aplicable a los equipos a presión. No cubra indicios de corrosión, fisuras o fugas en componentes sometidos a presión con material refractario de reparación.

Funciones de los materiales en el revestimiento de una caldera

Materiales densos para la cara caliente, las juntas y las reparaciones

Los productos densos son adecuados cuando el revestimiento debe conservar su forma y resistir la exposición directa a la combustión o el desgaste mecánico. Por lo general, acumulan y conducen más calor que los aislamientos de fibra, por lo que su elevada clasificación térmica no debe interpretarse como prueba de una baja conductividad térmica.

La temperatura por sí sola no determina la idoneidad. Compare la densidad aparente, la porosidad aparente, la resistencia mecánica, la variación lineal permanente, la conductividad térmica y la resistencia frente a las cenizas o depósitos reales. Un revestimiento de circón no debe utilizarse para cubrir juntas de movimiento, recuperar el espesor perdido del revestimiento ni ocultar un soporte en mal estado.

Productos de aislamiento flexible, sellado e instalación

Las mantas tienen una densidad publicada de 128 kg/m³, pero el espesor del aislamiento debe calcularse mediante un análisis de transferencia térmica que utilice los datos de conductividad térmica a las temperaturas medias correspondientes. Incluya todas las capas del revestimiento, las juntas, los anclajes metálicos, la envolvente, las condiciones ambientales y la temperatura exterior admisible de la superficie. La temperatura máxima de una manta no permite predecir la temperatura de la envolvente.

El adhesivo y el rigidizador son productos auxiliares, no sustitutos de los anclajes diseñados ni de una cara caliente refractaria duradera. Rigidizar una superficie de fibra no la hace apta para el impacto directo de la llama, la erosión intensa por partículas ni las cargas estructurales. La empaquetadura cuadrada de fibra de vidrio está clasificada para 550 °C y no debe elegirse para una ubicación más caliente únicamente porque otros productos de la categoría tengan clasificaciones superiores.

Selección de materiales según el tipo de caldera

Calderas pirotubulares y de envolvente

Puede haber material refractario en las gargantas de los quemadores, los frontales del hogar, las cámaras de inversión, las puertas y las transiciones del recorrido de los gases. Las reparaciones deben conservar el acceso, las holguras de los extremos de los tubos, la dilatación y la geometría de combustión original. Inspeccione las placas tubulares adyacentes, las zonas de tirantes y las superficies de la envolvente antes de ocultarlas tras el nuevo material refractario. Un defecto localizado del revestimiento puede ser el resultado visible de una llama desalineada, una fuga de gases o un movimiento en la interfaz entre el metal y el refractario.

Calderas acuotubulares

Las calderas acuotubulares pueden utilizar material refractario en las piezas de salida de los quemadores, las esquinas del hogar, los colectores, los suelos, las aberturas de inspección y las zonas no totalmente protegidas por paredes de membrana. El movimiento de los tubos y la dilatación diferencial son factores fundamentales. No cubra rígidamente las holguras previstas ni aplique material de reparación sobre componentes sometidos a presión sin seguir las especificaciones del diseñador de la caldera. Los gases a gran velocidad y las cenizas volantes pueden requerir una cara caliente más resistente a la erosión que el aislamiento de respaldo protegido.

Calderas de biomasa y residuos de madera

La humedad y el tamaño de las partículas del combustible, la corteza, la contaminación y el control de la combustión afectan a la temperatura del hogar y a la formación de depósitos. Las cenizas de biomasa pueden contener álcalis, cloruros y otros componentes que favorecen la formación de escoria, la vitrificación o la penetración química en el refractario. Las parrillas, las zonas de entrada del combustible, las soleras y las áreas de descarga de cenizas también están sometidas a desgaste mecánico. Realice la selección a partir de los análisis del combustible y las cenizas, el historial de funcionamiento y el examen del revestimiento deteriorado, no solo por la clasificación térmica.

Zonas de quemadores en calderas de gasóleo y gas

Las zonas que rodean los quemadores están expuestas a un calor radiante concentrado y a una elevada velocidad local de los gases. El hormigón refractario o la pieza conformada deben conservar la geometría y las holguras especificadas por los fabricantes del quemador y de la caldera. La modificación del perfil de la garganta puede alterar la forma de la llama, la recirculación y la distribución del calor. Investigue las fisuras o quemaduras recurrentes utilizando los datos de puesta en marcha del quemador; un refractario con una clasificación térmica superior no corregirá una llama mal ajustada o que incida sobre el revestimiento.

Reparación de calderas domésticas y de combustible sólido

La masa refractaria moldeable y el mortero compatible pueden utilizarse en reparaciones limitadas cuando el fabricante del equipo lo permita y el revestimiento conservado esté en buen estado. No utilice materiales refractarios genéricos para modificar conductos de aire de combustión, dimensiones del hogar, deflectores o holguras. Las calderas modernas de condensación y los sistemas de combustión patentados suelen requerir componentes específicos del modelo y procedimientos de mantenimiento concretos en lugar de refractarios aplicados in situ.

Selección de materiales según la zona de la caldera

Temperatura y composición química del combustible y las cenizas

Registre varias temperaturas en lugar de basarse en un único punto de consigna de la caldera: temperatura de los gases de combustión, temperatura local de la cara caliente, temperatura en cada interfaz del revestimiento y temperatura exterior de la envolvente. La superficie orientada hacia la llama puede experimentar picos locales que no quedan reflejados por un sensor de gases general. Del mismo modo, una clasificación refractaria de 1600 °C o 1700 °C no significa que la caldera esté diseñada o autorizada para funcionar a esa temperatura.

La composición química de las cenizas puede ser tan importante como la temperatura máxima. Los álcalis, cloruros, compuestos de azufre, cenizas de combustibles líquidos con vanadio y depósitos de bajo punto de fusión pueden reaccionar con el revestimiento o penetrar en él. Las condiciones oxidantes y reductoras pueden alternarse durante el arranque, la parada o una combustión deficiente. Solicite los datos técnicos actualizados del refractario propuesto y, para aplicaciones industriales exigentes, compárelos con análisis de laboratorio del combustible, las cenizas, los depósitos o el material deteriorado.

Los recorridos de gases posteriores pueden ser más fríos, pero químicamente más agresivos si el metal o el revestimiento descienden por debajo del punto de rocío del agua o de los ácidos. Un material que funciona correctamente en una cámara de combustión seca no es necesariamente adecuado para condensados ácidos húmedos. Determine la temperatura y la composición química de cada ubicación en lugar de utilizar un único material en todo el recorrido de los gases.

Anclajes, dilatación y espesor del revestimiento

Los anclajes deben diseñarse según el espesor del revestimiento, la densidad del material, el gradiente térmico, la temperatura de la aleación, la separación, la orientación y el movimiento previsto. Inspeccione los anclajes conservados después de la demolición; la oxidación oculta, la deformación o el fallo de las soldaduras pueden hacer inseguro un parche que, por lo demás, parezca correcto. El adhesivo para fibras no sustituye a la fijación mecánica cuando se requieren anclajes.

Disponga juntas de dilatación e interfaces compresibles conforme al diseño original o a una solución de reparación calculada. Los huecos de dilatación rellenos de mortero, los cordones excesivamente comprimidos y los parches rígidos que atraviesan interfaces móviles de tubos o envolventes pueden transmitir tensiones y provocar fisuras o desplazamientos. Conserve las holguras de los quemadores, sensores, registros de inspección y tubos para permitir la dilatación.

Instalación, curado y secado controlado

Retire el material suelto hasta llegar a un refractario firme y determine si el daño es local o forma parte de un fallo más amplio. Registre las capas del revestimiento, las dimensiones, los anclajes, las juntas y las aberturas antes de la demolición. Prepare los soportes, instale los encofrados y proteja los componentes sometidos a presión conforme al procedimiento de trabajo aprobado.

Para el hormigón refractario, mida con precisión el agua limpia, mezcle con equipos limpios, coloque el material dentro de su tiempo de trabajabilidad y compáctelo sin provocar segregación. El exceso de agua puede aumentar la porosidad, la contracción y la cantidad de humedad que debe eliminarse. Los morteros para ladrillos deben utilizarse con el espesor de junta especificado; no son productos para rellenar grandes huecos. La masa refractaria moldeable requiere una colocación o un apisonado sistemáticos sobre un soporte firme y correctamente preparado.

El curado y el secado controlado son etapas independientes. El material ligado químicamente debe desarrollar primero la unión prevista; después, la humedad libre y combinada debe eliminarse progresivamente. Un calentamiento rápido puede generar presión interna de vapor, fisuras o desprendimientos explosivos. Establezca el programa a partir de las instrucciones del producto, el espesor de la reparación, el volumen total que contiene agua, la configuración del revestimiento, la ventilación y los límites de arranque del fabricante de la caldera. Un periodo de secado a temperatura ambiente no autoriza un encendido inmediato a plena carga.

Inspección y mantenimiento

• Controle la evolución de la temperatura de la envolvente: compare las mediciones con cargas y condiciones ambientales equivalentes e investigue los puntos calientes nuevos o que estén aumentando.
• Inspeccione la cara caliente: registre las juntas abiertas, los ladrillos desplazados, las fisuras, los desprendimientos, la vitrificación, la penetración química y la pérdida de sección.
• Revise las zonas de los quemadores: compruebe si hay incidencia de la llama, gargantas erosionadas, cambios de geometría y daños térmicos alrededor de las aberturas.
• Evalúe los anclajes y las interfaces: los anclajes expuestos, deformados o corroídos y las fisuras recurrentes en las interfaces metálicas pueden indicar un fallo más profundo.
• Examine las juntas: sustituya los cordones o empaquetaduras endurecidos, deshilachados, comprimidos de forma irreversible o que ya no mantengan el cierre especificado.
• Inspeccione por separado los componentes sometidos a presión: el estado del refractario no demuestra la integridad de tubos, calderines, envolventes, colectores ni dispositivos de protección.
• Documente el trabajo: conserve los datos del lote del producto, la ubicación, el espesor, la adición de agua, la instalación, el curado, el secado controlado y la inspección posterior al arranque.

Las fisuras menores y estables no siempre requieren una sustitución inmediata, mientras que una grieta estrecha asociada al movimiento, al paso de gases calientes o al fallo de un anclaje puede ser importante. Evalúe la ubicación, la profundidad, la anchura, la evolución temporal y el estado situado tras la cara caliente. Los fallos repetidos requieren un análisis de la causa raíz en lugar de sucesivos parcheados superficiales.

Seguridad de los equipos a presión y del mantenimiento

En las calderas utilizadas en centros de trabajo de Gran Bretaña, los sistemas a presión sujetos a regulación deben disponer de límites de funcionamiento seguros y de un programa escrito de inspección adecuado conforme a las Pressure Systems Safety Regulations 2000. La inspección reglamentaria no sustituye al mantenimiento periódico, y el mantenimiento del refractario no sustituye a la inspección del sistema a presión. Los trabajos deben coordinarse, según corresponda, con el propietario o usuario de la caldera, la persona competente y el fabricante del equipo.

Antes de acceder al equipo o iniciar una demolición, aísle y bloquee de forma segura las fuentes de energía procedentes del combustible, la electricidad, los sistemas mecánicos, el vapor, el agua caliente y la presión. Enfríe, drene y ventile el equipo mediante un sistema de trabajo seguro aprobado, y determine si se requieren medidas de control para espacios confinados y pruebas atmosféricas. Los almacenes de combustible de biomasa pueden presentar riesgos específicos por monóxido de carbono y falta de oxígeno.

Revise las fichas de datos de seguridad vigentes y realice una evaluación COSHH específica de la tarea antes de cortar, mezclar, pulverizar, barrer o retirar productos refractarios y de fibra. Utilice sistemas adecuados de supresión o extracción de polvo, así como la protección respiratoria, ocular y cutánea especificada. Las calderas y salas de calderas antiguas pueden contener aislamientos, cordones, juntas, revestimientos o placas de amianto; compruebe la presencia de amianto antes de manipular los materiales existentes.

Preguntas frecuentes

¿Qué materiales refractarios se utilizan en las calderas?

Las calderas pueden utilizar ladrillos refractarios densos u hormigón refractario en la cara caliente, mortero compatible en las juntas de los ladrillos, masa refractaria moldeable para reparaciones definidas y fibra detrás de la cara caliente para proporcionar aislamiento o absorber movimientos. La combinación correcta depende del diseño y de la zona de la caldera.

¿Debo utilizar ladrillo u hormigón refractario en una caldera?

La fábrica de ladrillo proporciona piezas y juntas controladas, además de facilitar la sustitución localizada. El hormigón refractario forma piezas monolíticas alrededor de quemadores, puertas e interfaces complejas, pero requiere anclajes adecuados, una mezcla precisa, curado y secado controlado. Muchos revestimientos de calderas utilizan ambos.

¿El hormigón refractario grado 1600 es un material aislante?

Es un hormigón refractario denso destinado a la cara caliente y a funciones estructurales del revestimiento. Su clasificación de 1600 °C no lo hace equivalente a un aislamiento de fibra de baja densidad. Utilice datos medidos o publicados de conductividad térmica para diseñar la capa aislante.

¿Puedo utilizar el producto con mayor resistencia térmica en toda la caldera?

No. Una clasificación térmica superior no garantiza la conductividad térmica, el comportamiento frente al choque térmico, la resistencia a la abrasión, la compatibilidad con las cenizas ni la capacidad de absorber movimientos necesarias. Especifique cada zona según su exposición real y su función mecánica.

¿Qué diferencia existe entre las mantas de fibra de 1200 °C, 1260 °C y 1430 °C?

Son tipos de fibra distintos, con diferentes temperaturas máximas publicadas. La selección también requiere datos de contracción, conductividad térmica, densidad, clasificación y manipulación para el servicio continuo previsto. No elija el producto únicamente por la temperatura destacada.

¿Puede exponerse una manta de fibra cerámica directamente a la llama de una caldera?

Solo si se verifica el diseño completo para la temperatura local, el patrón de la llama, la velocidad de los gases, la composición química y el sistema de fijación. Una manta flexible que funciona correctamente como aislamiento de respaldo protegido puede erosionarse o contraerse si se expone como cara caliente sin soporte.

¿Para qué se utiliza el rigidizador de fibra cerámica?

Endurece la superficie exterior de la fibra cerámica compatible y puede reducir una erosión superficial limitada. No convierte la manta en un refractario estructural ni la hace adecuada para una incidencia intensa de la llama del quemador. Su temperatura publicada es de 1000 °C.

¿Puede el adhesivo para fibra cerámica sustituir a los anclajes del revestimiento de la caldera?

No cuando el diseño requiere retención mecánica. El adhesivo puede complementar una solución de unión especificada, pero el tipo, la aleación, la separación y la instalación de los anclajes deben soportar las cargas del revestimiento y permitir los efectos de la temperatura y el movimiento.

¿Puede utilizarse una empaquetadura cuadrada de fibra de vidrio para sellar la puerta de una caldera?

Puede ser adecuada cuando la sección, la compresión, la disposición del cierre y la exposición requeridas se mantienen dentro de su clasificación de 550 °C. Confirme el perfil de junta especificado por el fabricante de la caldera y no la utilice en una ubicación más caliente o expuesta directamente a la llama sin pruebas que avalen su idoneidad.

¿Qué mortero refractario debe utilizarse con ladrillos refractarios?

Adapte el mortero a la composición química del ladrillo, la temperatura, el método de fraguado y el espesor de junta especificado. Silcas A y Vitset 45 tienen distintas clasificaciones publicadas y pueden estar destinados a aplicaciones diferentes. El mortero es un producto para juntas, no un sustituto del espesor de ladrillo perdido.

¿Puede una masa refractaria moldeable reparar un revestimiento de caldera agrietado?

Puede reparar una zona definida cuando el refractario conservado, los anclajes y el soporte estén en buen estado. Retire el material suelto, determine la causa y siga el método especificado de preparación, compactación y calentamiento. No aplique parches sobre componentes a presión dañados.

¿Por qué se agrieta el refractario de una caldera?

Entre las causas se incluyen los ciclos térmicos, la dilatación restringida, el exceso de agua durante la instalación, un secado demasiado rápido, anclajes deteriorados, la incidencia de la llama, el ataque químico, las vibraciones y el movimiento en las interfaces metálicas. La anchura de la grieta por sí sola no permite determinar la causa ni la reparación necesaria.

¿Por qué es necesario un programa de secado controlado del refractario?

Los hormigones y morteros refractarios retienen humedad de instalación. Si se calientan demasiado rápido, la presión del vapor puede agrietar el revestimiento o provocar desprendimientos explosivos. El secado debe adaptarse al producto, al espesor, al volumen total de la reparación, a la ventilación y a las restricciones de arranque de la caldera.

¿Qué provoca un punto caliente en la envolvente de la caldera?

Entre las posibles causas se encuentran la ausencia o compresión del aislamiento, las juntas abiertas, el refractario agrietado, los anclajes deteriorados, el paso de gases calientes y la incidencia de la llama del quemador. Compare las temperaturas con cargas similares, inspeccione el revestimiento y compruebe el sistema de combustión antes de elegir una reparación.

¿Necesitan las calderas de biomasa un refractario diferente?

Es posible. Las cenizas de biomasa pueden contener álcalis y cloruros, mientras que la variabilidad del combustible afecta a la temperatura, la formación de escoria y los depósitos. Las parrillas y los sistemas de manipulación de cenizas añaden desgaste mecánico. Utilice análisis del combustible y las cenizas, así como el historial de funcionamiento, para determinar las condiciones reales de servicio.

¿Puede un revestimiento refractario evitar todas las formas de corrosión de una caldera?

No. El rendimiento del revestimiento depende del soporte, la aplicación, la temperatura y la composición química específica. Un revestimiento de circón no puede proteger componentes a presión ocultos, compensar una condensación ácida ni recuperar un revestimiento estructuralmente inestable sin pruebas que lo respalden.

¿La reparación del refractario hace que una caldera cumpla la normativa sobre equipos a presión?

No. El mantenimiento del refractario y el cumplimiento de la normativa sobre equipos a presión son cuestiones independientes. Una caldera sujeta a regulación y utilizada en un centro de trabajo debe tener límites de funcionamiento seguros definidos y someterse a inspecciones conforme a un programa escrito adecuado, además de recibir mantenimiento periódico y utilizarse de forma segura.

¿Qué información se necesita para especificar el revestimiento de una caldera?

Facilite el fabricante y el modelo de la caldera, el tipo de caldera, los análisis del combustible y las cenizas, los planos, las temperaturas de funcionamiento y de situaciones anómalas, los datos del quemador, la velocidad de los gases, la composición del revestimiento existente, el mapa de daños, el estado de los anclajes, el objetivo de temperatura de la envolvente, el tiempo de parada disponible y las condiciones necesarias de curado y secado controlado.