METAGLAS^® Diseño de mirilla

En muchas instalaciones de procesamiento industrial, las fallas de las mirillas son una preocupación importante tanto para el personal de ingeniería como para el personal administrativo. Estas fallas son costosas porque interrumpen la producción y desperdician valiosos fluidos de proceso, además de los costos relacionados con la limpieza y las reparaciones.

En sólo tres incidentes recientes, dos que involucraron instalaciones de procesamiento químico y uno en una planta farmacéutica, las fallas en las mirillas fueron responsables de más de $67 millones en daños, además de $1.5 millones más en negocios perdidos. Sin embargo, más devastadoras fueron las pérdidas que no se pueden medir en dólares y centavos: en estos tres incidentes, 28 personas perdieron la vida.

En otra planta, un trabajador estaba inspeccionando un fluido de proceso a través de una mirilla cuando se agachó para recoger algo del suelo. En ese momento la mirilla falló catastróficamente, sin causa aparente ni aviso. El trabajador fue rociado con vidrios rotos y líquido cáustico caliente, lo que le provocó quemaduras de tercer grado en los brazos y el pecho. Tuvo suerte de que al inclinarse giró la cabeza para proteger su rostro y, lo más importante, sus ojos de la explosión.

Sin soluciones fáciles
Debido a incidentes como estos, algunas empresas han ordenado al personal operativo que retire completamente las mirillas de sus sistemas de proceso. Desafortunadamente, eliminar las mirillas sacrifica el control del proceso. Los diseñadores de procesos originales los especificaron por una buena razón: la seguridad adicional de determinar el nivel, inspeccionar el saneamiento, presenciar la mezcla, observar una reacción o verificar el flujo puede disminuir significativamente los riesgos de problemas graves de producción al permitir un control del proceso más preciso y oportuno.

El problema, entonces, es encontrar una manera de obtener los beneficios de poder ver el fluido del proceso sin arriesgar el costo y el peligro para los trabajadores involucrados en una falla de la ventana de vidrio. Hasta que los avances recientes en la tecnología de las mirillas hicieron posibles las mirillas esencialmente a prueba de fallas, las únicas opciones para los diseños de mirillas estándar eran menos que completamente efectivas para prevenir fallas costosas y, a menudo, significativamente menos efectivas que las ventanas estándar en términos de capacidades de observación del proceso. Entre los enfoques que se han explorado se encuentran el doble acristalamiento, el uso de ventanas de vidrio más pequeñas y más gruesas, el uso de ventanas con pantallas de refuerzo de metal o plástico externas o fundidas y ventanas laminadas. Sin embargo, ninguna de estas soluciones ha sido completamente exitosa y la mayoría ha impuesto limitaciones significativas para el personal operativo.

Volver a lo básico
El enfoque más eficaz para el uso de gafas de suspiro convencionales ha demostrado ser el más simple... y el más difícil: diseño adecuado, instalación adecuada y mantenimiento adecuado, o el uso del nuevo diseño de ventana pretensada mecánicamente cuando corresponda. Dada la aplicación y el mantenimiento adecuados de las ventanas de vidrio de borosilicato convencionales y, especialmente, con la disponibilidad de nueva tecnología, las mirillas ya no necesitan ser el eslabón más débil en un sistema de fluidos de proceso.

Para comprender los desafíos que enfrentan las mirillas y cómo se pueden hacer que sirvan y sobrevivan en aplicaciones de observación de procesos, así como cuándo y cómo se puede aplicar la nueva tecnología con buenos resultados, necesitamos revisar algunas de las características de las mirillas. en general.

Hay muchos tipos diferentes de vidrio, siendo el vidrio sodocálcico el que se utiliza en la mayoría de las aplicaciones no críticas. El vidrio templado de cal sodada, a menudo bajo la marca Pyrex, proporciona resistencia al choque térmico. En el uso industrial también encontramos a menudo cuarzo y zafiro; pero la opción más común para las mirillas, especialmente en el procesamiento químico, biotecnológico y farmacéutico, es el borosilicato. Entonces, para esta discusión, nos concentraremos en eso.

La mayoría de las características del vidrio de borosilicato que lo hacen tan atractivo para los diseñadores de sistemas de proceso se encuentran en sus especificaciones químicas y mecánicas básicas. Estos incluyen capacidades de temperatura de hasta 500 °F, resistencia a la corrosión de amplio espectro, baja expansión térmica y, por supuesto, la razón principal de su uso: el hecho de que es prácticamente incoloro y proporciona una excelente transparencia.

Otra característica importante del vidrio de borosilicato es su resistencia mecánica. La mayoría de la gente, incluso algunos ingenieros, no se dan cuenta de que el vidrio es uno de los compuestos más fuertes del mundo (¡incluso más fuerte que el acero en algunos aspectos!). La resistencia a la compresión del vidrio es excelente, alrededor de 200 mil libras por pulgada cuadrada, pero la resistencia a la tracción es aún más notable.

La resistencia a la tracción del vidrio virgen e intacto es de 1 millón de libras por pulgada cuadrada. El acero, por otro lado, tiene una resistencia a la tracción de sólo 60 mil libras por pulgada cuadrada. Podría resultar sorprendente, entonces, que una mirilla casi siempre falle bajo tensión de tracción y no durante la compresión. (En esto es similar al hormigón).

La razón de esta aparente anomalía es que el vidrio no es dúctil; no puede estirarse bajo tensión de tracción como lo hace el acero. Por lo tanto, incluso las imperfecciones más pequeñas en una ventana de vidrio crearán concentraciones de tensión alrededor de esas imperfecciones. De hecho, sólo el toque de un dedo puede reducir la resistencia a la tracción de un elemento de vidrio virgen de 1 millón de libras por pulgada cuadrada a 1 libras por pulgada cuadrada.

Desafortunadamente, otra característica básica de cualquier forma de vidrio reside en su modo de falla bajo tensión mecánica. Cuando falla, el fracaso suele ser repentino y catastrófico. Las investigaciones han demostrado que el vidrio se agrieta a 5 millas por segundo. Eso se traduce en algo del orden de Mach 24, ¡literalmente más rápido que una bala! A ese ritmo, podrías viajar de la ciudad de Nueva York a Los Ángeles y regresar en aproximadamente 15 minutos. (Sin comidas, sin películas).

Fracaso por diseño
Debido a esta extrema sensibilidad a las imperfecciones, existen varios factores que contribuirán a las fallas de las mirillas. El primero es el diseño inadecuado. Una brida de cubierta o brida de sujeción que sea demasiado delgada se doblará durante el ajuste de los pernos, creando una carga de flexión sobre el vidrio. Esto puede romper el vidrio, creando un peligro incluso antes de que el sistema esté en funcionamiento. Peor aún, esta situación puede fácilmente pasar desapercibida antes de la puesta en marcha, ya que las grietas pueden ser casi invisibles y la brida de la cubierta puede cubrirlas por completo. Incluso el
El uso de una brida del espesor adecuado puede causar grietas si tiene muy pocos pernos, creando así cargas puntuales debido a una compresión desigual sobre el vidrio.

Otro defecto de diseño más puede ser una junta de amortiguación que sea demasiado blanda o demasiado gruesa para una aplicación particular. Bajo presión, esto creará una carga de flexión en el vidrio que se traduce en tensión de tracción en la superficie del vidrio. También en este caso tenemos la posibilidad de que se genere una situación de peligro indetectable incluso antes del arranque.

Un tercer defecto de diseño, más evidente, es el espesor inadecuado del vidrio. Esto puede provocar fallas si la presión interna excede la capacidad de presión máxima del vidrio. Un espesor de vidrio mal especificado puede ocurrir como resultado del uso de un coeficiente incorrecto, una fórmula incorrecta o un cálculo incorrecto del diámetro del vidrio sin soporte.

Un defecto excepcionalmente difícil de descubrir en una mirilla es aquel que se crea durante la fabricación de los componentes de la mirilla. Por ejemplo, las pestañas inferior y superior, e incluso el vidrio, pueden no tener superficies planas y paralelas como resultado de una fabricación fuera de tolerancia. Estos defectos son difíciles de detectar en la planta simplemente porque la mayoría no son visibles a simple vista. Sin embargo, seguirán imponiendo una carga de flexión sobre el vidrio y harán que la falla sea un evento probable.

Errores costosos que se deben evitar
Si bien los defectos de diseño son una consideración importante, una causa aún más común de falla de una mirilla convencional es la instalación incorrecta. Un ejemplo de esto es apretar demasiado los pernos o aplicar un torque desigual. Ambos producen cargas de flexión sobre el vidrio y potencialmente pueden provocar grietas.

También con frecuencia los residuos atrapados crean un problema al reemplazar una ventana existente y las juntas viejas se han pegado a las bridas. Si alguno de estos escombros queda atrapado debajo de la nueva instalación, se produce una situación muy peligrosa. Incluso las partículas de suciedad más pequeñas o la acumulación de derrames de producto pueden ser suficientes para rayar, picar o doblar el vidrio mientras se instala.

En el mejor de los casos, reemplazar una mirilla de diseño estándar puede ser una experiencia difícil. En un caso reciente, un ingeniero jefe informó que se necesitaban cuatro piezas de vidrio convencional durante una instalación, en el mismo puerto de visión. Una ventana tuvo que ser retirada y desechada porque se descubrieron restos atrapados, dos más fueron víctimas de un exceso de torsión y una resultó dañada por un simple mal manejo.

La buena noticia en este caso fue que los cuatro errores causaron suficiente daño como para alertar al ingeniero sobre el problema. Si los daños hubieran sido más sutiles y hubieran pasado desapercibidos las circunstancias podrían haber sido mucho peores al inicio.

Errores de operación y mantenimiento
Una causa completamente evitable de falla del vidrio es el uso incorrecto y el mal manejo después de la instalación. Es un hecho incómodo que el borde de una mirilla es a menudo el único lugar práctico en la cabeza abombada de un recipiente donde una llave no se desliza hacia el suelo. Los inspectores suelen frotar el cristal con las manos enguantadas, dejando cada vez más pequeños arañazos que debilitan progresivamente el cristal. Y, por razones bastante incomprensibles, los trabajadores a veces golpean el vidrio con los dedos o con herramientas... tal vez pensando que esto de alguna manera acelerará o mejorará el procesamiento.

El hecho es que cualquier abrasión o impacto mecánico en una ventana de vidrio puede causar o preparar el escenario para una falla posterior. Podría crear arañazos o picaduras apenas visibles, o simplemente una ligera depresión en la superficie. Pero esto es suficiente para producir un punto de concentración de tensión. (Este efecto es esencialmente idéntico al que se utiliza cuando se corta vidrio. Un cortador de vidrio marca el vidrio, creando una pequeña depresión en la superficie. Luego, un momento de flexión rompe el vidrio a lo largo de la línea marcada).

Incluso los defectos demasiado pequeños para ser vistos a simple vista pueden crear estos puntos de concentración de tensión. Por sí mismos, por supuesto, los pequeños rayones e impactos pueden no causar una falla ya que se requiere una carga de flexión para abrir estas grietas, pero reducen significativamente las capacidades mecánicas del vidrio.

Otro mal uso común del vidrio ocurre a menudo durante el mantenimiento y la inspección cuando el vidrio se retira y luego se reemplaza... aunque sea con cuidado. Es absolutamente esencial para la seguridad y confiabilidad del sistema que cuando se retiran los discos y juntas de vidrio convencionales del conjunto de la mirilla, nunca se deben reutilizar. La fuente de esta directriz es nada menos que el fabricante más destacado de vidrio para uso industrial, incluido el borosilicato, Corning Glass Works. Su “Manual de uso y cuidado de la mirilla” dice específicamente que debido a que comprimir el vidrio entre dos bridas creará rayones y picaduras en el vidrio, los discos deben desecharse después de desarmar el conjunto de la mirilla. (Se puede solicitar una copia de este manual en línea en www.ljstar.com, en la biblioteca de literatura o comunicándose con el autor).

Fallas relacionadas con el servicio
Salvo un mal manejo en la instalación o el mantenimiento, la falla de la mirilla a menudo puede atribuirse a una de tres condiciones operativas: choque térmico, sobrepresión o corrosión/erosión del disco de vidrio... o las tres.

El choque térmico puede ocurrir de varias maneras. El primero, y el más común, es un caso en el que la temperatura ambiente es baja y el arranque del sistema provoca un rápido aumento de la temperatura. Si la superficie interior del vidrio se expande más rápido que la exterior y si el efecto es lo suficientemente grande, las superficies se moverán una contra otra hasta que el vidrio se rompa. Otro escenario de choque térmico ocurre durante la limpieza por lavado externo: en este caso, se rocía un líquido frío sobre una mirilla caliente, enfriando rápidamente la superficie exterior y creando tensión entre las superficies interior y exterior. El calor generado cuando se enciende y apaga una luminaria de alta potencia también puede provocar un choque térmico.

Un tipo menos obvio de choque térmico se llama sombreado. Esto sucede cuando la zona de vidrio que queda protegida y sellada por la junta y las bridas no está expuesta directamente al calor o frío del procesamiento. El área "sombreada" permanece más cerca de la temperatura ambiente, mientras que el área de visualización expuesta ve temperaturas cercanas a la del producto. Esta diferencia de temperatura dentro del vidrio producirá fuerzas opuestas que pueden exceder sus limitaciones. Una vez más, el resultado es el fracaso.

La falla de la mirilla debido a una sobrepresurización es más común de lo que uno podría pensar. Aunque existen dispositivos de seguridad para aliviar un aumento peligroso de presión, es posible que no eliminen el estallido inicial de presión lo suficientemente rápida o completamente como para evitar daños a la mirilla.

También es común la degradación del vidrio durante un período de tiempo debido a la corrosión y la erosión. Los productos químicos, o incluso simplemente el agua,
corroer el vidrio hasta cierto punto: es inevitable. La resistencia superior al ataque químico es una de las principales razones por las que el vidrio de borosilicato es el material de mirilla preferido en la mayoría de los servicios. Un tipo similar de degradación es la erosión, el desgaste continuo por fricción del producto del proceso que se mueve contra el vidrio. La erosión y/o corrosión, con el tiempo, dañarán el vidrio y lo debilitarán considerablemente. El único recurso es la inspección periódica y el reemplazo cuando sea necesario.

Un enfoque alternativo
Una alternativa cada vez más popular a las ventanas de vidrio estándar es el uso de vidrio pretensado mecánicamente, un nuevo diseño que evita la mayoría de los modos de falla de las ventanas estándar por sus características de diseño inherentes.

Una ventana pretensada mecánicamente consta de un anillo de acero inoxidable que rodea un disco de vidrio de borosilicato. El anillo de acero aplica una compresión radial uniforme al vidrio, lo cual es la clave de su éxito. Para lograr este fenómeno, deben suceder varias cosas durante el proceso de fabricación. Primero, durante el proceso de calentamiento, el anillo metálico se expande mientras el vidrio se funde dentro del vacío del anillo metálico. Luego, la temperatura se eleva hasta la temperatura en la que el vidrio y el anillo de metal se fusionan.

A continuación, se enfría la unidad y el vidrio se endurece. A medida que continúa el enfriamiento, el anillo de metal intenta volver a reducirse a su tamaño teórico, pero el vidrio endurecido evita que esto ocurra. El vidrio también se contrae al enfriarse, pero a un ritmo más lento que el anillo de metal, ya que tiene un coeficiente de expansión más bajo. De esta manera se logra el resultado deseado; el anillo metálico está en tensión y el vidrio está en compresión radial uniforme.

La razón por la que esta compresión radial mejora el rendimiento del vidrio es que evita que la tensión de tracción afecte al vidrio. Esto sucede porque es casi imposible que la tensión de tracción supere la fuerte tensión de compresión. En otras palabras, el vidrio casi nunca se expandirá más allá de su estado natural. En efecto, entonces, bajo fuertes fuerzas de compresión el vidrio se vuelve elástico.

El anillo metálico también contribuye a la resistencia a fallos de una ventana pretensada mecánicamente, ya que aísla eficazmente el elemento de vidrio de cualquier efecto que pueda provocar el montaje. Cuando se instala una ventana mecánicamente pretensada, la presión de sellado se aplica al anillo metálico, no al vidrio.

Como resultado, el anillo metálico prácticamente elimina los peligros comunes de imponer cargas de flexión destructivas al apretar demasiado los pernos, por el diseño inadecuado de la brida o junta de la cubierta o por la inclusión de residuos atrapados. El efecto es similar al de sujetar una barra de metal en un tornillo de banco. El anillo de acero de la ventana pretensada mecánicamente está intercalado entre dos bridas metálicas. Por supuesto, se coloca una junta de sellado delgada entre los dos, pero a todos los efectos prácticos tenemos contacto de metal con metal sin tensión sobre el vidrio.

Por supuesto, fuerzas de flexión aún más fuertes pueden extenderse más allá del anillo metálico hasta el vidrio. Y bajo tal estrés, si no se comprimiera, el vidrio simplemente se rompería. Pero mientras la fuerza de compresión del anillo de acero sea mayor que la tensión de tracción sobre el vidrio, el vidrio seguirá siendo elástico y capaz de tolerar la fuerza de flexión. Llevado al extremo, a medida que aumenta la fuerza de flexión, la tensión de tracción finalmente excederá la fuerza de compresión. Pero ni siquiera entonces la ventana pretensada mecánicamente se rompe. Lo que finalmente sucede es que la superficie se estira más allá de su capacidad elástica y comienzan a desarrollarse pequeñas grietas, generalmente muy cerca de la superficie. Estas grietas pueden interferir con la visibilidad, pero la integridad de la ventana no se ve comprometida. El vidrio subterráneo todavía está bajo tensión de compresión y puede soportar las presiones para las que fue diseñado.

La sobrepresurización crea una situación similar. La presión en un lado del vidrio crea una tensión de tracción en el lado opuesto. Por lo general, las tensiones de tracción no superan las tensiones de compresión. Sin embargo, en el improbable caso de que la sobrepresión sea tan grande, tal vez 30 veces su presión de diseño, las fuerzas de tracción superan las fuerzas de compresión. En este caso, el vidrio se inclina ligeramente hacia afuera. La superficie exterior se estira y el resultado es el mismo que cuando se aplica presión de flexión: hay grietas en la superficie exterior pero el disco permanece completamente hermético sin sacrificar su integridad.

La posibilidad de daños inducidos térmicamente en una ventana pretensada mecánicamente también es mínima. Un cambio repentino de temperatura desarrolla tensiones de compresión en las zonas calientes y tensiones de tracción en las zonas más frías, como ocurriría en las ventanas de vidrio normales. Sin embargo, la elasticidad del vidrio comprimido permite un mayor movimiento sin agrietarse y, además, el efecto disipador de calor del anillo metálico ayuda a proteger el vidrio de las excursiones térmicas.

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En conclusión
La conclusión a la que se debe llegar tras un examen minucioso de la experiencia actual con mirillas convencionales en aplicaciones de observación de procesos es que sus beneficios casi siempre superan con creces los riesgos que imponen, pero con

Esta importante condición: debe darse por sentado que la mirilla estará diseñada, instalada y mantenida adecuadamente. De lo contrario, puede producirse una situación muy costosa y potencialmente peligrosa.

Además, cada vez está más claro que, por razones tanto de seguridad como de ahorro de costes de mantenimiento continuo, se deberían considerar las ventanas pretensadas mecánicamente para muchas aplicaciones. Entre estas se encuentran aplicaciones donde el valor del producto que se perdería o contaminaría por una falla en la mirilla es significativo, donde un derrame de fluido de proceso causaría un problema de regulación ambiental o peligroso, donde las mirillas deben retirarse periódicamente para su limpieza o acceso. , donde podrían estar involucradas presiones y/o temperaturas elevadas, o cuando el costo de una interrupción del servicio sería significativo.