Noticias

Aug 15, 2023

Eficiencia en el consumo de gas de protección

Nota del editor: este es el primero de un artículo de dos partes que analiza el blindaje

Nota del editor: Este es el primero de un artículo de dos partes que analiza la eficiencia del gas de protección. La segunda parte también aparece en thefabricator.com.

Aunque el argón es el gas de protección más utilizado para aplicaciones de electrodos de alambre sólido, muchos gerentes y soldadores entienden poco acerca de este gas inerte y sus costos. A la mayoría de los soldadores se les dice que el argón produce una soldadura resbaladiza, no deja fundente, es costoso y puede causar asfixia en ambientes cerrados. A la mayoría también se les dice que conserven este gas cortándolo con sus sopletes de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) durante los descansos, el almuerzo y al final de un turno.

El argón generalmente se cuantifica mediante el término pies centicúbicos (CCF). Un CCF de argón equivale a 100 pies cúbicos de gas argón, la cantidad que se necesita para llenar una caja de 4 pies por 7-3/4 pulgadas.

Si el costo del argón es de $2.50 por CCF, solo cuesta $2.50 llenar la caja con argón al nivel del mar. Llenar la caja con argón a 45 pies cúbicos por hora (CFH) tomaría 2 horas y 13 minutos. Debido a que una tasa de flujo de 30 a 45 CFH es adecuada para la mayoría de las aplicaciones de soldadura por arco metálico con gas (GMAW), se podría decir que $2.50 no es mucho dinero por 2 horas y 13 minutos de soldadura continua. En un mundo perfecto, esto equivaldría a aproximadamente $9.00 de costo de gas por estación de soldadura por turno de ocho horas al 100 por ciento del tiempo de arco.

Suponiendo que los tiempos de arco reales de la mayoría de las estaciones de soldadura manuales son del 15 al 30 por ciento, no del 100 por ciento, el costo se reduce a $1,35 a $2,70 por turno de ocho horas. Esto no parece mucho, pero estas cifras representan un entorno perfecto con solo una estación de soldadura y un turno de trabajo durante una jornada laboral. Cuando se consideran otras circunstancias, esos 135 a 270 centavos pueden aumentar rápidamente.

Por ejemplo, 300 estaciones de soldadura que funcionan con una eficiencia del 100 por ciento al 30 por ciento del tiempo de arco, tres turnos por día, 312 días por año, usarán argón por valor de $758,160 por año. Sin embargo, la mayoría de las plantas operan con menos del 50 por ciento de eficiencia, lo que, en el ejemplo anterior, significa gastar más de $1.5 millones al año en gas para soldar.

Algunas plantas asumen erróneamente que debido a que el consumo no varía mucho de un año a otro y los niveles de producción permanecen constantes, se ha mantenido la eficiencia. Después de todo, los costos de la gasolina están integrados en el costo del producto terminado. Esto puede ser una suposición muy costosa.

La mayoría de los ingenieros de soldadura parecen estar de acuerdo en que el gas argón (o una mezcla) es la única opción. Sin embargo, incluso con sus muchas ventajas, si se usa de forma imprudente, el argón puede convertirse rápidamente en un arma de doble filo.

Comprar argón y otros gases en grandes cantidades y en estado líquido reduce el costo unitario por CCF. En comparación con los cilindros de acero típicos de 336 pies cúbicos, el gas para un sistema a granel se puede comprar por aproximadamente la mitad por CCF. Además, la cantidad de mano de obra que se ahorra al no tener que manipular los cilindros y el tiempo de inactividad de la producción para cambiar los cilindros ayudará a pagar el costo de instalación de un sistema a granel con bastante rapidez.

Si una planta utiliza un sistema a granel, probablemente pueda reducir su tasa de consumo de gas. Muchas plantas pueden reducir el consumo entre un 50 y un 80 por ciento o más en un solo año instituyendo una serie de medidas conservadoras; no hay una solución única. Sin embargo, la ventaja es que incluso cuando se toman múltiples medidas, ninguna es particularmente costosa en comparación con los beneficios. El retorno de la inversión generalmente se puede medir en días, no en meses o años.

A menudo, el primer paso es concienciar a los empleados sobre los costes de consumo anuales de la empresa. Luego, estos datos se pueden comparar con otros consumibles (principalmente alambre) que son directamente proporcionales al uso de gas. Esto se puede lograr determinando una velocidad de alambre promedio (en aplicaciones GMAW) para una planta o área de planta. Esta velocidad del alambre se puede usar para calcular la cantidad de gas de protección necesaria para quemar 1 libra de alambre a un caudal de gas dado en la punta del soplete. Por ejemplo, suponga que se utiliza un alambre de acero dulce de 0,045 pulgadas de diámetro a una velocidad de alambre promedio de 300 pulgadas por minuto (IPM) y una tasa de flujo de gas de protección de 35 CFH. Si se requieren alrededor de 2210 pulgadas de alambre de acero dulce de 0,045 pulgadas de diámetro para equivaler a 1 libra, se aplica lo siguiente:

(300) (60) / 2210 = 8,14 libras de alambre de acero dulce por hora

Debido a que la tasa de flujo de gas es de 35 CFH, la relación gas-alambre es 35 dividido por 8.14, o 4.29 CFH de gas a 1 libra de alambre (4.29-1). Por lo tanto, si el consumo anual de alambre de una planta es de 500 000 libras, la el consumo anual de gas de protección debe ser de unos 2.149.500 pies cúbicos.

Recuerde, este escenario representa una eficiencia de consumo del 100 por ciento y no representa necesariamente un entorno real. Varios factores pueden afectar este método de comparación, tales como:

La mayoría de las plantas que constantemente fabrican los mismos productos de acero dulce son bastante consistentes con las velocidades y tamaños de alambre. Estas plantas generalmente pueden verificar los datos de consumo, y el único consumo que no es de soldadura para verificar es el desperdicio. Esto deja al ítem 2 (grandes variaciones de flujo) como el factor más predominante al hacer este tipo de comparación.

En este tipo de plantas, la mayoría de los ingenieros de soldadura y otros expertos en el campo están de acuerdo en que una relación de 10-1 o menos es aceptable aunque sea más del doble de la relación dada en el ejemplo anterior (4.29-1). Algunas plantas, según sus datos, tienen proporciones tan altas como 55 a 1 y tan bajas como 7 a 1 inicialmente. Muchas plantas pueden reducir sus proporciones del rango de 18 a 1 a 30 a 1, hasta el rango de 9 a 1 a 14 a 1 al abordar algunos problemas aparentemente menores, que se analizan en una sección posterior.

Si se diseña, instala y mantiene correctamente, un sistema a granel puede ofrecer muchas ventajas de costo y productividad en comparación con los cilindros convencionales.

Los sistemas a granel deben diseñarse, diseñarse y construirse teniendo en cuenta varias cosas. Primero, deben tener un diseño de circuito cerrado que pueda manejar todos los requisitos de flujo presentes y futuros con la cantidad mínima de presión del sistema y caída de presión en todo el sistema. El sistema debe estar diseñado para minimizar los requisitos de la manguera y proporcionar la máxima protección contra impactos externos, y aún así permanecer fácilmente accesible para inspección, modificaciones y reparaciones. Los materiales de construcción deben variar, dependiendo de cada área de aplicación del sistema.

La tubería de cobre con juntas de plata y fósforo sirve bien para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, la tubería de acero con uniones atornilladas y uniones soldadas también funciona bien en algunos sistemas, dependiendo de la severidad del entorno. Cuando se usan uniones soldadas, el tipo de soldadura por encastre generalmente es mejor porque la mayoría de los departamentos de mantenimiento no cuentan con soldadores de tuberías a tope abierto calificados para realizar modificaciones y reparaciones. Si es posible, se deben evitar todas las formas de tubería de PVC.

Las caídas del sistema deben originarse desde la parte superior del cabezal y descender hasta un pequeño colector con una válvula de bola de aislamiento ubicada directamente encima. Estas válvulas de aislamiento deben instalarse de modo que cualquier tipo de fuerza gravitatoria ejercida sobre la manija de la válvula cierre la válvula. Cada gota debe suministrarse con el número apropiado de salidas y una válvula de aislamiento adjunta. Todas las válvulas de salida no utilizadas deben estar cerradas y tapadas.

Estas gotas deben ser accesibles pero no necesariamente convenientes. Los empleados a menudo los usan para colgar abrigos, escudos de pulido, sombreros y mangueras. Esta práctica puede dar lugar a una liberación inadvertida de gas de protección que puede pasar desapercibida durante mucho tiempo. Por esta y otras razones, los cabezales de bajada o colectores normalmente deben ser de un tamaño de tubería más grande que el de la línea de suministro de bajada y, cuando sea posible, construidos de latón, acero u otro material duro que sea resistente a la deformación por abuso.

Todos los accesorios deben ser de acero forjado roscado de 300# (o superior). Los colectores de caída deben estar montados de manera segura y equipados con una pata de goteo de 6 pulgadas como mínimo que se pueda quitar para fines de purga y para proporcionar un medio para futuras modificaciones del cabezal sin apagar todo el sistema. También se deben evitar los accesorios en Y en las salidas del cabezal descendente.

A menudo, en plantas más antiguas, el sistema de distribución y tubería de gas de protección existente ha superado los objetivos de su diseño original. Esto se debe principalmente a la expansión de la planta, modificaciones internas, cambios en el gas de protección utilizado, etc.

La documentación precisa de todas las tuberías es necesaria para realizar análisis de flujo en cualquier sistema. Esta documentación debe contener la ubicación y los tipos de todas las válvulas, cambios de tamaño de tubería, reguladores de presión y todas las medidas dimensionales correspondientes. En la mayoría de los casos, no se requieren modificaciones importantes para llevar un sistema a la par.

El tipo de dispositivos que deben usarse para regular el flujo a cada estación de soldadura es un área de debate considerable. Las plantas que utilizan dispositivos de flujo ajustable o rotómetros deben asegurarse de que las tasas de suministro de flujo requeridas para el procedimiento de soldadura se mantengan dentro de un rango razonable. Esto es aún más crítico en los sistemas no a granel. La inspección de cientos de plantas que usan los rotómetros para la regulación del flujo revela que menos del 20 por ciento están ajustados a la tasa de entrega de flujo adecuada.

Por lo general, este tipo de medidor entregará hasta 450 CFH en la posición completamente abierta o cerca de ella (según el modelo y la presión del sistema). El hecho de que el indicador llegue a la parte superior de la mirilla no significa que el caudal deje de aumentar si la válvula se abre más.

Para el ejemplo dado anteriormente con respecto al costo del gas de protección del mundo perfecto de $2.70 (a 45 CFH) por turno de ocho horas, el costo ahora es de $11.25 por turno. Incluso para una operación de un solo turno, el costo anual del gas de protección aumenta de $842,40 a $3510,00 por estación de soldadura. Anualmente, el consumo de argón de la planta se dispara de $252,720 a más de $1 millón. Al configurar un medidor de flujo ajustable en o cerca de su posición máxima abierta, el consumo de gas de protección de una planta puede aumentar diez veces.

Las razones por las que estos rotómetros suelen estar completamente abiertos varían. En los meses de verano, el personal de soldadura a menudo tiene más ventilación o ventiladores que soplan directamente sobre ellos y, por lo tanto, aumentan la tasa de flujo para mantener la purga de gas de protección. Cuando llega el clima más frío, los ventiladores desaparecen pero la configuración del medidor de flujo no cambia.

Algunos soldadores piensan que "si un poco es bueno, mucho es aún mejor". Esto no es necesariamente cierto. Dependiendo de los ángulos entre la antorcha y el trabajo, este chorro de gas protector de alta velocidad puede inducir la contaminación atmosférica del charco de soldadura y crear más problemas de contaminación de soldadura de los que resuelve. Además, es un desperdicio.

Los rotómetros siempre deben montarse en las caídas de tuberías duras ubicadas en cada estación de soldadura. Se debe considerar la longitud de la manguera típica de 1/4 de pulgada que va hasta el alimentador de alambre. La manguera generalmente ofrece mucho coeficiente de fricción debido a su composición interna. Además, la manguera generalmente se enruta hacia arriba, hacia abajo y alrededor, lo que restringe el flujo de gas. A menos que siga una línea recta, la manguera no debe exceder los 25 a 30 pies.

Si los rotómetros se montan en los alimentadores de alambre o cerca de ellos, la ubicación de montaje debe ser rígida, vertical y fuera de peligro. Los rotómetros no son muy resistentes a los impactos y, cuando se montan de esta manera, a menudo se convierten en fuente de fugas y pueden provocar la contaminación del gas.

Otro riesgo asociado con los caudalímetros de rotor montados en el alimentador de alambre es la gravedad de las fugas. Las mangueras pueden desarrollar fugas aguas arriba del medidor con una tasa de flujo combinada que es mucho más alta de lo que permite pasar un rotómetro, incluso en la posición completamente abierta. Si se monta un medidor de flujo en la caída y la manguera presenta una fuga, el medidor restringe el flujo y reduce el suministro de gas al soplete, lo que sería evidente para el operador.

Si el flujómetro está montado en el alimentador de alambre, la fuga está constantemente sujeta a la presión de la línea, con el flujo limitado solo por el tamaño de la abertura de la fuga y la presión de operación. Esta configuración no da ninguna indicación del flujo aguas arriba y, por lo general, hace que el operador compense aumentando el flujo en el medidor.

Este escenario también introduce contaminación atmosférica en el sistema durante un período de tiempo. A medida que aumenta el número de ocurrencias, los parámetros de diseño originales se sobrecargan, lo que resulta en una mayor caída de presión en todo el sistema. Esto, a su vez, generalmente da como resultado un aumento de la presión general del sistema para compensar la mayor caída de presión. Esta acción aumenta aún más la caída de presión en todo el sistema y magnifica la gravedad de todas las fugas del sistema y otras pérdidas.

Independientemente de su ubicación de montaje, el medidor de flujo tipo rotómetro debe mantenerse en condiciones legibles y sujeto a su presión calibrada adecuada. No es inusual encontrar medidores de flujo calibrados para un indicador de 20 libras por pulgada cuadrada (PSIG) instalados en sistemas que funcionan a 60 PSIG. Esto puede dar como resultado flujos de entrega entre un 15 y un 18 por ciento más altos que el flujo de entrega indicado por la escala del medidor de flujo. Esta práctica, en toda la planta, puede ser muy costosa.

También se debe considerar el aumento de flujo inicial que se encuentra en la punta de la antorcha cuando se activa la válvula solenoide en el alimentador de alambre. Este aumento de flujo generalmente se asocia con dispositivos de flujo montados en la bajada del sistema y/o cuando se usa una gran cantidad de manguera u otra tubería entre el dispositivo de medición de flujo y la válvula solenoide del alimentador de alambre. Este mayor volumen interno está sujeto a la presión del sistema principal cuando el alimentador de alambre no está en uso.

Cuando se activa el alimentador de alambre, la presión acumulada sale rápidamente de la punta de la antorcha y disminuye gradualmente hasta la cantidad establecida por el dispositivo de flujo. Si el dispositivo de flujo se monta más cerca de la punta de la antorcha (en el alimentador de alambre), este volumen interno se minimiza, lo que reduce el tiempo necesario para que el flujo alcance el caudal establecido. Esto, a su vez, disminuye la cantidad de gas desperdiciado por un exceso de flujo o desbordamiento momentáneo. En algunas aplicaciones robóticas y otras aplicaciones de ciclo alto (soldadura por puntos, etc.), este desbordamiento puede ser considerable.

Por ejemplo, suponga que un dispositivo de flujo está ubicado en una bajada del sistema principal y 15 pies de manguera de 1/4 de pulgada de diámetro interior (ID) están conectados al alimentador de alambre. Cuando el alimentador de alambre no está en uso, la presión en la manguera aumenta rápidamente a la presión del sistema de, digamos, 30 PSIG. Cuando se activa el alimentador de alambre, la presión de la manguera cae casi a cero (dependiendo de la conexión de la válvula solenoide). Esto desperdicia aproximadamente 0,01 pies cúbicos de gas de protección como exceso de gas hasta que se establece un flujo estable. Basado en la planta de ejemplo mencionada anteriormente, este desperdicio cuesta alrededor de 3/100 de un centavo por ocurrencia.

Ahora suponga que la longitud de la manguera aumenta de 25 a 75 pies. El valor de este desbordamiento ahora es igual a 14/100 de un centavo cada vez que se activa cada alimentador de alambre. Nuevamente, este tipo de pérdida no parece mucha por ocurrencia, pero cuando se multiplica por la cantidad de alimentadores de alambre en toda la planta y la tasa de ciclo o la cantidad de veces que cada alimentador de alambre se activa diariamente, puede volverse muy significativa, muy rápidamente. .

Usando números redondos para simplificar, suponga que cada alimentador de alambre en la planta de ejemplo se activa una vez por minuto. Esto equivale a 8 (horas) 60 (minutos) 300 (soldadores) o 144 000 activaciones por turno en toda la planta. A un costo de 14/100 de un centavo por ocurrencia, y con tres turnos operando, el costo total es de alrededor de $540 por día y más de $168,000 anuales.

Una sola pérdida de gas de protección parece ser insignificante, pero cuando ocurre a largo plazo, su costo puede ser significativo.