Eficiencia en el consumo de gas de protección

Nota del editor: esta es la primera 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 protector 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 en sus sopletes de soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) durante los descansos, el almuerzo y al final del 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, sólo cuesta $2,50 llenar la caja con argón al nivel del mar. Llenar la caja con argón a 45 pies cúbicos por hora (CFH) llevaría 2 horas y 13 minutos. Debido a que un caudal de 30 a 45 CFH es adecuado 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 alrededor de $9,00 de costo de gas por estación de soldadura por turno de ocho horas al 100 por ciento de tiempo de arco.

Suponiendo que los tiempos de arco reales de la mayoría de las estaciones de soldadura manuales sean 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 sólo 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 funcionen con 100 por ciento de eficiencia con un 30 por ciento de tiempo de arco, tres turnos por día, 312 días por año, utilizarán argón por valor de $758,160 por año. Sin embargo, la mayoría de las plantas operan con una eficiencia inferior al 50 por ciento, lo que, en el ejemplo anterior, significa gastar más de 1,5 millones de dólares al año en gas de soldadura.

Algunas plantas suponen 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 del gas están incluidos en el costo del producto terminado. Esta 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 imprudentemente, 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 típicos cilindros de acero 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 existe una única solución. 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 de 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 promedio del cable (en aplicaciones GMAW) para una planta o área de planta. Esta velocidad del alambre se puede utilizar para calcular la cantidad de gas protector necesaria para quemar 1 libra de alambre con un caudal de gas determinado en la punta del soplete. Por ejemplo, supongamos que se utiliza un alambre de acero dulce de 0,045 pulgadas de diámetro a una velocidad promedio de alambre de 300 pulgadas por minuto (IPM) y un caudal de gas protector de 35 CFH. Si se requieren aproximadamente 2210 pulgadas de alambre de acero dulce de 0,045 pulgadas de diámetro para igualar 1 libra, se aplica lo siguiente:

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

Debido a que el caudal de gas es 35 CFH, la relación gas-alambre es 35 dividido por 8,14, o 4,29 CFH de gas por 1 libra de alambre (4.29-1). Por lo tanto, si el consumo anual de alambre de una planta es de 500 000 libras, el El consumo anual de gas de protección debería ser de unos 2.149.500 pies cúbicos.

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

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

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

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

Los sistemas masivos 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 mínima cantidad de presión y caída de presión en todo el sistema. El sistema debe diseñarse para minimizar los requisitos de manguera y brindar la máxima protección contra impactos externos, pero 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 uniones de plata y fósforo sirve para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, las tuberías de acero con uniones roscadas y uniones soldadas también funcionan bien en algunos sistemas, dependiendo de la severidad del entorno. Cuando se utilizan uniones soldadas, el tipo de soldadura por encaje generalmente es mejor porque la mayoría de los departamentos de mantenimiento no cuentan con soldadores de tubos a tope abiertos calificados para realizar modificaciones y reparaciones. Si es posible, se deben evitar todos los tipos de tuberías de PVC.

Las gotas 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 de él. Estas válvulas de aislamiento deben instalarse de manera que cualquier tipo de fuerza gravitacional ejercida sobre la manija de la válvula cierre la válvula. Cada gota debe contar con el número adecuado de salidas y una válvula de aislamiento adjunta. Todas las válvulas de salida no utilizadas deben estar cerradas y tapadas.

Estas entregas deben ser accesibles pero no necesariamente convenientes. Los empleados suelen utilizarlos para colgar abrigos, protectores de pulido, gorros y mangueras. Esta práctica puede provocar una liberación involuntaria de gas protector que puede pasar desapercibida durante mucho tiempo. Por esta y otras razones, los colectores o colectores de bajada 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 con clasificación 300# (o superior). Los colectores de caída deben estar montados de forma segura y equipados con una pata de goteo de al menos 6 pulgadas 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 abatible.

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 ampliaciones de la planta, modificaciones internas, cambios en el gas de protección utilizado, etc.

Es necesaria una documentación precisa de todas las tuberías 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 tuberías, reguladores de presión y todas las medidas dimensionales correspondientes. En la mayoría de los casos, no se requieren modificaciones importantes para que un sistema esté a la altura.

El tipo de dispositivos que se deben utilizar para regular el flujo hacia cada estación de soldadura es un área de considerable debate. Las plantas que utilizan dispositivos de flujo ajustable o rotorómetros deben garantizar que los caudales requeridos para el procedimiento de soldadura se mantengan dentro de un rango razonable. Esto es aún más crítico en sistemas no masivos. La inspección de cientos de plantas que utilizan rotorómetros para regular el flujo revela que menos del 20 por ciento están configuradas con 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 se abre más la válvula.

Para el ejemplo dado anteriormente sobre el costo del gas de protección en el 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 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 dólares a más de 1 millón de dólares. Al configurar un caudalímetro ajustable en o cerca de su posición máxima abierta, el consumo de gas de protección de una planta puede multiplicarse por diez.

Las razones por las que estos rotorómetros suelen estar completamente abiertos varían. En los meses de verano, el personal de soldadura suele tener más ventilación o ventiladores que soplan directamente sobre ellos y, por lo tanto, aumentan el caudal para mantener la purga de gas de protección. Cuando llega el frío, los ventiladores desaparecen pero la configuración del caudalímetro 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 la pieza de trabajo, este chorro de gas protector a alta velocidad puede en realidad 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 rotorómetros siempre deben montarse en las caídas de tubería dura ubicadas en cada estación de soldadura. Se debe considerar la longitud de la manguera típica de 1/4 de pulgada que llega hasta el alimentador de alambre. La manguera generalmente ofrece un gran coeficiente de fricción debido a su composición interna. Además, la manguera suele tenderse 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 rotorómetros se montan en los alimentadores de alambre o cerca de ellos, la ubicación de montaje debe ser rígida, vertical y fuera de peligro. Los rotorómetros no son muy resistentes a los impactos y, cuando se montan de esta manera, a menudo se convierten en fuente de fugas y pueden causar contaminación de 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 un caudal combinado que es mucho mayor que el que permitirá pasar un rotorómetro, 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, reduciendo el suministro de gas al soplete, lo que sería evidente para el operador.

Si el medidor de flujo 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 proporciona ninguna indicación del flujo aguas arriba y generalmente 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, normalmente 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 y otras pérdidas del sistema.

Independientemente de su ubicación de montaje, el caudalímetro tipo rotorómetro debe mantenerse en condiciones de lectura y estar sujeto a su presión calibrada adecuada. No es inusual encontrar medidores de flujo calibrados para 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, a nivel de toda la planta, puede resultar muy costosa.

También se debe considerar el aumento de flujo inicial que se encuentra en la punta del soplete cuando se activa la válvula solenoide en el alimentador de alambre. Este aumento de flujo generalmente está asociado con dispositivos de flujo montados en la caída del sistema y/o cuando se usa una gran cantidad de manguera u otra tubería entre el dispositivo medidor 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 se drena rápidamente desde la punta del soplete y disminuye gradualmente hasta la cantidad establecida por el dispositivo de flujo. Si el dispositivo de flujo se monta más cerca de la punta del soplete (en el alimentador de alambre), este volumen interno se minimiza, lo que disminuye el tiempo necesario para que el flujo alcance el caudal establecido. Esto, a su vez, disminuye la cantidad de gas desperdiciado por exceso de flujo o desbordamiento momentáneo. En algunas aplicaciones robóticas y otras aplicaciones de ciclo alto (soldaduras por puntos, etc.), este desbordamiento puede ser sustancial.

Por ejemplo, supongamos que hay un dispositivo de flujo 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 hasta la presión del sistema de, digamos, 30 PSIG. Cuando se activa el alimentador de alambre, la presión de la manguera cae a casi nada (dependiendo del puerto 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. Según 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 equivale 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 se activa cada alimentador de alambre 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 centavo por ocurrencia, y con tres turnos operativos, el costo total es de aproximadamente 540 dólares por día y más de 168.000 dólares al año.

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