UNIVERSIDAD VERACRUZANA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA CD. MENDOZA, VER. PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA RECEPCIONAL DE LA CARRERA INGENIERO MECANICO ELECTRICISTA TITULO DEL TEMA: ANÁLISIS DE INTEGRIDAD DE DUCTOS MODALIDAD: MONOGRAFÍA PRESENTA: CINDY MONSERRAT CORTES CARRIÓN ASESOR: M.C. VICTORINO JUÁREZ RIVERA CD. MENDOZA., VER. FECHA:SEPTIEMBRE, 2011

2 DEDICATORIAS A DIOS: Gracias a Dios por darme la familia que tengo y, la oportunidad de poder de estudiar, y la fortaleza necesaria para terminar mi carrera, así como para seguir adelante en cada aspecto de mi vida y hacer de mí una persona de bien. Gracias al Ing. Ramón de la Hoz quien me ayudó mucho en la realización de esta monografía. Y a quien le agradezco su confianza. A MIS PADRES: Lázaro Cortez y Josefina Carrión Gracias por darme la oportunidad de ser alguien en la vida, y darme las armas para defenderme en un futuro. Porque a pesar de mis errores han estado conmigo. Los amo y siempre será así. Hoy les dedico este logro, que es suyo. A MIS MAESTROS: Sobre todo a mi asesor el Ing. Victorino Juárez Rivera porque siempre confió en mí y me alentó a seguir adelante con este proyecto. Pero también les doy las gracias a todos mis profesores que tanto quiero y admiro, y que me llevo lo mejor de cada uno y espero honrarlos con orgullo fuera delas aulas de la UV. A MIS HERMANOS: Miguel Ángel y Juan Carlos Quienes fueron mis ejemplos a seguir y me guiaron por el buen camino. Porque siempre fueron excelentes hijos y estudiantes, y fueron mi inspiración a querer ser como ellos y no me arrepiento. Espero que se sientan orgullosos de mí.

3 Índice Introducción Generalidades Página i iii Capítulo 1. Introducción a los Ductos aplicados al Análisis de Integridad. 1.1 Definición ducto Tipos de ductos Definición de diablo (vehículo inteligente de inspección interna) Tipos de diablos Trampa diablo Tipos de trampa diablo 13 Capítulo 2. Pruebas Destructivas y No Destructivas 2.1 Pruebas destructivas y No destructivas Clasificación de Pruebas No Destructivas Inspección superficial Inspección visual Líquidos penetrantes Partículas magnéticas Corriente de Eddy Inspección volumétrica Radiografía industrial Ultrasonido Industrial Radiografía neutrónica Emisión acústica Inspección de hermeticidad 32 Capítulo 3. Equipos de inspección y limpieza de ductos 3.1 Equipos de limpieza de ductos Equipos de limpieza de copas Cepillos e imanes Equipos de placas calibradoras Equipos para detectar la geometría interna Unidad de odómetros y dippers Unidad MDS (sensor electromagnético de distancia) 44

4 3.3.3 Equipos de mapeo y geometría interna Equipos de mapeo y geometría interna de alta resolución Unidades de sensores Equipo para la detección de corrosión circunferencial 50 Capítulo 4. Detección de corrosión y defectos. 4.1 Clasificación de defectos Por su evolución Por su Origen Por su Geometría Por su comportamiento mecánico Corrosión en ductos de transporte por hidrocarburos Corrosión generalizada de tipo atmosférico Corrosión generalizada de tipo galvánico Corrosión localizada por picaduras Corrosión microbiológica (Corrosión asistida por bacterias) Corrosión erosión Agrietamiento inducido por corrosión Desgaste Desgaste por erosión 66 Capítulo 5. Análisis y protecciones en los ductos 5.1 Protección mecánica exterior Protección interior a bases de inyección de inhibidores de corrosión Protección catódica Inspección con equipo instrumentado Análisis de integridad mecánica (AIM) Análisis de riesgo 81 Capítulo 6. Análisis de Integridad de Ductos 6.1 Fundamentos del análisis de Integridad Deterioro de componentes estructurales Principios del análisis de integridad Mecánica de la fractura aplicada al análisis de Integridad Criterios del análisis de integridad Procedimiento general del análisis de integridad Criterios de severidad de defectos Clasificación de anomalías en ductos en función de su severidad Métodos de análisis de integridad Análisis determinístico Análisis de Integridad de Líneas Inspeccionables con Equipo Instrumentado 113

5 Análisis de Integridad de líneas No Inspeccionables con EquipoInstrumentado (Muestral) Análisis probabilístico Análisis de flexibilidad 119 Conclusiones 125 Glosario 127 Bibliografía 138 Anexos (Video)

6 INTRODUCCION Una tubería es un conducto de sección circular y longitud variable que cumple la función de transportar agua u otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos como metales, cemento, PVC, por mencionar a grandes rasgos. Si hablamos del material que se puede transportar en una tubería, este puede ser desde materiales en estado líquido, sólido y gaseoso. Cuando la tubería transporta agua en forma continua se le llama acueducto, cuando el líquido transportado es petróleo, se utiliza la denominación específica de oleoducto. Cuando el fluido transportado es gas, se utiliza la denominación específica de gasoducto. También es posible transportar mediante tubería materiales que, si bien no son un fluido, se adecúan a este sistema: hormigón, cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera. Existen diferentes tipos de tuberías respecto a la función para la que se requiera pero esta monografía se refiere específicamente a tuberías que transportan hidrocarburos, es decir, los tipos de tuberías principales ocupados en Petróleos Mexicanos (PEMEX). Esto, con el único objetivo de poder prevenir catastróficos accidentes, que en los últimos años PEMEX ha sido protagonista por falta de inspección a los sistemas de ductos periódicamente. De la misma manera se explica, los análisis de integridad de ductos adecuados para determinar su corrección mediante la cual será por medio de estudios específicos alos ductos, y esto será por medio de vehículos inteligentes de inspección interna, i

7 que nos permitirán definir el daño contenido en un sistema de ductos,todo esto, con el fin de prevenir algún accidente y corregir el daño obtenido en los resultados de dichos estudios para el aprovechamiento máximo en el uso de estos sistemas de hidrocarburos. Cabe mencionar que Pemex siendo la empresa más importante en México de exportación de hidrocarburos, tiene gran importancia en el desarrollo del país, por lo tanto, la presión que en ésta recae es grande, y debe cumplir con las normas y reglamentos impuestos por la ley. Las pérdidashumanas y monetarias por causa de fallas en los ductos, son grandes cada año; Por medio del análisis de integridad, puede determinar el estado físico en el que se encuentra los sistemas de ductos, así como para poder dar mantenimiento a fin de prevenir accidentes, perdidas, y elevar el potencial de uso de cada uno de los ductos,además de cuidar el medio ambiente. El análisis de integridad es un tema interesante que nos permite explorar la manerade mantener seguro un sistema de ductos sin riesgo, ya que este tipo de inspección es nombrada un tipo de prueba no destructiva que permite al operador mantener el rendimiento máximo de operación a los que el ducto puede someterse sin falla de operación y tener contacto directo con los ductos. ii

8 GENERALIDADES Cuando se habla de corrosión esta es conocida comúnmente como el óxido, y es un indeseable fenómeno que elimina la belleza y naturaleza de los metales, además de que acorta la vida útil de los objetos. En las estructuras o tuberías de acero enterradas o sumergidas, existen muchas formas de corrosión, producidas por diferentes causas que inciden en el deterioro del metal. Diversos factores afectan sustancialmente, el tipo y velocidad de corrosión en una estructura en contacto con el suelo o con los diferentes ambientes que la rodean. Existen métodos para prevenir y controlar la corrosión, como las barreras físicas, inhibidores de corrosión y los sistemas de protección catódica, éste último consiste en obligar a la estructura a funcionar como cátodo en una celda de corrosión, mediante la modificación de factores electroquímicos. La protección catódica es uno de los métodos más efectivos para el control de la corrosión de estructuras enterradas o sumergidas, y es por esto necesario fijar los parámetros normativos de éstos sistemas. Cualquier ducto o estructura mencionada en esta norma, debe protegerse catódicamente en toda su longitud, de acuerdo con los criterios establecidos, a menos que se tenga un estudio técnico que indique que deba utilizarse otro tipo de protección adicional al recubrimiento dieléctrico. En esta monografía se abarcará los principios y métodos utilizados para el mantenimiento y prevención de las tuberías. Así como también se enfocará más al estudio de los ductos utilizados en la industria petroquímica. iii

9 CAPITULO 1

10 CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN A LOS DUCTOS APLICADOS AL ANÁLISIS DE INTEGRIDAD. Con esta nueva cultura de mantenimiento se pretende proporcionar el mantenimiento requerido físicamente por los ductos como resultado de inspecciones previas y no el mantenimiento convencional basado en normas conservadoras, con esta metodología, la administración del mantenimiento ha evolucionado de la confrontación de una norma o código, a un sistema dinámico de alto nivel técnico que permite una mayor precisión en las evaluaciones y por tanto mayor eficiencia del mantenimiento. (Cap. III Marco teórico del análisis de integridad, pág. 37) Este capítulo presenta las tuberías y sus adaptaciones aplicadas en PEMEX, empresa dedicada al manejo de hidrocarburos por medio de tuberías a lo largo de todo el territorio mexicano,además explica los principales componentes en un sistema de tuberías, como son: trampas diablo, los tipos de trampas, su diseño, tipos de diablos, y todolo que se utiliza en la inspección de los ductos, así como tambiéndel mantenimiento de las tuberías que transportan algún tipo de fluido, ya sea líquido o gas. 2

11 1.1 Definición de ducto. Tubería que permite transportar agua u otros fluidos entre 2 puntos, esta tubería puede estar por fuera o por dentro de la tierra.un ducto suele construirse de diversos materiales en función al uso para el cual sea solicitado. Suele utilizarse el Poliéster Reforzado con fibra de vidrio (PRFV) que principalmente es usado por PEMEX para la construcción de los ductos que transportaran hidrocarburos, crudo o gas,otros materiales que pueden utilizarse en la construcción de ductos es el hierro fundido, acero, latón,cobre, plomo, hormigón, polipropileno, PVC, polietileno de alta densidad (PEAD), etcétera. Un sistema de ductos está compuesto de diferentes componentes tales como: válvulas, bridas, accesorios, espárragos, dispositivos de seguridad o alivio, etc., por medio del cual servirá para la transportación hidrocarburos (Líquidos o Gases).como se muestra en la figura no.1. Fig.1 Ejemplo de un ducto. 3

12 1.2 Tipos de ductos Determinar los tipos de ductos que se pueden encontrar es importante para tener un conocimiento más abierto de lo que se está analizando. Para introducirnos un poco más en el tema, es necesario definir algunos tipos de ductos, como son: Ducto enterrado. Es aquel ducto terrestre que está alojado bajo la superficie del suelo. Ducto de recolección. Es el ducto que colecta aceite y/o gas y agua de los pozos productores para su envío a una batería o estación de separación. Ducto de transporte. Es la tubería que conduce hidrocarburos en una fase o multifases, entre estaciones y/o plantas para su proceso, bombeo, compresión y almacenamiento. Ducto no restringido. Ducto o tramo de tubería que no tiene restricción axial y por tanto permite las deformaciones axiales. Ducto restringido. Ducto o tramo de tubería que debido a sus condiciones en los extremos tiene restricción o limitación para permitir deformaciones axiales. Ducto sumergido. Es aquel ducto terrestre que debido a su trayectoria puede encontrarse sobre el lecho de un cuerpo de agua (pantano, río, laguna, lago, etc.) o enterrado en él. (NFR-030PEMEX-2006) 4

13 Los diferentes tipos de ductos deberán ser seleccionados de acuerdo a un estudio previo del medio en el que se planea instalar el ducto. Además del diseño y los materiales que se deben utilizar. 1.3 Definición de diablo (vehículos inteligentes de inspección interna) Equipo instrumentado y de limpieza que se utiliza comúnmente en las estructuras que transportan hidrocarburos, para el análisis de integridad y limpieza o simplemente mantenimiento, y es necesario definirlos. Los vehículos inteligentes de inspección interna son llamados comúnmente como diablos y existen diferentes tipos, de los cuales se definirán los más importantes: DIABLO: Dispositivo con libertad de movimiento que es insertado en el ducto, para realizar funciones operacionales de limpieza e inspección. DIABLO DE LIMPIEZA: Es un dispositivo para limpieza, eliminar aire y para verificar dimensiones interiores del tubo. Fig.1.2. Diablos de limpieza. DIABLO GEÓMETRA: Dispositivo que se utiliza para verificar la existencia de abolladuras, dobleces u ovalamientos en el ducto. 5

14 Fig Diablo geómetra DIABLO SIMULADOR (DUMMY): Equipo de peso y longitud equivalente a la del diablo instrumentado. Su propósito es verificar que el diablo instrumentado pase a lo largo de todo el ducto. Fig.1.4. Diablo simulador Dummy 6

15 La dependencia que tenga a su cargo el mantenimiento de ductos, debe contar con las herramientas y equipo especializado, para los trabajos que sean necesarios. (García, 2010, págs. 50) Existen una gran variedad de diablos y cada uno tiene una función diferente, que facilita al operario su mantenimiento con el fin también de poder continuar trabajando seguro mediante las normas establecidas Tipos de diablos. Existen 2 tipos principales de diablos: Los diablos de limpieza y los diablos instrumentados de los cuales mencionados anteriormente tienen subdivisiones en otros más específicos pero cada uno con una función diferente, así como sus ventajas y limitaciones, las cuales mencionaremos a continuación. a) Diablos de Limpieza La función de la corrida de limpieza es la de mejorar y mantener limpia la superficie interna de los tubos, removiendo y eliminando los contaminantes y depósitos. Hay una gran variedad de tipos de Diablos en el mercado, con diferentes capacidades de limpieza, los hay de navajas, copas, cepillos, superficie abrasiva, semi-rígido, esferas, espuma, poliuretano, etc. 7

16 El Ingeniero Especialista en corrosión seleccionará el más adecuado considerando: La capacidad del diablo para remover los contaminantes. Costo. La posibilidad de que pase los segmentos del ducto y accesorios que pudiesen tener reducciones. Compatibilidad con el fluido. Para elegir el diablo que se debe utilizar para la limpieza en un ducto, se debe tomar en cuenta lo siguiente: Material de la tubería. Diámetro nominal de la tubería. Diámetro máximo y mínimo de la tubería. El fluido que maneja la tubería, ya sea crudo, gas, etc. La presión normal y máxima del fluido disponible para propulsar al diablo. Tipo de curvas del ducto tomando en cuenta el diámetro interior, el radio mínimo y el ángulo máximo. En las válvulas de compuerta por donde debe pasar el diablo, se toman en cuenta tipo, serie y diámetro mínimo interior. La máxima distancia que va a recorrer. 8

17 b) Diablos Instrumentados Un importante recurso empleado en el mantenimiento a ductos (de reciente desarrollo), son los diablos instrumentados. Los principios de operación son por ultrasonido y por modificación del campo magnético, cada uno tiene sus ventajas y limitaciones. El registro obtenido de la corrida de diablos nos proporcionará información que permitirá realizar actividades de mantenimiento preventivo con la oportunidad debida. Cabe mencionar que para aplicar el mantenimiento se debe considerar lo siguiente: Ductos a inspeccionar Se deberán inspeccionar los ductos que a juicio del usuario lo requieran y reúnan las condiciones para inspección como son: dimensiones de las trampas y las condiciones de operación para obtener las velocidades de desplazamiento requeridas por el diablo. Fig.1.5. Diablo instrumentado 9

18 Selección del equipo Existen diablos instrumentados geómetras empleados para detectar deformaciones; defectos de construcción, obstrucciones en el ducto y cambios de espesor. Los equipos cuya operación son a base de ultrasonido proporcionan información muy precisa; pero tienen la limitante de operar exclusivamente en un medio líquido y requieren que la superficie interna del ducto esté limpia. Los equipos cuya operación es a base de cambio en el flujo magnético presentan diferencias en la calidad de la información. Los de primera generación son más robustos y se recomiendan para ductos localizados en áreas aisladas, desérticas o agrícolas, en los que una falla del ducto no causa daños a personas o instalaciones y el acceso al ducto es fácil. Estos equipos no proporcionan el dimensionamiento del daño. Los de segunda generación o alta resolución dimensionan los daños y discriminan la corrosión exterior o interior, se recomiendan para inspecciona r ductos de difícil acceso, o bien; que al fallar pudieran causar daños graves en áreas urbanas y al entorno ecológico. Pero sin lugar a dudas el factor determinante para la selección es el costo de la inspección. 10

19 Acondicionamiento del ducto Además del acondicionamiento de las trampas de diablos, previamente a la inspección con el equipo instrumentado, el usuario optará por realizar, según el caso, todos o algunos de los siguientes pasos: 1. Corrida de diablos de limpieza 2. Corrida de diablos de limpieza magnético 3. Corrida de diablos con placas calibradoras 4. Corrida de diablos geómetra 5. Corrida de diablo simulador ( dummy ) 6. Corrida de diablo instrumentado La dependencia que tenga a su cargo el mantenimiento de ductos deberá establecer y cumplir programas para vigilar periódicamente las condiciones de la tubería, de la superficie del terreno, las áreas adyacentes a los derechos de vía, así como el estado de la señalización preventiva, informativa y restrictiva y de los sistemas de protección catódica, para dictar de inmediato los trabajos procedentes y conservar su buen estado. (García, 2010, Págs.53). Es importante mencionar que para llevar a cabo una corrida de diablo para la inspección de un ducto, es necesario seguir una secuencia de pasos y normas antes de la inspección al ducto, primero se debe de introducir el diablo polypig para verificar el diámetro del ducto, después se introducen los diablos de limpieza, ya sean de discos o escobillas, una vez limpio el ducto se le introduzca el diablo instrumentado, el cual determinará el estado físico en el que se encuentra el ducto. 11

20 1.4Trampa diablo Es el arreglo de tuberías, conexiones y accesorios de un ducto que se requieren para el lanzamiento y/o recibo de dispositivos, diablos de limpieza (émbolos), calibración u otros servicios. Las trampas diablo, son importantes para poder introducir el equipo instrumentado al sistema de tuberías que se inspeccionarán. Por ello, es necesario definirlas. Es el arreglo de tuberías, conexiones y accesorios de un ducto que se requieren para el lanzamiento y/o recibo de dispositivos, diablos de limpieza (émbolos), calibración u otros servicios. Las trampas de diablos están consideradas como obras especiales, debido a que hay una interrupción en la secuencia de la misma obra a lo largo de una línea (lingada) requiriéndose cuadrillas, equipos y sistemas de trabajo diferentes a los que se usan en una línea común. (García, 2010, pag.43) En la instalación de las trampas diablos y todos sus componentes es necesario tomar medidas adecuadas para evitar accidentes poniendo señalamientos y vigilancia cercana al lugar, recordando que el desfogue de un gas es altamente peligroso y no debe de ser una práctica de operación normal, por lo tanto debe hacerse con mucha precaución y debe estar lejos de algún lugar de ignición, así pues como los trabajadores deberán tener una capacitación previa al trabajo a realizar y portar su equipo de seguridad. 12

21 1.4.1 Tipos de trampas diablos Existen 2 tipos de trampas diablo: la trampa de envío de diablos y la trampa de recibo de diablos. En el capítulo 1 se menciona la función de cada una de ellas, que como su nombre lo indica, tienen por objeto el enviar por un lado de una cierta tubería el diablo (de inspección o limpieza o cualquiera), así como recibirlo al otro extremo de la tubería en la trampa de recibo de diablo. A continuación solo mencionaremos las partes más importantes que llevan las trampas de envío y recibo de diablos, mencionando que también se toman en cuenta las estructuras y soportes que las sostienen. Trampa de envío de diablos Sirven para enviar el diablo dándole impulso para que se desplace hacia adelante. Fig.1.6. Trampa de envío de diablos 13

22 Los accesorios principales de la trampa de envío son: 1) Válvula de flujo 2) Válvula de desfogue (quemador o a un cárcamo) 3) Válvulas de pateo (interconectada entre el barrilete y el flujo 4) Cubeta o barrilete 5) Válvula de barrilete 6) Charnela o tapa de barrilete 7) Tomas para indicadores de presión (manómetros) Trampa de recibo de diablos Su función es la de recibir el diablo y consta casi de los mismos elementos que la trampa de envío. Fig1.7. Trampa de recibo de diablos 14

23 Y los principales accesorios de la trampa de recibo son muy similares pero a continuación mencionamos los más importantes: 1) Válvula de flujo 2) Válvula de barrilete 3) Válvula de desfogue 4) Charnela o tapa del barrilete 5) Tomas para indicadores de presión (manómetros) 6) Válvula y línea de By-pass 7) Línea adicional con la que cuentan algunas trampas para derivar los condensados. (García, 2010, Págs. 45) Debemos mencionar que la trampa de envío y la trampa de recibo de diablos pueden ser utilizadas de la manera correcta en que lleva la dirección del flujo o viceversa, es decir que se puede utilizar una trampa de envío en una de recibo de diablos o de forma inversa. 15

24 CAPITULO 2

25 CAPÍTULO 2 PRUEBAS DESTRUCTIVAS Y NO DESTRUCTIVAS Para entender el campo de aplicación de los tipos de pruebas que existen, primero debe mencionarse las principales causas de falla que pueden ocurrir en los materiales de un elemento o componente, y estos pueden ser: por sobrecarga, desgaste y daño interno. La sobrecarga es debida principalmente por exceder el límite del esfuerzo máximo permisible o mal diseño, ya sea desde la selección de material hasta el mal cálculo de puntos de esfuerzo, por negligencia y accidentes. El desgaste suele presentarse principalmente por la pérdida de volumen ya sea por abrasión, deformación o ataque químico. Por último, el daño interno es principalmente causado por la corrosión superficial o interna del elemento. Otro factor puede ser la fatiga del componente, debido a las cargas repetidas o ciclidas a las que el elemento está sujeto, otro factor puede ser la irradiación causada por la emisión o propagación de radiaciones como el calor u otro tipo de energía, y por último, la termofluencia que principalmente es causada por la deformación de la estructura a causa de esfuerzos y temperaturas extremas a las que el componente está expuesto constantemente, y dan como resultado la fractura del elemento. 17

26 Ya mencionando las principales fallas que puede presentar un material para su fractura, es necesario determinar los tipos de pruebas para la inspección que comprobará la integridad de dicho material. Para esto, la inspección del análisis de integridad se puede realizar por medio de 2 tipos de pruebas: Pruebas destructivas Pruebas No destructivas 2.1 Pruebas destructivas y No destructivas Las cuales se definen a continuación: Pruebas destructivas Consisten en la aplicación de métodos por las cuales requiere la ruptura de la muestra o probeta para determinar si cumple con las especificaciones requeridas cierto material. El objetivo principal es determinar la resistencia mecánica, tenacidad, impacto, elasticidad, punto de fractura, torsión, etc. Este tipo de pruebas no es aplicable con sistemas en servicio. Pruebas No destructivas Consisten en la aplicación de métodos de manera física pero sin destrozar el componente. Actualmente no es necesario obtener una muestra de dicho elemento, por lo tanto es se le denominará como prueba física indirecta. Este tipo de pruebas tiene como objetivo verificar la fortaleza de las piezas examinadas con el propósito de determinar el grado de homogeneidad y continuidad de dicho material. 18

27 2.2 Clasificación de Pruebas No Destructivas Los Ensayos No Destructivos (END) tienen como finalidad, complementar los resultados de pruebas anteriores para determinar una mejor perspectiva del material que está a prueba. Dentro de los END existe una clasificación de pruebas, las cuales se dividen 3 en: Inspección superficial Inspección volumétrica Pruebas de hermeticidad Dentro de estas 3 divisiones, las pruebas no destructivas pueden subdividirse en varios tipos de pruebas. La fig.2. Muestra un esquema de la clasificación de los END y los tipos de prueba que pueden realizarse. 19

28 INSPECCIONN VISUAL LIQUIDOS PENETRANTES INSPECCION SUPERFICIAL PARTICULAS MAGNETICAS PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS INSPECCION VOLUMETRICA PRUEBAS DE HERMETICIDAD CORRIENTES DE EDDY RADIOGRAFIA INDUSTRIAL ULTRASONIDO INDUSTRIAL RADIOGRAFIA NEUTRONICA EMISION ACUSTICA SON AQUELLAS QUE COMPRUEBAN LA CAPACIDAD DE UN COMPONENTE PARA CONTENER UN LIQUIDO O GAS A UN PRESION SIN QUE EXISTAN FUGAS. Fig.2 Clasificación de Ensayos No destructivos Inspección superficial La inspección superficial se encarga de comprobar la integridad superficial de un material. Por consecuente, este tipo de inspección solo es aplicable para la detección de superficies con discontinuidades que no superen los 3mm de espesor. Este tipo de inspección se puede realizar por medio de ensayos como: Inspección visual Líquidos penetrantes Partículas magnéticas Corrientes de Eddy 20

29 Inspección visual Es una Prueba No Destructiva por simple vista, que con ayuda de lupas y microscopios es capaz de detectar discontinuidades superficiales. El lugar de atención debe ser de fácil acceso y requiere experiencia en campo. La inspección visual requiere también aprender que tipo de discontinuidades pueden detectarse visualmente y son las que aparecen con más frecuencia a partir de ciertas condiciones. Esté punto involucra el conocimiento que tenga el inspector en cuanto a la pieza que está en examen, la forma de daño que sufre y las condiciones de operación. (GAI, 2006, CAP.VII) La ventaja de la inspección visual es que se emplea en cualquier etapa de un proceso productivo, así como muestra las discontinuidades más grandes y su costo es más bajo que todos los ensayos no destructivos, aunque la calidad del ensayo depende de la experiencia y conocimiento del inspector, además de que está limitada a la detección de discontinuidades superficiales Líquidos penetrantes La inspección por líquidos penetrantes detecta continuidades que afloran a la superficie. Esta prueba consiste en aplicar un líquido coloreado a fluorescente a la superficie a examinar, el cual penetra en las discontinuidades del material debido al fenómeno de capilaridad. Después de cierto tiempo se remueve el exceso de penetrante y se aplica un revelador, que absorbe el líquido que ha penetrado en la discontinuidad y sobra la capa del revelador se delinea el contorno de esta. (GAI, 2006, CAP.III) 21

30 Fig.2.1. Principio de Inspección por medio de Líquidos Penetrantes La inspección por medio de líquidos penetrantes es empleada para detectar discontinuidades extremadamente sensibles en una superficie, además de que el esta prueba es fácil de aplicar, pero requiere de una excelente limpieza de la superficie antes de la aplicación de cualquier líquido penetrante y no es aplicable a materiales porosos, por último, el inspector debe tener una amplia experiencia para la selección de penetrante y revelador, ya que de no ser así, los resultados pueden ocasionar una falla en la sensibilidad del método. Otra peculiaridad importante es la selección adecuada del tipo de líquido a emplear, ya que esto dependerá del tipo de superficie que se esté examinando, como por ejemplo: una superficie rugosa, ya sea por soldadura o una pieza fundida, esta empleará un líquido removible con agua. En caso contrario de ser una superficie tersa o pulida es necesario utilizar un penetrante removible con solvente. En dado caso de llegar a requerir una inspección de alta calidad se deberá emplear un penetrante pos-emulsificante. 22

31 Partículas magnéticas La inspección por partículas magnéticas detecta principalmente discontinuidades superficiales y subsuperficiales en materiales ferromagnéticos. El principio del método es la alteración del campo magnético que se genera o induce en un material ferromagnético, cuando la pieza presenta discontinuidades perpendiculares a las líneas del campo magnético, las distorsiones atraen a las partículas magnéticas, que fueron aplicadas en forma de polvo o suspensión en la superficie sujeta a inspección y produce las indicaciones que se observan visualmente de manera directa o bajo la luz ultravioleta. (GAI, 2006, CAP.VII) La magnetización de la pieza puede realizarse por medio de un imán permanente, con un electroimán o por corriente eléctrica se suele utilizar este tipo de prueba cuando se requiere de una inspección más rápida que la de líquidos penetrantes. Fig.2.2. Instrumento utilizado para la inspección por partículas magnéticas. 23

32 Corriente de Eddy La inspección por corrientes de Eddy está basada en el efecto de inducción electromagnética, el cual consiste en conectar un generador de corriente alterna a una bobina de prueba, que produce un campo magnético. La bobina se coloca cerca de un material conductor y el campo magnético de la bobina, llamado primario, inducirá una corriente eléctrica en el material inspeccionado. A su vez, esta corriente generará un nuevo campo magnético (campo secundario), que será proporcional al primero, pero de sentido contrario. En el momento en que la corriente de la bobina se vuelva cero, el campo magnético secundario inducirá una nueva corriente eléctrica en la bobina. Este efecto se repetirá cuantas veces la corriente cambie de fase (al pasar de negativo a positivo y viceversa); la corriente inducida se altera por variaciones en la conductividad causada por la existencia de discontinuidades. En fin, la corriente de Eddy Current es una técnica electromagnética y es totalmente no destructiva. Trabaja según los principios de electro inducción magnética. No hay radiación peligrosa o productos químicos peligrosos implicados con esta técnica. La impedancia de las bobinas de inspección es alterada cuando se producen cambios físicos en el material (fallas, inclusiones, fisuras e inclusive la pérdida de material que se está inspeccionando). (GAI, Cap. VII) El uso de la técnica de Eddy Current permite realizar la detección de defectos o anomalías en el ducto, tales como lo son: picaduras, abolladuras, soldaduras, golpes, algún tipo de corrosión, grietas, fisuras, fracturas, entre otras. Además de que utilizar esta técnica tiene sus ventajas como lo son principalmente la rapidez con la que esta se efectúa y no muestra problemas con la geometría interna del ducto (que se atore). 24

33 Fig.2.3. Visualización de fracturas por el método de corrientes de Eddy Inspección volumétrica La aplicación de esta inspección tiene como finalidad permitir conocer la integridad del material en su espesor, con el propósito de detectar discontinuidades en la pared interna del material que no se encuentran superficialmente visibles en la pieza. Dichas inspecciones pueden llevarse a cabo por medio de estas pruebas: Radiografía industrial Ultrasonido industrial Radiografía neutrónica Emisión acústica 25

34 Radiografía industrial La inspección por radiografía es utilizada principalmente para la detección de discontinuidades microscópicas, además de variaciones en la pared interna de un material, la inspección por radiografía permite la visualización de la pared interna de una estructura, pudiendo detectar defectos internos como: grietas, socavados, falta de fusión, etc. Durante la exposición, la energía de rayos x o rayos gamma es absorbida o atenuada al atravesar el material. Esta atenuación es proporcional a la densidad, espesor y continuidad del material empleado. La radiación que traspasa el objeto es registrada en una placa o papel fotosensible, que posteriormente se revela para obtener la imagen del área inspeccionada o es observada en una pantalla fluorescente o en una pantalla de televisión. Los rayos x son generados por dispositivos electrónicos y los rayos gamma por fuentes radioactivas naturales o isotopos radioactivos artificiales producidos para la radiografía industrial, tales como: iridio 192, cobalto 60, cesio 137 y tulio 170. (GAI, 2006, CAP VII) La desventaja de utilizar este tipo de ensayo es que debe mantenerse a una distancia prudente de la fuente para evitar cualquier tipo de exposición con las fuentes radioactivas, además de utilizar protecciones como: plomo, acero o concreto. No es recomendable el empleo de este método en estructuras complejas, ya que dicha estructura debe de poseer por lo menos 2 salidas de acceso y requiere de instalaciones especiales. El inspector y personal deben estar altamente capacitados y certificados para tomar las debidas medidas de seguridad. 26

35 Fig.2.4. Arreglo radiográfico convencional. La fig. 2.4 muestra un arreglo radiográfico convencional de una radiografía a un ducto, El ultrasonido emplea una radiación de alta concentración de energía que le permite atravesar los sólidos y determinar las discontinuidades de este Ultrasonido Industrial La inspección mediante ultrasonido se basa en la detección del eco producido por una grieta o discontinuidad de tipo planar, cuando incide sobre ella una onda sonora de frecuencia ultrasónica. La señal ultrasónica es introducida por un transductor piezoeléctrico, el cual funciona también como detector. El transductor, conocido como palpador, se coloca sobre una superficie de la pieza a examinar, mediante un líquido llamado acoplante, cuya función es la de proveer un medio de transmisión del sonido entre la superficie de la pieza y el palpador, ya que el aire atenúa fuertemente las vibraciones sonoras. 27

36 Fig.2.5. Transductores cilíndrico y cónico. Cuando las ondas sonoras son introducidas en forma perpendicular a la superficie, son de tipo compresivo (producen desplazamientos perpendiculares al frente de propagación de la onda en las partículas del material) y se denominan haz recto. En cambio, si las ondas ingresan al material es paralelo al frente de onda) y se denomina haz angular. La selección de un tipo de haz depende de la orientación de los defectos que se esperan detectar con respecto a la superficie por la que ingresa el haz. Fig Cálculo de espesor en la pared de un ducto por medio de un transductor. En la fig Demuestra como un transductor envía un pulso ultrasónico hacia la pared de la tubería. El pulso llega a la pared interna del tubo, de la cual una parte es reflejada y el resto se introduce en la pared. El pulso reflejado viaja de regreso al transductor que ahora actúa como receptor y mide el tiempo que tarda en viajar de ida y vuelta. Cuando se presenta un defecto interno, el tiempo de viaje se incrementa 28

37 debido a que existe una mayor distancia a la superficie interior corroída. El pulso transmitido dentro de la pared viaja a la superficie exterior donde la mayoría del flujo se refleja. El pulso viaja de regreso a al transductor donde es recibido y medido el tiempo de viaje del pulso. La diferencia entre el tiempo de recepción de los pulsos reflejados en la superficie interior y exterior de la pared, se convierte a espesor, es decir para obtener la distancia se multiplica la velocidad del sonido en la pared del tubo por la diferencia la diferencia del tiempo. Este tipo de Palpador convencional, tiene muchas desventajas en su utilización, debido a que estos deben estar posicionados correctamente para la inspección interna o externa en el ducto, porque al mínimo movimiento puede causar una variación en el cálculo de fallas. Fig Palpador de inspección por fases. La fig Señala un Palpador de inspección por fases, este tipo de Palpador es el más utilizado actualmente, ya que permite ampliar la zona de inspección, ya que este cuenta con un Palpador a cada lado para permitir cualquier detección de discontinuidad ya sea en la pared interna o externa. 29

38 Radiografía neutrónica El ensayo por radiografía neutrónica se sirve de una fuente de electrones (tal como un reactor o un acelerador nuclear) para formar una imagen radiográfica del componente a verificar. El mecanismo geométrico de la relación de sombras y la variación de la atenuación con el espesor, en el caso de ciertos elementos, dota a la radiografía neutrónica de una gran sensibilidad para esos elementos. A causa de lo elevado del precio de las fuentes de neutrones, este método acostumbra a quedar reservado a aplicaciones especializadas, y por ello, no todos los laboratorios de ensayos no destructivos disponen de estos medios, (Paul Degarmo, 2002, Pág. 568) Fig Demostración de los tipos de radiaciones. La figura 2.8 representa la capacidad de penetración de las radiaciones a un material por medio de radicaciones, la radiación neutrónica posee el más alto contenido de radiación por lo cual no es utilizado en la inspección de detección de fallas en ductos. 30

39 Emisión acústica El principio de la emisión acústica (AET) es la detección de ondas elásticas que se crean de forma espontánea en aquellos puntos del material que se está deformando de manera plástica o elástica, al ser sometido a un esfuerzo (carga estática o dinámica), o por esfuerzos residuales que están presentes en el material. Las deformaciones del tipo cortante o que produzcan deslizamiento de los planos cristalinos son las fuentes principales de la emisión acústica. En el caso de los metales, la emisión detecta la acumulación de los deslizamientos y dislocaciones intercristalinas, que en caso de continuar el esfuerzo darán inicio a una fractura. Es conveniente mencionar que cuando un material está sano, la emisión más intensa se produce en la porción elástica de la curva de esfuerzo-deformación, alcanzando su máximo en el punto del límite elástico, a partir del cual la emisión decrece abruptamente. La posible causa de este comportamiento es el efecto que puede tener sobre la movilidad de los planos de dislocación el endurecimiento por deformación que presenta el material al ser sometido a tensión., (Paul Degarmo, 2002, Pág. 77) Sin embargo, cuando el material llega a presentar un agrietamiento, y esta tiende a ampliarse, por lo cual la grieta se propaga hasta su fractura. La principal desventaja en la empleo de este tipo de ensayo es que al someter a un esfuerzo un material hasta cierto límite y se quita el esfuerzo ejercido, al volver a someter el material nuevamente a otro esfuerzo, este deberá ser mayor al primero, este tipo de efecto se determina como un efecto irreversible, también llamado efecto de Káiser. 31

40 2.2.3 Inspección de hermeticidad La inspección de hermeticidad permite comprobar la capacidad de un componente o de un recipiente a contener un fluido, ya sea líquido o gas, a una presión superior, igual o inferior a la atmosférica. Sin que existan perdidas consideradables de presión o de volumen del fluido de prueba en un periodo previamente determinado. Para aplicar este tipo de inspección, es necesario emplear cualquiera de los siguientes ensayos: Pruebas por cambio de presión: Hidrostática y neumática. Pruebas por perdida de fluido: Cámara de burbujas, detector de halógenos, espectro de masas, detector ultrasónico, cámara de vacío. 32

41 CAPITULO 3

42 CAPITULO 3 EQUIPOS DE INSPECCION Y LIMPIEZA DE DUCTOS Antes de llevar a cabo las inspecciones con equipo instrumentado es necesario realizar actividades complementarias con equipos especiales, que aseguren que el equipo instrumentado pueda pasar a través del ducto sin contratiempo alguno. Los ductos deben tener una superficie interna limpia, con el fin de asegurar buenas condiciones de operación, así como también, asegurar que los equipos electrónicos como el equipo Geómetra y el equipo Instrumentado tengan un buen desempeño en las lecturas de información. 34

43 3.1 Equipos de limpieza de ductos La limpieza de ductos, es fundamental para el buen funcionamiento de operación en una estructura, además de que es un requisito previo y necesario a la hora de evaluar el estado de un ducto mediante el análisis integridad. Los equipos de limpieza son Ideales para remover agua, sedimentos, aplicaciones de bacheo y paraactividades generales de limpieza de un ducto. (De la Hoz, XIV Congreso de Ingeniería 2009.) El objetivo principal de los vehículos de limpieza en los ductos es hacer una limpieza extrema que despeje el área (en este caso el ducto) y así para permitir el paso libremente del vehículo inteligente de inspección interna (diablo) o equipo instrumentado sin dificultad alguna. Existen muchos tipos de equipos de limpieza y cada uno con una utilidad diferente, por ejemplo: los cepillos para lodo y otras impurezas o imantados para residuos metálicos, entre otros, etc. A continuación se mencionan los principales equipos de limpieza tipo disco. Discos guía: Principalmente están hechos de poliuretano de alta resistencia al desgaste. Su función principal es para cargar el peso del cuerpo del equipo de limpieza, además de retira sedimentos y residuos que se encuentran en la pared interna del ducto. Los Discos de sello más grandes que los equipos guía son principalmente utilizados para sellar el ducto y poder ejercer una presión diferencial dentro de este mismo con el fin de extraer los residuos tales como polvo, cera y/o metal perdido. 35

44 Fig. 3. Equipo de limpieza Equipos de limpieza de copas El equipo de limpieza de copas, es un instrumento de limpieza que como su nombre lo dice, posee unas copas en la parte delantera del equipo que quita los obstáculos que puedan encontrarse dentro del ducto, como lo son: lodo, sedimentos, residuos, entre otros. Ideal para aplicaciones con baja presión. Se mueve unidireccionalmente y está recomendado para ser uno de los primeros equipos en un programa de limpieza. Los equipos de copas de limpieza son usados en casos donde el ducto no ha sido limpiado en un largo periodo y la cantidad de residuos a removerse es desconocida. El riesgo de que el equipo de copas se atasque es minimizado por el menor desempeño de limpieza y por el efecto de levante de las copas. Las copas están hechas de poliuretano de alta resistencia. (De la Hoz, XIV Congreso de Ingeniería 2009.) 36

45 Cabe mencionar que siempre se debe de prever este tipo de situaciones, ya que cuando se desconoce o la información del mantenimiento al ducto que se vaya a inspeccionar es insuficiente, se debe de tomar todas las precauciones posibles a la hora de realizar la limpieza del ducto. Fig.3.1. Equipo de limpieza de copas 37

46 Tipo-disco equipo con Tipo-copa 2 copas dos guías y cuatro sellos Tipo-disco con 4 guías y 4 sellos Tipo-copa 4 copas Fig.3.2. Diablos de limpiezatipo disco y con copas 38

47 La figura 3.2 nos muestra los diferentes equipos de limpieza tipo discos y con copas que se pueden utilizar de acuerdo al tipo de limpieza que se requiere, así como para diferentes tipos de ductos. Los equipos de limpieza tipo disco son de estructuras dura, específico para altas presiones y sedimentos acumulados de todo tipo, a diferencia de los diablos con copas estos son de estructuras flexible pero igual de resistente que los de tipo disco, con la diferencia que estos son específicamente para baja presión y para remover cantidades de sedimentos desconocidas, es decir, son utilizados principalmente cuando no se ha realizado antes otra limpieza, y como no se conoce la cantidad de sedimentos a remover, su copas flexibles permiten removerlas sin el riesgo de quedar atorado en el ducto Cepillos e Imanes Los cepillos son muy efectivos en la limpieza de los ductos ya que son capaces de remover cualquier residuo de lodo o cualquier otro tipo de material de la pared del ducto. Los cepillos o instrumentos de limpieza son utilizados principalmente antes de enviar el diablo instrumentado, con el fin de evitar que el vehículo inteligente de inspección interna se atore dentro del ducto. Fig.3.3. Instrumento de limpieza (Cepillos) 39

48 Los imanes tienen una función similar a los cepillos con la diferencia de que su principal objetivo es el de recoger todos aquellos residuos materiales metálicos que se encuentran en el ducto. Fig.3.4. Instrumento de limpieza con Imanes 3.2 Equipos de placas calibradoras Definir los equipos de placas calibradoras es importante, para la inspección dentro del análisis de integridad, ya que las placas calibradoras nos permite conocer el diámetro interno del ducto. Placa calibradora El uso y propósito principal de la placa calibradora de diámetro interno (ID) es tener la primera impresión de la geometría interna del ducto el cual, detecta cambios en el diámetro interno de la tubería así como abolladuras que obstruirían el paso del equipo geómetra y equipo instrumentado. 40

49 Placa calibradora de curvas Además de la placa calibradora del ID existe otra placa para detectar curvas hasta de 1.5 D, lo anterior para que el equipo instrumentado no encuentre obstrucción en alguna curva y provoque que se atore. (De la Hoz, XIV Congreso de Ingeniería 2009.) Fig Placas calibradoras El libramiento al paso del equipo instrumentado, previo al análisis de integridad del ducto requiere de eficiencia en los equipos de placas calibradoras, donde están determinaran si es viable o no introducir el equipo instrumentado y la determinación de diámetro interno del ducto, así como el ID de la curvas, ya que con ello, se podrá realizar el Análisis de Integridad de manera segura. 41

50 3.3 Equipos para detectar la geometría interna. Los equipos geómetra determinan cualquier deformación geométrica. Sus funciones principales son: Determinar diámetro interno Determinar deformaciones geométricas Determinar la ubicación y orientación dela deformación Determinar el radio de la curva del ducto Medir la velocidad del medio en el ducto Además de conocer la ubicación y orientación de la indicación, determina el diámetro interno del ducto, el radio de curva del ducto, la velocidad y la longitud. Como se mencionó, la determinación de la geometría interna de un ducto nos proporciona detalles meticulosos de importancia para la determinación de cada deformación que el ducto presente a lo largo del recorrido Unidad de odómetros y dippers Para entender mejor la función de los odómetros y dippers, es necesaria la definición de estos instrumentos, y para ello se proporcionan las siguientes: Dippers Mide el ángulo del brazo dipper desde el cuerpo hasta la pared del ducto. Determina curvas, diámetro interno y distancia de soldaduras. 42

51 Odómetros Medición de distancia, localizar anomalías y velocidad. Lo anterior se realiza mediante el sensor ODO que mide las revoluciones de cada rueda del odómetro y registra la distancia. (De la Hoz, XIV Congreso de Ingeniería 2009.) Los dippers así como los odómetros van a indicar las mediciones exactas del diámetro del ducto, así como, las curvas y las distancias entre soldaduras, pero principalmente para la localización de anomalías que haya en él, es decir, tienen como fin detectar cada detalle interno o cambio en la pared del ducto. Fig Sistema de Dipper y Odómetro La figura 3.6 muestra un diablo de inspección geómetra con dipper y odómetro, que nos permite determinar la geometría interna del ducto, esto con la finalidad de deducir la circunferencia del diámetro interno del ducto, curvas, anomalías, soldaduras, para así comprobar si es factible o no introducir cualquier otro tipo de instrumento. 43

52 3.3.2 Unidad MDS (sensor electromagnético de distancia) La unidad MDS es una de las partes más importantes dentro del equipo instrumentado, pues medirá los cambios de flujo magnético percibidos durante la inspección al ducto. Su función principal es hacerlas mediciones de distancia desde el sensor hasta la pared interna del tubo sin contacto, y se utiliza principalmente en la obtención de fallas en un ducto, pero empleando el ensayo no destructivo por corrientes de Eddy. Este tipo de sensor contiene 8 bobinas que trabaja bajo el principio Eddy Current con el objetivo de medir la distancia del sensor a la pared del ducto, este tipo de sensor electromagnético tiene la capacidad de ser utilizado para determinar curvas, anomalías, arrugas o cualquier discontinuidad que el ducto presente a lo largo de una trayectoria. El uso de la técnica de Eddy Current se debe a que es un tipo de ensayo que permite realizar la detección de defectos o anomalías en el ducto, tales como lo son: picaduras, abolladuras, soldaduras, golpes, algún tipo de corrosión, grietas, fisuras, fracturas, entre otras. Además de que utilizar esta técnica tiene sus ventajas como lo son principalmente la rapidez con la que esta se efectúa y no muestra problemas con la geometría interna del ducto (que se atore). 44

53 3.3.3 Equipos de mapeo y geometría interna Los equipos de mapeo y geometría interna son exactos por su medición y determinan la orientación y posición exacta en donde se encuentra un defecto. Esto se debe a que funcionan principalmente por medio de acelerómetros y giroscopios que permiten visualizar el ducto en 3ra. Dimensión. Los principios básicos son los mismos que los equipos geómetra, sin embargo estos equipos contienen una unidad de navegación inercial (IMU). IMU los movimientos de traslación y rotación del equipo son medidos a través de acelerómetros (instrumento destinado a medir aceleraciones) y giroscopios (dispositivo mecánico que gira sobre su propio eje de simetría). La orientación exacta y posición del ducto en 3 dimensiones puede ser computarizado al correlacionar los resultados del IMU con los detectores de soldadura, dippers y odómetros. (De la Hoz, XIV Congreso de Ingeniería 2009.) Los equipos de mapeo son equipos utilizados también en la medición de la geometría interna de los ductos, la ventaja en estos tipos de equipos es la unidad de navegación inercial también llamada IMU, estos permiten digitalizar la orientación y posición del ducto en 3 dimensiones por medio de un sistema computarizado, con el cual da la medición, localización exacta de los defectos o daños a lo largo del ducto. 45

54 Fig Software Rosoft. Ejemplo de Hoja de localización de anomalía La fig Demuestra la utilización del software Rosoftmanejado por H. Rosen para la detección de defectos en un ducto. El software especifica de manera gráfica la localización y posición exacta de los daños encontrados durante dicha inspección. 46

55 3.3.4 Equipos de mapeo y geometría interna de alta resolución Medir con precisión el tamaño y posición de un defecto en un ducto no es una tarea fácil, ya que no se puede hacer por inspección visual, es por eso necesario contar con equipos de alta resolución que nos permite no solo detectar y calcular los defectos presentes en un ducto, sino también se pueden visualizar por medio de equipos de mapeo y geometría interna de alta resolución. Determina el tamaño exacto de la abolladura y otras características geométricas existentes en el ducto. (De la Hoz, XIV Congreso de Ingeniería 2009.) En el análisis de integridad, la determinación exacta de los defectos que se encuentran, es de vital importanciaen la conclusión de los efectos en los que puede repercutir a futuro en el ducto, así como, para hacer el diagnóstico y mantenimiento correcto al tipo de daño presentado en el análisis. El equipo de mapeo y geometría interna de alta resolución tiene la ventaja de permitir operario o usuario conocer e identificar el tipo y tamaño del defecto en el ducto de manera definida, además de su posicionamiento. Este equipo proporciona al operario detectar los defectos y su posicionamiento con el extra de poder visualizar el daño por medio de imágenes de alta resolución de las fallas que presente el ducto en su superficie interna. 47

56 Fig.3.8. Picadura interna de un ducto Unidades de sensores Las unidades de sensores son las encargadas de detectar alguna anomalía que se encuentre dentro de la estructura a inspeccionar, por ello es necesario decir que: Estos sensores combinan dos tecnologías, por medios mecánicos y electrónicos: el sensor electrónico detecta la geometría interna del tubo con la unidadde sensores electromagnéticos a distancia (Unidades MDS) y un sensor de posición que supervisa la posición mecánica del brazo que se encuentra en la parte inferior. El propósito de los equipos instrumentados es detectar, localizar y medir cualquier pérdida de metal en el ducto interna y externamente ya sea causada por corrosión, falla de manufactura, daño causado durante la instalación, etc. 48

57 Su principio está basado en la fuga de flujo magnético, los componentes principales del equipo instrumentado MFL son: Unidad de imanes Unidad de sensores Unidad de odómetros E-box y unidad de almacenamiento Unidad de batería Dándonos como resultado un informe completo de los todos los defectos encontrados. La unidad de sensores a distancia es lo más utilizado en la inspección de ductos. (De la Hoz, XIV Congreso de Ingeniería 2009.) La visualización y posición en la determinación de una anomalía causada por cualquier daño, defecto, abolladura, etc. se puede determinar por medio de las unidades de sensores que los vehículos inteligentes de inspección interna proporcionan. Las partes principales de un vehículo inteligente de inspección interna son: Unidad de imanes: su principal objetivo de alcanzar el nivel de magnetización a lo largo del ducto y en las curvas. 49

58 Unidad de sensores: es la parte principal del sistema de inspección. Por medio de un sensor (hall) convierte el nivel de campo magnético a una salida de voltaje y otro sensor (coil) mide el cambio del campo magnético y genera un voltaje como cambio en la densidad del flujo. Unidad de odómetros: las ruedas del odómetro mide la distancia recorrida durante la inspección. E-box y unidad de almacenamiento: básicamente es la computadora donde se va recibir toda la información acerca de la inspección y donde se va a almacenar. 3.4 Equipo para la detección de corrosión circunferencial Como se mencionó anteriormente, la fuga de flujo magnético es la principal forma de detectar un defecto en las paredes internas de una estructura, es por ello, que se debe mencionar el principio básico de su funcionamiento dentro del análisis de integridad. El principio básico de la inspección para detectar pérdida de metal es el método de fuga de flujo magnético en alta resolución (MLF). Para este principio, se utilizan imanes permanentes para magnetizar la pared del ducto en dirección axial. (De la Hoz, XIV Congreso de Ingeniería 2009.) 50

59 Fig.3.9. Inducción magnética por medio de imanes permanentes. Los imanes permanentes hacen que la inducción magnética detecte de manera circunferencial que cualquier mínimo defecto sea encontrado. Esta inducción magnética se lleva a cabo mediante el principio de inducción de Eddy Current. 51

60 CAPITULO 4

61 CAPITULO 4 DETECCION DE CORROSION Y DEFECTOS El objetivo principal de este capítulo es dar a conocer los tipos de corrosión y defectos principales que podemos encontrar en los materiales de los cuales están hechos principalmente los ductos, en este caso, se habla del acero y su componentes, para lo cual, su fin principal es la recolección, producción, distribución, y el almacenamiento de los hidrocarburos. 4.1 Clasificación de defectos Un defecto es un anormalidad o cuya dimensión no están dentro de una norma de calidad o no cumple con una especificación exacta. A continuación se hablará acerca de la clasificación de los defectos como lo son: por su evolución, origen, geometría y su comportamiento mecánico Por su evolución Hablando de la clasificación de los defectos, en su caso, por su evolución, estos se subdividen en:defectos progresivos y defectos estáticos.los defectos por evolución suelen darse por paso del tiempo, estos sin ser detectados y sin algún mantenimiento alguno. 53

62 Defectos progresivos:son aquellos cuyas dimensiones se incrementan con el tiempo, debido a efectos ambientales, mecánicos y/o de servicio. Dentro de los defectos progresivos se incluyen la corrosión uniforme, corrosión localizada, laminaciones y ampollamiento por hidrógeno, agrietamientos ocasionados por corrosión-esfuerzo, y agrietamientos por fatiga. Defectos estáticos: Son defectos cuyas dimensiones no se aumentan con el paso del tiempo. Dentro de los defectos estáticos se tienen a las abolladuras, entallas y rayones, deformación y pliegues, desalineamientos, defectos geométricos, defectos de soldaduras y defectos del material. (GAI, 2003, CAP.II). Determinar los defectos a los cuales, está o estuvo expuesto el ducto a inspeccionar, y en su caso, especificar la manera en que este se dio en la tubería, se deberá observar en los reportes anteriores de inspección y mantenimiento del mismo Por su origen Los defectos por el origen se clasifican en: defectos de manufactura, defectos causados por el servicio, por fuerzas externas, por construcción, y se definen cada una de ellas a continuación. Defectos de manufactura: Ocurren durante la fabricación del tubo e incluyen: grietas, traslapes, incrustaciones durante el rolado, endurecimientos localizados, laminaciones e inclusiones, segregación. Defectos causados por el servicio: Se deben a la combinación de un material susceptible con un ambiente agresivo y en ciertos casos con esfuerzos y comprenden la corrosión uniforme y localizada, externa e interna, desgaste, la fragilización por hidrogeno, agrietamiento por corrosión-esfuerzo en soldaduras y agrietamiento ampollamiento inducido por hidrogeno. 54

63 Defectos causados por fuerzas externas: Se deben al contacto físico con otros objetos, así como a las presiones por movimiento de suelos, subsidencia y presiones de viento o marea, que producen abolladuras, ralladuras, identaciones, pandeamiento y deformación. Defectos de construcción: Son introducidos durante el tendido del ducto, e incluyen la socavación fusión incompleta, falta de penetración grietas y desalineamientos en soldaduras, abolladuras, deformación en frio, etc. (GAI, 2003, CAP.II) Cuando nos referimos en su caso, a los defectos por su origen, estos se deben principalmente a fallas humanas en su proceso de elaboración, construcción e instalación. Es decir, desde que se realiza el diseño de una nueva línea por ejemplo de tuberías, hasta el material, el ambiente, y la instalación, etc. son factores importantes determinantes para que se den estos tipos de defectos Por su geometría Los defectos por su geometría interna están relacionados por las todas aquellas causas que de alguna manera afectan el diámetro interno de la tubería así como su geometría. Puntuales: Son defectos pequeños, cuyas dimensiones (largo y ancho) son del mismo orden de magnitud que el espesor. Normalmente este tipo de defectos no degrada la resistencia del tubo y solo producen riesgo de fugas. Axiales: Son defectos cuyo ancho es menor al equivalente de 5 minutos técnicos de la circunferencia y su largo es al menos diez veces el ancho. Son muy sensibles a la presión y pueden producir fugas y explosiones. 55

64 Circunferenciales: Son defectos cuya dimensión mayor esta en el ancho y son sensibles a la flexión y expansión. Aereales: Son aquellos cuyo largo y ancho son similares y a su vez mucho mayores que el espesor, siendo sensibles a la presión (GAI, 2003, CAP.II). En el caso de los defectos producidos por su geometría, y la clasificación de estos, el principal origen que reside en este tipo de defectos será como su nombre lo dice por la geometría, es decir, no sean del material adecuado, las medidas adecuadas, el espesor, etc. al trabajo o al esfuerzo a la que un ducto este sometido Por su comportamiento mecánico Los defectos por su comportamiento mecánico son principalmente causados por el uso de la estructura, ya que no lo operan a los márgenes establecidos. Defectos controlados por la presión: Su crecimiento y falla es impulsada por el esfuerzo circunferencial inducido por la presión interna, pudiendo suceder que fallen cuando la presión rebasa un determinado valor o bien si su tamaño es lo suficientemente grande como para fallar a la presión normal de operación. Incluyen: Grietas axiales, erosión, corrosión uniforme, picaduras y cazuelas, delaminaciones escalonadas, golpes, entallas agudas, identaciones y rayas longitudinales, defectos en la costura longitudinal y bandas de inclusiones. Defectos controlados por el esfuerzo longitudinal: Su comportamiento es el mismo que en el caso anterior, excepto que la fuerza impulsora es el esfuerzo longitudinal en la tubería. La principal contribución al esfuerzo longitudinal después de la presión interna son las flexiones y pandeos y de la tubería. Los defectos susceptibles de falla bajo este esfuerzo son: todo tipo de defectos cuya dimensión máxima este en la dirección circunferencial. 56

65 Defectos fugantes: Son defectos que provocan fuga pero no ponen en riesgo de explosión o colapso a la tubería. Incluyen: picaduras pequeñas y grietas cortas y profundas (GAI, 2003, CAP. II). En la tabla 4. Nos muestra los principales tipos de defectos que están presentes en los ductos, su control, su origen y el efecto que causa en la tubería. DEFECTO CONTROL ORIGEN EFECTO Grietas longitudinales Presión Enfriamiento rápido SCC, Fuga, reducción de fatiga. resistencia, ruptura. Grietas circunferenciales Flexión y pandeo ídem ídem Incrustaciones en la placa durante el rolado Presión Defecto de fabrica Reducción de la resistencia, ruptura. Endurecimientos Presión Enfriamiento rápido y Agrietamiento en servicio localizados segregación (ver grietas) Socavación, fusión Presión y flexión Mala aplicación de Reducción de la resistencia incompleta y falta de soldadura penetración en soldadura de campo Traslapes y marcas de Presión Defecto de fabrica Reducción de la resistencia rolado en placa Corrosión uniforme y Presión Fluido corrosivo y arrastre Reducción de la resistencia, erosión de sedimento ruptura Reducción localizada de Presión Defectos en recubrimientos, Fugas y reducción de la espesor, interna o externa mala protección catódica o resistencia, ruptura. por corrosión fluido corrosivo. Abolladuras, pliegues y Presión Fuerzas externas Disminución de la deformaciones resistencia, agrietamientos y corrosión localizada. Entalla longitudinal Presión ídem Agrietamiento, falla Laminaciones simples y Presión Agrietamiento inducido por Fugas y disminución de la ampollas hidrogeno resistencia Bandas de inclusiones Presión Fabricación del acero Disminución de la internas resistencia Desalineamientos Flexión y presión Construcción ídem Tabla 4. Tipos de defectos presentes en ductos y su efecto. 57

66 4.2 Corrosión en ductos de transporte por hidrocarburos La corrosión es un fenómeno natural, el cual es inevitable de evadir en los metales, pero si se puede detener la corrosión y prolongar el tiempo de vida de los materiales. Los principales daños por corrosión que se presentan en ductos, y estructuras metálicas similares, para el manejo de hidrocarburos, pueden resumirse en la siguiente lista: a) Corrosión generalizada de tipo atmosférico. b) Corrosión generalizada de tipo galvánico. c) Corrosión localizada por picaduras. d) Corrosión microbiológica (Corrosión asistida por bacterias) e) Corrosión erosión. f) Agrietamiento inducido por corrosión (GAI, 2003, CAP. II) De las cuales se explicaran cada una de ellas, porque hay que recordar que el efecto de la corrosión que a pesar de ser un fenómeno natural en los metales y se puede prevenir mediante varios métodos, la corrosión puede causar una falla catastrófica de la cual, también se debe considerar el impacto ambiental o pérdidas materiales y humanas que ocasionaría una falla Corrosión generalizada de tipo atmosférico La corrosión atmosférica es aquella que es causada por el medio atmosférico en el que se encuentra la estructura como lo son: el aire, sus contaminantes, vapores, gases, etc. 58

67 La corrosión atmosférica se define como aquella que provoca la degradación uniforme del material al exponerlo al aire y sus contaminantes. Este tipo de corrosión ha sido identificado como una de las principales causas de fallas de las estructuras y, consecuentemente, involucra altos costos. Las atmosferas corrosivas pueden clasificarse en industriales, marinas y rurales, dependiendo de la cantidad y tipo de contaminantes presentes. (GAI, 2003, CAP. II). Pero de acuerdo a esta clasificación podemos determinar que es debido a la presencia de contaminantes en el aire expuestos como lo son el cloruro de sodio, ya que una tubería que está expuesta muy cerca de la costa tiene más índice de posible corrosión que otra que se encuentre en una zona rural, lo mismo pasa con los contaminantes que desprenden la mayoría de las industrias, las cuales también intervienen en el deterioro de los ductos. Sin embargo, otra forma de clasificar a la corrosión atmosférica es la que se da en función del grado de humedad y vapor presentes. Estas categorías pueden ser: Corrosión seca, semihúmeda, y húmeda. En ausencia de vapor de agua, la mayoría de los metales se corroen lentamente a temperatura ambiente, y se acelera si éstaúltima aumenta. La corrosión seca a temperatura ambiente ocurre en metales que tienen una energía libre negativa para la formación de óxidos, por lo que forman rápidamente una película estable en presencia de oxígeno. La corrosión semihúmeda requiere de cierta cantidad de vapor de agua e incrementa su agresividad en función de la cantidad de humedad, cuando esta excede el 70% de humedad, una película delgada e invisible de vapor se forma sobre la superficie del metal. 59

68 El valor crítico depende de las condiciones superficiales del metal, tales como la limpieza, presencia de productos de corrosión, sales u otros contaminantes hidroscopios que pueden absorber agua en pequeñas cantidades. La corrosión húmeda ocurre cuando depósitos o capas visibles de agua forman sobre la superficie del metal debido al rocío marino, la lluvia o gotas condensadas de vapor, los cuales no se secan por largos periodos. Si la solubilidad de los productos de corrosión es alta, la rapidez del daño aumenta. Esto ocurre ya que los iones disueltos incrementan la conductividad del electrolito y disminuye la resistencia interna de la corriente, provocando un aumento en la rapidez de la corrosión. (GAI, 2003, CAP. II) La corrosión atmosférica como se mencionó va a depender de muchos factores, la cual provocan la corrosión en un metal, principalmente las condiciones atmosféricas a las cuales están expuestas nuestras tuberías, y de acuerdo a estas clasificaciones, las cuales antes mencionadas y para cada uno de los diferentes casos de corrosión atmosférica se es necesario el estudio especializado para determinar la causa de la corrosión y así poderla combatir con agentes anticorrosivos u otros tipos de procedimientos Corrosión generalizada de tipo galvánico La corrosión generalizada de tipo galvánico es un tipo de corrosión que adelgaza las paredes de un ducto por causas como resultado de reacción electroquímica en la mala aplicación de una protección catódica. Este tipo de corrosión puede ser descrita como aquella que provoca un adelgazamiento uniforme del metal, como resultado de una reacción electroquímica, la cual protege a las áreas catódicas a expensas de las zonas anódicas. 60

69 Esta reducción en el espesor representa un riesgo, ya que disminuye la capacidad de la estructura de soportar carga. En resumen, la corrosión en general es un fenómeno en el cual una especie se oxida (corroe) porque posee un potencial activo y otra especie se reduce (queda protegida). Cuando el fenómeno se presenta por el contacto entre 2 metales se le denomina CORROSIÓN GALVÁNICA y si la corrosión ocurre en un solo material en presencia de un agente corrosivo, se forman áreas catódicas y anódicas en la superficie del metal, las cuales a través del tiempo van cambiando de posición como resultado en una corrosión uniforme, como se ilustra en la siguiente figura: (GAI, 2003, CAP. II) La corrosión galvánica tiene varios tipos de métodos con los cuales, podemos prevenir este tipo de corrosión, como por ejemplo, el evitar que los metales estén expuestos a algún tipo de ambiente húmedo, sales, etc. que dañen el material, o con recubrimientos con pinturas platicas o resinas epoxi, entre otros más tipos de métodos. Fig.4.1. Corrosión Galvánica 61

70 4.2.3 Corrosión localizada por picaduras La corrosión es un fenómeno que destruye la naturaleza de sus componentes, devastando poco a poco los materiales hasta dejarlos vulnerables a rupturas. La corrosión por picadura tiene como característica principal que su daño es localizado, formando las llamadas cazuelas. Estas formas de ataque hacen que el daño sea más difícil de detectar y evaluar, a diferencia de la corrosión generalizada. La penetración al metal es muy rápida y se da en sitios preferenciales, donde existe susceptibilidad metalúrgica, mientras el resto del metal no se ve afectado significativamente. Esta forma de corrosión representa un factor económico importante y, además, peligrosa, y aquel puede provocar la falla de la estructura por su rápida penetración sin aparente pérdida generalizada del metal. Además, su ocurrencia y rapidez de penetración son, hasta cierto punto, impredecibles. Las picaduras son uno de los tipos de corrosión localizados más comunes y peligrosos en medios acuosos. Se estima que cuando menos el 90% de los daños por corrosión son originados por picaduras. (GAI, 2003, CAP.II). La corrosión por picaduras es una de la corrosión más comunes que se presenta en los metales, además de que es la más difícil de encontrar, aunque este tipo de corrosión afecta en sus principios a un área específica,después puede expandirse a toda su extensión, la forma más adecuada de erradicarla consiste en limpiar del área o en dado caso la extracción y sustitución de la parte afectada Corrosión microbiológica (corrosión asistida por bacterias) Otro tipo de corrosión es la microbiológica, pero este tipo de corrosión a diferencia de las demás tipos de corrosiones esta es provocada por bacterias que se pueden encontrar tanto en el ambiente que se encuentra el ducto como en los componentes del material del cual está construido. 62

71 La corrosión microbiológica (CMB), también llamada corrosión asistida por bacterias, es una corrosión que está influenciada de alguna manera por la presencia y actividad de microorganismos, los cuales aceleran el proceso electroquímico de la corrosión. La corrosión microbiológica usualmente actúa en conjunto con otros mecanismos de corrosión, es generalmente localizada y su aspecto es variante.sin embargo, la presencia y actividad de microorganismos puede causar: Picaduras Corrosión por hendidura Desaleado selectivo Celdas de aereación diferencial Incrementan la corrosión galvánica y corrosión por erosión. Por lo cual las características topográficas de la CMB pueden ser similares a las presentadas por los siguientes tipos de corrosión: Corrosión por hendidura Ataque acido por debajo del producto de corrosión Corrosión por concentración diferencial de oxigeno Corrosión por concentración de iones Corrosión por dióxido de carbono La CMB puede ser dividida en 2 categorías: anaeróbica (en ausencia de oxigeno) y aeróbica (en presencia de oxigeno). Las bacterias reductoras del ion sulfato, son los más importantes microorganismos de la CMB y usualmente causan daños importantes en estructuras de acero enterradas. 63

72 Su principal acción es consumir hidrogeno y en particular, el hidrogeno atómico adsorbido, producido sobre la superficie del metal por corrosión. Este hidrogeno absorbido cubre parte de la superficie del metal, donde su presencia incrementa el sobre voltaje de hidrogeno y consecuentemente disminuye la velocidad de corrosión. (GAI, 2003, CAP. II) La corrosión microbiológica es producida en las tuberías enterradas principalmente por el contacto con lodos y el levantamiento de los recubrimientos por donde las bacterias empiezan a aglomerarse haciendo colonias y empezando a corroer,pero hablando de la corrosión en la parte interna, está es debido al paso de hidrocarburos, agua, sales, minerales, etc. donde en los puntos o trazos de difícil acceso en el ducto, puede llevarse a cabo una acumulación de estas bacterias, que luego de provocar la corrosión microbiológica termina en corrosión por picadura Corrosión Erosión La corrosión por erosión es una de las causas principales que existen de falla en PEMEX, debido a que no se toman las medidas adecuadas ante la presencia de este fenómeno, y que, como todas las corrosiones es destructiva. Este tipo de erosión es el resultado del efecto combinado entre la erosión por impacto de partículas solidas y la disolución del metal por algún agente corrosivo. Normalmente este tipo de daño causa estragos en tuberías y tanques de almacenamiento de la industria petrolera, ya que el daño producido por sinergia entre la disolución del metal y el impacto de sólidos resulta superior a la suma de ambos. Algunas veces el ataque puede ser localizado, pero generalmente los asientos son removidos y la zona erosionada es metal base, el cual queda expuesto a la corrosión, provocando una reducción en el espesor de la estructura. 64

73 Los factores que influyen en la rapidez del daño son muy variados, entre ellos destacan la cantidad y velocidad del liquido y las partículas; los cambios abruptos en la dirección del fluido; el tamaño, la forma, la distribución, la dureza, la frecuencia y el ángulo de impacto de las partículas; la densidad y viscosidad del fluido; las propiedades químicas y mecánicas del metal; la corrosividad del medio; así como geometría del componente (GAI, 2003, CAP. II). La corrosión por erosión se da principalmente por la combinación de un agente corrosivo con el desgaste o erosión del material, este tipo de efecto se encuentra en los codos de tuberías, tuberías pequeñas o tanques con fluido estancado principalmente Agrietamiento inducido por corrosión El agrietamiento inducido por corrosión no trata más que de la combinación de un esfuerzo mecánico al que un material está sometido y un medio corrosivo o agresivo como: sales, bacterias, minerales, ácidos, por mencionar algunos; que en conjunto hacen una falla y dan como resultado el agrietamiento en dicho material. 4.3 Desgaste Hoy en día, la mayoría de las industrias, su principal objetivo es obtener más ganancias sin meter tantos costos de producción, y esto a su vez, representa la optimización de sus recursos, bienes y servicios que ésta ofrece. Dando lugar a que se trata de dar mantenimiento a todo por mayor tiempo posible por menos costo para evitar la necesidad de un gasto pero como todo en la naturaleza tiene un tiempo de vida determinado, el cual es un fenómeno natural llamado Desgaste. 65

74 Este se refiere al desgaste físico que con el paso del tiempo sufren todos los materiales y se debe principalmente: El 75% de los casos de falla se deben al desgaste por rozamiento superficial, el cual genéricamente es conocido como desgaste por abrasión y se define como el deterioro progresivo de la superficie en operación de un elemento mecánico, causado por el movimiento relativo entre 2 superficies en contacto (GAI, 2003, CAP. II). La mayoría de los desgastes es provocado por motivos bruscos de movimiento o instalación, movimientos de la tierra, marea, o simplemente el medio en el que se encuentre el ducto Desgaste por erosión La erosión, se le llama así al proceso de degradación de los materiales por el contacto con el agua, hielo, viento u algún otro factor. La erosión es un tipo particular de desgaste que se caracteriza por la pérdida superficial de metal, generada por el repetido impacto de pequeñas partículas inmersas en un fluido líquido o gaseoso. A pesar de que el desgaste por erosión es considerado como un tipo particular de desgaste por abrasión, éste, es tratado de forma diferente, en virtud de la naturaleza de las fuerzas que generan los esfuerzos desgastantes, ya que en el desgaste por abrasión la perdida de metal es consecuencia del rozamiento entre 2 superficies duras en contacto, mientras en el desgaste por erosión dicha perdida es causada por la interacción de la superficie con numerosos impactos de partículas desgastantes (GAI, 2003, CAP.II). Puede determinarse que el desgaste por erosión es el deterioro de un material en contacto con otro, ya sea, en cualquier en estado líquido, sólido o gaseoso, que con el tiempo agrieta, desgasta y hay pérdida del material. 66

75 CAPITULO 5

76 CAPITULO 5 ANALISIS Y PROTECCIONES EN LOS DUCTOS El objetivo principal de un ducto es transportar hidrocarburos de manera segura. El ducto es considerado seguro cuando puede mantener el contenido dentro del mismo durante el periodo de vida para el que fue construido. Para garantizar la seguridad en el transporte de hidrocarburos Pemex realiza mantenimientos preventivos y correctivos desde la construcción y durante la operación siendo éstos los siguientes: Protección mecánica exterior. Protección interior a bases de inyección de inhibidores de corrosión. Protección catódica. Inspección con equipo instrumentado Análisis de integridad mecánica Análisis de riesgo Este capítulo explica cada uno de los componentes mencionados y el funcionamiento de cada componente. 5.1 Protección mecánica exterior. 68

77 La protección mecánica exterior en un ducto tiene gran importancia en el estudio de integridad, ya que las paredes externas están expuestas al medio ambiente que las rodea, sea marino, terrestre o simplemente al aire libre, y suele ser la principal fuente de corrosión que exista en estos medios, por consiguiente, estas paredes tienen que aislarse por medio de protecciones anticorrosivas que eviten que dañen prematuramente las paredes externas del ducto; ya que de manera que si llegase a presentarse la corrosión en las paredes externas puede llegar a traspasar hasta las paredes internas también. Existe una inmensa variedad de recubrimientos anticorrosivos, el más importante es el que se ha desarrollado para tuberías y otras estructuras susceptibles de ser protegidas catódicamente, y que además han encontrado aplicación en las diferentes industrias. A continuación se describen los sistemas más comunes 1) Sistema primario, esmalte, enrollado (simple o doble). Este sistema se usa ampliamente para recubrir tuberías enterradas, consiste en la aplicación, previa a la limpieza de la tubería, de una pintura base la cual se aplica en forma de película con un espesor aproximado de 0.076mm. cuyo fin es favorecer la adhesión del esmalte caliente que se aplica una vez que el citado primer Se encuentra completamente seco. La temperatura del esmalte debe ser tal que permita su aplicación en forma de película continua a un espesor mínimo de 2.462mm., una vez que haya sido 69

78 reforzado con una capa de fibra de vidrio, por lo general la temperatura está comprendida entre 200 y 240 C. Simultáneamente con la aplicación del esmalte, la tubería se forra en forma de espiral con tela de fibra de vidrio (vidrio Flex o semejante). Este forrado se hace con una traslape mínimo de 6.350mm (1/4 ) y máximo de mm (3/4 ), de modo que dicha tela queda embebida y centrada en el esmalte sin mostrar arrugas ni torcimientos. Finalmente la tubería se envuelve con fieltro o revestimiento exterior(vidriomat), la envoltura puede ser simple o doble, dependiendo de las especificaciones requeridas del caso. En las siguientes figuras se muestra un sistema de recubrimiento estándar y un doble para tuberías. (Martínez, 1999, pág. 39.) Fig. 5. Sistema de recubrimiento estándar y un doble para tuberías. 2) Sistema Epoxi. Modificado con alquitrán de hulla. 70

79 Este sistema se usa en casi todos los tanques de almacenamiento y de deshidratación de petróleo crudo. El sistema consiste en la aplicación, previa limpieza de las superficies metálicas, de 2 capas de recubrimiento epóxico modificado con alquitrán de hulla, a un espesor final de película seca de 0.812mm. (0.032 ) mínimo. Recubrimiento de uso específico: Cubiertas de alquitrán de hulla y asfaltos.- Sistema constituido por primario, esmalte y refuerzo de fibra, resiste al ataque químico de ácidos y álcalis, es impermeable y tiene compatibilidad con los sistemas de protección catódica. Polietileno.- Se emplea en forma de cinta o extruido, formando una barrera entre el medio y la estructura pero tiene poca resistencia al impacto. En la actualidad no se cuenta con un revestimiento a largo plazo, por lo que su uso es restringido. Cloruro de polivinilo.- Resiste soluciones concentradas de sales y álcalis a temperaturas hasta de 110 c, ácidos concentrados y no es toxico. Fenólicos.- Recubrimientos duros, brillantes y muy adherentes, su resistencia a solventes, medios ácidos y alcalinos es moderada, no se 71

80 recomienda para inmersión continua. Pueden combinarse con resinas epóxicas para mejorar sus características se resistencia química. Recubrimientos epóxicos en polvo.- Se aplican sobre la superficie metálica a temperatura de fusión del recubrimiento. Empiezana tener aplicación en exteriores de tuberías enterradas que transportan fluidos, sobre todo los que tienen temperaturas superiores a los 80 c, son compatibles con sistemas de protección catódica y presentan mejor protección anticorrosiva que los epóxicos convencionales. Requieren de equipo especial, tanto para la aplicación como para el curado, ya que necesita temperaturas superiores a los 200 c, por lo que solo pueden aplicarse en planta. (Martínez, 1999, Pág. 39) Estos son algunos de entre tantos tipos de recubrimientos anticorrosivos que nos permiten combatir la corrosión mediante su aplicación en ductos que transportan hidrocarburos. Recordando que la aplicación de dichos recubrimientos llevan una técnica previa especifica que nos garantizará una buena y segura protección contra este fenómeno. 5.2 Protección interior a bases de inyección de inhibidores de corrosión. 72

81 La protección interna de los ductos, es igual de importante que la protección externa, y para que la protección interna se lleve a cabo de manera correcta, se debe determinar el tipo de inhibidor que se utilizara mediante estudios previos al ducto. Los inhibidores de corrosión es una sustancia que es aplicada en pequeñas concentraciones al medio corrosivo, y permiten la diminución eficaz de la velocidadde corrosión. Estos inhibidores se van aplicar principalmente en tuberías, tanques y equipos de proceso. Es una sustancia que adicionada en pequeñas concentraciones al medio corrosivo, disminuyen eficazmente la velocidad de corrosión. Este método reconoce su principal campo de aplicación en el interior de tuberías, tanques y equipos de proceso. Existen diferentes tipos de inhibidores de corrosión: orgánicos, e inorgánicos, anódicos, catódicos y no iónicos. Los inhibidores inorgánicos: son los más usados en sistemas abiertos como las torres de enfriamiento. Los inhibidores anódicos: poseen una carga negativa por el cual estos son atraídos hacia el ánodo y los catódicos con carga positiva, son atraídos hacia el cátodo. Los inhibidores no iónicos, no tienen carga pero adquieren características fílmicas. Los inhibidores orgánicos: Forman una película que es atraída a la superficie del metal. Estos inhibidores pueden ser solubles, insolubles o dispersables en diferentes fluidos. Los inhibidores orgánicos son altamente polares por lo cual son absorbidos 73

82 por la superficie del metal (El inhibidor tiene una parte polar y una no polar, la polar se deposita sobre el metal y la no polar está en contacto con el electrolito.). La formación de película de un inhibidor, debe ser Mono molecular, es decir que se va a ir disminuyendo sobre toda la línea ayudado por el flujo del sistema. Para la inyección de un inhibidor se recomiendan 3 etapas que son: 1) Etapa de choque 2) Etapa de formación de película 3) Dosificación continua Etapa de choque: consiste en inyectar 10ppm (dosificación de inhibidor en mg/l) durante una semana. Etapa de formación de película: se comienza a disminuir la inyección poco a poco durante cada semana hasta llegar a un rango de 5ppm. Etapa de dosificación: en esta etapa la dosificación puede llegar a disminuir hasta 3ppm. Esta dosificación está en función de la velocidad de corrosión que se tenga en el sistema, el equipo de inyección, etc. (Martínez, 1999, Pág. 60) La persistencia de esta película depende del tipo de inhibidor de corrosión que se esté inyectando, ya que en algunos casos puede durar días u horas. Los inhibidores de corrosión no tienen la capacidad de corregir un daño que ya está hecho, la función principal de estos, es evitar que continúe avanzando la corrosión. Pero en la selección de un tratamiento con inhibidores, es más conveniente la selección de un programa de protección que cubra la corrosión externa e interna. 5.3 Protección catódica. 74

83 La protección catódica es uno de los métodos más usados para reducir la corrosión de un metal, y en este caso, es muy aplicada en la protección de los ductos de Pemex. La protección catódica se puede definir como una técnica que detiene o reduce la corrosión de un metal en contacto con un electrolito, haciendo que todo el metal se comporte como un cátodo. La protección catódica, tiene su base en el hecho de que la corrosión de los metales en presencia de un electrolito es de naturaleza electroquímica, esto es, que las estructuras metálicas enterradas se corroen por las pilas locales que hay sobre su superficie. Están pilas están constituidas por áreas anódicas donde tiene lugar la disolución del metal y áreas catódicas, donde ocurre la reducción de algún constituyente del electrolito. Las dos reacciones se efectúan en la interface metalsolución, con la siguiente transferencia de electrones a través del metal y de iones a través de la solución. Por lo anterior, es fácil comprender que cuando toda la superficie de una estructura metálica forma un cátodo, no se corroe mientras se mantenga en esa condición. Para obtener una protección catódica completa de una estructura metálica, su potencial debe ser igual o menor que el potencial en circuito abierto del punto más anódico. La corriente necesaria para establecer un sistema de protección catódica, puede obtenerse formando una pila eléctrica espontanea, usando ánodos de metales más activos o bien, mediante la impresión de corriente eléctrica por medio de una fuente de energía. 75

84 En el primer caso la protección catódica recibe el nombre de protección catódica con ánodos de sacrificio o galvánicos, mientras que en el segundo caso, se le da el nombre de protección catódica a base de corriente impresa. (Martínez, 1999, pag.23) Fig Corrosión electroquímica. Protección catódica con ánodos galvánicos. Ambas técnicas son usadas en determinadas circunstancias en que se encuentre el ducto a proteger.por ejemplo los ánodos galvánicos no requieren una corriente impresa, se usa en medios de baja resistividad y es despreciable la interferencia de estructuras vecinas. La corriente impresa requiere de una fuente externa, es aplicable a cualquier resistividad de terreno y es necesario considerar la interferencia con otras estructuras. 76

85 5.4 Inspección con equipo instrumentado La inspección con equipo instrumentado es llevada a cabo por un vehículo inteligente de inspección interna que es desplazado por la tubería. Este vehículo inteligente posee 3 secciones principales. La sección impulsora que es la parte delantera del equipo y consta de copas que permiten el impulso del equipo, la segunda parte es la sección transductora que es la encargada de llevar las zapatas transductoras, así como los sensores;que están en contacto con las paredes del ducto en 360 de la superficie de la tubería, y la tercera parte es la última sección de grabación que contiene el sistema electrónico y los instrumentos de grabación, donde todas las señales son procesadas y guardadas en una cinta magnética. Fig Vehículo inteligente de inspección interna. 77

86 Este equipo inspecciona el ducto en toda su longitud y en los 360 de su circunferencia para detectar el número de anomalías en el espesor de las tuberías. El principio de operación de estos equipos es el ultrasonido y la localización de fugas del flujo magnético creado por el mismo equipo. Las anomalías que detecta el diablo instrumentado son las siguientes: Perdida de material Daños mecánicos Abolladuras y arrugas Puntos duros Defectos de fabricación Ampollas Rajaduras circunferenciales Otras imperfecciones tridimensionales Además de los defectos antes citados son capaces de detectar: Soldaduras transversales Válvulas Tes Parches Derivaciones o tapones Carretes en tubos cortos Anclas Silletas envolturas abrazaderas 78

87 En general detectan cualquier instalación que este en contacto eléctrico con el espesor de la pared de los ductos. (Martínez, 1999, Pág. 63) El equipo instrumentado tiene como objetivo principal el detectar todo tipo de daño en el ducto y todo aquello que este interconectado con su estructura. La parte principal del equipo instrumentado es el vehículo inteligente de inspección interna, llamado también como diablo, y este es la parte del equipo que físicamente va a entrar y recorrer el ducto para su inspección. Después de retirar el diablo al otro lado del ducto, el diablo instrumentado es limpiado y conectado a una e-box de almacenamiento que es como la computadora en donde se van a almacenar todos los daños y defectos encontrados durante el recorrido del diablo instrumentado. 79

88 5.5 Análisis de integridad mecánica (AIM) El análisis de integridad mecánica, también abreviado como AIM, es la evaluación del estado en el que se encuentra la estructura del ducto, y esto se lleva a cabo mediante la determinación del tipo y grado de severidad de los daños que el ducto presenta. El AIM es una inspección no destructiva que se basa en el cálculo de la PMPO (Presión máxima permisible de operación), el tamaño máximo tolerable del defecto que el ducto presente, así como, el tiempo de crecimiento de defectos. EL AIM es una evaluación cuantitativa del nivel de resistencia y rapidez de crecimiento de daño en un componente bajo condiciones de operación preestablecidas (normales, paro-arranque, sismo, etc.), sin considerar los efectos que esta falla pudiera tener en el entorno. Para ellos, los cálculos realizados en el AIM son principalmente determinísticos, es decir, buscan establecer con la mayor precisión posible de resistencia y vida remanentes. (GAI, 2003, CAP.11) El análisis de integridad cuantifica a que tan propensa esta dicha estructura a una falla, sin importar sus efectos en el ambiente que lo rodea. Solo se encargara de estudiar las fallas dentro del ducto y tiempo de vida esperado para que ocurra un evento. 80

89 5.6 Análisis de riesgo El análisis de riesgo, también abreviado como AR, es un estudio mediante el cual estima el impacto y efectos que tendrá una falla mediante una simulación de situaciones en las que se expondrán las fallas que se presenten en una dicha estructura, así pues como un estimado en cálculos de daños. El análisis de riesgo es una postulación de los posibles escenarios de falla y analiza su impacto en el sistema productivo, el entorno ambiental y prevé los daños a personas y bienes, estableciendo el nivel de riesgo como un índice que intenta cuantificar la suma de estos efectos. Para ello realiza simulaciones del comportamiento de los componentes bajo situaciones inesperadas o peligrosas, estableciendo el posible efecto en el entorno y sobre todo incursiona en cálculos probabilísticos para establecer el potencial de riesgo de un componente. (GAI, 2003, CAP. 11.) El análisis de integridad mecánica y el análisis de riego, no son iguales pero los 2 estudios son importantes determinarlos en el estudio de una estructura, ya que para ello se tiene que medir desde el tiempo aproximado en el que una falla ocurrirá para determinar el mantenimiento que se debe realizar a dicha estructura, como también los daños ambientales y a la empresa que esta falla pudiese ocasionar en caso de omitirse alguna acción necesario en el mantenimiento del ducto después del análisis de integridad mecánica. 81

90 CAPITULO 6

91 CAPITULO 6 ANALISIS DE INTEGRIDAD DE DUCTOS El análisis de integridad es una evaluación de una estructura o tubería, que nos permite saber el estado en el que ésta se encuentra, y determina el tiempo de vida y falla en un periodo. Este análisis, solo cuantifica los daños que existen en la estructura pero no el impacto ambiental que una falla podría ocasionar. El análisis de integridad es un sistema procesamiento de información que permite evaluar cuantitativamente la capacidad de un componente, equipo o instalación para desempeñar la función para la cual fue diseñado, con la durabilidad requerida y los márgenes de seguridad requeridos. (GAI, 2003, Cap.II) En la práctica, la integridad mecánica se le nombra a la condición de apto para el servicio a un cierto equipo o instalación, para determinar si puede llevar a cabo las funciones para las cuales se crearon y pueden durar más allá de su tiempo de vida útil y al proceso para evaluar dicho estado se le conoce como análisis de integridad. 6.1 Fundamentos del análisis de Integridad 83

92 La estructura a evaluar debe contener reportes anteriores que permita saber la última fecha de inspección y mantenimiento a la estructura, para dar un conocimiento aproximado de lo que se esta estudiando. El análisis de integridad se fundamenta en conocimientos teóricos y prácticos de mecánica de la fractura la cual es una disciplina que estudia la resistencia de un cuerpo agrietado. Para ello se basa en el conocimiento de tres aspectos: 1. La resistencia del material al crecimiento de grietas, es llamada tenacidad a la fractura y es una propiedad del material. 2. El factor de intensidad de esfuerzos K que determina la magnitud de esfuerzos en la punta de la grieta y que depende del tamaño y forma de la grieta, del tipo de cuerpo, por ejemplo: tubo, viga, etc., y de la forma de aplicación de carga (presión, flexión, etc.). 3. El tamaño, forma y localización de la grieta (si es radial, longitudinal, laminación, etc.) Una de las aplicaciones de mayor impacto de la mecánica de fractura es la predicción de la vida útil de una estructura. Cuando la causa primaria del fin de la vida de una estructura es un proceso de agrietamiento, la posibilidad que brinda la mecánica de fractura de predecir la rapidez de propagación de una grieta, es precisamente lo que hace que la predicción de vida sea posible. La predicción de vida bajo esta premisa, es relativamente simple y consiste en que, una vez detectada una grieta y conociendo su rapidez de propagación bajo las condiciones esperadas de servicio, el problema sea calcular el tiempo de propagación de la grieta, desde su tamaño detectado hasta su tamaño crítico, ese tiempo será el tiempo de vida residual 84

93 Fig. 6.Definición de vida útil desde el punto de vista de la mecánica de fractura. Un análisis más detallado de la figura 6 Permite reconocer otros aspectos relevantes de la predicción de vida. Primero, todo componente estructural es diseñado bajo la suposición de que el material no contiene defectos y la resistencia de diseño es la determinada por las propiedades mecánicas de los materiales de fabricación y las características geométricas (espesor, ancho, forma, etcétera) del componente. Cuando aparece una grieta, inicialmente esta no tiene un efecto en la resistencia residual, pero a medida que la grieta crece, la resistencia va disminuyendo. El tamaño de grieta que comienza a provocar una disminución de la resistencia será por lo tanto, el tamaño mínimo a detectar mediante la inspección no destructiva; en otras palabras, la técnica de inspección no destructiva debe tener la sensibilidad y resolución suficientes para detectar como mínimo, una grieta cuyo tamaño reduzca la resistencia. Es a partir del tamaño mínimo a detectar y hasta el tamaño crítico, que se obtiene el tiempo de vida útil, o sea la vida máxima garantizada del componente; 85

94 no se puede garantizar una mayor vida debido a que no se puede asegurar que se detecten grietas más cortas que el tamaño mínimo. La vida residual y la vida útil están determinadas por el punto de falla, que es aquel en que el tamaño de defecto provoca una resistencia residual igual al nivel de carga normal de servicio, haciendo que la fractura sea inminente. (Cap. III Marco teórico del análisis de integridad, Pág. 38) La fractura de un cuerpo agrietado surgirá cuando la rapidez de la propagación con que la grieta se desarrolle, y está sea mayor al valor crítico, el cual nos indica el punto máximo de carga que nos dará el estimado de vida útil hasta antes de la fractura. 6.2 Deterioro de componentes estructurales El deterioro es un fenómeno natural que aparece en los materiales por el paso de tiempo y su uso. Este fenómeno puede provocar causas graves a una estructura de no ser reparada o sustituida, y es por ello, que se debe de mantener en evaluaciones continuas paraevitar una catástrofe. Cuando una estructura se encuentra en servicio, está sometida a la acción de diferentes fuerzas y acciones agresivas provenientes del servicio y del ambiente al que está expuesta, que deterioran su estado físico. Este deterioro puede ser: _ Disminución de la resistencia del material _ Reducción de la sección transversal o del espesor de pared _ Aparición de grietas 86

95 Así mismo, los diversos tipos de deterioro tienen como consecuencias: _ Reducción en la capacidad de la estructura de soportar cargas _ Probabilidad de fallas inesperadas y catastróficas _ Reducción en la vida útil En la práctica, existen muchos defectos y anomalías que afectan la resistencia de una estructura, pero si estos no crecen o se acumulan con el tiempo, el efecto será únicamente un riesgo de falla si eventualmente la carga de servicio se incrementa hasta igualar el valor de resistencia residual. Las condiciones de servicio severo y la inestabilidad de las condiciones de operación, aumentan el grado de deterioro, reduciendo de manera muy importante la vida útil de los ductos. Las formas de daño más comunes que acortan la vida útil de un ducto son: _ Corrosión localizada _ Corrosión uniforme _ Erosión y desgaste _ Agrietamiento inducido por hidrógeno _ Agrietamiento por corrosión bajo esfuerzos La susceptibilidad de un material a estas formas de daño depende de la interacción de varios factores entre los que destacan las propiedades mecánicas, la composición química, la microestructura, la composición, ph y temperatura del ambiente, la presión o carga de trabajo, la temperatura y condiciones de servicio y las formas de protección aplicadas, por lo que para la predicción de vida deben de analizarse todos y cada uno de los factores antes mencionados. 87

96 A partir de una inspección no destructiva se establecen el tamaño, forma, tipo y distribución de los defectos presentes en la estructura. (Cap. III Marco teórico del análisis de integridad, Pág. 40) No podemos aislar completamente los equipos o instalaciones de los factores externos que afectan a los mismos, pero toda materia sólida tiene un estimado de vida útil, de manera que podemos prolongar su uso para lo que fue diseñado pero sin perder la seguridad de poder seguir trabajando. 6.3 Principios del análisis de integridad Dentro de los principios del análisis de integridad, se encuentran seguir unas series de normasespecíficas y un régimen, que definen límites de valores permitidos, para que la operación de un ducto sea segura. El análisis de integridad consiste en la evaluación del estado estructural del ducto,basándose en la identificación del tipo y grado de severidad de los defectos presentes en él, a partir de los reportes de inspección no destructiva y la información técnica del ducto. El Análisis de integridad se basa en el cálculo de: 1. La presión o carga máxima permisible de operación del ducto o tramo de ducto en presencia de defectos. 2. El tamaño máximo tolerable de defecto. 88

97 3. La rapidez de crecimiento del defecto. Estos cálculos están fundamentados en los conocimientos de la mecánica de la fractura y se apoyan en el conocimiento de las propiedades mecánicas de los materiales de fabricación y las dimensiones de los defectos presentes, detectados por inspección no destructiva. Esta información debe ser obtenida de los reportes deinspección y mantenimiento y del historial propio del ducto. Por otra parte, los datosde propiedades mecánicas, caracterización metalúrgica y otros datos, se obtienenmediante pruebas de laboratorio o se utilizan los valores nominales de acuerdo a laespecificación del material de construcción. El análisis de fallas será un requisitocuando ésta se presente y sus resultados serán tomados en cuenta para el análisisde integridad. El principal problema de las líneas submarinas es la ausencia de importantes piezas de información del ducto, ya que una vez construida la línea es muy difícil verificar algún dato, por lo que necesariamente se debe emplear el criterio, para seleccionar los valores de entrada del análisis. En todo caso el criterio debe ser conservador, es decir, debe considerar el peor de los casos, esto es: el mayor esfuerzo, el ambiente más agresivo y las menores propiedades del material, por lo que el análisis puede resultar en una sobre estimación de la severidad del defecto analizado. Por otro lado, ninguna sobre estimación deberá ser considerada como una garantía de una resistencia y vida remanente mayor, y el usuario deberá realizar las acciones pertinentes de reparación, adecuación de condiciones de operación o retiro dentro de la forma y tiempo establecidos en las recomendaciones del Análisis de integridad. El análisis de integridad es aplicable a ductos marinos y ductos ascendentes desde la trampa de envío de diablos en la plataforma de producción y hasta la trampa de recibo en la instalación donde son procesados y sus alcances son los siguientes: _ Solo aplica a líneas fabricadas con tubería de acero al carbono y unidos por soldadura. 89

98 _ Establece los criterios para la evaluación de severidad de defectos que estén presentes en el ducto, según su tipo y tamaño, así como los requerimientos de inspección no destructiva. _ Específica los datos e información que son necesarios para calcular la resistencia residual y la vida residual de los tramos del ducto analizado. _ Establece los criterios de aceptación, reparación o retiro de los tramos del ducto con defectos para garantizar la seguridad durante su operación. Para realizar un análisis de integridad, es necesario contar con la informaciónmínima necesaria que en forma resumida contiene lo siguiente: _ Datos de diseño y construcción _ Datos de operación _ Reporte de las condiciones actuales de servicio y máximas posibles. _ Reporte del historial El criterio de análisis de integridad descrito está basado solo en la habilidad del ducto para mantener su integridad mecánica bajo presión interna, combinada con presión hidrostática y cargas externamente impuestas por oleaje, movimientos de suelos y corrientes marinas. Entendiéndose la integridad mecánica como la capacidad del ducto para contener un fluido a presión en su interior, soportar las cargas externamente impuestas y mantener su forma y continuidad sin presentar fugas, agrietamientos o rupturas. La exactitud de los resultados del análisis es función únicamente de la exactitud de los datos proporcionados y de la veracidad del reporte de la inspección no 90

99 destructiva. Los cálculos serán válidos siempre y cuando las condiciones de operación permanezcan dentro de los límites de variación indicados en este procedimiento y que no haya cambios de servicio, cambio de materiales, o modificación de las cargas o presiones externas, aún cuando éstas no se hubieran realizado en aquellas secciones, áreas o tramos del ducto donde se ubica el defecto. En ausencia parcial de información del ducto, el analista necesariamente empleará su criterio para seleccionar los valores de entrada del análisis. En todo caso el criterio será conservador, es decir, se considerará, según el caso: el mayor esfuerzo, el ambiente más agresivo y las menores propiedades del material tal como fue mencionado en la hoja anterior. (Cap. III Marco teórico del análisis de integridad, pág. 41) Es por ello, que es necesario contar con la información básica del ducto, de las cuales se definen principalmente: el diseño y construcción del ducto, las condiciones o datos de operación o función, así como las condiciones más recientes en las que se encuentra operando y el historial del ducto. Mediante toda esta información se determinara los valores a introducir en el siguiente AI. 6.4 Mecánica de la fractura aplicada al análisis de integridad. Las fallas son una de las principales causas de accidentes en la industria, si se aplicaran las medidas necesarias para la prevención de estos eventos, las probabilidades de que esto ocurra sería menos probable. 91

100 Aunque en muchos casos de fallas ocurran una vez en toda una vida, una sola falla puede significar una gran catástrofe, como es el caso de las explosiones en grandes ductos de gases o líquidos combustibles. Las pérdidas por estas fallas usualmente no se limitan a la perdida de estructura y a los daños causados a las vidas humanas y las propiedades aledañas; con frecuencia también hay grandes pérdidas por la demora de la producción, los daños al ambiente y el deterioro ante la opinión pública de la imagen de la empresa. La mecánica de la fractura es la disciplina que provee las bases y la metodología para el diseño y evaluación de componentes agrietados a fin de desarrollar estructuras más resistentes y tolerantes de defectos. (GAI, 2006, CAP.III) Aunque la ciencia vaya avanzando tecnológicamente en el desarrollo de materiales con menos probabilidades de falla en su diseño, componentes, etc. siempre se deberá realizar un examen de evaluación periódicamente para el descarte de algún evento desagradable. Definición de fractura. La fractura es la separación o fragmentación de un sólido bajo la acción de una carga externa, a través de un proceso de creación de nuevas superficies; las superficies de fractura. Usualmente, para fracturar un material se requiere incrementar la carga progresivamente hasta que un proceso de nucleación, es decir, un cambio de fase estable aparezca y la propagación de grietas ocurra. Dependiendo de las condiciones de carga, geometría del cuerpo y de las propiedades mecánicas del material, para fracturar un componente estructural, puede ser necesario sostener e incluso incrementar la carga después de que la iniciación de grietas ha tenido lugar; mientras que en otros casos bastará con alcanzar el punto de iniciación de 92

101 grieta y después la grieta se propagará espontáneamente. Una circunstancia muy importante es que la fractura puede iniciar a partir de una grieta preexistente en el material, entonces la etapa de nucleación de grietas es suprimida y el proceso se reduce a iniciar la propagación de la grieta. Para que la fractura ocurra es necesario que el esfuerzo de iniciación y propagación de grietas esté presente en todo el volumen del cuerpo, pues basta con que este esfuerzo se alcance en una región estrecha para que la fractura ocurra; esto se conoce como principio de la ruptura de una cadena que establece que: para romper una cadena, basta romper un eslabón. (GAI, 2006, CAP.III) Realizar los exámenes de valoración periódicamente para la exclusión de cualquier evento catastrófico, dependerá de la revisión de reportes de pruebas anteriores realizadas, así como del conocimiento del inspector, aunque el usuario de detectar un cambio o un ligero agrietamiento por alguna discontinuidad en la superficie del ducto, deberá aplicar los códigos de seguridad y realizarse un evaluación de operación, para determinar si el confiable seguir manipulando dicho componente. Desde el comportamiento de los materiales, se reconocen 2 tipos de fractura: Fractura frágil: es la que ocurre cuando la deformación de la mayor parte del cuerpo es elástica, de manera que después de la fractura, los fragmentos de la pieza pueden volver a juntarse sin que haya cambios significativos en la geometría. Fractura dúctil: es la fractura que ocurre después de una apreciable deformación plástica del cuerpo, entendiendo que los esfuerzos en una región relativamente 93

102 grande de la pieza rebasaron el esfuerzo de cedencia o límite elástico. (GAI, 2006, CAP.III) Los 2 tipos de fractura son destructivas y peligrosas cuando se presentan en un componente en operación. Fig.6.1. Tipos de Fractura. La fig. 6.1, presenta en forma esquemática 2 cuerpos con fractura frágil y dúctil respectivamente. La fractura (a) es poco nula y su esfuerzo de falla es menor al de cedencia y las partes se unen perfectamente; la fractura (b) posee una gran deformación plástica y existe una fractura fibrosa con cuello que indica la existencia de una fractura dúctil que rebaso el limite elástico; la fractura (c) es de aspecto frágil y existe una zona plástica pequeña en la punta de la grieta. La mecánica de fractura relaciona el tamaño y forma de una grieta y las fuerzas o cargas que conducen a la fractura de un componente de forma y dimensiones definidas. Para esto, se apoya en el cálculo de la distribución de esfuerzos, deformaciones, desplazamientos alrededor de una grieta y en el establecimiento de los balances de energía que tienen lugar durante la extensión de una grieta. 94

103 Existen varias metodologías de análisis de componentes agrietados, dependiendo de la extensión de la deformación plástica que precede a la fractura. De acuerdo a la extensión de la deformación plástica, las categorías de la fractura son: Fractura lineal Elástica: Cuando la extensión de la zona plástica esta confinada a una pequeña región frente a la punta de la grieta y la deformación del resto del cuerpo es elástica. Fractura Elastoplástica: La zona plástica se extiende en el total remanente del ancho de la pieza, pero permaneciendo como una región relativamente estrecha alrededor del plano de la grieta. Colapso plástico: La fractura es precedida de deformación plástica generalizada. (GAI, 2006, CAP.III) Fig.6.2. Categorías de fractura de acuerdo a la extensión de la zona plástica. La mecánica de fractura considera que el proceso de fractura, inicia con una grieta que se propaga hasta la separación final o fragmentación de la pieza. Si durante la propagación de la grieta, esta puede detenerse al disminuir o desaparecer los esfuerzos, se dice que la propagación es estable y si la grieta se propaga de manera rápida, autoacelerada y es prácticamente imposible de detener, entonces la propagación es inestable. 6.5 Criterios del análisis de integridad 95