MECANISMOS DE DETERIORO QUE AFECTAN AL EQUIPO ESTÁTICO EN LA INDUSTRIA DE REFINACIÓN DE CRUDO PRACTICA RECOMENDADA API 571

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1 MECANISMOS DE DETERIORO QUE AFECTAN AL EQUIPO ESTÁTICO EN LA INDUSTRIA DE REFINACIÓN DE CRUDO PRACTICA RECOMENDADA API 571

2 Esta publicación es el resultado de la necesidad de un documento que trate de los mecanismos de deterioro que afectan a los equipos en las industrias de refinación petroquímica. Un paso clave para la administración confiable y segura del equipo es la identificación y entendimiento de los mecanismos de daño. Esto resulta importante también cuando se instrumenta el cumplimiento de los códigos de inspección API 510, API 570, API 653, así como cuando se llevan a cabo análisis de IBR de acuerdo con las API 580 y 581. Cuando se lleva a cabo una evaluación de Aptitud para el servicio, FFS API 579, se deben entender y tomar en cuenta para el análisis de vida remanente. 1.1 Introducción Los estándares de ASME y API ofrecen reglas para el diseño, fabricación e inspección y prueba para recipientes, tubería y tanques de almacenamiento sujetos a presión, Sin embargo no se enfocan a los mecanismos de deterioro y daño durante la operación. La evaluación de la aptitud para la operación segura, Fitness for service, FFS, es una evaluación cuantitativa de ingeniería que se realiza para demostrar el estado de Integridad Mecánica de un componente en operación que contiene fallas o daño. El primer paso para la realización de una evaluación FFS, acorde con la API RP 579, es la identificación del tipo de falla que causa el daño. La identificación apropiada de los mecanismos de deterioro, de componentes que contienen fallas u otras formas de deterioro, es también, el primer paso para la realización del análisis de Inspección Basada en Riesgo, acorde con la API RP 580 y 581.

3 Las fallas y daño descubiertos durante la inspección en servicio, pueden ser el resultado de condiciones preexistentes antes de la entrada en operación del componente o pueden ser inducidas por las operaciones normales o transitorias. Las Causas Raíz del deterioro pueden ser condiciones inadecuadas de diseño, selección de materiales, uso equivocado de procedimientos de fabricación, entre otros. Otro factor que complica la evaluación de aptitud para el servicio, FFS, en las operaciones de una refinería o un complejo petroquímico, son las interacciones extremamente variadas entre el material, el medio ambiente y las condiciones de operación de cada unidad de las instalaciones. De manera general en una refinería o complejo petroquímico se encuentran los siguientes tipos de daño: Perdida de material general o local debida a corrosión o erosión. Grietas abiertas a la superficie Grietas subsuperficiales Cambios metalúrgicos. Estos tipos de daño pueden ser causados por uno o varios mecanismos de falla. Además, cada uno de estos mecanismos de deterioro ocurren bajo combinaciones particulares de materiales, procesos, ambientes y condiciones de operación.

4 1.2 Alcance Estos lineamientos se dirigen al personal de inspección para apoyarle en la identificación de las causas probables de daño y tienen el propósito de inducir el concepto de Modos de falla y Deterioro inducido por la operación 1.3 Organización y uso Para facilitar el uso de la información suministrada en esta norma para las evaluaciones de FFS y aplicaciones de IBR, se tiene lo siguiente: a. Descripción del daño. Descripción Básica del daño b. Materiales afectados. Lista de materiales susceptibles al mecanismo de deterioro. c. Factores críticos. Factores que afectan al mecanismo. Velocidad de falla. d. Unidades o equipo afectado. Equipos o unidades donde el daño es frecuente. e. Apariencia o morfología del daño. Fotografías o microfotografías. f. Mitigación o prevención. Métodos sugeridos g. Inspección y monitoreo. Recomendaciones de técnicas END para la detección y cuantificación de daño. h. Mecanismos relacionados. Discusión de mecanismos de daño. i. Referencias y antecedente de información pertinente.

5 4.1 General Se presentan a continuación Mecanismos de daño que ocurren en las industrias de la pulpa y el papel, generación de electricidad, Refinación y petroquímica. Estos mecanismos están agrupados en 4 secciones: a. Fallas mecánicas y metalúrgicas. b. Pérdidas de espesor uniformes y localizadas. c. Corrosión en alta temperatura. d. Grietas inducidas por el ambiente. 4.2 Mecanismos de falla mecánicos y metalúrgicos Fluencia (Creep) y ruptura por tensión Descripción del daño En altas temperaturas, los componentes de metal pueden deformarse lentamente bajo cargas por debajo de su esfuerzo de cedencia. Esta deformación de componentes bajo esfuerzo, a cierta temperatura, en función del tiempo, se llama Fluencia o Creep La deformación lleva al daño, el cual eventualmente lleva a la ruptura.

6 Materiales afectados Todos los aceros y aleados Factores críticos a. La velocidad de deformación por fluencia es función del material, la carga y la temperatura. En general un aumento de 12 C o un aumento de 15% de esfuerzo pueden reducir a la mitad la vida remanente, dependiendo del material. b. La aparición del daño por fluencia con pequeña deformación se confunde con la fragilización por fluencia, pero siempre indica que el nivel de ductilidad se ha reducido. c. La baja ductilidad por fluencia es : 1. Más severa para materiales de alto esfuerzo y para material de soldaduras. 2. Más común en los rangos de baja temperatura del intervalo de fluencia o a bajos esfuerzos en los limites superiores del rango de la fluencia. 3 Más probable en materiales de grano basto que en los de grano fino. 4. No aparece a temperaturas ambiente. 5. Se incrementa en cierto carburos en aceros al Cr, Mo. d. Esfuerzos incrementales debidos perdida de material por corrosión aceleran los periodos de falla Equipos o unidades afectados. a. En calderas y soportes de cabezales de la tubería interna. b. En generadores de calor, intercambiadores y otros componentes que operan en la cercanía de los intervalos de fluencia.

7 c. Creep se presenta en las zonas afectadas por el calor de soldaduras y juntas de toberas y bridas que trabajan en la cercanía los rangos de fluencia. d. Soldaduras y uniones entre materiales diferentes, a temperatura no tan elevadas, básicamente por los diferentes esfuerzos de expansión térmica Apariencia o morfología del daño a. Las etapas iníciales del daño por fluencia solo pueden identificarse a través de un microscopio de barrido electrónico. Los huecos del inicio de la deformación aparecenenlosconfinesdegrano. Las últimas etapas son fisuras y grietas. b. A temperaturas por debajo de los rangos de fluencia, se puede observar deformación notable. Los tubos de la pared caliente en una caldera pueden mostrar abolladuras y deformaciones c. En recipientes y tubería, las grietas por fluencia aparecen cuando se presentan alta temperatura y concentración de esfuerzos. Una vez iniciada la deformación, esta puede crecer fácilmente Prevención/ Mitigación a. Una vez que el mecanismo de fluencia se ha iniciado, el inspector tiene poco que hacer para reducir el daño, más que minimizar la temperatura de metal. Es importante minimizar puntos o áreas de concentración de esfuerzos durante el diseño y fabricación. b. La deformación por fluencia también puede ser reducida por una selección cuidadosa de los materiales aleados utilizados. c. Los tratamientos térmicos posteriores a los procesos de soldadura ayudan a minimizar la aparición de grietas de fluencia en materiales de bajo intervalo de ductilidad de fluencia como para el 1.25Cr- 0.5Mo

8 d. La deformación por fluencia no es reversible y una vez detectada la mayor parte de su vida remanente ya se consumió. Solo queda la reparación o reemplazo de los componentes dañados Inspección y Monitoreo a. El daño por deformación de fluencia con sus micros huecos y cambios dimensionales asociados no se puede identificar con una sola de las técnicas de inspección. Se deberá utilizar una mezcla de técnicas END, metalográfica y de revisión dimensional. b. Para inspección de recipientes sujetos a presión, la inspección se deberá enfocar a las soldaduras de los materiales aleados CrMo que operan en el rango de fluencia. Las detecciones de deformación inicial por fluencia deben mapearse y recibir seguimiento para las próximas inspecciones. Limites de temperatura para el Creep/ Fluencia Umbral de Temperatura

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11 Erosión/ Erosión Descripción del daño a. Erosión es la remoción mecánica acelerada de material superficial que resulta del movimiento entre o por sólidos, líquidos, vapor o la combinación de ellos. b. Erosión-corrosión es una descripción para el daño que ocurre cuando la corrosión contribuye a la erosión por la remoción de películas o escamas o por la exposición de la superficie del metal a corrosión posterior bajo la acción combinada de erosión y corrosión Materiales afectados Todo tipo de metales, aleados y refractarios Factores críticos a. En la mayoría de los casos la corrosión juega el papel principal. La erosión pura es muy rara. b. La velocidad de pérdida del material depende de la velocidad y concentración del medio de impacto, del tamaño y dureza de las partículas que impactan, de la dureza y resistencia a la corrosión del material sujeto a erosión, así como del Angulo de impacto. c. Otros factores que aumentan al incremento de la corrosión, como la temperatura, ph, etc., pueden incrementar la susceptibilidad a la perdida de material.

12 Unidades o equipo afectado. a. Todo tipo de equipo expuesto al movimiento de fluidos o catalizadores están sujetos a fenómenos de corrosión-erosión, como son sistemas de tubería, particularmente las curvas o codos, salidas/ entradas de/a válvulas, bombas, sopladores, impulsores, propulsores, agitadores, intercambiadores de calor, y otros componentes parecidos. b. La erosión puede ser causada por partículas catalizadoras de las nubes de gas o partículas que fluyen en líquidos/mezclas de condensados en sistemas de reactores, generadores de vapor, depuradores y separadores de crudo. c. Tubería y recipientes de crudo expuestos a ácidos pueden sufrir erosión-corrosión severa y perdida de material en función de la velocidad y contenido de azufre Apariencia o morfología del daño a. La erosión y erosión-corrosión se caracterizan por perdida de espesor localizada en forma de picaduras, ranuras, ondas, agujeros redondos, etc. Estas pérdidas a menudo se presentan en una forma direccional. b. Estas fallas pueden ocurrir en periodos cortos de tiempo Prevención y mitigación a. Con diseños mejorados que incluyen cambios de forma, geometría, y selección de materiales: Aumento de diámetros para disminuir la velocidad del fluido, Disminuir o evitar curvas o codos y aumento de espesor del equipo.

13 b. Una mejor resistencia a los fenómenos de erosión-corrosión se logra con el empleo de materiales más resistentes en sus paredes. c. Erosión-corrosión se mitiga bien usando materiales aleados de superficies resistente y cambiando el proceso de tal manera que se reduzca el medio corrosivo, como por ejemplo con el uso de deaereadores e inyección de inhibidores Inspección y monitoreo a. Examen visual de aéreas problemáticas o sospechosas, así como inspecciones con UT y RT, se pueden emplear para detectar el alcance de material perdido o reducción de espesor. b. Uso de muestras especializadas de corrosión o monitoreo en servicio con sondas de resistencia eléctrica.

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17 Fatiga Mecánica Descripción del daño a. Las grietas por fatiga son una forma de degradación mecánica que ocurre cuando el componente se expone a ciclos de esfuerzo por periodos largos, lo que resulta en una falla instantánea e inesperada. b. Los esfuerzos pueden surgir de ciclos de cargas mecánicas o térmicas y tienen un valor muy por debajo del punto de cedencia. 4.3 Perdida de espesor uniforme o localizado Corrosión Caustica Descripción del daño Es la Corrosión localizada debido a la concentración de sales causticas o alcalinas, que ocurre en condiciones de alta transferencia de calor o evaporación. Sin embargo también puede ocurrir corrosión general en función de la concentración de ácidos o álcalis de la solución Materiales afectados. Principalmente Acero al carbón, aceros de baja aleación y aceros inoxidables de la serie 300.

18 Factores críticos. Los factores que más contribuyen son la presencia de hidróxidos de sodio y potasio: a. Elementos cáusticos se adicionan a veces al agua de alimentación de calderas para efectos de neutralización o como reactivos. b. Sales alcalinas pueden entrar a las líneas de proceso por error en procesos de regeneración o desmineralización. c. En algunos procesos se emplea soluciones causticas para neutralizar o remover compuestos de azufre Unidades o equipo afectado. a. Calderas, generadores de vapor e intercambiadores de calor. b. Procesos de separación de crudo c. Equipos de precalentamiento, tubos de calderas y líneas de transferencia. d. Unidades que utilizan elementos cáusticos para la remoción de componentes de azufre de la línea de flujo del proceso Apariencia o morfología del daño a. Se caracterizan típicamente por perdida de material localizado que puede aparecer como ranuras en tuberías de calderas o en áreas adelgazadas bajo depósitos de material aislante.

19 b. Deposito de corrosión pueden rellenar las depresiones corroídas enmascarando los daños. Podrá ser necesario raspar las áreas sospechosas con una cuchilla filosa. c. Los adelgazamientos de espesor pueden coincidir con la línea de superficie de agua donde se concentran los flujos corrosivos. d. En tubos horizontales o inclinados las ranuras de corrosión pueden aparecer en la parte alta del tubo o en los extremos del mismo en forma de ranuras longitudinales Prevención y mitigación a. La mejor forma de prevenir la corrosión cáustica en tubos de calderas es con un adecuado diseño. Es posible su disminución con una reducción del flujo cáustico. b. En procesos, es posible reducir la corrosión cáustica con un adecuado manejo de la inyección de inhibidores y evitando la concentración de aditivos en zonas calientes Inspección y monitoreo a. Para equipo de proceso, la medición de espesor con UT y RT es útil para detectar y monitorear corrosión cáustica. Sin embargo las pérdidas de material por corrosión cáustica son difíciles de identificar. b. Los puntos de inspección deben ser inspeccionados acorde API 570.

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22 4.5 Grietas inducidas por el medio ambiente Fatiga por corrosión Descripción Es una forma de ruptura por fatiga en la que las grietas aparecen y se desarrollan con la combinación de ciclos de carga y corrosión. A menudo la grieta aparece en puntos de concentración de esfuerzos, como en el caso de huecos de corrosión, y pueden iniciar y fallar de forma múltiple Materiales afectados. Todo tipo de materiales y aleaciones Factores críticos en Corrosión bajo Esfuerzo. CBE. a. Materiales, ambiente corrosivo, esfuerzos cíclicos y potenciadores de esfuerzos. b. Es más probable que aparezcan en sitios donde se producen picaduras ( Pitting) por corrosión localizada, o en lugares con corrosión y bajo ciclos de esfuerzo térmico, vibración y expansión diferencial. c. En contraste con la fatiga mecánica, en la CBE no se tiene una carga limite y esta se puede iniciar con bajos valores de esfuerzo. d. Otros lugares donde se pueden dar inicios de CBE, son ranuras, defectos superficiales, cambios de sección transversal y soldaduras a tope.

23 Unidades y Equipo Afectado Equipos rotatorios, Deaereadores, y tubería de calderas, y equipo sujeto a cargas cíclicas en ambientes corrosivos Apariencia y morfología del daño. a. La fractura del daño es brillante- Frágil, y las grietas son en su mayoría transgranulares pero sin ramificaciones. A menudo se presentan con una propagación de grietas paralelas múltiples. b. Las fracturas por fatiga son evidencias por una deformación plástica muy reducida, y al final la falla viene por sobrecarga mecánica acompañada de deformación plástica Prevención y mitigación a. Equipo rotatorio. Modificar el ambiente corrosivo, empleando inhibidores o recubrimientos; II. Minimizar efectos de acoplamiento galvánico; III. Emplear materiales con mayor resistencia anticorrosiva. b. Deaereadores: I. Controlar de manera apropiada el agua de alimentación y los controles de aditivos químicos. II. Minimizar efectos de soldadura y esfuerzos residuales con Tratamientos térmicos posteriores a los procedimientos de soldadura. III Minimizar los esfuerzos en soldaduras de reforzamiento con esmerilado y pulido de los contornos de la soldadura Inspección y monitoreo a. Equipo rotatorio: Se usan técnicas de UT y MT para la detección de grietas. b. Deaereadores: Se detectan grietas generalmente con MT fluorescentes húmedas.

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26 Fragilización por hidrogeno (HE) Descripción del daño. La perdida de ductilidad en aceros de alta resistencia se debe a la penetración de átomos de hidrogeno que pueden llevar a una ruptura brillante o frágil. La fragilización por hidrogeno, HE puede ocurrir durante la fabricación, la soldadura, o en otros servicios en los que el hidrogeno se carga al componente de acero ambientes gaseosos, corrosivos o líquidos Materiales afectados. Aceros al carbón y aceros de baja aleación, Aceros de la serie SS 400, Aceros endurecidos por precipitación y algunos aceros de alta resistencia aleados con base en Níquel Factores críticos La fragilización por hidrogeno generalmente se da cuando existen las 3 condiciones siguientes: a. El hidrogeno está en condiciones y concentración critica en el acero. b. El nivel de esfuerzo a que está sometido el equipo y la estructura del material hacen a éste, susceptible a la fragilización. c. Deben existir esfuerzos residuales o aplicados por encima de un umbral definido para ese material.

27 El hidrogeno puede provenir de: A. Cuando se usa para los procesos de soldadura, electrodos y/o revestimientos están húmedos. B. Fluidos o aditivos ácidos o de limpieza C. En condiciones de operación con hidrogeno en fase gaseosa con alta temperatura, donde el hidrogeno se disocia de la forma molecular la forma atómica, la cual permite su difusión en el acero. D. En condiciones de operación con ácido sulfúrico húmedo o ácido fluorhídrico, en las cuales el hidrogeno atómico se difunde en el acero. E. Las técnicas inadecuadas de producción y laminación de acero, así como en la manufactura, cuando se utilizan placas con inicios de mecanismos de daño por hidrogeno Unidades o equipo afectados a. Equipos que operan con ácido sulfúrico. Reactores e intercambiadores de calor, en hidroprocesos y reformadores catalíticos. b. Esferas de almacenamiento y trasiego de gas natural Apariencia y morfología del daño a. La ruptura por fragilización por hidrogeno, HE, puede iniciarse subsuperficial, pero la mayoría de las rupturas son superficiales. b. La fragilización ocurre en puntos de esfuerzos triaxiales residuales y en lugares donde la microestructura está alterada, como es el caso de la zona afectada por el calor. c. A nivel macro, la evidencia de este mecanismo es limitada. d. En aceros de alta resistencia, a menudo la ruptura es intergranular.

28 Prevención y mitigación a. Depende de la fuente de hidrogeno, la composición de la aleación y el historial de fabricación y tratamiento térmico. b. Se debe usar aceros de baja resistencia y tratamientos térmicos después de soldadura para prevenir la microestructura, se debe mejorar la ductilidad y reducir los esfuerzos residuales y la dureza. c. Durante los procesos de soldadura deben emplearse electrodos secos, de bajo hidrogeno, resguardados en hornos de secado, y con métodos de precalentamiento antes de la soldadura. d. Para equipos de paredes gruesas, en servicios con hidrogeno en caliente, deben contar con procedimientos de arranque y paro para controlar la secuencia de presurización en función de la temperatura. e. En servicios con líquidos corrosivos, se deben emplear recubrimientos y / o revestimientos internos para prevenir las reacciones superficiales del hidrogeno Inspección y monitoreo. a. Usar inspección superficial para la detección de grietas, como PT, MT secas o fluorescentes húmedas. b. Se puede emplear UT c. RT generalmente no es suficientemente sensible para detectar HE d. Para el caso de que la fuente de hidrogeno sea ambientes acuosos de baja temperatura, el flujo de hidrogeno puede ser monitoreado con instrumentos especializados.

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30 Contacto: Ing. Guillermo Sigüenza González tel.: