5th Pan American Conference for NDT 2-6 October 2011, Cancun, Mexico Inspection and Repair of Cryogenic Tanks for Storage LP Gas and Ammonia Eduardo de la CRUZ SÁNCHEZ, Eduardo F. ROBLES PIEDRAS, Angel A. GONZÁLEZ MARTÍNEZ, Leonardo DÍAZ PÉREZ National Nuclear Researchs Institute, Freeway Mexico-Toluca SN, La Marquesa, Ocoyoacac, Estado de Mexico, Mexico Phone: +52 5553 297200, Fax: +52 5553 297301; e-mail: eduardo.delacruz@inin.gob.mx, eduardo.robles@inin.gob.mx, angel.gonzalez@inin.gob.mx, leonardo.diaz@inin.gob.mx Abstract During a plant shutdown at a terminal for liquefied petroleum (LP) and ammonia gas distribution, were inspected inner casing of two cryogenic tanks of double wall of 20,000 metric tons capacity each, using the techniques of visual inspection, magnetic particles, penetrating liquids and industrial ultrasound with straight beam and angle beam, having found 23 relevant indications in the inner tank of the cryogenic gas LP storage tank and 15 in the inner tank of the cryogenic ammonia storage tank mainly under cuts, porosities and cracking in some vertical and horizontal welds of plates that make up the rings of the casings. Established a repair procedure, which involved the development of a welding procedure for plates of steel SA-537 Class 1, so had to site characterize the state of the metal base through field metallographic replication technique, hardness measurements and chemical composition by optical emission spectrometry. The qualification of this procedure involved bending, tension and Charpy impact test. Defects were repaired and re-inspected, not finding relevant indications, which freed the tanks for your startup and operation. Keywords: Non destructive testing, cryogenic storage tanks, cryogenic steels, welding repair. Inspección y Reparación de Tanques Criogénicos para Almacenamiento de Gas LP y Amoniaco Eduardo de la CRUZ SÁNCHEZ, Eduardo F. ROBLES PIEDRAS, Angel A. GONZÁLEZ MARTÍNEZ, Leonardo DÍAZ PÉREZ Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, Carretera México-Toluca SN, La Marquesa, Ocoyoacac, Estado de México, México Phone: +52 5553 297200, Fax: +52 5553 297301; e-mail: eduardo.delacruz@inin.gob.mx, eduardo.robles@inin.gob.mx, angel.gonzalez@inin.gob.mx, leonardo.diaz@inin.gob.mx Resumen Durante un paro de planta en una terminal de distribución de gas licuado del petróleo (LP) y amoniaco, se inspeccionaron las envolventes interiores de dos tanques criogénicos de doble pared de 20,000 Tm de capacidad cada uno, mediante las técnicas de inspección visual, partículas magnéticas, líquidos penetrantes y ultrasonido industrial con haz recto y haz angular, habiéndose encontrado 23 indicaciones relevantes en la envolvente del tanque criogénico de almacenamiento de gas LP, y 15 en la envolvente del tanque criogénico de almacenamiento de amoniaco, principalmente socavados, porosidades y agrietamientos en algunas soldaduras verticales y horizontales de las placas que conforman los anillos de las envolventes. Se estableció un procedimiento de reparación, el cual involucró la elaboración de un procedimiento de soldadura para placas de acero SA-537 Clase 1, para ello se tuvo que caracterizar en sitio el estado del metal base mediante toma de réplicas metalográficas, dureza y composición química por espectrometría de emisión óptica. La calificación de este procedimiento involucró prueba de doblez, tensión e impacto Charpy. Posteriormente se reinspeccionaron las zonas reparadas, no encontrándose indicaciones relevantes, por lo que se liberaron los tanques para su arranque y operación. Palabras Clave: Ensayos no destructivos, tanques criogénicos de almacenamiento, aceros para uso criogénico, reparación por soldadura.
1. Introducción Como parte de los trabajos de mantenimiento a las instalaciones de una planta de distribución de amoniaco y propano, se realizó una inspección general externa e interna a dos tanques de almacenamiento de servicio criogénico, las indicaciones relevantes encontradas en los tanques internos durante esta inspección fueron principalmente porosidades, socavados, daños mecánicos y en menor medida agrietamientos y falta de soldadura. En virtud de estos hallazgos, resultó necesario realizar reparaciones en los tanques internos de estos criogénicos, para garantizar la confiabilidad de las operaciones de la planta, habiéndose desarrollado los procedimientos correspondientes. A fin de realizar las reparaciones dentro de los parámetros de seguridad que permitieran certificar la operabilidad de los tanques criogénicos, se planteó para obtener dicha certificación de acuerdo a API 653 [1], realizar los trabajos de reparación con personal calificado y certificado por el ININ, siendo en todo momento supervisado e inspeccionándose finalmente las reparaciones realizadas. 2. Desarrollo 2.1 Antecedentes El propano y el amoniaco bajo condiciones ambientales normales se encuentran en estado gaseoso, considerando esto y con el propósito de almacenarlos en forma líquida en grandes cantidades, deben presurizarse o refrigerarse o bien someterse a una combinación de ambos métodos. El método más económico para conseguir esto, se logra manteniendo el tanque de almacenamiento refrigerado y a presión atmosférica, de tal forma que estamos hablando de condiciones de uso criogénico. El amoniaco líquido anhidro se almacena a presión atmosférica bajo condiciones de refrigeración a -33.0 C, mientras que para tener el propano líquido en las mismas condiciones de presión se debe refrigerar a -46.7 C. Los tanques de almacenamiento adecuados para ello deben ser de doble pared, el ánulo entre las paredes del tanque se llena con perlita expandida aislante, de modo que la transmisión de calor desde el medio ambiente hacia el tanque se reduzca al mínimo. Nuestro caso de estudio se trata de dos tanques de almacenamiento que fueron inspeccionados y reparados, uno para almacenamiento de propano y otro para amoniaco, con capacidad de 20,000 Tm cada uno. Estos tanques criogénicos son llenados desde buques tanque que descargan a 10.0 Kg/cm 2 para ambos productos, pero a -33.0 C para el caso del amoniaco y a -46.7 C para el propano, ambos entran a la planta vía un ducto de recibo directamente a los tanques de almacenamiento, en donde por medio de una válvula de control se reduce la presión hasta la atmosférica. En la Tabla 2 se dan las condiciones de diseño y operación de ambos tanques, así como la especificación de materiales de las envolventes, las cuales constan de nueve anillos cada una, y los espesores de placa de cada anillo. 2.2 Metodología Este análisis comprendió una revisión detallada de las técnicas aplicadas en la inspección inicial de los tanques internos, reinspección de las indicaciones relevantes catalogadas como defectos para ratificar o rectificar la realización de reparaciones, elaboración y calificación de de los procedimientos de reparación, así como la certificación del personal que efectuaría las reparaciones, para finalmente inspeccionar las zonas reparadas.
Tabla 1. Datos de diseño y operación de los tanques criogénicos para almacenamiento de propano y amoniaco. CONCEPTO TANQUE SERVICIO PROPANO Presión interna de diseño 0.47 psi 0.47 psi Presión interna de de operación 0.349 + 11 pulg. Col. H 2 O Temperatura de diseño - 50.0 C - 50.0 C Temperatura de operación - 47.6 C - 33.0 C Especificación de material, anillos TANQUE SERVICIO AMONIACO 0.349 + 11 pulg. Col. H 2 O 1 a 6 Especificación de material, anillos 7 al 9 Especificación de material, atiesador A Especificación de material, atiesadores B al F Especificación de material, placa anular de coronamiento Diámetro exterior 43.892 m 43.892 m Espesor de placa anillo 1 21.33 mm 21.33 mm Espesor de placa anillo 2 18.92 mm 18.92 mm Espesor de placa anillo 3 16.51 mm 16.51 mm Espesor de placa anillo 4 14.11 mm 14.11 mm Espesor de placa anillo 5 11.74 mm 11.74 mm Espesor de placa anillo 6 al 9 9.55 mm 9.55 mm Espesor de placa anular de coronamiento Relevado de esfuerzos 2.2.1 Reinspección de Indicaciones Relevantes 18.00 mm 18.00 mm Únicamente la placa de boquillas de envolvente Únicamente la placa de boquillas de envolvente Se reinspeccionaron las zonas de las envolventes interiores de los tanques criogénicos donde inicialmente se reportaron la presencia de defectos, mediante las técnicas de inspección visual [2], líquidos penetrantes [3], partículas magnéticas [4] y ultrasonido industrial con haz angular [5]. Los criterios de aceptación y rechazo se tomaron de los códigos BS-7777-2 [6] y API 620 [7]. 2.2.2 Elaboración de Procedimientos de Reparación Se elaboraron un procedimiento general de reparación para ambos tanques criogénicos [8] y dos procedimientos de soldadura calificados, uno para la posición 2G [9] y otro para la posición 3G [10], por parte de un inspector AWS certificado y con la aprobación de in inspector API 653 certificado. Estos procedimientos se reparación se hicieron en función de las condiciones de los materiales afectados y características de las fallas, su alcance concreto fue la eliminación de grietas, poros, daños mecánicos, socavados, y la reposición de material de aporte (soldadura). También se calificó y certificó a los operadores que realizaron las actividades de reparación.
Para la elaboración de los procedimientos de soldadura se requirió la caracterización insitu mediante toma de réplicas metalográficas, durezas y análisis químico por espectrometría de emisión óptica, de las placas de acero al carbono de baja aleación tipo y BS- 1501-224-28 con las que se ensamblaron originalmente las envolventes de los tanques criogénicos [11], ver Tablas 1 y 2. La calificación de estos procedimientos implicó además de las pruebas mecánicas de doblez y tensión, la prueba de impacto Charpy a -50 C. Tabla 2. Especificación de diseño para los materiales de las placas de las envolventes de los tanques criogénicos. ESPECIFICACION 0.20 0.22 ELEMENTO (% en peso) C Si Mn P S Al Cr Cu Mo Ni 0.10-0.90-0.030 0.030 0.015 0.25 0.30 0.10 0.75 0.40 1.50 0.10-0.40 0.90-1.60 0.030 0.030 0.015 0.25 0.30 0.10 0.75 2.2.3 Inspección de Zonas Reparadas Una vez hechas las reparaciones de acuerdo a los procedimientos de soldadura calificados se procedió a inspeccionar las zonas reparadas mediante las técnicas de inspección visual, líquidos penetrantes y ultrasonido con haz angular, según el tipo de defecto reparado, para dar un dictamen final sobre la integridad mecánica de las envolventes de ambos recipientes. 2.3 Resultados La reinspección de las zonas donde se reportaban indicaciones relevantes confirmó la presencia de 23 defectos en la envolvente interna del tanque de almacenamiento de propano y de 15 en la envolvente del tanque de almacenamiento de amoniaco, en la Tabla 3 se relacionan el tipo y número de defectos confirmados para cada tanque. Tabla 3. Hallazgos relevantes de la inspección interna a los tanques criogénicos para almacenamiento de amoniaco y propano. DEFECTO NÚMERO DE INDICACIONES POR TANQUE Servicio Propano Servicio Amoniaco Agrietamientos 0 2 Porosidades 12 8 Socavados 9 4 Daños mecánicos 1 1 Falta de soldadura 1 0 Para la elaboración de los procedimientos de soldadura, se requirió corroborar el tipo de acero de las placas de las envolventes de ambos tanques mediante su análisis con un espectrómetro de emisión óptica portátil, Figura 1, con el cual se pudo cuantificar la composición química en sitio, incluyendo el contenido de carbono. En la Tabla 4 se da como ejemplo la composición química promedio de las placas de acero que conforman el primer anillo de las envolventes de cada tanque, donde se incluye además la especificación ASTM del acero A-537 Clase 1 [12], equivalente a la especificación británica, que de acuerdo a las
especificaciones de diseño, es con la que se construyó el primer anillo de la envolvente de ambos recipientes. Figura 1. Determinación de la composición química de las placas de acero de las envolventes internas de los tanques criogénicos de almacenamiento de propano y amoniaco, mediante un espectrómetro de emisión óptica portátil marca Belec. Tabla 4. Composición química promedio de las placas del primer anillo de las envolventes internas de los tanques criogénicos. ESPECIFICACION ASTM A-537 CL 1 Primer anillo, tanque servicio amoniaco Primer anillo, tanque servicio propano ELEMENTO (% en peso) C Si Mn P S Al Cr Cu Mo Ni 0.24 0.13-0.64-0.035 0.035 0.29 0.38 0.09 0.28-0.55 1.46 0.188 0.277 1.363 - - 0.098 0.030 0.071 0.019 0.046 0.195 0.189 1.342 - - 0.042 0.030 0.069 0.008 0.038 En la Figura 2 se presenta como ejemplo la réplica metalográfica [13] de la microestructura de la placa número 14 del primer anillo de la envolvente del recipiente criogénico para almacenamiento de amoniaco, que muestra una estructura de normalizado con granos de ferrita y perlita, la cual es representativa del resto de las placas de las envolventes de ambos tanques. Como complemento de esta caracterización se midió dureza [14] en las mismas zonas donde se tomaron las réplicas metalográficas, para el primer anillo de la envolvente del recipiente de almacenamiento de amoniaco la dureza promedio es de 196 HB, mientras que para el de servicio de propano es 208 HB. Se elaboraron los procedimientos de soldadura de arco eléctrico con electrodo recubierto WPS-ININ-TR-2G y WPS-ININ-TR-3G, empleando placa de acero al carbono ASTM A 537 Clase 1 para la fabricación en sitio de los cupones de soldadura que se usaron para su calificación, el material de aporte fue el AWS SFA 5.5 de bajo hidrógeno E 8018 C1. Las pruebas mecánicas de doblez, tensión e impacto requeridas para la calificación de los WPS s se realizaron en los laboratorios del Centro Nuclear del ININ, en la Tabla 5 se dan los resultados de estos ensayos. Adicionalmente se especificó para ambos procedimientos el requerimiento de un precalentamiento del metal base de 150 C como mínimo, así como entre pasos, y un postcalentamiento en el intervalo de 250-350 C durante 30 minutos.
Figura 2. Placa anular 1-14, tanque criogénico para almacenamiento de amoniaco, 400X, Nital 2%. Microestructura con tratamiento térmico de normalizado formada por granos equiaxiales de ferrita, y áreas de perlita fina. Tabla 5. Resultados de los ensayos mecánicos requeridos para la calificación de los procedimientos de soldadura. PQR (1) PRUEBA RESULTADO Tensión 80,300 psi ININ-TR-01-2G-PQR Impacto Charpy (-50 C) 16.25 ft-lb Doblez Aceptado Tensión 80,350 psi ININ-TR-01-3G-PQR Impacto Charpy (-50 C) 23.73 ft-lb Doblez Aceptado (1) Registro de calificación de procedimiento de soldadura. 2.4 Discusión Los defectos confirmados después de la reinspección de las envolventes internas de los recipientes criogénicos fueron reparados por desbaste o con soldadura, según fuera cada caso como se especificó en el procedimiento de reparación P.SC(TV250/950)-01. En la Tabla 6 se tiene a manera esquemática ejemplos de los tipos de defectos encontrados y la acción de reparación efectuada. En el caso de las porosidades inicialmente se recomendó desbastarlos usando disco de alúmina o de pasta hasta desaparecerlos. En caso de haberse rebasado el espesor mínimo requerido para la placa, se recuperó el espesor aplicando soldadura en estos puntos y se verificó la reparación con inspección visual, líquidos penetrantes y ultrasonido por haz angular. La eliminación de los agrietamientos se hizo con la ayuda de un mototool, arrestando los extremos de la grieta para evitar su posible propagación durante el proceso de reparación. Posteriormente con un rectificador se desbastó la zona hasta encontrar material sano y se aplicó soldadura de acuerdo con el WPS calificado correspondiente. Finalmente se
inspeccionó la zona con ultrasonido de haz angular y líquidos penetrantes para verificar la soldadura depositada y su correcta reparación. Tabla 6. Ejemplos representativos del tipo de defectos confirmados en las envolventes internas de los tanques criogénicos para almacenamiento de propano y amoniaco, y tipo de reparación. INSPECCIÓN RECEPCIÓN REPARACIÓN COMENTARIOS Dos grietas transversales al cordón de 5.0 y 5.5 mm de longitud y poros pequeños alineados en la interfase soldadura y zona afectada por el calor. Se corrobora la falta de soldadura en 70.0 mm de longitud del cordón que une una zona del anillo No. 9 con la placa anular superior. Se desbastó con disco abrasivo y posteriormente se reparó con soldadura de acuerdo al procedimiento P.SC(TV250/950)-01, y al WPS No. ININ-TR-01-2G, calificado mediante el PQR No. ININ-TR-01-2G-PQR. Daño mecánico de 13 mm de profundidad, con una geometría trapezoidal de 20 X 15 X 14 mm, sobre la soldadura y zona afectada por el calor. Reparación con soldadura de acuerdo al procedimiento P.SC(TV250/950)-01, y al WPS No. ININ-TR-01-3G, calificado mediante el PQR No. ININ-TR-01-3G-PQR. Se detectaron poros en grupo con un área de 6.0 X 2.0 mm a 35.0 mm de la soldadura SH-08. Se desbastó con piedra de alúmina hasta desaparecer los defectos, no detectándose indicaciones posteriores a la reparación. Se detectaron cuatro socavados intermitentes de 2.0 mm de profundidad variando desde 150.0 mm, 160.0 mm, 180.0 mm, hasta 700.0 mm de longitud. Se suavizaron los concentradores de esfuerzos a todo lo largo de los socavados, dictaminándose como satisfactoria la reparación. Los concentradores de esfuerzos en los socavados fueron suavizados con la ayuda de disco de alúmina o de pasta, para eliminarlos del contorno y a todo lo largo del socavado. Se verificó esto visualmente.
Las zonas con daños mecánicos relevantes fueron esmeriladas cuidadosamente, se limpiaron usando carda y se aplicó soldadura de acuerdo al WPS calificado. La caracterización in situ de las placas de las envolventes interiores de los tanques criogénicos permitió identificar la especificación ASTM equivalente a la especificación británica de diseño y construcción y, que correspondió al acero A-537 Clase 1. Así, para la calificación de los procedimientos de soldadura WPS-ININ- TR-2G y WPS-ININ-TR-3G se emplearon placas de este material de 9.52 mm de espesor. Se usó un diámetro de 3.18 mm para los electrodos de E 8018 C1 que se seleccionaron como material de aporte. Ya que son electrodos de bajo hidrógeno, estos se conservaron secos dentro de un horno para evitar la acumulación de humedad. 3. Conclusiones Después de una inspección general inicial, la reinspección mediante ensayos no destructivos de las envolventes internas de los tanques criogénicos de almacenamiento de amoniaco y propano, permitió confirmar la presencia de 15 y 23 indicaciones relevantes respectivamente en cada envolvente, de acuerdo a los criterios de aceptación y rechazo de los códigos BS- 7777-2 y API 620. El acero al carbono ASTM A-537 Clase 1, es la especificación americana equivalente a la especificación británica y, con la que se diseñaron y construyeron los tanques criogénicos de almacenamiento de amoniaco y propano. Después de haberse reparado los 15 defectos de la envolvente interna del tanque criogénico de almacenamiento de amoniaco y los 23 defectos de la envolvente interna del tanque criogénico de almacenamiento de propano, de acuerdo a los procedimiento de reparación calificados, y al no encontrarse ninguna indicación relevante durante la inspección mediante ensayos no destructivos de las zonas reparadas, se dictaminan como satisfactorias todas las reparaciones. Agradecimientos Se agradece la colaboración de los C. Teresa Nava Gutiérrez, Juana Medina Rodríguez, Adriana Jiménez, Angélica Parra Baltazar, Ma. Elena Sánchez Valenzuela, Jesús G. Esquivel Alvarado, Abelardo Amaro García, José T. Cisneros Ríos, Miguel A. Cárdenas Villanueva, Luis Zamora Rangel, Roberto C. González Díaz, Fco. Javier Merino Caballero, Felipe Juárez García, Domingo A. Fuentes González, Jorge Domínguez Reyes, Trinidad Reyes Peña, Vicente Sánchez González y Miguel E. Gachuz Méndez. Referencias 1. API Standard 653, Tank Inspection, Repair, Alteration and Reconstruction. American Petroleum Institute, Third Edition, December 2001. 2. P.MN(END)VT-01 Rev. 0, Método de Evaluación en Servicio de Recipientes Sujetos a Presión Mediante la Aplicación de Técnicas de Inspección Visual, ININ, Marzo 2003. 3. P.SC(LM)-04 Rev. 0, Líquidos Penetrantes, ININ, Marzo 2003. 4. P.MN(END)MT-01 Rev. 0, Partículas Magnéticas, ININ, Marzo 2003.
5. P.MN(END)-13 Rev. 0, Método de Inspección de Soldaduras con Ultrasonido Empleando Haz Angular, ININ, Marzo 2003. 6. BS-7777-2:1993, Flat-bottomed, vertical, cylindrical storage tanks for low temperature service. Specification for the design and construction of single, double and full containment metal tanks for the storage of liquefied gas at temperatures down to -165 C, British Standards Institution, 1993. 7. API Standard 620, Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks, American Petroleum Institute, Tenth Edition, February 2002. 8. P.SC(TV250/950)-01 Rev. 0, Reparaciones en Tanques Criogénicos TV-250 y TV- 950, ININ, Marzo 2004. 9. WPS-ININ-TR-2G Rev. 1, ININ, Febrero 2004. 10. WPS-ININ-TR-3G Rev. 1, ININ, Febrero 2004. 11. BS 1501:Part 1:1980, Steels for Fired and Unfired Pressure Vessels: Plates, Part 1. Specification for Carbon and Carbon Manganese Steels, British Standards Institution, 1980. 12. ASTM A 537/A 537 M-95(2000), Standard Specification for Pressure Vessel Plates, Heat-Treated, Carbon-Manganese-Silicon Steel, American Society for Testing and Materials. 13. P.SC(LM)-05 Rev. 1, Análisis Metalográfico en Campo (In Situ), ININ, Septiembre 2001. 14. P.SC(LC)-10 Rev. 3, Ensayo para Evaluar Dureza en Campo, ININ, Julio 2002.