CONAMET/SAM 2006

ESTUDIO Y ANLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UN TUBO DE SOBRECALENTADOR DE VAPOR FISURADO

Julio Alberto GaitnUniversidad Tecnolgica Nacional Facultad Regional Santa Fe

Departamento de Ingeniera Mecnica Lavaisse 610, (S 3004 EWB) Santa Fe, Argentina jgaitan@frsf.utn.edu.ar

RESUMEN Se estudia e investiga el comportamiento en servicio de una caldera de vapor del tipo acuotubular en alta presin que presenta, durante una rutina de inspeccin anual de mantenimiento, y en zona del sobrecalentador de vapor en segunda etapa, un tubo de acero con una fisura de tamao medio, abierta a la superficie perifrica exterior. La citada caldera, con aproximadamente 35 aos de uso, y cuya produccin nominal es de 32.000kg/h de vapor, forma parte del proceso tecnolgico de una Industria Petroqumica ubicada en el rea centro-este de la Repblica Argentina. El tubo, de aproximadamente 54mm de dimetro exterior y 4.7mm de espesor, pertenece al paquete de serpentinas del sobrecalentador de descarga que opera a una presin de 6MPa. Personal de mantenimiento observa una fisura ubicada en una zona curvada del citado sobrecalentador, e interpretan que la misma ha sido causada por tensiones originada por el cambio direccional. En el presente Trabajo, se describe el Procedimiento utilizado para inspeccionar, estudiar y analizar experimentalmente las causas que originaron este tipo de falla y qu precauciones deberan adoptarse para prevenir dicho fenmeno. A tal efecto, se realizaron controles, ensayos y anlisis tales como examen visual, control dimensional, ensayos no destructivos, anlisis microscpicos, anlisis qumicos y ensayos mecnicos, discutindose los factores que originaron este tipo de patologa y establecindose las principales conclusiones y recomendaciones. Palabras Claves: estudio - anlisis - tubo - sobrecalentador - falla - fluencia trmica.

1. INTRODUCCION La Provincia de Santa Fe posee una legislacin relativa a calderas y recipientes sometidos a presin que los considera bienes registrables y sujetos a verificaciones peridica de uso y estado funcional. Estas deben ser efectuadas bajo la supervisin responsable de un Ingeniero Especialista, quien debe certificar el lapso de confiabilidad del citado equipamiento. Habitualmente, estas inspecciones coinciden con las detenciones anuales de la Planta Industrial, programadas dentro de las actividades de mantenimiento preventivo. El caso en estudio, tuvo su origen en una de estas paradas de Planta. La caldera de alta presin examinada, conserva su diseo original, pero personal de Planta informa que algunos tubos del sobrecalentador fueron reemplazados por razones operativas en varias oportunidades, aunque sin precisar fecha alguna. 2. PROCEDIMIENTO DE INSPECCION A fin de corroborar analticamente las condiciones de trabajo de la caldera, se procedi a desarrollar una rutina de inspeccin, de acuerdo a un Instructivo de Tareas preparado a esos efectos, que incluye, entre otras actividades, un relevamiento pormenorizado del generador de vapor desde el punto de vista dimensional, visual exterior e interior, y asimismo el funcional de sus equipos auxiliares. 3. ANALISIS REALIZADOS EN PLANTA Con la finalidad de no extender algunos detalles tcnicos ms all de su aplicabilidad al presente Trabajo, se enumeran nicamente aquellos aspectos inherentes a la descripcin del estudio de caso propuesto. 3.1. Examen visual La inspeccin visual y macroscpica realizada en el interior del sobrecalentador de segunda etapa denota, en una curva del paquete de tuberas, un tubo que presenta en una zona de aproximadamente 40mm de dimetro, una deformacin expuesta sobre su pared exterior, como se denota en la Figura 1 y en correspondencia con ella, una fisura pasante de 21mm de longitud, como puede observarse en la Figura 2. Asimismo en la superficie perifrica exterior de los tubos, se observan depsitos tipo cascarillas de 0.8mm de espesor, de color rojizo-parduzco, muy adherentes, y la textura caracterstica de un acero expuesto al contacto con los gases de la caldera y a altas temperaturas de trabajo, que en esa zona poseen un valor promedio de 620C.

Figura 1. Tubo con deformacin.

El control dimensional del tubo fallado, indica que el mismo tiene un dimetro exterior de 54.17mm y en la zona deformada 55.01mm. Esta deformacin est en coincidencia con una curva del tubo de 190mm de radio medio, que se encuentra muy alejada de reas soldadas. El espesor de pared del tubo, medido mediante el mtodo de END ultrasnico, con un transductor 5M PT-08, registra valores entre 4.56mm y 4.86mm, no denotndose variaciones sustanciales de espesor en el rea deformada.

Figura 2. Fisura pasante.

Similares condiciones respecto al dimetro exterior y espesores, se observan en los restantes tubos del sobrecalentador. Estas caractersticas dimensionales coinciden con las de los tubos de acero sin costura para usos trmicos, contemplados en las Normas ASTM [1]. 3.2. Ensayos con lquidos penetrantes Aplicando el procedimiento de inspeccin indicado en la Norma IRAM-CNEA Y 500-1001[2] se analizan algunas zonas del citado tubo deformado, con penetrante tipo C en aerosol y revelador compatible en disolvente voltil, libre de halgenos y azufre.

En particular y en zonas aledaas a la fisura pasante, se observan algunas microfisuras ubicadas en ambos extremos de ella, que parecieren indicar su lmite fsico. Por otra parte, en otras reas inspeccionadas, no se observa defecto superficial alguno, dentro del rango de sensibilidad del mtodo utilizado. 4. ENSAYOS Y ANALISIS EN LABORATORIO Con el propsito de ahondar en la problemtica planteada, se aprovech la detencin de la caldera para la obtencin de algunas rplicas metalogrficas en film de acetato, en seis diferentes zonas del paquete de tubos del sobrecalentador. Asimismo, y dado que el tramo de tubo fallado iba a ser reemplazado, se cort la parte curvada de ste a efectos de analizar en el Laboratorio, otras caractersticas que permitan obtener su identificacin normativa y condiciones de manufactura. 4.1. Anlisis mediante rplicas Las citadas rplicas fueron extradas mediante pulido mecnico convencional y utilizndose Nital 4% como reactivo microgrfico. El anlisis se realiz con un microscopio ptico tipo Balplan con oculares 10x y objetivos 10x, 20x y 40x, adoptndose los criterios de evaluacin de la Norma ASTM E 1351 [3]. Por su importancia, se describen nicamente las estructuras observadas en slo tres de estas rplicas, a saber, Rplica N 1: Obtenida a 450mm de la fisura detectada. En ella se observa una estructura ferrtica perltica homognea, con grano equiaxial y bordes bien definidos, como se denota en la Figura 3. Su tamao de grano es G4-G5 de acuerdo a lo especificado en la Norma IRAM-IAS U 500-122 [4].

Figura 3. Estructura granular.

En ciertas zonas intergranulares se denotan algunos espacios tipo cavidades vacas, sin orientacin preferente, delineando el contorno de granos. Asimismo, puede sealarse que la periferia exterior del tubo presenta una leve decarburacin superficial.

Rplica N 4: Obtenida a 18mm de la fisura citada. En ella se observa tambin una estructura ferrtica perltica homognea, con grano equiaxial y bordes bien definidos, en tamao G3-G4. Se denotan espacios tipo cavidades vacas, como as tambin algunas pequeas fisuras propagadas en lmites de granos, en una longitud de 1.7mm. Rplica N 6: Extrada de otra zona del tubo, a 1650mm de la anterior. En ella se observa una estructura ferrtica perltica homognea, con grano equiaxial y bordes bien definidos, en tamao G4-G5. En el campo visual, no se denota distorsin estructural alguna. 4.2. Anlisis qumicos Con la finalidad de identificar el material del tubo, se analizaron algunos de sus componentes obtenindose los porcentuales indicados en la Tabla I.

C %

Mn %

Si %

P %

S %

Cr %

Mo %

0.11 0.35 0.73 0.03 0.03 1.33 0.52

Tabla I. Composicin qumica.

El anlisis qumico del material corresponde al de un acero de la serie ASTM A-199 Grado T11 / UNS N K11597 [5]. 4.3. Ensayos de dureza Por ltimo y para corroborar alguna propiedad mecnica del material obtenido como muestra, se determin la dureza Rockwell en dos reas diferentes de la misma. Los ensayos se efectuaron con un durmetro Calibrado y Certificado, con trazabilidad internacional, aplicndose el mtodo de ensayo descripto en la Norma IRAM-IAS U 500-11 IRAM-IAS U 500-105 / NM 146-1 [6] obtenindose los valores indicados en la Tabla II, como promedio aritmtico de tres determinaciones.

Area de medicin

Dureza HRB

1 83.5

2 83.0

Tabla II. Dureza Rockwell escala B.

4.4. Verificacin de la pared de los tubos Se utiliz el criterio de clculo de la ecuacin de Laplace [7], aplicando el correspondiente coeficiente de diseo.

Se adopta para el clculo, una presin mxima de trabajo de 6MPa en coincidencia con la presin de operacin del sobrecalentador. Se consider para el tipo de material analizado, Grado T11, una tensin de rotura mnima en traccin esttica de 415MPa, como se indica en el Apndice QW/QB-422 del ASME Boiler & Pressure Vessel Code [5] y en correspondencia con sta, una tensin admisible de 104MPa. Teniendo en cuenta adems un sobre espesor por corrosin de 2.5mm, se obtiene como resultado, un espesor de pared de 3.85mm.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Del desarrollo del Trabajo, y teniendo en cuenta los resultados obtenidos a partir de los anlisis y ensayos realizados, se permite postular que el mecanismo de falla de la tubera del sobrecalentador fue por termofluencia lenta. Debe observarse que un indicio importante respecto a la falla analizada, se manifiesta en la distorsin dimensional denotada en el tubo durante la inspeccin ocular, hecho que se presenta asiduamente durante las tareas de inspeccin en calderas y recipientes sometidos a presin y altas temperaturas de trabajo [8] y corroborada luego a travs de las rplicas metalogrficas obtenidas. En otras inspecciones y auditoras de equipos industriales realizadas por el autor, se ha observado que dependiendo de la temperatura de trabajo, la presencia del fenmeno de termofluencia se manifiesta visualmente en pequeos cambios del dimetro exterior de caeras y en algunos casos, para variaciones de aproximadamente 1.5%. Ntese que en el caso del tubo de sobrecalentador analizado, esta distorsin es de 1.6%. Otra indicador de relevancia, que pone de manifiesto la falla producida, es el tipo de estructura granular relevada mediante las citadas rplicas, donde se observan espacios lenticulares o cavidades vacas en la periferia de algunos granos. Al respecto, ellas denotan que se est en presencia de una distorsin originada por efecto de la temperatura de trabajo. Se trata de la zona conocida como segunda etapa de termofluencia, cuya caracterstica principal es que en la misma, la velocidad de deformacin se mantiene constante. Si bien, la eleccin del tipo de tubo empleado en la construccin del equipo se considera correcta para sus condiciones operativas, pues se trata de un acero ASTM A-199 Grado T11, no debe soslayarse que para los aceros aleados, deben controlarse metodolgicamente sus modificaciones estructurales cuando stos trabajan a temperaturas mayores a los 450C. Tambin es conveniente recordar que para los aceros al carbono, puede considerarse a partir de los 380C, como alta temperatura de trabajo. Asimismo, debe apreciarse que aunque el equipo analizado opere a altas temperaturas, la falla se

present en una zona, donde su mecanismo fue asistido por factores mecnicos relacionados con el diseo del sobrecalentador. La fisura expuesta est ubicada en coincidencia con la convexidad de la curva del paquete de tuberas, es decir en un rea donde constructivamente se han incrementado las tensiones de trabajo. Se recomienda realizar durante las rutinas de mantenimiento, minuciosos exmenes visuales en reas crticas, dado que stos pueden poner de manifiesto la existencia de termofluencia lenta en primera o segunda etapa. En el caso particular de caeras se estima, como medida de precaucin, que ellas deben ser reemplazadas cuando se constate en su dimetro exterior, una distorsin dimensional mayor o igual al 5%. Es decir, que se trata de un simple control tipo pasa-no pasa. Sin lugar a dudas, para minimizar detenciones imprevistas de equipos, duplicacin de tareas y otros riesgos inherentes, deben realizarse peridicas inspecciones programadas, a cargo de personal especializado. Como corolario, podemos afirmar que muchos colapsos de equipos industriales, podran evitarse con la implementacin de un sistema de la calidad adecuado, que involucre a todas las etapas del proceso productivo. 6. REFERENCIAS 1. American Society for Testing and Materials. 2. Instituto Argentino de Normalizacin - Comisin

Nacional Argentina de Energa Atmica, Ensayos no destructivos, Inspeccin con lquidos penetrantes, Principios generales, 1996, IRAM, Argentina, pp. 1-26.

3. American Society for Testing and Materials, Standard Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas, 2001, ASTM, West Conshohocken, USA, pp. 966-971.

4. Instituto Argentino de Normalizacin - Instituto Argentino de Siderurgia, Aceros, Mtodo de determinacin del tamao de grano, 1978, IRAM, Argentina, pp. 1-19.

5. Asme Boiler & Pressure Vessel Code, Section IX, Welding and Brazing Qualifications, 1998, ASME, New York, USA, pp. 73.

6. Instituto Argentino de Normalizacin - Instituto Argentino de Siderurgia, Materiales metlicos, Dureza Rockwell, Parte 1, Medicin de dureza Rockwell escalas A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T, 2003, IRAM, Argentina, pp. 1-20 .

7. Ortz Berrocal, L., Resistencia de Materiales, 1991, McGraw-Hill Interamericana, Madrid, Espaa, pp. 100-103.

8. Gaitn, J. y Brtoli P., Anlisis de falla de materiales en la industria de procesos, 2002, Software Argentino Patente 212928, Argentina.

CONAMET/SAM 2006Julio Alberto GaitnRESUMEN