Causas y soluciones para las fallas de los componentes del carrete dúctil

Cuando un procesador químico o una refinería de petróleo atraviesan el largo y arduo proceso de especificar y supervisar la construcción de una planta de procesamiento o una refinería, el proceso es un poco como armar un rompecabezas de un millón de piezas. Cada longitud de tubería, cada válvula, cada brida y cada carrete tiene un trabajo específico que hacer, a menudo bajo temperaturas y presiones desafiantes, para que todas las demás partes puedan hacer su trabajo y la planta pueda funcionar según lo previsto.

De vez en cuando, las cosas salen mal. Ya sea que una falla sea menor, mayor o catastrófica, se realiza una investigación para determinar la causa. ¿Se instaló el elemento correcto? ¿Se instaló correctamente? Si es así, la siguiente orden del día es evaluar el artículo. ¿Por qué falló?

No es solo una cuestión de reemplazar una pieza. Una falla catastrófica puede resultar en una lesión o incluso la pérdida de la vida. Incluso en un caso en el que no se produjeron lesiones, la siguiente consideración es el tiempo de inactividad. Independientemente del tamaño o la capacidad de producción de la planta, un sistema que se apaga para hacer frente a una falla no produce un centavo hasta que vuelve a funcionar.

Algunos usuarios de aceros al carbono en la industria del gas y el petróleo de América del Norte han tenido que lidiar con tales fallas. Algunos componentes del carrete aprobados para uso a temperaturas tan bajas como -20 grados F (-29 grados C) han fallado debido a una fractura frágil. A menudo, las fallas ocurrieron durante las pruebas hidrostáticas, los arranques en frío y, a veces, durante condiciones operativas alteradas. Independientemente de cuándo, la pregunta posterior es siempre la misma: ¿Por qué?

La pregunta es de ductilidad versus fragilidad. Ubicada a lo largo de un solo continuo, la ductilidad se refiere a la capacidad de un material para deformarse bajo tensión de tracción (su capacidad para estirarse sin romperse), mientras que la fragilidad es su incapacidad para hacerlo. A medida que aumenta la ductilidad de un material, disminuye su probabilidad de resistir la fractura frágil.

Los componentes hechos de acero al carbono, cualquier material ferroso que tenga de 0,29 a 0,54 por ciento de carbono y de 0,60 a 1,65 por ciento de manganeso, son considerados por ASME VIII Div. Los códigos I y ASME B31.3 son inherentemente dúctiles y, por lo tanto, resistentes a la fractura por fragilidad. Estos incluyen bridas A105N; A234 grados WPA, WPB y accesorios sin costura WPC; tubería A106N (todos los grados); y tubo sin soldadura A53. Sin embargo, algunos componentes clasificados para servicio hasta -20 grados F (-29 grados C) han resultado inadecuados para dichas aplicaciones. Algunas bridas hechas de acero al carbono A105, que funcionan a menos de 300 libras por pulgada cuadrada (PSI), y algunas tuberías hechas de A106 grado B, de menos de ½ pulgada de espesor, se evaluaron con una prueba de resistencia al impacto Charpy con muesca en V y encontrado no apto para el servicio a cualquier temperatura mínima de diseño del metal inferior a 68 grados F.

Las investigaciones de fallas realizadas por el Instituto Belga de Soldadura indicaron que algunas bridas presentaban un gran tamaño de grano. Investigaciones posteriores encontraron una variación microestructural significativa dentro de una brida específica, lo que indica no solo una falta de consistencia en la fabricación, sino también un tratamiento térmico deficiente. Además, un análisis de fallas realizado en una brida de cuello soldado A350LF2 reveló que la mala práctica de normalización fue un factor importante que contribuyó a la falla. Peor aún, los datos del informe de prueba enumerados en el certificado adjunto, EN 10204: 3.1.B, no coincidían con las características probadas de la brida.

En efecto, aunque estos componentes se encontraban dentro del rango especificado de composición química y propiedades mecánicas y por lo tanto se consideraban dúctiles, eran susceptibles a la fractura frágil. Conocido por provocar fallas repentinas y catastróficas, la fractura por fragilidad en los componentes de carretes de tubería recién adquiridos es un peligro potencial para la integridad del equipo, la confiabilidad y la seguridad del proceso.

La Autoridad de Seguridad de Alberta, la agencia que supervisa la seguridad de los equipos a presión en Alberta, Canadá, emitió un aviso en su boletín informativo IB16-018: "Esto puede ser motivo de preocupación, ya que las bridas fabricadas con material SA-105 suelen estar exentas de las pruebas de impacto según ASME Sección VIII, División 1 párrafos UG-20(f), UCS-66, o ASME B31.3 párrafo 323 para temperaturas de -29 °C (-20 °F) y mayores".

En una publicación de blog titulada "Degradación y corrosión de materiales", Charles Becht de Becht Engineering declaró: "Todos los materiales ASME B31.3 Figura 323.2.2A Curva B se consideran potencialmente en riesgo, aunque el problema no se ha encontrado en tuberías fabricadas del material de la placa".

Figura 1 La presencia o ausencia de boro tiene un efecto considerable sobre el tamaño de grano austenítico después del tratamiento térmico de tres aleaciones. La muestra A se alió con boro protegido, la muestra B se alió con boro sin protección y la muestra C no tenía boro. Estas imágenes aparecieron originalmente en la Comisión Europea: Technical Steel Research, "Physical metallurgy and the new generic steel grades: Optimization of the influence of boro sobre las propiedades del acero" (Luxemburgo: Oficina de Publicaciones Oficiales de las Comunidades Europeas, 2007), p. 20

Las investigaciones revelaron que las grietas de escisión transgranular frágiles fueron causadas por dos mecanismos de falla: la química y las prácticas deficientes de tratamiento térmico (normalización). Ambas prácticas, probablemente originadas por los esfuerzos de reducción de costos de algunos fabricantes de acero, han llevado a la modificación de la química del acero y microestructuras ferríticas-perlíticas grandes de grano grueso.

El elemento clave es el manganeso. El manganeso promueve tamaños de grano más finos, ya sea laminados o normalizados. A medida que disminuye el tamaño del grano (ya sea que se trate de ferrita, bainita o perlita), aumenta el límite elástico y mejoran las propiedades de impacto. Un beneficio adicional es un mayor contenido de perlita.

En un intento por compensar el alto costo del ferromanganeso bajo en carbono requerido en el proceso de fabricación de acero, algunos productores de acero redujeron intencionalmente el contenido de manganeso para cumplir con el requisito de porcentaje mínimo absoluto especificado por ASTM.

Esto no es intrínsecamente malo, pero puede alterar el equilibrio entre el manganeso y el carbono. Si el manganeso se redujera al mínimo, la relación manganeso-carbono sería de 0,6 a 0,29, o de 2,1 a 1; si estuvieran en sus máximos, la relación sería de 1,65 a 0,54, o de 3,1 a 1. Si ambos elementos estuvieran en la mitad de los rangos permitidos, la relación sería de 2,7 a 1. Reduciendo el contenido de manganeso al porcentaje mínimo permitido, es posible (aunque poco probable) llegar a una proporción de 1,65 por ciento de contenido de manganeso a 0,29 por ciento de contenido de carbono, o 1,1 a 1. Los problemas pueden comenzar cuando esta proporción es menor de 5 a 1.

Cuando la relación es menor que este umbral, se sabe que el material tiene malas propiedades de impacto a baja temperatura. Algunos de los aceros que fallaron tenían proporciones tan bajas como 1,8 a 1, lo que resultó en una tenacidad deficiente, lo que a su vez provocó fallas durante las pruebas hidrostáticas o condiciones operativas alteradas.

La microaleación, la práctica de agregar elementos en pequeñas cantidades, se ha implementado ampliamente en la fabricación de aceros con bajo contenido de carbono para aumentar la resistencia del acero, mientras que las técnicas de refinamiento del tamaño de grano se han utilizado para aumentar la resistencia al impacto. Los elementos agregados a los aceros al carbono con el fin de microaleaciones incluyen titanio, vanadio, niobio y boro. Un ejemplo es el ferroboro, un agente de aleación de bajo costo en comparación con las costosas mezclas de aleación patentadas; está diseñado para garantizar las resistencias requeridas y resultados consistentes en los aceros que se procesan.

Se ha encontrado que el boro, en forma soluble, es efectivo para fortalecer el acero, de manera uniforme y consistente, solo cuando se equilibra con formadores fuertes de nitruros y carburos como el titanio y el niobio. Esto es para evitar la formación de precipitados de nitruro de boro o Fe23(C, B)6.

Si bien se recomienda que el contenido de boro estándar sea de 0,0015 a 0,0030 por ciento, se sabe que el boro se segrega y forma áreas localizadas de altas concentraciones, lo que provoca una variación significativa en el tamaño del grano y, por extensión, propiedades de dureza de bajo impacto. Como el contenido de boro supera el 0,007 por ciento, se forma un eutéctico de BC-Fe de bajo punto de fusión (Fe2B/Fe3C/Fe), lo que da como resultado aceros con poca tenacidad a temperatura ambiente.

El boro promueve la formación de bainita. Se sabe que las adiciones deliberadas de boro sin protección a las varillas de acero al carbono laminadas comercialmente promueven la formación de un tamaño de grano de ferrita más grueso (consulte la Figura 1).

Se sabe que los aumentos de la temperatura de austenización provocan el engrosamiento del grano en los aceros al carbono tratados con boro. La cantidad de grano grueso depende de dos factores: el contenido total de boro del acero y la cantidad de boro presente en el acero después de que el nitrógeno libre se haya fijado como precipitado de nitruro de boro. Por lo tanto, el contenido de nitrógeno del acero controla la cantidad de formación de nitruro y, en efecto, el grado de fijación del grano, independientemente del nitruro de microaleación (titanio, niobio o aluminio) que se forme.

El titanio, el vanadio y el niobio son refinadores de granos y eliminadores de oxígeno agresivos, mientras que el vanadio, el niobio y el aluminio también funcionan como formadores de nitruros. Los precipitados de nitruros o carburos en la matriz pueden dar como resultado una microestructura fina de ferrita-perlita o pueden transformarse en bainita.

El inconveniente es la falta de investigación relativa a los aceros al carbono. La microaleación con titanio, vanadio, niobio y boro es común en el procesamiento de aceros aleados y con bajo contenido de carbono con resultados confiables. Esta práctica parece haber sido aplicada a los aceros al carbono para mejorar sus propiedades mecánicas, como lo exigen las normas ASTM y ASME, sin un estudio adecuado. La microaleación se ha llevado a cabo sin prácticas limpias de fabricación de acero (como la descarburación con oxígeno de argón o la descarburación con oxígeno al vacío) y sin probar adecuadamente el producto final.

En resumen, la microaleación de aceros al carbono requiere un equilibrio de materiales muy ajustado entre los formadores de nitruro y el boro y una ruta de procesamiento (tratamiento térmico) personalizada para esa formulación de microaleación.

En los aceros con bajo contenido de carbono (con un contenido de carbono inferior al 0,06 %), el procesamiento termomecánico utiliza un laminado controlado seguido de un enfriamiento acelerado para producir aceros microaleados tenaces y de alta resistencia. Durante la laminación termomecánica controlada, las propiedades mecánicas dependen de la deformación aplicada y de las temperaturas de bobinado. Se sabe que el boro aumenta significativamente la ventana de procesamiento termomecánico.

Según Walter J. Sperko, como se indica en el "Boletín técnico de la Oficina Nacional de Soldadura de Tuberías Certificadas de mayo de 2016", se sabe que el boro causa una recristalización direccional en el plano de 100 cristales a 30 a 45 grados del eje de la tubería, lo que da como resultado una temperatura muy baja. tenacidad a 45 grados con respecto al eje de la tubería o del accesorio. Esta es la dirección en la que se produce la carga máxima de corte para la tubería bajo presión y, debido a esta alineación de la orientación del cristal, las muestras de impacto axial o circunferencial no identificarán que el material tenga baja tenacidad.

Los aceros aleados normalmente se someten a un tratamiento térmico de templado y revenido de austenización completo para desarrollar resistencias mecánicas. En el caso de las bridas defectuosas, parece que, en un intento por reducir los costes de fabricación, el calor del proceso generado durante el forjado se sustituyó por el ciclo adicional requerido de calentamiento-templado-revenido.

Además, ANSI B16.5 no exige el tratamiento térmico para bridas ASTM A105 por debajo de la Clase 300.

Si bien se ha descubierto que la presencia de más del 0,05 por ciento de titanio en los aceros con bajo contenido de carbono que contienen boro conduce a un deterioro de la tenacidad, se sabe que las variaciones en el contenido de titanio y boro del metal de soldadura causan una amplia variación en la microestructura del metal de soldadura.

La norma SP0472 de la National Association of Corrosion Engineers, Methods and Controls to Prevent In-Service Environmental Cracking of Carbon Steel Weldments in Corrosive Petroleum Refining Environments, advierte que las soldaduras de materiales P1, aceros al carbono, fabricados con la adición deliberada de elementos de microaleación como el titanio , el vanadio, el niobio y el boro pueden requerir un precalentamiento adicional y temperaturas más altas de tratamiento térmico posterior a la soldadura para obtener la dureza exigida en la zona afectada por el calor. Sin embargo, el tratamiento térmico podría afectar adversamente los valores de tenacidad.

Se deben evaluar todos los componentes del carrete de tubería de acero al carbono utilizados para transportar materiales peligrosos a temperaturas inferiores a 32 grados F. Esta evaluación incluye un estudio preliminar de idoneidad para el servicio, para incluir una identificación positiva del material, una prueba de dureza y una metalografía in situ para determinar si se puede volver a poner en servicio o si se debe reemplazar. Tenga en cuenta que la fluorescencia de rayos X no es adecuada para determinar el contenido de carbono y elementos ligeros como el boro, por lo que el PMI debe realizarse con un espectrómetro de emisión óptica.

Como medida preventiva para reducir el potencial futuro de fractura por fragilidad en el acero al carbono, los fabricantes deben adquirir tuberías y accesorios de acero al carbono con prueba de impacto únicamente de fuentes acreditadas. El material debe ir acompañado de un informe de prueba del molino certificado con al menos la especificación EN10204, 3.1B, que identifica su calor y número de lote, y el estándar del material (ASTM/ASME) según el cual se fabrica.

Una lección aprendida de las investigaciones realizadas por el instituto belga de soldadura es que para abordar la posibilidad de una certificación de prueba falsa, el comprador debe insistir en la trazabilidad completa de la fabricación hasta el número de calor y los resultados de la prueba de impacto de la acería original.

Los requisitos adicionales que se incorporarán en el proceso de adquisición pueden incluir:

Naddir M. Patel, P. Eng., es ingeniero metalúrgico y de materiales para Sinclair Oil Corp., 100 Lincoln Ave., Sinclair, WY 82334, [email protected].

Referencias disponibles a pedido.