Lehrstuhl Werkstofftechnik Ruhr Universität Bochum Extensión de vida de un horno de nafta reformada e hidrógeno Asociación Uruguaya de Ensayos No Destructivos Prof. Dr.-Ing. Hans Berns, Ruhr-Universität Bochum, Alemania Dipl.-Ing. Christoph Escher, Dorrenberg, Alemania Ing. Silvia Infanzón, AENDUR, Uruguay 2. Jornadas Técnicas sobre Inspección, Evaluación e Integridad de Equipos Industriales Montevideo, Uruguay 22 a 24 de setiembre de 2004

Problema: Equipo: Horno de Reforming Catalítico, producto: gasolina reformada e hidrógeno, 3 cámaras. Radiografía de soldaduras: Concavidades, socavaduras, descolgaduras, poros. Replica metalográfica Degradación de la perlita, cementita esferoidizada. API 530 (Recommended Practice for Calculation of heater tube thickness in Petroleum Refineries):Se excede su alcance Características técnicas de la cámara B: Presión de operación = 2.3 MPa Temperatura máxima de operación a la salida = 505 ºC Temperatura máxima de pared = 550 ºC Caños  6” sch 40, espesor mínimo de pared actual = 6.2 mm Material de los tubos: ASTM 335 P11 / ASTM 200 T11 (1.25% Cr, 0.5% Mo) Tiempo en operación = aproximadamente horas

Acciones posibles: Renovación de tubos y codos de las cámaras de radiación B y C.Renovación de tubos y codos de las cámaras de radiación B y C. Continuar operando y esperar que no se produzca una falla.Continuar operando y esperar que no se produzca una falla. Realizar estudios que permitan evaluar la integridad del equipo y extender su vida.Realizar estudios que permitan evaluar la integridad del equipo y extender su vida. Variable adicional: Sustitución de la Unidad en la Ampliación de Refinería.

Organización del estudio: Inspección general y extracción de muestra Primera etapa: Análisis macroscópico, análisis dimensional, espectrometría, macrodureza, selección y preparación de especímenes para la segunda parte. Segunda etapa: Microscopía óptica y electrónica, estudio de las capas de óxido, ensayo de plegado, ensayo de Charpy a baja temp., ensayos de tracción a temperatura ambiente y de operación, microdureza. Estudio de las soldaduras. Evaluación de resultados Definición de la 3ª parte. Tercera etapa: Ensayos de creep y estimación de vida residual. Evaluación y toma de decisión sobre la extensión de vida del horno

Resultados de la 1ª parte: Investigación macroscópica Capa de óxido exterior: Dentro del horno de 1 mm de espesor, fuera del horno < 20  m No hay daños críticos locales Se detectaron efectos superficiales de decarburización y oxidación Control dimensional: Tubos del horno aún dentro de la especificación. Considerando  ext respecto al material en stock:  = 0.65% Composición química y macrodureza De acuerdo con las especificaciones. Se constató decarburización superficial

Resultados de la 2ª parte: Microscopía óptica y electrónica Comparación de la estructura del material del horno y el de stock Cambios estructurales en el material del horno: Estructura ferrítica. Carburos globulares. Coagulación de la perlita. Precipitación de carburos en borde e interior de grano. En el material en stock: Estructura ferrítico-perlítica. No se observaron poros. Tendencia al crecimiento de grano en la superficie interior de los tubos del interior del horno:  m (aprox. 25  m en el resto).

Material en stock Material del horno

Material en stock luego de 3 horas a 550ºC Material del horno

Conclusiones primarias: Existe un cambio de la estructura metalográfica; se ha iniciado el mecanismo de creep. Existe una zona interior de grano grueso formada al comienzo de la operación (< 8% del espesor). Existen 3 capas de óxido (< 12% del espesor): hematita, magnetita y mezcla. T pared < 560ºC Son necesarios ensayos mecánicos: Para determinar la influencia de estos efectos en las propiedades mecánicas. Para determinar el avance del daño por creep.

Plegado a temperatura ambiente Material dúctil, no se iniciaron ni transmitieron fisuras en el metal. Charpy (Especímen enfriado a -196ºC, ruptura frágil por clivaje) No se detectan poros Tracción a temperatura ambiente Fractura dúctil, con comienzo en el centro. Disminución de la tensión de fluencia (50 MPa) del material en uso. Aún se cumple con los requisitos mínimos de la norma. Ensayos mecánicos Tracción a 550ºC (Temperatura de operación) Fractura dúctil, con comienzo en el centro. Disminución de tensiones (Sy y Su) y elongación (Ag). Sy  6.8  v; Tensión efectiva en operación  v= 25 MPa (Von Misses)

Ensayo de tracción

Radiografía Concavidad de raíz, socavaduras, descolgaduras, poros, sobremonta excesiva inaceptables según el código ASME. Estudio macroscópico de la muestra Discontinuidades en la raíz, desalineación. Refuerzo en soldadura Estudio microscópico de la muestra Estructura del codo similar a la del tubo. Soldadura en 3 pasadas, sin discontinuidades críticas. Investigación de la soldadura Microdureza : Soldadura más blanda que el metal base. Efecto de revenido Parámetro de revenido por servicio > que por especificación Kellogg. Tracción a temperatura ambiente Rotura en el tubo, soldadrura muy dúctil (gran elongación).

Evaluación de la soldadura: Mayor sección transversal que el tubo.Mayor sección transversal que el tubo. Gran ductilidad.Gran ductilidad. Rotura en el ensayo de tracción fuera de la soldaduraRotura en el ensayo de tracción fuera de la soldadura Las discontinuidades detectadas (inaceptables según la norma de fabricación) operan hace 30 años.Las discontinuidades detectadas (inaceptables según la norma de fabricación) operan hace 30 años. Las discontinuidades en las soldaduras no son críticas (“Fitness for Purpose Approach”).Las discontinuidades en las soldaduras no son críticas (“Fitness for Purpose Approach”). Es poco probable una falla de las soldaduras previo a una falla de los tubos.Es poco probable una falla de las soldaduras previo a una falla de los tubos. Se realizó ensayo radiográfico al 100% (relevamiento y caracterización de discontinuidades).Se realizó ensayo radiográfico al 100% (relevamiento y caracterización de discontinuidades).

Evaluación de partes 1 y 2: Degradación del material: cambio estructural.Degradación del material: cambio estructural. Las capas de óxido y de grano grueso no interfieren con las propiedades mecánicas.Las capas de óxido y de grano grueso no interfieren con las propiedades mecánicas. No se detectaron poros, expansión de los tubos, ni disminución drástica de las propiedades mecánicas.No se detectaron poros, expansión de los tubos, ni disminución drástica de las propiedades mecánicas. No es probable una falla inmediata.No es probable una falla inmediata. Se ha iniciado el deterioro por creep del material.Se ha iniciado el deterioro por creep del material. No es posible cuantificar la vida residual con precisión.No es posible cuantificar la vida residual con precisión. Suspensión del cambio urgente de tubos Realización de ensayos de Creep

Mecanismo de falla por creep Degradación del material sometido a:Degradación del material sometido a: –Tensión –Temperatura –Tiempo En su desarrollo se distinguen 3 etapas:En su desarrollo se distinguen 3 etapas: –1ª Etapa: Plasticidad. Cambios estructurales –2ª Etapa: Creep estacionario, velocidad de creep = mínima = cte. Formación de microcavidades –3ª Etapa: Procesos térmicos de deformación En el ensayo a  = cte:   t m 1ª Etapa, m<1En el ensayo a  = cte:   t m 1ª Etapa, m<1 2ª Etapa, m=1 3ª Etapa, m>1

Tensión >  s (operación) = cteTensión >  s (operación) = cte Temperatura > T s (operación) = cte.Temperatura > T s (operación) = cte. Velocidad de elongación = cte, T = T s (Rajakovics)Velocidad de elongación = cte, T = T s (Rajakovics) Ensayos de creep acelerados

Ensayo de Rajakovics –Ensayos a 5 velocidades de elongación diferentes. –Extrapolación de la tensión máxima verdadera. –Grafico tensión contra velocidad de elongación. –Extrapolación de la velocidad de elongación para la tensión de servicio. –Cálculo de vida residual.  /   /   / log .  / log t

Material en stockMaterial del horno stress / strain Stock material stress / strain Heater material

 / log   / log t log  / log t.  = 1%

Resultados de los ensayos de creep Comparando el material del horno y el de stockComparando el material del horno y el de stock –Menor resistencia al creep (140 MPa, 47% menor). –Mayor ductilidad. Gráfico tensión vs. velocidad de deformaciónGráfico tensión vs. velocidad de deformación –Muy buen ajuste lineal (Rajakovics es aplicable). Extrapolación del ensayo del material en stockExtrapolación del ensayo del material en stock –Aproximación polinómica incluyendo el estado actual. –Verificación con datos experimentales (rotura  15%).

Extrapolación según Rajakovics  / log t log  / log t

Cálculo de vida residual Extrapolando en base al material sin usoExtrapolando en base al material sin uso –Admitiendo estado actual de  = 1%, 30 años más de vida para una expansión adicional de  = 1%. –La extensión de vida deseada es tan solo el 10% de la vida residual (sobre-estimada) en base este cálculo. Extrapolación del ensayo del material del hornoExtrapolación del ensayo del material del horno –Rajakovics es directamente aplicable. –Aproximadamente 2 años para llegar a  = 1% –Aproximadamente 4 años para llegar a  = 2%

Extensión de vida Según la extrapolación de los resultados del ensayo de creep del material sin uso, se superan ampliamente los próximos 3 años de vidaSegún la extrapolación de los resultados del ensayo de creep del material sin uso, se superan ampliamente los próximos 3 años de vida Según la extrapolación de los ensayos de creep del material del horno se llegaría a una expansión del orden de 1 a 2 % luego de 2 años en servicioSegún la extrapolación de los ensayos de creep del material del horno se llegaría a una expansión del orden de 1 a 2 % luego de 2 años en servicio No es probable que se aceleren los efectos superficiales (oxidación y decarburización) en los próximos añosNo es probable que se aceleren los efectos superficiales (oxidación y decarburización) en los próximos años Controles no destructivos: ensayo visual, medición de diámetro exterior de los tubos y réplica metalográficaControles no destructivos: ensayo visual, medición de diámetro exterior de los tubos y réplica metalográfica

Conclusiones: Fue posible extender la vida del horno hasta su sustitución, a pesar de la degradación presenteFue posible extender la vida del horno hasta su sustitución, a pesar de la degradación presente Los resultados del mantenimiento predictivo corroboraron los resultadosLos resultados del mantenimiento predictivo corroboraron los resultados –Seguimiento de la expansión de los tubos del horno. –Realización de réplicas metalogáficas. Aumento de la confiabilidad, logrando una mejor ubicación en la matriz de riesgoAumento de la confiabilidad, logrando una mejor ubicación en la matriz de riesgo Beneficio económicoBeneficio económico

Costos comparados