anÁlisis de la falla de un codo de tubo radiante del
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UNEXPO. Gil, Rodríguez. Análisis de falla a codo de tubo radiante del recalentador de gas reformado de una planta
de reducción directa.
X Jornadas de Investigación 2012
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Resumen— Los Codos de los tubos radiantes transportadores de
gas reformado del Recalentador No.2 de una Planta de Briquetas,
presentaron una falla tipo catastrófica, que ameritó su sustitución y la
realización de este estudio. La rotura de los codos consistió en la
perdida de material por daño tipo picadura en la zona expuesta a
mayor temperatura. Siguiendo la metodología de análisis de falla se
dio respuesta a las causas que originaron la falla. Las
fotomicrografías por MEB evidenciaron ataque localizado en ciertas
fases con pérdida de material y con la consiguiente formación de
cavidades. Los resultados de EDX realizados a los productos de
corrosión señalaron que el proceso corrosivo está asociado a una
presencia significativa de carbono. La evidencia señala un ataque
localizado por el mecanismo de metal dusting como causa de la falla.
Palabras Claves— codos radiantes, metal dusting, reformador.
I. INTRODUCTION
Los recalentadores son hornos que entregan calor a una
serie de tubos radiantes que están diseñados para calentar gas
reformado de 480 °C a 890 °C. Esta temperatura es para que el
gas reformado tenga suficiente calor para reaccionar con el
óxido de hierro en el reactor. En la zona 1, existe la mayor
capacidad de calentar el gas, la temperatura aumenta de 480°C
a 730°C, en la zona 2, la temperatura es aumentada de 730°C a
970°C. Estas zonas están cubiertas de refractarios y se
encuentran los quemadores que suministran el calor necesario.
Tanto los tubos horizontales como los tubos verticales
fueron fabricados para una vida útil de operaciones de 8 a 10
años en servicio. El material de los tubos fué HiSi HP-AA, sin
embargo los codos instalados son de un material HP-Nb Micro
ALLOYED, ASTM A297. A los cinco años de operación, en
el Recalentador No.2, presentó una falla del tipo catastrófica
en los codos de los tubos radiantes No. 17 y No. 18, ambos
presentes en la Zona 2, ocasionando la salida de servicio del
equipo para su intervención, disminuyendo así la producción
de briquetas en la Planta.
La falla del codo del recalentador, el cual se encuentra
ubicado en la zona expuesta a mayor temperatura, consistió en
la perdida de material por daño localizado tipo picadura
perforante en la curvatura interna del mismo. Cada vez que un
reformador o un recalentador presentan una falla tipo
catastrófica, como la que se plantea en este trabajo, la
capacidad operativa de la planta se ve afectada ya que se debe
sacar de operaciones el equipo afectado, conllevando a la
disminución de la capacidad de producción de briquetas
El Metal Dusting o carburización es un mecanismo de falla,
que consiste en la desintegración del hierro, los aceros de baja
y alta aleación y las aleaciones base Ni y Cr, en polvo de
grafito y partículas finas metálicas o de óxidos causadas por la
formación de carburos y carbono en la superficie de estos en
una atmósfera que contienen gases carburizantes (CO, CO2,
CH4, etc.) con alta presencia de carbono en un rango de
temperatura de 400 °C a 800 °C y la actividad del carbón (ac)
>1.[1]
Para este análisis de falla, se seleccionaron las muestras del
codo del tubo radiante número 18 y se utilizó los
procedimientos y metodología del análisis de falla, entre las
cuales se tienen: Ensayos de Metalografía, Microscopia
Electrónica de Barrido con Microanálisis, pruebas de Dureza,
Análisis Químico y Difracción de Rayos X a los productos de
corrosión.
II. DESARROLLO
A. Métodos y Materiales
a.1. Condiciones de diseño y operaciones.
Se realizó revisión de manuales de operación y de
mantenimiento con la finalidad de conocer el diseño,
funcionamiento y pautas de mantenimiento del recalentador de
gas reformado a fin de determinar la data técnica del
recalentador.
a.2. Inspección Visual en Campo.
Se realizó inspección visual de todos los tubos y codos
asociados del Recalentador No.2 de un total de 24 tubos. Esta
inspección consistió en visualizar el estado de los codo de la
tubería, con la finalidad de detectar, registrar, medir, y evaluar
anomalías que pudieran poner en peligro la integridad física
del equipo, tales como: socavaciones, picaduras, daños
mecánicos, corrosión externa, erosión.
Durante la inspección se procede a la inyección de gas
inerte para así poder detectar las fugas en tuberías una vez que
el equipo está fuera de operaciones. Mediante este método se
encuentra que el codo de la zona 2 del tubo radiante número
18 presenta una fuga por perforación tipo picadura en el radio
interno del mismo.
a.3. Selección de Muestras.
Una vez realizada inspección visual y determinado el
número y posición del codo fallado se procedió a la selección
de muestras como se indica en la tabla Nº.1
ANÁLISIS DE LA FALLA DE UN CODO DE TUBO RADIANTE DEL
RECALENTADOR DE GAS REFORMADO DE UNA PLANTA DE
REDUCCIÓN DIRECTA.
Gil Linda, Rodríguez Ottmar
[email protected], [email protected]
CECOB – UNEXPO.
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TABLA 1
Selección de muestras Descripción Inspección
Muestra A
Zona del radio interno del codo, se
observa superficie lisa a pesar del
uso y flujo de gases. Presenta poco
ataque por corrosión.
Muestra B
Sector del codo cerca de la
picadura con moderado ataque
por picadura.
Muestra C
Sector del codo con picadura
extrema. Diámetro de perforación
promedio de 15 mm en pared de
tubo externa y promedio de
picadura en pared de tubo interna
de 45 mm.
a.4. Análisis físico-químico.
Para el análisis químico se utilizó la técnica de emisión
óptica, que consiste en una chispa de alta energía generada a
través del espacio llenado con argón, entre un electrodo y la
muestra de material que se va a analizar [2].
El procedimiento aplicado se realizó bajo las normas
COVENIN 2894-92, 2796-91, 2798-91.
Se determinó la dureza usando un durómetro de banco
Wolpert, aplicando una carga de 100 Kg para medir la Dureza
ROCKELL B (HRB).
a.5. Evaluación Microestructural
5.1. Caracterización Microestructural
A las muestras seleccionadas, cerca y lejos de falla, se les
preparó metalográficamente hasta obtener una superficie
especular y se atacaron químicamente con Kalling, para
obtener una mejor definición de las fases presentes. Se realizó
registro fotomicrografías a diferentes aumentos con un
microscopio óptico modelo Nikkon y acoplado a un analizador
de Imágenes, LECO IA 32. Igualmente se les determinó el
nivel de inclusiones acorde a norma ASTM E-45.
5.2. Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y
microanálisis
Este tipo de análisis cualitativo, se utilizó para determinar
productos de corrosión de metales, cuando los rayos X inciden
sobre una sustancia cristalina. El ensayo se realizó con un
difractómetro PHILLIPS, PW3710.
B. Resultados
1. b Condiciones de diseño y operaciones.
En la tabla Nº.2 se muestra los resultados de la revisión de
la data técnica del recalentador de gas reformado.
TABLA 2.
Data Técnica del Recalentador
Temp. de
flujo
(ºC)
Presión de
flujo
(Kg/cm 2)
Fluido
Año de
Instalación
de tubos y
codos
radiantes
Dureza HRB
Típica
Especif. del
Codo
430 – 870 2,5 Gas
Reformado 2004 87
HP-Nb
25Cr35NiNb
Micro
ALLOYED.
Composición del gas: 71,3 % H2; 5,1 % CO2; 2,9 % CH4; 20,7 % CO.
Tiempo en servicio de tuberías radiantes: 5 años hasta aparecer la falla
Inyección de H2S: entre 15 -17 ppm
En la figura 1 se muestra un histograma, de los valores de la
composición del gas reformado, considerando el último mes
de operación antes de la falla catastrófica, obtenidos por
control de calidad , así mismo, se muestra la temperatura del
gas medido por termocuplas ubicadas justamente antes de los
codos de de la zona 2 en los crossover con la cual se procede a
la determinación de la actividad del carbono en esas fechas,
cuyo valor depende de la composición, la presión y la
temperatura del gas.
Este resultados se obtiene utilizando el programa de
cálculo “Actividad de C para CO y CH4 para deposición de C
y formación de Fe3C”.
ACTIVIDAD DE CARBONO
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
01/1
2/09
03/1
2/09
05/1
2/09
07/1
2/09
09/1
2/09
11/1
2/09
13/1
2/09
15/1
2/09
17/1
2/09
Fechas
Acti
vid
ad
Carb
on
o
ac
ac 14,89 9,77 39,52 39,52 39,52 39,96 41,5 29,7 25,31 0,22 0,26 1,53 1,69 0,5 0,32 0,32 0,34
01/12/09 02/12/09 03/12/09 04/12/09 05/12/09 06/12/09 07/12/09 08/12/09 09/12/09 10/12/09 11/12/09 12/12/09 13/12/09 14/12/09 15/12/09 16/12/09 17/12/09
Fig. 1 Histograma de la actividad del carbono.
Como se puede observa los valores obtenidos de la
actividad del carbono (ac) en los gases, presentan en varios
casos un valor mayor que la unidad lo cual es uno de las
características que favorecen la presencia del metal Dustin de
acuerdo a la bibliografía [3,4,5]
2. b. Inspección Visual en Campo.
En la figura 2 se observa un aspecto macroscópico del codo
número 18 fallado donde se observa el corte longitudinal
realizado para revisión interna del mismo así como se señala
en la figura la presencia de una perforación tipo picadura
pasante.
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Fig. 2. Corte longitudinal del codo evaluado.
• Se observa en la superficie interna del codo abundante
ataque por picadura que alcanza los 45 mm de promedio,
como se muestra en las figura 3. Es importante destacar la
presencia de un depósito o polvillo negro adherido a la
superficie a lo largo de toda el área interna del codo. La
bibliografía señala que la presencia de este polvo negro como
carbón grafítico evidencia característica de Metal Dusting en
estos sistemas de reformación de gases, [3,4,6]
• Se observa en la superficie externa del codo que la
picadura perforada con un diámetro externo promedio de 15
mm (ver figura 4),
• En la figura 5, se muestra la inspección visual de la
superficie interna del codo pero en su radio externo, donde se
observa la presencia de daños por desgaste o socavamiento y
picaduras sin perforaciones así como abundante presencia de
polvo negro. La morfología orienta a metal dusting [3,4,6].
Se observa que la picadura perforante se encuentra en zona
del codo donde ocurre el cambio brusco de dirección del flujo
de gas, originando una situación de desgaste por erosión
agravando la falla del codo.
Fig. 3. Sección longitudinal del codo con la picadura,
vista interna.
Fig. 4. Sección longitudinal del codo con la picadura.
Fig. 5. Sección longitudinal del codo con socavamiento en
radio exterior, vista interna.
Se identificaron tres zonas en la figura 3 de donde se tomaron
las muestras para la caracterización microestructural. En la
muestra A (figura 3), correspondiente a la sección lejos de
falla, y sin daño por picadura. Solo con presencia de polvo
negro. En la muestra B (figura 3), correspondiente a la sección
cerca de falla, con poco daño por picadura y con presencia de
polvo negro. En la muestra C (figura 3), correspondiente a la
sección de falla, con atraque considerable en toda su sección
por picadura, presencia de desgaste y con presencia de
polvillo negro.
2. c. Análisis físico-químico.
En la tabla 2 se muestran los resultados de los análisis
químicos, los cuales indican una correspondencia con las
especificaciones de un acero ASTM A 297 Grado HP Nb.
TABLA 2. Análisis Químico.
A fin de establecer si el daño por corrosión ocasiona
deterioro en las propiedades mecánicas del material se
determinó la dureza por macroidentación, obteniéndose los
resultados indicados en la tabla Nº. 3.
TABLA Nº. 3. Tabla de dureza de las muestras.
MMuueessttrraa DDuurreezzaa
HHRRBB
DDuurreezzaa
NNoommiinnaall
HHRRBB
AASSTTMM 229977
A 90,6
B 88,2 87,0
C 88,44
Los resultados obtenidos indican que la dureza del material
se corresponde con las especificaciones técnicas y no se ve
afectada por las condiciones de trabajo.
2. c. Evaluación Microestructural
a. Caracterización Microestructural
Muestra “A” lejos de falla
Elemento
PORCENTAJE
Muestra ASTM A297
Grado HP Nb
C 0,4065 0,35-0,45
S 0,0155 0.03
Mn 0,2914 1.5
Si 1,2704 2
P 0,0173 0.03
Cr 23,85 23-27
Ni 35,612 33-37
Nb 1,13 0,7-1,5
Mo 0,1124 < 0,5
Polvillo de Grafito
B A
C
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En la figura 6 se observa la Fotomicrografía de la muestra
A lejos de falla, la microestructura corresponde a una matriz
austenítica con presencia de posibles Carburos
interdendríticos.
Fig. 6.- Fotomicrografía de Fases presentes (100X), se
observa una matriz austenítica y formación de posibles
Carburos interdendríticos.
Muestra “B” cerca de falla
En la figura 7 se observa la Fotomicrografía de la muestra
B cerca de falla las fases presentes a (1000X) una matriz
austenítica y formación de posibles Carburos interdendríticos.
Fig. 7.- Fotomicrografía de Fases presentes (1000X), se
observa una matriz austenítica y formación de posibles
Carburos interdendríticos.
Muestra “C” en falla
En la figura 8 se observa la Fotomicrografía de la muestra
C en falla las fases presentes a (1000X) una matriz austenítica
y formación de posibles Carburos interdendríticos.
Fig. 8.- “Fotomicrografía de Fases presentes (1000X), se
observa una matriz austenítica y formación de posibles
Carburos interdendríticos.
De las evidencias se extrae: que las muestras analizadas
luego de estar en uso, corresponde a la microestructura
característica de un acero Hp modificado con Nb, el cual
presenta una matriz austenítica (solución sólida de Fe-Cr-Ni)
con carburos primarios ricos en Cr en los bordes de grano
(color gris oscuro), pueden también existir la presencia de
carburos ricos en Cr dispersos dentro de la matriz. Los
precipitados blancos adyacentes a los bordes de grano entre
los carburos de Cr, se presumen carburos de Niobio [3,5, 6].
b. Microscopía electrónica de barrido (MEB) y
microanálisis por energía dispersiva (EDX).
Muestra “b” cerca de falla.
En la figura 9, se muestran la Fotomicrografía por MEB en
modo de electrones retrodispersados (ERD) con microanálisis
general respectivamente, en ella se muestra la matriz
austenítica con presencia de carburos interdendríticos.
Fig. 9- Fotomicrografía por MEB (BDS) a 100X con
microanálisis de matriz en muestra cerca de falla, análisis
general
Fig. 10.- Fotomicrografía por MEB con microanálisis
cerca de falla
La fig. 10, muestra la Fotomicrografías por MEB de zonas
de posibles carburos, tal como lo muestran los microanálisis
de EDX , existen carburos ricos en cromo( oscuros) y los ricos
en Nb (claros). Esto concuerda con la bibliografía [7], que
afirma que pequeñas adiciones de Nb a las aleaciones
resistentes a altas temperaturas pueden incrementar su
resistencia al choque térmico, además el Nb actúa como
estabilizador de carburos por la formación de carburos tipo
MC, lo cual evita la precipitación de carburos masivos (de Cr
en nuestro caso) en los bordes de grano, que fragilizan la
aleación y disminuyen su resistencia al agrietamiento por
creep.
Muestra “C” en falla sección frontal
En la figura 11, se presenta una vista frontal por MEB en
modo de electrones retrodispersados (ERD) de la superficie en
zona de falla. En ella se observa la presencia de grietas, la
formación de partículas con tendencia a desprenderse y
formaciones de pequeñas cavidades. Los resultados señalan
una presencia significativa de carbono y oxigeno.
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Fig. 11.- Fotomicrografía por MEB en modo de electrones
retrodispersados (BSE) con microanálisis a sección frontal
en falla
La figura 12, muestra una micrografía por MEB, en ella se
observa la presencia de grietas, la formación de partículas con
tendencia a desprenderse y formaciones de pequeñas
cavidades. Nótese la presencia de la morfología característica
del grafito en forma de racimos, lo cual típico del mecanismo
de metal dusting. [3, 4, 6]
Fig. 12.- Detalle de la anterior.
Muestra “c” en falla sección transversal.
La figura 13 presenta la fotomicrografía de MEB con
microanálisis para los puntos señalados de la muestra de la
sección transversal con falla.
Figura No. 13- Fotomicrografía por MEB con
microanálisis de sección transversal en falla
Los resultados muestran una presencia significativa de
Carbono y Niobio, Cromo indicando la presencia localizada de
Carburos de Niobio y carburos de Cromo.
La figura 14, representa la fotomicrografía de MEB en
modo de electrones secundarios (ES) de la muestra de la
sección transversal en la cual se presenta el mayor deterioro,
se observa la presencia de varias zonas, posibles carburos.
Figura 15.- Fotomicrografía por MEB con microanálisis
en zona transversal a la falla en la cual se presenta el
mayor deterioro.
Los resultados indican una presencia significativa de
Carbono y Niobio y Cromo, por lo tanto existe la presencia
localizada de carburos de Niobio y Cromo.
En general se observa la presencia de carburos en los
límites de grano, la formación de estos carburos ocasionan un
empobrecimiento de Cr de la matriz, fenómeno conocido
como sensibilización, lo cual trae como consecuencia la
generación de una micro pila galvánica entre la matriz y la
interfase con los carburos, originándose una corrosión
microgalvánica preferencialmente por las zonas de la matriz
cercana a los límites de grano, [8].
La morfología del daño observado en las secciones
transversales, se ajusta a los encontrado en la bibliografía para
aleaciones 35Ni25Cr-Nb, con Silicio como elemento aleante
[8].
La resistencia a la carburización de estas aleaciones se basa
en la capacidad de formar una capa superficial de óxido de
cromo y una capa inerte de óxido de silicio, ambas
estabilizadas por los elementos estabilizadores de carburos
como por ejemplo en nuestro caso el Nb. Estas capas son
precedidas por una zona decarburada, que se origina como
consecuencia de la migración de Cr producto de la
descomposición de los carburos, hacia la superficie para
formar la capa protectora. En los EDX realizados tanto en la
secciones frontales como transversales, de los productos de
corrosión, de las muestras evaluadas se encontró Si y Cr en
cantidades considerables, lo cual sugiere que el mecanismo
protección fue la presencia de estas capas protectoras [8].
Investigaciones recientes sobre materiales resistentes al
Metal Dusting confirman que un mínimo de 28% de Cr es
requerido para formar una estable y continua capa que proteja
el metal de carburización y metal dusting. Esto puede explicar
que en nuestro caso, en el acero de fabricación Hp mod. Nb,
los porcentajes de Cr, obtenidos experimentalmente están
alrededor de este valor.
La presencia de zonas con una alta precipitación de
carburos secundarios se explica en función de que una vez,
perdida la capacidad protectora de las capas antes
mencionadas el gas entra en contacto directo con el aleación
de fabricación, dado las condiciones de trabajo en cuanto a
temperatura y composición de gases, se produce el fenómeno
de metal dusting en el cual el CO se descompone formando C
disuelto el cual difunde a través de la matriz para formar
carburos. En la aleación en estudio los elementos Cr, Ni y Nb,
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que tienen una mayor tendencia a formar carburos, están
presentes en porcentajes considerables lo cual produce la
formación de carburos complejos de estos elementos (carburos
secundarios). Esto propicia el inicio de un proceso de
corrosión micro galvánica entre la matriz y los carburos. Estos
carburos luego se descomponen para formar carbono en forma
de grafito, como el observado en las secciones frontales de
todas las muestras evaluadas [8].
c.- Difracción de Rayos X a los Productos de Corrosión.
Los resultados obtenidos del ensayo de Difracción de Rayos
X se señalan en figura 16. Se realizaron a una muestra del
depósito, extraído de la zona de picadura en el codo de tubo
radiante No.18.
MUESTRA: DEPÓSITO EN CODO
FASE PRINCIPAL:
Fe2O3: (Magnetita sintética) Ficha: 39-1346 ICDD
FASE MINORITARIA:
FeSO4: (Sulfato de Hierro) Ficha: 17-873 ICDD
Los resultados de DRX corroboran los resultados por EDX,
en los cuales se evidencia que los principales productos de
corrosión son óxidos, Es importante señalar la presencia de
sulfato de hierro obtenidos de las muestras superficiales de los
productos de corrosión por la presencia del H2S en el flujo de
gases, sin embargo no se encontró evidencia de azufre en las
capas del acero.
Fig. 16. Difractógrama correspondiente a depósito
ubicado sobre el codo.
III. CONCLUSIONES
1.- La evidencia señala un ataque localizado por un
mecanismo de Metal Dusting, y presencia de polvo de grafito
en la superficie interna del codo. Lo que establece que no se
lleva un control adecuado de inyección de H2S y una variación
de parámetros operativos debido a constantes paradas del
equipo.
2.- La caracterización fisico-química del material
corresponde con la de una aleación ASTM A 297 HP Nb, la
cual no tiene variación a pesar del uso presentado.
3.- Los principales componentes de los productos de
corrosión son óxidos de Hierro y Cromo. Dentro de los
productos de corrosión obtenidos se presenta el sulfato de
hierro, debido a la presencia en el gas del H2S.
5.-. La microestructura de la aleación evaluada luego de
estar en uso, corresponde a una matriz austenítica con
presencia de carburos interdendríticos de acuerdo a lo que
corresponde a la aleación.
6.- En las muestras lejos de falla, cerca de falla, y en falla se
presencia la formación de carburos mientras que en la zona
fallada además se encuentra como producto de corrosión la
presencia óxidos
7.- Se evidencia el fenómeno conocido como
sensibilización, así como la corrosión microgalvánica
preferencialmente por las zonas de la matriz cercana a los
límites de grano.
8.- Dentro de los productos de corrosión se presenta el
sulfato de hierro, el cual no es fuente en el mecanismo, ya que
no se evidencia en capas superficiales de la aleación fallada.
IV. RECOMENDACIONES
1.- Controlar la adición de H2S en concentraciones que
permitan la inhibición del mecanismo del Metal Dusting.
2.- Realizar un estudio que permita automatizar la medición
de H2S.
3.- Estudiar la elaboración de un sistema que permita
determinar constante mente el valor de ac de los gases de tal
manera que no supere la unidad.
4.- Realizar el estudio que permita seleccionar un material
más acorde al proceso, tomando en cuenta que el material del
codo es el que se presenta dañado y no así el material de los
tubos.
V. REFERENCIAS
[1] Grabke, H. J. “Metal Dusting”. Materials and Corrosion, 54,
No. 10, 2003, 736-746.
[2] V. Tortoriello. Practica General para el Análisis de Falla.
C.V.G Ferrominera Orinoco, (2010)
[3] Grabke, H.J. Metal Dusting of Low- and High-Alloy
Steels, Corrosion, 51, No 9, 1995, 711-722.
[4] Leineweber A., Gressmann T., Mittemeijer E.J.
Simultaneous control of the nitrogen and carbon activities
during nitrocarburising of iron, Surface and Coatings
Technology, 2012, 206, 2780-2791
[5] R.C. Yin (2004). “Carburization performance of Incoloy
800HT in CH4/H2 gas mixtures”. Materials and Corrosion
Section, Sabic Technology Center, P.O. Box 11669, Jubail
Industrial City 31961, Saudi Arabia.
[6] Zeng Z. and Natesan, K. (2006), “Control of metal
dusting corrosion in Ni-based alloys”. Argonne National
Laboratory, Energy Technology Division, Argonne, IL 60439,
USA.
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de reducción directa.
X Jornadas de Investigación 2012
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[7] Grabke, H. J., Müller-Lorenz, E. M. and Schneider, A.
Carburization and Metal Dusting on Iron, ISIJ International,
41 (2001), S1-S8.
[8] G. Palasantzas, H.J. Kooij, J.Th.M. DeHosson (2004).
Carbon induced metal dusting of iron–nickel–chromium alloy
surfaces. Department of Applied Physics, Materials Science
Centre and Netherlands Institute for Metals Research,
University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG Groningen,
The Netherlands