ANALISIS DE FALLAS EN TUBERIAS Ing. Patricio Estupiñán M. Laboratorio de Metalografía ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
FALLAS EN TUBERIAS 1.- Internamente
Depósitos formados por agua y por vapor Sobrecalentamiento de larga duración Sobrecalentamiento de corta duración Tipos de corrosión :Generalizada, Picadura, Solapada, Selectiva,Galvánica Tipos de desgaste: Erosión, Cavitación, Erosión-corrosión, Fatiga con corrosión
FALLAS EN TUBERIAS 2.- Superficie exterior
Depósitos por ceniza de combustible Depósitos de ceniza de carbón Corrosión en caliente Aspectos metalúrgicos
Depósitos por agua y vapor
Los depósitos en el interior de los tubos están formados por los productos de la corrosión que han sido arrastrados desde sus sitio originales La orientación del tubo puede influir en la ubicación y en la cantidad Estos suelen ser más intensos en el lado caliente de los tubos
DEFINICION
El término DEPOSITO se refiere a materiales que se originan en otra parte y son transportados hasta aquel lugar donde se depositan. Los depósitos provienen de cuatro fuentes: Los minerales arrastrados por el agua, los productos químicos para el tratamiento, los productos de corrosión, y los contaminantes.
SALES
Los compuestos menos solubles se depositan primero al presentarse la ebullición El carbonato de calcio se deposita con rapidez (Deposito blanco) El sulfato de calcio requiere un grado más elevado de concentración El fosfato de magnesio es un aglutinante que puede producir depósitos muy duros y adherentes (Incoloros) Silicatos insolubles en ácidos, son muy duros
ELIMINACIÓN
Todos los depósitos son indeseables y finalmente, son el resultado de las propiedades químicas del agua o de las prácticas de operación de las calderas El tratamiento del agua es entonces de fundamental importancia, así como los cambio de la operación del caldero. Los depósitos son en general el resultado de múltiples compuestos Por ello se requieren de los análisis químicos para determinar la cantidad y variedad de cada una de las especies químicas La cantidad, composición y estratificación de los depósitos muchas veces son alterados cerca de los sitios de ruptura
SOBRECALENTAMIENTO DE LARGA DURACION
Las fallas que resultan del sobrecalentamiento de larga duración se presentan en tubos enfriados por agua o vapor Casi el 90% de las fallas ocurren en los sobrecalentadores, recalentadores y tubos de pared Los tubos contienen depósitos significativos en las paredes, un flujo reducido del fluido refrigerante, una entrada de calor excesiva del lado del hogar Secciones que se han desprendido costras del refractario Ocurren en áreas amplias y comprenden muchos tubos, que por lo general se rompen o comban
Descripción General del sobrecalentamiento de larga duración
Es una condición en la que la temperatura del metal sobrepasa los límites de diseño durante semanas, meses o más tiempo Este tipo de sobrecalentamiento es la causa de más fallas en calderas que cualquier otro mecanismo Debido a que el acero pierde mucha resistencia mecánica a temperatura elevada, las probabilidades de una rotura causada por la presión interna normal aumenta a medida que se eleva la temperatura La temperatura máxima permisible es principalmente función de la metalurgia Un tubo de acero de bajo carbono, y baja aleación sujeto a una temperatura arriba de 454 C por mas de unos cuantos días soporta este tipo de acción
S0BRECALENTAMIENTO DE CORTA DURACIÓN
Las fallas causadas por sobrecalentamiento de corta duración se confinan a los tubos enfriados por agua o por vapor Debido a las altas temperaturas de operación, los sobrecalentadores y recalentadores son sitios comunes de fallas Se pueden presentar cuando el flujo de vapor es limitado, sobre todo cuando se realiza el arranque del caldero
Descripción General
Cuando la temperatura del tubo se eleva por encima de los límites de diseño durante un breve período En todos los casos la temperatura del tubo se eleva por sobre los 730 C Dependiendo de la temperatura la falla puede ocurrir en un tiempo muy corto La falla suele ser por un error en la operación de la caldera Las condiciones que conducen a un sobrecalentamiento de corta duración son el taponamiento parcial o total del tubo y flujo insuficiente del refrigerante, o una entrada excesiva de calor Cambio en el patrón de combustión
Identificación
Con frecuencia el sobrecalentamiento de corta duración se puede identificar mediante el examen metalográfico Requiere que el tubo muestra se seccione para su examen microscópico Las otras técnicas de estudio son menos eficaces Expansión uniforme del tubo Ausencia de depósitos internos significativos La rotura violenta Ausencia de grandes cantidades de magnetita Rotura típica de boca de pez Disminución paulatina del espesor
CORROSION POR PICADURA Es
una forma extremadamente localizada de ataque que resulta en huecos en el metal. Estos huecos suelen ser de tamaño pequeño y aparecen pegados unos con otros dando la impresión de poros. Causa que equipos fallen pues con poca perdida de material producen perforaciones.
CORROSIÓN INTERGRANULAR (II)
CORROSIÓN INTERGRANULAR (III)
EROSION - CORROSION La combinación de un fluido corrosivo y una alta velocidad de dicho fluido. El fluido causa un estado modesto de corrosión, pero el movimiento del fluido remueve la capa de oxidación. La superficie del metal está nuevamente expuesta a la acción del corrosivo. El ataque y extracción es generalmente direccionado por el flujo.
PRESENTACION DE CASOS
PRIMER CASO
CALDERA DE ACEITE TERMICO Fabricación Alemana Potencia 350 BHP Horizontal doble entrada Quemador de diesel Control permanente de la combustión Control permanente en líneas
MUESTRAS
MUESTRA 1. Secciones del serpentín que presenta fisuras y soldaduras de reparación. MUESTRA 2. Secciones del serpentín que se encuentra en aparente buen estado.
DESCRIPCIÓN DE LAS MUESTRAS SUMINISTRADAS. Muestra No. 1 Los tubos presentan una serie de fisuras en la superficie exterior del
diámetro de la tubería. Se observan como una serie de fisuras circunferenciales, como se puede observar en la Fotografía No. 1 y 2. Al extraer la sección adecuada de dicha muestra se encuentra que en la superficie interna del tubo donde se encuentra la fisura se observa la presencia de depósitos de material carbonaceo. Como se puede observar en la Fotografía No. 3.
Fotografía No. 1 . Los tubos presentan una serie de fisuras en la superficie exterior del diámetro de la tubería
Fotografía No. 2 . Fisura en la superficie exterior del diámetro de la tubería
Fotografía No. 3 . En la superficie interna del tubo donde se encuentra la fisura se observa la presencia de depósitos de material
DESCRIPCIÓN DE LAS MUESTRAS SUMINISTRADAS. Muestra No. 2 Los tubos no presentan fisuras o perforaciones en su superficie, pareciendo encontrarse en buen estado. La superficie interna del tubo no presenta depósitos de material carbonaceo.
ANÁLISIS MICROSCÓPICO. Muestra No. 1 Del análisis de los tramos seleccionados en el microscopio estereo zoom se encuentra que las mismas presentan múltiples fisuras circunferenciales en los tubos como se puede observar en la Fotografía No. 4. Al realizar el corto transversal de las fisuras, se encuentra que los puntos de inicio están en la superficie externa del tubo, y se observan las marcas de playa lo que indica que el proceso de fisuración se propaga dentro de la pared del tubo como un proceso por fatiga. Como se puede observar en la Fotografía No. 5.
Fotografía No. 4 . Se observa la presencia de múltiples fisuras circunferenciales en los tubos.
Fotografía No. 5 . Se observa el punto de inicio (A). Y las marcas de playa (B) correspondientes al proceso de rotura por fatiga.
ANÁLISIS METALOGRÁFICO Muestra 1 Sección Transversal A y B El material de la muestra corresponde a un acero ferrítico – perlítico, laminado en caliente y terminado en frío de muy bajo contenido de carbono inferior a 0.01% Presenta granos equiaxiales, así como también perlita alineada en la dirección de la laminación. La superficie analizada presenta dos zonas claramente diferenciables por el tamaño de grano: una zona que corresponde la superficie exterior del tubo, con un tamaño de grano ASTM Nº 5; y la zona central de la cédula de tubo, con un tamaño de grano ASTM Nº 8, tal como se observa en la fotografía Nº 6.
Fotografía No.6 Muestra 1: Presenta granos equiaxiales. Se observan dos zonas diferenciables por el tamaño de grano: la zona (A) que corresponde la superficie exterior del tubo, presenta un tamaño de grano ASTM Nº 5; y la zona central (B) del tubo, presenta un tamaño de grano ASTM Nº 8
ANÁLISIS METALOGRÁFICO Muestra 1 Sección Transversal A y B En el borde externo del tubo se observa producto de corrosión, el mismo que ingresa a través de las grietas; que se forman en el borde de grano que son de mayor tamaño, tal como se observa en la fotografía Nº 7. Se observa también la precipitación de carburos globalizados en el borde de grano, que son resultado del tratamiento calentamiento – enfriamiento del material; tal como se observa en la fotografía Nº 8.
Fotografía No. 7 Muestra 1: En el borde externo del tubo se observa producto de corrosión, el mismo que ingresa a través de las grietas; que se forman en el borde de grano de mayor tamaño.
Fotografía No.8 Muestra 1: Se observa carburos globulizado (A) precipitados en el borde de grano, que son resultado del tratamiento calentamiento – enfriamiento del material. 1000x
ANÁLISIS METALOGRÁFICO Muestra 2 Sección Transversal El material de la muestra corresponde a un acero ferrítico perlítico, laminado en caliente y terminado en frío; con un contenido aproximado de carbono del 0.2 %. Se observa la presencia de perlita alineada en la dirección de la laminación; así como también en los bordes de los granos equiaxiales. Fotografía Nº 9 La cédula del tubo presenta dos zonas, diferenciables por el tamaño del gano: una zona que corresponde la superficie exterior del tubo, con un tamaño de grano ASTM Nº 8; y la zona central de la cédula de tubo, con un tamaño de grano ASTM Nº 9; tal como se observa en la Fotografía Nº 10.
Fotografía No.9 Muestra 2: Se observa la presencia de perlita alineada en la dirección de la laminación; así como también en los bordes de los granos equiaxiales no alineados. 100 x
Fotografía No.10 Muestra 2: Se observa dos zonas: una que corresponde la superficie exterior del tubo, con un tamaño de grano ASTM Nº 8; y la zona central de la cédula de tubo, con un tamaño de grano ASTM Nº 9.
DUREZAS Los valores se dureza promedio para las muestra se obtuvieron en base al promedio de siete mediciones, los resultados del ensayo de dureza se indican a continuación
ANÁLISIS DE RESULTADOS El material constitutivo de cada tubería resulta ser distinto, en el tubo fisurado se encuentra un crecimiento de grano excesivo aproximadamente de un 400% en los granos superficiales con relación a los granos que se hallan en la parte intermedia de la pared del tubo. En el tubo que aparece en mejor estado no se presenta este crecimiento de grano. La diferencia de durezas confirma su diferencia microestructural. El fisuramiento inicial producido aparece como consecuencia del tamaño de grano excesivamente grande y la corrosión se forma en los límites de grano como se observa en la estructura metalográfica. Fotografía No. 6. Luego se produce el avance de la grieta formada hacia el interior del tubo. El tubo que se halla fisurado, muestra presencia de productos de carbón depositados en el interior, lo que evidentemente afecta en el proceso de transferencia de calor al aceite térmico. La microestructura del material fisurado no solamente presenta un gran crecimiento de grano, sino que la cementita de la perlita presenta una descomposición, presentando formas de cementita globular como consecuencia de la subida y bajada de temperatura a la que ha sido sometida la tubería. Al realizar el corte de las fisuras y observar en el microscopio stereo zoom, se encuentra que existen marcas de playa características de un proceso de fatiga producido sobre todo por la acción de los esfuerzos producidos por el incremento de presión por el incremento de la temperatura.
CONCLUSIONES. El proceso de fisuración que sufre uno de los serpentines se debe a que su estructura metalográfica presenta un crecimiento de grano excesivamente grande así como la descomposición de la perlita sobre todo en la parte exterior del tubo que esta en contacto directo con la llama del caldero. Una vez iniciada la fisura, esta avanza por un proceso de fatiga térmica. El proceso de fractura se observa sólo en el serpentín denominado como muestra#1.
SEGUNDO CASO
CALDERA DE ACEITE TERMICO Fabricación Alemana Potencia Posición vertical Quemador de diesel Control de combustión Control de línea
INSPECCIÓN DEL CALDERO I. El caldero fue inspeccionado en varias ocasiones, en el sitio donde se está procediendo ha desarmar, encontrándose que la tubería de mayor diámetro tiene aproximadamente seis lugares con fisuras claramente visibles tal como se observa en la fotografía No 1, todas ubicadas en las espiras cercanas al espejo del caldero.
Fotografía No. 1.Muestra 1. El caldero fue inspeccionado en varias ocasiones, encontrándose que la tubería de mayor diámetro tiene aproximadamente seis lugares con fisuras claramente visibles. Todas ubicadas en las espiras cercanas al espejo del caldero.
IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS. MUESTRA 1 Sección irregular de una tubería de caldero de 70 mm de ancho, 175 mm de largo y 3 mm de espesor aproximadamente. Fotografía No 2.
Fotografía No. 2. Muestra 1: Identificación de la muestra correspondiente a una parte del tubo de caldero. En la parte interna de la muestra existen depósitos de carbón a manera de incrustaciones.
DESCRIPCIÓN DE LAS MUESTRAS
SUMINISTRADAS.
La muestra suministrada corresponde a una sección de una tubería de caldero. De la inspección realizada, esta corresponde a la segunda espira de los tubos exteriores del serpentín del equipo contados a partir del espejo. Se observa que en la parte central de la muestra un agujero de forma rectangular de 20 mm de ancho por 70 mm de largo, aproximadamente. A largo del cuerpo de la muestra existen agujeros de diámetro aproximado de 3 mm. En la parte interna de la muestra existen depósitos de carbón a manera de incrustaciones con un espesor de aproximadamente 5 mm, tal como se observa en la fotografía No 2. Luego de la extracción y limpieza de dicha capa de carbón se encuentra que debajo de la misma, se aprecia que en la superficie de la tubería existen un sin numero de concavidades a manera de picaduras, las mismas que al avanzar llegan a causar la perforación y fractura de la tubería. Fotografía No 3 En la superficie externa del tubo también se puede observar la presencia de depósitos de carbón.
ANALISIS METALOGRÁFICO. El material base corresponde a un acero ferrítico perlítico de 0.20% de carbono aproximadamente. Es un material laminado en caliente y terminado en frío debido a que se observa la perlita alienada en dirección de laminación. Presenta, también, un tamaño de grano ASTM No 8 aproximadamente; tal como se observa en la Fotografía No 4. En el lado interno de la tubería, se observa, la extracción del material, con una morfología típica de un proceso de cavitación. Se observa la extracción de material en forma sucesiva. Fotografía No 5
Fotografía No. 4. Muestra 1: Acero ferrítico perlítico de 0.20% de carbono aproximadamente; laminado en caliente y terminado en frío. Tamaño de grano ASTM No 8 aproximadamente.
Fotografía No. 5. Muestra 1: Se observa la extracción del acero de la tubería por proceso de cavitación. 100x
ANÁLISIS La superficie interna del tubo de caldero muestra claramente los fenómenos de corrosión - erosión y de cavitación. En la fotografía No 6, se observan los canales producto del proceso de corrosión. Mientras que en la fotografía No 7, se observa las huellas del proceso de cavitación debido a la acción del fluido (aceite de palma) contra las paredes de la tubería.
Fotografía No. 6. Muestra 1: Se observan los canales producto del proceso de corrosión (A).
Fotografía No. 7. Muestra 1: Se observa las huellas del proceso de cavitación debido la acción del fluido (aceite de palma) contra las paredes de la tubería (A).
INSPECCIÓN DEL CALDERO II. El caldero fue inspeccionado en el sitio donde se está procediendo ha desarmar, encontrándose que la tubería de mayor diámetro tiene aproximadamente seis lugares con fisuras claramente visibles, todas ubicadas en las espiras cercanas al espejo del caldero.
IDENTIFICACIÓN DE LAS MUESTRAS. MUESTRA 1 Tramo de la tubería de 76 mm de diámetro, 650mm de largo y 3 mm de espesor aproximadamente. Fotografía No 1.
MUESTRA 2 Muestra de tubería de 200 mm longitud y 3mm de espesor aproximadamente. Fotografía Nº 2
Fotografía No. 1.Muestra 1.Tubería de la zona inferior del caldero.
Fotografía No. 2. Muestra 2: Tramo de la tubería suministrada.
DESCRIPCIÓN DE LAS MUESTRAS SUMINISTRADAS
Muestra Nº 1
Corresponde a un tramo de la segunda espira de los tubos exteriores contados a partir del espejo de un caldero. Luego de haber realizado la limpieza en la parte exterior de la tubería, se observa que en uno de los extremos se encuentra una fractura de aproximadamente 139mm de largo en sentido longitudinal paralelo al eje de la tubería y una fractura en sentido transversal a la fisura anterior de 58mm de longitud aproximadamente, tal como se muestra en la fotografía No 3. Esta muestra se procedió a dividirla en tres secciones. En la parte interna de la muestra existen depósitos de carbón a manera de incrustaciones con un espesor aproximado de 3.2 mm, tal como se observa en la fotografía No 4. Al extraer dicha capa de carbón se aprecia una zona preferencial de desgaste de geometría rectangular de 27 mm de ancho y 210 mm de longitud aproximadamente. Esta zona se encuentra orientada hacia el interior del caldero en el lado de la pared que recibe la acción directa de la llama.
Fotografía No. 3. Muestra 1: Se observa una fractura de aproximadamente 139mm de largo en sentido longitudinal paralelo al eje de la tubería.
Fotografía No. 4. Muestra 1: En la parte interna de la muestra existen depósitos de carbón a manera de incrustaciones con un espesor aproximado de 3.2 mm.
DESCRIPCIÓN DE LAS MUESTRAS SUMINISTRADAS Muestra Nº 2. Corresponde a una parte d la tubería d la zona superior, la misma que posee huella de depósitos de carbón tanto el la superficie interna como externa.
ANÁLISIS DE CORROSIÓN.
En la parte interna de la tubería se observa canales producto de la acción conjunta de procesos corrosivos y erosivos, tal como se observa en la fotografía No 5. Existen también oquedades; huellas típicas de un proceso de cavitación debido a la acción de del fluido en las paredes de la tubería, tal como se observa en la fotografía No 6. Estos procesos crearon concentradores de esfuerzos los cuales se activaron por la incidencia de los esfuerzos creados por la presión del fluido, dando como resultado la fractura del elemento.
Fotografía No. 5. Muestra 1: En la parte interna de la tubería se observa canales producto de la acción conjunta de procesos corrosivos y erosivos
Fotografía No. 6. Muestra 1: Se observan oquedades; marcas típicas de un proceso de cavitación debido a la acción de del fluido en las paredes de la tubería.
ANALISIS METALOGRÁFICO El material base corresponde a un acero ferrítico perlítico, laminado en caliente y terminado en frío ya que se observa la perlita alienada en dirección de laminación. Presenta un tamaño de grano ASTM No 8 y un contenido de carbono aproximado de 0.20%; tal como se observa en la Fotografía No 7.
Fotografía No. 7. Muestra 2: Corresponde a un acero ferrítico - perlítico, laminado en caliente y terminado en frío. Presenta un tamaño de grano ASTM No 8 y un contenido de carbono aproximado de 0.20%. 400X
ANÁLISIS
El tubo presenta marcas de acciones conjuntas de procesos de corrosión – erosión y cavitación, provocados por la descomposición del fluido que estuvo sometido a altas temperaturas. Los procesos de desgaste mencionados estimularon la pérdida del material y la formación de concentradores de esfuerzos, causantes de la fractura del elemento estudiado. En estas condiciones de operación, si se reemplaza el espiral del caldero por uno nuevo, se llegará luego de corto tiempo a las mismas condiciones observadas en la tubería investigada.
