56 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol 11, N° 1y 2, 1992

Estudio del Comportamiento del Incoloy-800 en los Hornos Reformadores de hidrógeno medianteCorrientes Inducidas.

Garcia O., W.*; Staia, M."''''; Hernandez, F.***.

'" Universidad Francisco de Miranda, A. P. 7498, Coro, Falcón. Venezuela. Fax: 52-068-51.75.85** Universidad Central de Venezuela, Escuela de Metalurgia, Caracas, Venezuela. Fax: 52-02-661.90.15*** Lagoven, S. A. Refinería de Amuay, Ingeniería de Instalaciones. Amuay, Edo. Falcón, Venezuela.Tel. 52-069-40.62.71

ResumenEl objetivo principal de este estudio es establecer criterios de aceptación y rechazo de los tubos de

Incoloy-800, llamados "pigtails", ubicados en los hornos reformadores de hidrógeno mediante la técnica decorrientes inducidas. Las curvas características del grado de magnetizacion del material, obtenidas mediantela técnica anterior, han sido corelacionadas con propiedades microestructurales y mecánicas comotracción ymicrodureza con el fin de explic,ar los fenómenos observados.

Palabras claves: Incoloy-800, 11 pigtail 11 , sensibilización de superaleaciones.

Introducción

La reformación del gas naturaldesulfurizado, se realiza cuando la mezcla de vapory gas fluye a través de los tubos instalados en lasección radiante del horno reformador. Estostubos poseen conexiones especiales, comúnmentedenominadas "pigtails", que conectan la entrada yla salida de cada tubo con los cabezales dealimentación y del efluente. Los lazos de entradapermiten movimiento diferencial entre los tubos ylos cabezalez de alimentación, mientras que loslazos de salida o "pigtails" inferiores son rígidos.Una de las funciones que cumplen los "pigtails"inferiores es el permitir el aislamiento de cualquiertubo al comprimir o estrangular esta conexióncuando se verifica la fuga de gas através de algunagrieta ubic ada en la zona superior del "pigtail". El"pigtail" inferior es un tubo, cuyo material es de la-superaleación Incoloy-800, con un diámetroexterno de 2.54 cm y 5 mm de espesor que debesoportar las condiciones de diseño para la salida delos tubos del horno reformador de hidrógeno: unatemperatura de 8000C y 2.2 MPa. de presión. Losfenómenos que restringen la vida útil de los"pigtails" inferiores son la fluencia lenta, lacarburización y la oxidación. Generalmente, lamala distribución del flujo de calor en los tubosreformadores puede causar el incremento local enla temperatura del "pigtail" por encima de latemperatura de diseño, originando el fenómeno defluencia lenta (1) y, en algunas ocasiones, fallaspor agrietamiento (2). La oxidación (3) es máslenta que la carburización y sólo en casos extremosserá la causa de una falla mientras que lacarburización incrementa directamente laprobabilidad de falla, debido a la pérdida deductilidad del material y al incremento implícito dela tasa de oxidación. Con el fin de impedir una

LatinAmerican Iournal 01 Metallurgy

falla por agrietamiento, durante el procedimiento deestrangulamiento, se hace imprescindible el controlde la carburización de los "pigtails". Uno de losmétodos más útiles para determinar el grado decarburización, en aleaciones austeníticas, es el dedetectar los campos magnéticos (4) influenciadospor los cambios en la permeabilidad magnética delmaterial. Este último parámetro puede ser medidoempleando la técnica de ensayos no destructivos,conocida como corrientes inducidas (5). Ladetección del grado de carburización estáfundamentada, en el hecho de que una aleaciónaustenítica carburizada, experimenta cambiosmetalúrgicos que general la formación de unamatriz con una composición nueva correspondientea la aleación magnética Fe-Ni-Cr. Las alteracionesgraduales ocurridas en la matriz son proporcionalesa los cambios magnéticos.

Métodos experimentales

Se empleó la técnica de corrientes inducidascon el fin de idear un procedimiento sencillo y a lavez novedoso, capaz de permitir la caracterizacióndel grado de magnetismo de los "pigtails" deIncoloy-800. La señal obtenida en la pantalla CRTdel equipo de corrientes inducidas, con sondaabsoluta, muestra el plano de impedancia (5). Laclasificación de las muestras ha sido realizadatomando en cuenta la relación Y/X, quecorresponde a las coordenadas que permitenlocalizar el "spot" en el plano de impedancia. Elequipo ha sido calibrado empleando un tubo virgende la aleación como patrón, que tiene un valor deY6X = 90/0.

Con la aplicación de esta metodología seobserva el campo magnético variable sinusoidal,

and Materials, Vol 11, N° 1y 2, 1992

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol 11, N° 1y 2, 1992 57

generado por la bobina absoluta, afectado por lasuperposicióndel campo magnético producido porlas corrientes inducidas en el material bajo estudioy del campo magnético existente por el material ensí. Previo a la aplicación del ensayo, los "pigtails"usados han sido preparados superficialmentemediante la técnica de "chorro de arena". Losresultados obtenidos se presentan en la figura 1 (a-G).

Al mismo tiempo, se prepararon variasprobetas metalográficas que permitieron examinar,empleando la técnica de microscopía electrónica debarrido (MEB) con análisis semicuantitativomediante energía dispersiva de rayos x (EDX), lassecciones transversales de los tubos, para algunosvalores caracteríusticos seleccionados segúnelmétodo de caracterización del magnetismopreviamente mencionado. Estos análisipermitieron determinar los porcentajes de cromo,hierro y niquel, en la matriz y en los límites degrano. Con el fin de caracterizar el material desdeel punto de vista de las propiedades mecánicas, serealizaron ensayos de microdureza y ensayos de

tracción, a temperatura ambien te sobre 30 probetaspreviamente clasificadas según la figura 1 (A-G) yelaboradas según norma ASTM A370.

. Resultados y discusión

Los resultados encontados mediante laaplicación de la técnica de MEB con EDXS a lasprobetas clasificadas, demuestran la presencia demi ataque intergranular, en menor y mayor grado,con la formación de carburas en los límites degrano y, como consecuencia, con un agotamientode cromo en la matriz. Estos resultados han sidocorroborados con los resultados de los análisispuntuales realizados, tanto en la matriz como en loslímites de grano, para todas las muestrasensayadas. El ataque intergranular que sufre elmaterial se puede explicar debido a la existencia deun intervalo de temperatura de sensibilización(5400 - 800oC) que coincide con la temperatura detrabajo de los "pigtails" estudiados. Comoejemplo, la figura 2a representa la fotomicrografíade una muestra clasificada como 20/2.5 en donde

A B De

E F G

Figura 1: Curvas caracteristicas del magnetismo

LatinAmerican Journal o/ Metallurgy and Materials, Vol 11, N° 1y 2, 1992

58 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol 11, N° 1y 2, 1992

se puede obsrvar el deterioro mencionado. Lafigura 2b representa los espectros obtenidos, quearrojan las siguientes composiciones: A)Fe( 47.94%); Cr(29.48%); Ni(20.66%) en lamatriz y B) Fe(23.37%); Cr(24.48%); Ni(6.13%)en los límites de grano.

"En la figura 3 se presentan los resultados delos ensayos de microdureza realizados para lamuestra de referencia y para dos muestras quesufrieron un magnetismo muy pronunciado, 20/2y 10/1. Como se puede observar es notable elcambio experimentado en el valor de lamicrodureza en las dos últimas muestras, debido alagotamiento de cromo y carbono en la matriz. Eldaño microestructural que sufrió el material estáconfirmado, aún más, al análizar los resultados delos ensayos de tracción que indican que los valoresencontrados para el esfuerzo máximo y el esfuerzode ruptura están por debajo de los valorescorrespondientes al material de referencia. Losvalores de la elongación, para las diferentesprobetas ensayadas, quedaron significativamentemuy por debajo del valor encontrado para lamuestra de referencia y esta disminución se puedeatribuir a la presencia de carburos precipitados enlos límites de grano. En la tabla N° 1 se presentanvalores característicos del material de referencia yde algunas muestras ensayadas.:

pueden continuar en servicio, considerando el dañopresentado como intermedio, pero tendrán que serevaluiadas con rigurosidad durante el proceso deparada de la planta.

Conclusiones

El método de ensayo no destructivo decorrientes inducidas es un método reproducible quepermite caracterizar el grado de magnetización delmaterial. Debido a su sencillez se puede aplicarcon éxito en el campo una vez que la superficie deaplicación ha sido cuidadosamente preparada.

Los ensayos metalográficos realizadosrevelan que el material ha sido sensibilizado porefecto de la alta temperatura de operación Estefenómeno se determinó en forma muy acentuada enmuestras clasificadas .omo 20/2.5 y 10/1,indicando que la obtención de señales similarescuando se realiza un estudio empleando estatéc' - r1p:hentomarse como criterios de rechazo.

-nsayo de microdureza revela que lamicroesu úctura del material ha cambiado paramuestras con señales entre ,20/2 y 1011, de formatal, que los valores observados se alejanm de losvalores normales exhibidos por el material dereferencia. .

tR FE NI CU ZN K eA TI1"1. '-'IL. ,,... 1... 111.le e IHU-l••• Mel.KEU 1'31 AI-l'KEU I

(a) Limite de MatrizFigura 2: (a) Muestra 20/2,5 (2S0x), (b) espectros por EDXS.

En la tabla N° 2 se correlacionan en formacualitativa los diferentes resultados encontrados alrealizar los ensayos destructivos y los no-destructivos descritos. De esta tabla se puedeconcluir que las muestras que presentan curvascaracterísticas entre A, B y C pueden continuar enservicio dado el poco daño presentado. Lasmuestras con curvas características entre D y E

Los ensayos de tracción demuestran laexistencia de una degradación microestructural, lacual se manifestó con la disminución de laductilidad al obtrener porcentajes de elongaciónmuy bajos. Las muestras más afectadas son lasque exhiben las curvas características D, E, F YG.

-Latinámerican Journal 01 Metallurgy and Materials. Vol 11. N° 1y 2, 1992

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol 11, N° 1y 2, 1992 59

Agradecimiento2. Strauss, B. M.- "Use Replications to EvaluateHigh Temperature Creep", HydrocarbonProcessing, 68, 77 (1989).

Los autores expresan su agradecimiento a laEmpres Lagoven, S. A., Amuay, por el apoyo,colaboración y financiamiento y al CDCH-U.C.V.,por financiar parte de los gastos del presentetrabajo del proyecto 09.009.91.

3. Hetzel, D. E.- "Intergranular Stress CorrosionCracking in Welded, Unstabilized AusteniticStainless, Metal Progress, 3, 73 (1984)

INCOLOY 800 - PigtailsEnsayo de Microdureza

3&O.-----------------------------------~300 I -- 00/0 -1 ?Ol? * ,¿j

j ::~~---~~--~-.~~~ -:~ .--- .--,;:::---~ ~--+--~8 ieo ~.~.

, 00 __ L .L- __ '----..-J __ --L __ ......L__ --L...__ ~ __ ..L__.J

o 0.5 1.5 2 2.5 3 a5 4 ~5 5esoesortrrvo)

T bl 1 E d t

Figura 3

a a . nsayos e raCCIOn.Probeta Esfuerzo Esfuerzo Elongación

Max. de ruptura (%)(MPa) (MPa)

Patron 512 512 49F 373 373 15G 442 442 17

Tabla 2: Correlación de las curvas características con las propiedades de los "pigtails" usadosCava Oabre CaI:uiz:OOl ~Ó1 ~retmlá1 MiaOOJleIa ~ Critab re!8VriJ

aJataí<;!im mgrm'rno <Jmax 0'02 O'r 8 CreimañzA 90/-80/2 BAJA BAJA BIEN ALTA BIEN BAJA BIEN BAJA ACEPTADO

B 90/0-50/2 BATA BATA BIEN ALTA BIEN BATA BIEN - ACEPTAOO

e 90/0-50/3 BATA BATA BIEN ALTA BATA BAJA BIEN - ACEPTADO

D 90/0-40/3 - - BAJA BIEN BAT A MUY BAJA ALTA - ACEPTADO

E 8012-40/3 - - BIEN ALTA BAJ A MUYBAJA ALTA - ACEPTAOO

F 75/2-10/5 ALTA ALTA BAJA ALTA BAJA MUYBAJA ALTA ALTA RECHAZADO

G 70/3-00/4 ALTA ALTA BAJA BIEN BAJA MUY BAJA MUY Al1A ALTA RECHAZADO

Referencias

1. KO\,Il,A. K., Castillo, R, Willett, K.- "CreepLife Predictions in Nickel based superalloy", Mat.Sci. and Eng. 66, 132 (1984).

LatinAmerican Journal o/ Metallurgy

4. Gorkunov, E. S., Petrov.. R.P., Kadrov,A.V., Krasilnikov, LN.- "An Automated SystemforMagnetic Measurements Based on a

and Materials, Vol 11., N° 1y 2, 1992

60 Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol 11, N° 1y 2, 1992

Microcomputer and CAMAC Apparatus",Defektoskopiya, N°8, 56 (1987).

5. Hochschild, R.- "Eddy Current Testing byImpedance Analysis", Nondestructive Testing, 12,(3), 35 (1954).

6. Davison, lH.- "Elements de Choix des Alliagesdevant Resister a la Corrosion a HauteTemperature", Corrosion des Materiaux a HauteTemperature,. Les Editions dePhysique, EcoleD'Hiver du C.N.R.S. (1986).

LatinAmerican Journal o/ Metallurgy and Materials, Vol 11, N° l y , 2, 1992