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UNEXPO. Gil, Rodrguez. Anlisis de falla a codo de tubo radiante
del recalentador de gas reformado de una planta
de reduccin directa.
X Jornadas de Investigacin 2012
338
Resumen Los Codos de los tubos radiantes transportadores de
gas reformado del Recalentador No.2 de una Planta de
Briquetas,
presentaron una falla tipo catastrfica, que amerit su sustitucin
y la
realizacin de este estudio. La rotura de los codos consisti en
la
perdida de material por dao tipo picadura en la zona expuesta
a
mayor temperatura. Siguiendo la metodologa de anlisis de falla
se
dio respuesta a las causas que originaron la falla. Las
fotomicrografas por MEB evidenciaron ataque localizado en
ciertas
fases con prdida de material y con la consiguiente formacin
de
cavidades. Los resultados de EDX realizados a los productos
de
corrosin sealaron que el proceso corrosivo est asociado a
una
presencia significativa de carbono. La evidencia seala 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 estn diseados 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
xido de hierro en el reactor. En la zona 1, existe la mayor
capacidad de calentar el gas, la temperatura aumenta de 480C
a 730C, en la zona 2, la temperatura es aumentada de 730C a
970C. Estas zonas estn 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 til de operaciones de 8 a 10
aos en servicio. El material de los tubos fu HiSi HP-AA, sin
embargo los codos instalados son de un material HP-Nb Micro
ALLOYED, ASTM A297. A los cinco aos de operacin, en
el Recalentador No.2, present una falla del tipo catastrfica
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 intervencin, disminuyendo as la produccin
de briquetas en la Planta.
La falla del codo del recalentador, el cual se encuentra
ubicado en la zona expuesta a mayor temperatura, consisti en
la perdida de material por dao localizado tipo picadura
perforante en la curvatura interna del mismo. Cada vez que
un
reformador o un recalentador presentan una falla tipo
catastrfica, 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
disminucin de la capacidad de produccin de briquetas
El Metal Dusting o carburizacin es un mecanismo de falla,
que consiste en la desintegracin del hierro, los aceros de
baja
y alta aleacin y las aleaciones base Ni y Cr, en polvo de
grafito y partculas finas metlicas o de xidos causadas por
la
formacin de carburos y carbono en la superficie de estos en
una atmsfera 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 carbn (ac)
>1.[1]
Para este anlisis de falla, se seleccionaron las muestras
del
codo del tubo radiante nmero 18 y se utiliz los
procedimientos y metodologa del anlisis de falla, entre las
cuales se tienen: Ensayos de Metalografa, Microscopia
Electrnica de Barrido con Microanlisis, pruebas de Dureza,
Anlisis Qumico y Difraccin de Rayos X a los productos de
corrosin.
II. DESARROLLO
A. Mtodos y Materiales
a.1. Condiciones de diseo y operaciones.
Se realiz revisin de manuales de operacin y de
mantenimiento con la finalidad de conocer el diseo,
funcionamiento y pautas de mantenimiento del recalentador de
gas reformado a fin de determinar la data tcnica del
recalentador.
a.2. Inspeccin Visual en Campo.
Se realiz inspeccin visual de todos los tubos y codos
asociados del Recalentador No.2 de un total de 24 tubos.
Esta
inspeccin consisti en visualizar el estado de los codo de la
tubera, con la finalidad de detectar, registrar, medir, y
evaluar
anomalas que pudieran poner en peligro la integridad fsica
del equipo, tales como: socavaciones, picaduras, daos
mecnicos, corrosin externa, erosin.
Durante la inspeccin se procede a la inyeccin de gas
inerte para as poder detectar las fugas en tuberas una vez
que
el equipo est fuera de operaciones. Mediante este mtodo se
encuentra que el codo de la zona 2 del tubo radiante nmero
18 presenta una fuga por perforacin tipo picadura en el
radio
interno del mismo.
a.3. Seleccin de Muestras.
Una vez realizada inspeccin visual y determinado el
nmero y posicin del codo fallado se procedi a la seleccin
de muestras como se indica en la tabla N.1
ANLISIS DE LA FALLA DE UN CODO DE TUBO RADIANTE DEL
RECALENTADOR DE GAS REFORMADO DE UNA PLANTA DE
REDUCCIN DIRECTA.
Gil Linda, Rodrguez Ottmar
[email protected], [email protected]
CECOB UNEXPO.
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TABLA 1
Seleccin de muestras Descripcin Inspeccin
Muestra A
Zona del radio interno del codo, se
observa superficie lisa a pesar del
uso y flujo de gases. Presenta poco
ataque por corrosin.
Muestra B
Sector del codo cerca de la
picadura con moderado ataque
por picadura.
Muestra C
Sector del codo con picadura
extrema. Dimetro de perforacin
promedio de 15 mm en pared de
tubo externa y promedio de
picadura en pared de tubo interna
de 45 mm.
a.4. Anlisis fsico-qumico.
Para el anlisis qumico se utiliz la tcnica de emisin
ptica, que consiste en una chispa de alta energa generada a
travs del espacio llenado con argn, entre un electrodo y la
muestra de material que se va a analizar [2].
El procedimiento aplicado se realiz bajo las normas
COVENIN 2894-92, 2796-91, 2798-91.
Se determin la dureza usando un durmetro de banco
Wolpert, aplicando una carga de 100 Kg para medir la Dureza
ROCKELL B (HRB).
a.5. Evaluacin Microestructural
5.1. Caracterizacin Microestructural
A las muestras seleccionadas, cerca y lejos de falla, se les
prepar metalogrficamente hasta obtener una superficie
especular y se atacaron qumicamente con Kalling, para
obtener una mejor definicin de las fases presentes. Se
realiz
registro fotomicrografas a diferentes aumentos con un
microscopio ptico modelo Nikkon y acoplado a un analizador
de Imgenes, LECO IA 32. Igualmente se les determin el
nivel de inclusiones acorde a norma ASTM E-45.
5.2. Microscopa Electrnica de Barrido (MEB) y
microanlisis
Este tipo de anlisis cualitativo, se utiliz para determinar
productos de corrosin de metales, cuando los rayos X inciden
sobre una sustancia cristalina. El ensayo se realiz con un
difractmetro PHILLIPS, PW3710.
B. Resultados
1. b Condiciones de diseo y operaciones.
En la tabla N.2 se muestra los resultados de la revisin de
la data tcnica del recalentador de gas reformado.
TABLA 2.
Data Tcnica del Recalentador
Temp. de
flujo
(C)
Presin de
flujo
(Kg/cm 2)
Fluido
Ao de
Instalacin
de tubos y
codos
radiantes
Dureza HRB
Tpica
Especif. del
Codo
430 870 2,5 Gas
Reformado 2004 87
HP-Nb
25Cr35NiNb
Micro
ALLOYED.
Composicin del gas: 71,3 % H2; 5,1 % CO2; 2,9 % CH4; 20,7 %
CO.
Tiempo en servicio de tuberas radiantes: 5 aos hasta aparecer la
falla
Inyeccin de H2S: entre 15 -17 ppm
En la figura 1 se muestra un histograma, de los valores de
la
composicin del gas reformado, considerando el ltimo mes
de operacin antes de la falla catastrfica, obtenidos por
control de calidad , as 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 determinacin de la actividad del carbono en esas fechas,
cuyo valor depende de la composicin, la presin y la
temperatura del gas.
Este resultados se obtiene utilizando el programa de
clculo Actividad de C para CO y CH4 para deposicin de C
y formacin 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
caractersticas que favorecen la presencia del metal Dustin
de
acuerdo a la bibliografa [3,4,5]
2. b. Inspeccin Visual en Campo.
En la figura 2 se observa un aspecto macroscpico del codo
nmero 18 fallado donde se observa el corte longitudinal
realizado para revisin interna del mismo as como se seala
en la figura la presencia de una perforacin 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 depsito o polvillo negro adherido a la
superficie a lo largo de toda el rea interna del codo. La
bibliografa seala que la presencia de este polvo negro como
carbn graftico evidencia caracterstica de Metal Dusting en
estos sistemas de reformacin de gases, [3,4,6]
Se observa en la superficie externa del codo que la
picadura perforada con un dimetro externo promedio de 15
mm (ver figura 4),
En la figura 5, se muestra la inspeccin visual de la
superficie interna del codo pero en su radio externo, donde
se
observa la presencia de daos por desgaste o socavamiento y
picaduras sin perforaciones as como abundante presencia de
polvo negro. La morfologa 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 direccin del flujo
de gas, originando una situacin de desgaste por erosin
agravando la falla del codo.
Fig. 3. Seccin longitudinal del codo con la picadura,
vista interna.
Fig. 4. Seccin longitudinal del codo con la picadura.
Fig. 5. Seccin 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 caracterizacin microestructural. En la
muestra A (figura 3), correspondiente a la seccin lejos de
falla, y sin dao por picadura. Solo con presencia de polvo
negro. En la muestra B (figura 3), correspondiente a la
seccin
cerca de falla, con poco dao por picadura y con presencia de
polvo negro. En la muestra C (figura 3), correspondiente a
la
seccin de falla, con atraque considerable en toda su seccin
por picadura, presencia de desgaste y con presencia de
polvillo negro.
2. c. Anlisis fsico-qumico.
En la tabla 2 se muestran los resultados de los anlisis
qumicos, los cuales indican una correspondencia con las
especificaciones de un acero ASTM A 297 Grado HP Nb.
TABLA 2. Anlisis Qumico.
A fin de establecer si el dao por corrosin ocasiona
deterioro en las propiedades mecnicas del material se
determin la dureza por macroidentacin, obtenindose los
resultados indicados en la tabla N. 3.
TABLA N. 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 tcnicas y no se ve
afectada por las condiciones de trabajo.
2. c. Evaluacin Microestructural
a. Caracterizacin 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 Fotomicrografa de la muestra
A lejos de falla, la microestructura corresponde a una
matriz
austentica con presencia de posibles Carburos
interdendrticos.
Fig. 6.- Fotomicrografa de Fases presentes (100X), se
observa una matriz austentica y formacin de posibles
Carburos interdendrticos.
Muestra B cerca de falla
En la figura 7 se observa la Fotomicrografa de la muestra
B cerca de falla las fases presentes a (1000X) una matriz
austentica y formacin de posibles Carburos interdendrticos.
Fig. 7.- Fotomicrografa de Fases presentes (1000X), se
observa una matriz austentica y formacin de posibles
Carburos interdendrticos.
Muestra C en falla
En la figura 8 se observa la Fotomicrografa de la muestra
C en falla las fases presentes a (1000X) una matriz
austentica
y formacin de posibles Carburos interdendrticos.
Fig. 8.- Fotomicrografa de Fases presentes (1000X), se
observa una matriz austentica y formacin de posibles
Carburos interdendrticos.
De las evidencias se extrae: que las muestras analizadas
luego de estar en uso, corresponde a la microestructura
caracterstica de un acero Hp modificado con Nb, el cual
presenta una matriz austentica (solucin slida de Fe-Cr-Ni)
con carburos primarios ricos en Cr en los bordes de grano
(color gris oscuro), pueden tambin 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. Microscopa electrnica de barrido (MEB) y
microanlisis por energa dispersiva (EDX).
Muestra b cerca de falla.
En la figura 9, se muestran la Fotomicrografa por MEB en
modo de electrones retrodispersados (ERD) con microanlisis
general respectivamente, en ella se muestra la matriz
austentica con presencia de carburos interdendrticos.
Fig. 9- Fotomicrografa por MEB (BDS) a 100X con
microanlisis de matriz en muestra cerca de falla, anlisis
general
Fig. 10.- Fotomicrografa por MEB con microanlisis
cerca de falla
La fig. 10, muestra la Fotomicrografas por MEB de zonas
de posibles carburos, tal como lo muestran los microanlisis
de EDX , existen carburos ricos en cromo( oscuros) y los
ricos
en Nb (claros). Esto concuerda con la bibliografa [7], que
afirma que pequeas adiciones de Nb a las aleaciones
resistentes a altas temperaturas pueden incrementar su
resistencia al choque trmico, adems el Nb acta como
estabilizador de carburos por la formacin de carburos tipo
MC, lo cual evita la precipitacin de carburos masivos (de Cr
en nuestro caso) en los bordes de grano, que fragilizan la
aleacin y disminuyen su resistencia al agrietamiento por
creep.
Muestra C en falla seccin 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
formacin de partculas con tendencia a desprenderse y
formaciones de pequeas cavidades. Los resultados sealan
una presencia significativa de carbono y oxigeno.
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Fig. 11.- Fotomicrografa por MEB en modo de electrones
retrodispersados (BSE) con microanlisis a seccin frontal
en falla
La figura 12, muestra una micrografa por MEB, en ella se
observa la presencia de grietas, la formacin de partculas
con
tendencia a desprenderse y formaciones de pequeas
cavidades. Ntese la presencia de la morfologa caracterstica
del grafito en forma de racimos, lo cual tpico del mecanismo
de metal dusting. [3, 4, 6]
Fig. 12.- Detalle de la anterior.
Muestra c en falla seccin transversal.
La figura 13 presenta la fotomicrografa de MEB con
microanlisis para los puntos sealados de la muestra de la
seccin transversal con falla.
Figura No. 13- Fotomicrografa por MEB con
microanlisis de seccin 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 fotomicrografa de MEB en
modo de electrones secundarios (ES) de la muestra de la
seccin transversal en la cual se presenta el mayor
deterioro,
se observa la presencia de varias zonas, posibles carburos.
Figura 15.- Fotomicrografa por MEB con microanlisis
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
lmites de grano, la formacin de estos carburos ocasionan un
empobrecimiento de Cr de la matriz, fenmeno conocido
como sensibilizacin, lo cual trae como consecuencia la
generacin de una micro pila galvnica entre la matriz y la
interfase con los carburos, originndose una corrosin
microgalvnica preferencialmente por las zonas de la matriz
cercana a los lmites de grano, [8].
La morfologa del dao observado en las secciones
transversales, se ajusta a los encontrado en la bibliografa
para
aleaciones 35Ni25Cr-Nb, con Silicio como elemento aleante
[8].
La resistencia a la carburizacin de estas aleaciones se basa
en la capacidad de formar una capa superficial de xido de
cromo y una capa inerte de xido 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 migracin de Cr producto de la
descomposicin 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
corrosin, de las muestras evaluadas se encontr Si y Cr en
cantidades considerables, lo cual sugiere que el mecanismo
proteccin fue la presencia de estas capas protectoras [8].
Investigaciones recientes sobre materiales resistentes al
Metal Dusting confirman que un mnimo de 28% de Cr es
requerido para formar una estable y continua capa que
proteja
el metal de carburizacin y metal dusting. Esto puede
explicar
que en nuestro caso, en el acero de fabricacin Hp mod. Nb,
los porcentajes de Cr, obtenidos experimentalmente estn
alrededor de este valor.
La presencia de zonas con una alta precipitacin de
carburos secundarios se explica en funcin de que una vez,
perdida la capacidad protectora de las capas antes
mencionadas el gas entra en contacto directo con el aleacin
de fabricacin, dado las condiciones de trabajo en cuanto a
temperatura y composicin de gases, se produce el fenmeno
de metal dusting en el cual el CO se descompone formando C
disuelto el cual difunde a travs de la matriz para formar
carburos. En la aleacin en estudio los elementos Cr, Ni y
Nb,
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343
que tienen una mayor tendencia a formar carburos, estn
presentes en porcentajes considerables lo cual produce la
formacin de carburos complejos de estos elementos (carburos
secundarios). Esto propicia el inicio de un proceso de
corrosin micro galvnica 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.- Difraccin de Rayos X a los Productos de Corrosin.
Los resultados obtenidos del ensayo de Difraccin de Rayos
X se sealan en figura 16. Se realizaron a una muestra del
depsito, extrado de la zona de picadura en el codo de tubo
radiante No.18.
MUESTRA: DEPSITO EN CODO
FASE PRINCIPAL:
Fe2O3: (Magnetita sinttica) 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
corrosin son xidos, Es importante sealar la presencia de
sulfato de hierro obtenidos de las muestras superficiales de
los
productos de corrosin por la presencia del H2S en el flujo
de
gases, sin embargo no se encontr evidencia de azufre en las
capas del acero.
Fig. 16. Difractgrama correspondiente a depsito
ubicado sobre el codo.
III. CONCLUSIONES
1.- La evidencia seala 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 inyeccin de H2S y una variacin
de parmetros operativos debido a constantes paradas del
equipo.
2.- La caracterizacin fisico-qumica del material
corresponde con la de una aleacin ASTM A 297 HP Nb, la
cual no tiene variacin a pesar del uso presentado.
3.- Los principales componentes de los productos de
corrosin son xidos de Hierro y Cromo. Dentro de los
productos de corrosin obtenidos se presenta el sulfato de
hierro, debido a la presencia en el gas del H2S.
5.-. La microestructura de la aleacin evaluada luego de
estar en uso, corresponde a una matriz austentica con
presencia de carburos interdendrticos de acuerdo a lo que
corresponde a la aleacin.
6.- En las muestras lejos de falla, cerca de falla, y en falla
se
presencia la formacin de carburos mientras que en la zona
fallada adems se encuentra como producto de corrosin la
presencia xidos
7.- Se evidencia el fenmeno conocido como
sensibilizacin, as como la corrosin microgalvnica
preferencialmente por las zonas de la matriz cercana a los
lmites de grano.
8.- Dentro de los productos de corrosin se presenta el
sulfato de hierro, el cual no es fuente en el mecanismo, ya
que
no se evidencia en capas superficiales de la aleacin
fallada.
IV. RECOMENDACIONES
1.- Controlar la adicin de H2S en concentraciones que
permitan la inhibicin del mecanismo del Metal Dusting.
2.- Realizar un estudio que permita automatizar la medicin
de H2S.
3.- Estudiar la elaboracin 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
ms acorde al proceso, tomando en cuenta que el material del
codo es el que se presenta daado y no as 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 Anlisis 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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X Jornadas de Investigacin 2012
344
[7] Grabke, H. J., Mller-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 ironnickelchromium 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
