Causas y soluciones para fallas de componentes de carretes dúctiles

Cuando un procesador químico o una refinería de petróleo realizan el largo y arduo proceso de especificar y supervisar la construcción de una planta procesadora o una refinería, el proceso es un poco como armar un rompecabezas de un millón de piezas. Cada tramo de tubería, cada válvula, cada brida y cada carrete tiene un trabajo específico que realizar (a menudo bajo temperaturas y presiones desafiantes) para que todas las demás partes puedan hacer su trabajo y la planta pueda funcionar según lo previsto.

De vez en cuando, las cosas salen mal. Ya sea que una falla sea menor, mayor o catastrófica, se realiza una investigación para determinar la causa. ¿Se instaló el elemento correcto? ¿Se instaló correctamente? Si es así, el siguiente orden del día es evaluar el artículo. ¿Por qué fracasó?

No se trata sólo de sustituir una pieza. Una falla catastrófica puede provocar lesiones o incluso la pérdida de vidas. Incluso en un caso en el que no se produjo ninguna lesión, la siguiente consideración es el tiempo de inactividad. Independientemente del tamaño de la planta o de la capacidad de producción, un sistema que se apaga para solucionar una falla no produce ni un centavo hasta que vuelve a estar en funcionamiento.

Algunos usuarios de aceros al carbono en la industria del petróleo y el gas de América del Norte han tenido que lidiar con fallas similares. Algunos componentes del carrete aprobados para su uso a temperaturas tan bajas como -20 grados F (-29 grados C) han fallado debido a una fractura frágil. A menudo, las fallas ocurrieron durante pruebas hidrostáticas, arranques en frío y, a veces, durante condiciones operativas alteradas. Independientemente de cuándo, la siguiente pregunta es siempre la misma: ¿Por qué?

La cuestión es entre ductilidad versus fragilidad. Ubicada a lo largo de un continuo único, la ductilidad se refiere a la capacidad de un material para deformarse bajo tensión de tracción (su capacidad para estirarse sin romperse), mientras que la fragilidad es su incapacidad para hacerlo. A medida que aumenta la ductilidad de un material, disminuye su probabilidad de resistir la fractura frágil.

Los componentes hechos de acero al carbono (cualquier material ferroso que tenga entre 0,29 y 0,54 por ciento de carbono y entre 0,60 y 1,65 por ciento de manganeso) son considerados por ASME VIII Div. Los códigos I y ASME B31.3 son inherentemente dúctiles y, por lo tanto, resistentes a la fractura frágil. Estas incluyen bridas A105N; Accesorios sin costura WPA, WPB y WPC de grados A234; Tubería A106N (todos los grados); y tubería sin costura A53. Sin embargo, se ha considerado que algunos componentes clasificados para servicio hasta -20 grados F (-29 grados C) no son adecuados para tales aplicaciones. Algunas bridas fabricadas con acero al carbono A105, que funcionan a menos de 300 libras por pulgada cuadrada (PSI), y algunas tuberías fabricadas con A106 grado B, de menos de ½ pulgada de espesor, se han evaluado con una prueba de resistencia al impacto con muesca en V Charpy y declarado no apto para el servicio a cualquier temperatura mínima de diseño del metal inferior a 68 grados F.

Las investigaciones de fallas realizadas por el Instituto Belga de Soldadura indicaron que algunas bridas presentaban un tamaño de grano grande. Investigaciones adicionales encontraron una variación microestructural significativa dentro de una brida específica, lo que indica no solo una falta de consistencia en la fabricación sino también un tratamiento térmico deficiente. Además, un análisis de falla realizado en una brida con cuello de soldadura A350LF2 reveló que una mala práctica de normalización fue un factor importante que contribuyó a la falla. Peor aún, los datos del informe de prueba enumerados en el certificado adjunto, EN 10204: 3.1.B, no coincidían con las características probadas de la brida.

En efecto, aunque estos componentes estaban dentro del rango especificado en cuanto a composición química y propiedades mecánicas y, por lo tanto, se consideraban dúctiles, eran susceptibles a la fractura frágil. Se sabe que provoca fallas repentinas y catastróficas, y la fractura frágil en los componentes del carrete de tubería recién adquiridos es un peligro potencial para la integridad, confiabilidad y seguridad del proceso del equipo.

La Autoridad de Seguridad de Alberta, la agencia que supervisa la seguridad de los equipos a presión en Alberta, Canadá, emitió un aviso en su boletín informativo IB16-018: “Esto puede ser una preocupación ya que las bridas hechas de material SA-105 comúnmente están exentas de las pruebas de impacto según ASME. Sección VIII, División 1, párrafos UG-20(f), UCS-66 o ASME B31.3 párrafo 323 para temperaturas de -29 °C (-20 °F) y superiores”.

En una publicación de blog titulada “Degradación y corrosión de materiales”, Charles Becht de Becht Engineering afirmó: “Todos los materiales ASME B31.3 Figura 323.2.2A Curva B se consideran potencialmente en riesgo, aunque el problema no se ha encontrado en tuberías fabricadas del material de la placa”.

Figura 1 La presencia o ausencia de boro tiene un efecto considerable sobre el tamaño del grano austenítico después del tratamiento térmico de tres aleaciones. La muestra A se aleó con boro protegido, la muestra B se aleó con boro sin protección y la muestra C no tenía boro. Estas imágenes aparecieron originalmente en Comisión Europea: Technical Steel Research, “Physical metalurgy and the new generic steel grades: Optimization of the influence of boro sobre las propiedades del acero” (Luxemburgo: Oficina de Publicaciones Oficiales de las Comunidades Europeas, 2007), pág. 20.

Las investigaciones revelaron que las frágiles grietas de escisión transgranular fueron causadas por dos mecanismos de falla: la química y las malas prácticas de tratamiento térmico (normalización). Ambas prácticas, probablemente originadas en los esfuerzos de reducción de costos de algunos fabricantes de acero, han llevado a la modificación de la química del acero y a grandes microestructuras ferríticas-perlíticas de grano grueso.

El elemento clave es el manganeso. El manganeso promueve tamaños de grano más finos, ya sea laminados o normalizados. A medida que disminuye el tamaño del grano (ya sea ferrita, bainita o perlita), aumenta el límite elástico y mejoran las propiedades de impacto. Un beneficio adicional es el mayor contenido de perlita.

En un intento por compensar el alto costo del ferromanganeso con bajo contenido de carbono requerido en el proceso de fabricación del acero, algunos productores de acero redujeron intencionalmente el contenido de manganeso para cumplir con el requisito de porcentaje mínimo absoluto especificado por ASTM.

Esto no es intrínsecamente malo, pero puede alterar el equilibrio entre manganeso y carbono. Si el manganeso se redujera al mínimo, la relación manganeso-carbono sería de 0,6 a 0,29, o 2,1 a 1; si estuvieran en sus máximos, la proporción sería de 1,65 a 0,54, o 3,1 a 1. Si ambos elementos estuvieran en el medio de los rangos permitidos, la proporción sería de 2,7 a 1. Al reducir el contenido de manganeso al porcentaje mínimo permitido, es posible (aunque poco probable) obtener una proporción de 1,65 por ciento de contenido de manganeso a 0,29 por ciento de contenido de carbono, o 1,1 a 1. Los problemas pueden comenzar cuando esta proporción es inferior a 5 a 1.

Cuando la relación es inferior a este umbral, se sabe que el material tiene malas propiedades de impacto a baja temperatura. Algunos de los aceros que fallaron tenían proporciones tan bajas como 1,8 a 1, lo que resultó en una tenacidad deficiente, lo que a su vez provocó fallas durante las pruebas hidrostáticas o alteraron las condiciones operativas.

La microaleación (la práctica de agregar elementos en pequeñas cantidades) se ha utilizado ampliamente en la fabricación de aceros con bajo contenido de carbono para aumentar la resistencia del acero, mientras que se han utilizado técnicas de refinamiento del tamaño de grano para aumentar la tenacidad al impacto. Los elementos añadidos a los aceros al carbono con fines de microaleación incluyen titanio, vanadio, niobio y boro. Un ejemplo es el ferroboro, un agente de aleación de bajo costo en comparación con las costosas mezclas de aleaciones patentadas; está diseñado para garantizar las resistencias requeridas y resultados consistentes en los aceros que se procesan.

Se ha descubierto que el boro, en forma soluble, es eficaz para fortalecer el acero, de manera uniforme y consistente, sólo cuando se equilibra con fuertes formadores de nitruro y carburo, como el titanio y el niobio. Esto es para evitar la formación de nitruro de boro o precipitados de Fe23(C, B)6.

Si bien se recomienda que el contenido de boro estándar sea de 0,0015 a 0,0030 por ciento, se sabe que el boro se segrega y forma áreas localizadas de altas concentraciones, lo que provoca una variación significativa en el tamaño del grano y, por extensión, propiedades de tenacidad de bajo impacto. Cuando el contenido de boro supera el 0,007 por ciento, se forma un eutéctico BC-Fe de bajo punto de fusión (Fe2B/Fe3C/Fe), lo que da como resultado aceros con poca tenacidad a temperatura ambiente.

El boro promueve la formación de bainita. Se sabe que las adiciones deliberadas de boro sin protección a varillas de acero al carbono laminadas comercialmente promueven la formación de un tamaño de grano de ferrita más grueso (ver Figura 1).

Se sabe que los aumentos de temperatura de austenitización provocan el engrosamiento del grano en los aceros al carbono tratados con boro. La cantidad de engrosamiento del grano depende de dos factores: el contenido total de boro del acero y la cantidad de boro presente en el acero después de que el nitrógeno libre haya sido atrapado como precipitado de nitruro de boro. Por lo tanto, el contenido de nitrógeno del acero controla la cantidad de formación de nitruro y, de hecho, el grado de fijación del grano, independientemente del nitruro de microaleación (titanio, niobio o aluminio) que se forme.

El titanio, el vanadio y el niobio son refinadores de granos y captadores agresivos de oxígeno, mientras que el vanadio, el niobio y el aluminio también funcionan como formadores de nitruros. Los precipitados de nitruros o carburos en la matriz pueden dar como resultado una microestructura fina de ferrita-perlita o pueden transformarse en bainita.

El inconveniente es la falta de investigación sobre los aceros al carbono. La microaleación con titanio, vanadio, niobio y boro es común en el procesamiento de aceros aleados y con bajo contenido de carbono con resultados confiables. Esta práctica parece haberse aplicado a los aceros al carbono para mejorar sus propiedades mecánicas, como exigen las normas ASTM y ASME, sin el estudio adecuado. La microaleación se ha llevado a cabo sin prácticas limpias de fabricación de acero (como la descarburación con oxígeno con argón o la descarburación con oxígeno al vacío) y sin probar adecuadamente el producto final.

En resumen, la microaleación de aceros al carbono requiere un equilibrio de materiales muy estrecho entre los formadores de nitruro y el boro y una ruta de procesamiento (tratamiento térmico) personalizada para esa formulación de microaleación.

En los aceros con bajo contenido de carbono (contenido de carbono inferior al 0,06 por ciento), el procesamiento termomecánico utiliza laminación controlada seguida de un enfriamiento acelerado para producir aceros microaleados resistentes y de alta resistencia. Durante la laminación controlada termomecánica, las propiedades mecánicas dependen de la deformación aplicada y de las temperaturas de bobinado. Se sabe que el boro aumenta significativamente la ventana de procesamiento termomecánico.

Según Walter J. Sperko, como se indica en el “Boletín técnico de la Oficina Nacional de Soldadura de Tuberías Certificada de mayo de 2016”, se sabe que el boro causa recristalización direccional en el plano de 100 cristales de 30 a 45 grados con respecto al eje de la tubería, lo que resulta en muy baja Dureza a 45 grados con respecto al eje de la tubería o accesorio. Esta es la dirección en la que se produce la carga de corte máxima para tuberías bajo presión y, debido a esta alineación de la orientación del cristal, las muestras de impacto axial o circunferencial no identificarán que el material tiene baja tenacidad.

Los aceros aleados normalmente se someten a un tratamiento térmico de austenización completo y revenido para desarrollar resistencias mecánicas. Por lo tanto, en el caso de las bridas fallidas, parece que en un intento de reducir los costos de fabricación, el calor del proceso generado durante la forja fue sustituido por el ciclo adicional requerido de calentamiento-templado-revenido.

Además, ANSI B16.5 no exige tratamiento térmico para bridas ASTM A105 por debajo de Clase 300.

Si bien se ha descubierto que la presencia de más del 0,05 por ciento de titanio en aceros con bajo contenido de carbono que contienen boro provoca un deterioro de la tenacidad, se sabe que las variaciones en el contenido de titanio y boro del metal de soldadura causan una amplia variación en la microestructura del metal de soldadura.

La norma SP0472 de la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión, Métodos y controles para prevenir el agrietamiento ambiental en servicio de soldaduras de acero al carbono en entornos corrosivos de refinación de petróleo, advierte que las soldaduras de materiales P1 (aceros al carbono) fabricadas con adiciones deliberadas de elementos de microaleación como el titanio , vanadio, niobio y boro pueden requerir precalentamiento adicional y temperaturas más altas de tratamiento térmico posterior a la soldadura para obtener la dureza requerida en la zona afectada por el calor. Sin embargo, el tratamiento térmico podría afectar negativamente a los valores de tenacidad.

Se deben evaluar todos los componentes del carrete de tubería de acero al carbono utilizados para transportar materiales peligrosos a temperaturas inferiores a 32 grados F. Esta evaluación incluye un estudio preliminar de aptitud para el servicio, que incluye identificación positiva del material, prueba de dureza y metalografía in situ para determinar si se puede volver a poner en servicio o si se debe reemplazar. Tenga en cuenta que la fluorescencia de rayos X no es adecuada para determinar el contenido de carbono y elementos ligeros como el boro, por lo que el PMI debe realizarse mediante un espectrómetro de emisión óptica.

Como acción preventiva para reducir el potencial futuro de fractura frágil en el acero al carbono, los fabricantes deben adquirir tuberías y accesorios de acero al carbono sometidos a pruebas de impacto únicamente de fuentes acreditadas. El material debe ir acompañado de un informe de prueba en fábrica certificado al menos según la especificación EN10204, 3.1B, que identifica su calor y número de lote, y el estándar del material (ASTM/ASME) según el cual se fabrica.

Una lección aprendida de las investigaciones realizadas por el Instituto Belga de Soldadura es que para abordar la posibilidad de una certificación de prueba falsa, el comprador debe insistir en la trazabilidad completa de la fabricación hasta el número de calor y los resultados de las pruebas de impacto de la acería original.

Los requisitos adicionales que se incorporarán al proceso de adquisición pueden incluir:

Naddir M. Patel, P. Eng., es ingeniero metalúrgico y de materiales de Sinclair Oil Corp., 100 Lincoln Ave., Sinclair, WY 82334, [email protected].

Referencias disponibles a pedido.