Se ha demostrado que los carburos M3C como cementita Fe3C y otros son menos estables a la presencia de hidrógeno, que los carburos aleados del tipo M2C, M7C3, M23C6 y M6C.
En la figura Nº10 se muestra el rango de temperatura donde son estables los diferentes carburos.
Fig. Nº9 "Variación de propiedades mecánicas"
Fig.Nº10 "Rangos de temperatura para los carburos"
Fragilidad por hidrógeno.
Este mecanismo de daño se presenta a temperaturas menores de 450ºC siendo reversible y minimizable, por cuanto se puede reducir mediante ciclos de enfriamientos y calentamientos adecuados. Es un daño que a diferencia del ataque, reduce la tenacidad del acero a bajas temperaturas e impone restricciones en las etapas de partida y parada de los procesos.
En equipos de hidrogeneración que operan a 540ºC se produce la absorción de hidrógeno en el acero. Luego si son enfriados con una velocidad suficientemente lenta, inferior a 40ºC/hr y sin detenciones, entonces se produce la difusión del hidrógeno a la superficie, minimizando así la fragilidad.
En general, los ciclos de paradas (enfriamientos escalonados) permiten restaurar la ductilidad de los aceros eliminando el hidrógeno atrapado por difusión.
Los aceros y aleaciones con mayores resistencias mecánicas son más susceptibles a la fragilidad por hidrógeno, la martensita no revenida, los carburos laminares de Fe3C son entre otros los más susceptibles al agrietamiento por hidrógeno.
Luego, en aceros al carbono y aleados la dureza que condiciona la resistencia, se restringe a un máximo de 22 HRc cuando trabajan en ambientes hidrogenados.
Ampollamiento por hidrógeno.
Es un mecanismo que involucra el daño por hidrógeno en aceros no endurecidos y expuestos a temperaturas ambiente y cercana a ella. (menores de 450ºC) El hidrógeno atómico que penetra en el acero forma hidrógeno molecular y se concentra en zonas defectuosas como son concentraciones de inclusiones alargadas y límites de grano con inclusiones.
Los componentes de aceros expuestos a ambientes ácidos y corrosivos favorecen la concentración de hidrógeno hacia el interior del acero, luego al aumentar la presión interna se produce la fisura o ampollamiento en las zonas con mayores inhomogeneidades.
Detección del daño por hidrógeno.
La inspección y detección del daño por hidrógeno es más compleja que detectar fenómenos de oxidación y sulfidación. No existen evidencias visibles del ataque y los métodos END convencionales son limitados.
La descarburización se detecta midiendo la dureza superficial y con metalografía de réplica. Pero la profundidad del ataque, es decir, la descarburización interna y fisuramiento sólo pueden determinarse con metalografía y medición de dureza a través del espesor.
La técnica radiografíca es inaplicable para detectar las microfisuras y parece ser que la técnica del ultrasonido es la única apropiada por cuanto se han detectado atenuaciones crecientes del pulso ultrasónico en presencia de fisuras.
El metano atrapado puede detectarse y medirse después de fracturar una muestra en una cámara de vacío.
Un ensayo simple consiste en doblar y desdoblar a temperatura ambiente una muestra. La ductilidad normal de un acero de bajo carbono permite doblar la muestra plana en un ángulo de 180º sin fracturarse. En cambio las probetas con daño por hidrógeno se fracturan para ángulos menores a 180º.
Las curvas de Nelson son curvas basadas en información experimental e industrial que definen el límite confiable de operación en función de presión de hidrógeno y temperatura.
El conocimiento y uso adecuado de estas curvas permite determinar la magnitud del daño por hidrógeno. CAPITULO V
Consecuencias del deterioro o falla
ADELGAZAMIENTO.
La disminución del espesor de paredes en torres y hornos, especialmente en los tubos de los hornos, es critica, ya que la consecuencia más probable, si no es detectado a tiempo, es la rotura. El que un tubo se rompa se considera como una falla catastrófica y el horno deberá ser detenido de inmediato, ya que el crudo que circula por los serpentines es combustible y se produciría un incendio de gran envergadura.
Las causas del adelgazamiento son principalmente corrosión, oxidación y erosión.
La disminución del espesor de pared de los tubos debe buscarse de preferencia en los extremos de los tubos y en las caras expuestas directamente a las llamas.
También los mantos y casing sufren adelgazamiento, por el lado interior especialmente y deben detectarse con métodos de radiografía, inspección visual y ultrasonido.
CONSECUENCIAS DE LA TEMPERATURA.
La dinámica del funcionamiento de los hornos los obliga a estar sometidos a altas temperaturas, para así, lograr una adecuada destilación en las torres. De esta manera, las altas temperaturas de metales que alcanza el horno son necesarias para lograr calentar el crudo que posteriormente será destilado.
El problema es que si estas temperaturas escapan del control y son excesivas para la metalurgia del horno se produce una importante disminución en la vida útil de los metales afectados, especialmente en los tubos de los serpentines.
Otras consecuencias que se pueden observar son el pandeo o curvaturas, hundimientos, descascaramiento y ampollamiento, cambios metalúrgicos microestructurales, aceleración de la corrosión, etc.
Pero no tan solo las altas temperaturas afectan a los metales, sino también las bajas. Debajo de los 430ºF, ocurre la fragilización y el ampollamiento. Un ejemplo sería una tubería que contiene crudo de ácido mixto con la salmuera. La fragilización, causada por la infiltración de hidrógeno en el metal, reduce la ductilidad del metal y el esfuerzo tensor. Ya sea elevando o disminuyendo la temperatura, la tensión aumentará la solubilidad del hidrógeno.
Los resultados abrasadores de la infiltración del hidrógeno que normalmente crea un aumento de la presión de hidrógeno molecular que no puede dispersar en un metal, se concentran en las laminaciones, inclusiones, núcleos y forma granos en los límites. Tal concentración puede producir la deformación local y, la destrucción total de una pared del equipo.
Los aceros inoxidables austeníticos son esencialmente inmunes al daño de hidrógeno. Sin embargo, bajo el trabajo del frío severo, los austeníticos pueden transformarse en martensita y ponerse susceptibles al daño. Semejante condición puede descubrirse debido a que el acero está adquiriendo un alto grado de magnetismo.
DESPRENDIMIENTO Y CAÍDA.
Cuando se desprende parte de la aislación y mampostería de las paredes, la cubierta exterior del horno (casing) queda expuesta a mayores temperaturas, a golpes de llama y a la acción directa del azufre, oxigeno y vanadio presente en los humos. Esto hace que la vida útil del trozo de metal expuesto sea muy inferior a lo presupuestado debiendo detenerse el horno para remplazar la parte afectada.
Además este desprendimiento aumenta las pérdidas de calor al ambiente con el consecuente aumento en el consumo de combustible para calentar la misma carga de crudo.
El desprendimiento y caída de las bandejas en las torres provocadas por el flujo de vapor y liquido ascendente y descendente, más la corrosión acumulada por la condensación de agentes agresivos, tiene como resultado una disminución de la eficiencia del equipo y daños en las bandejas inferiores a la desprendida.
PERDIDA DE PROPIEDADES MECÁNICAS.
Este fenómeno es especialmente notorio en los tubos de los serpentines. El que un material pierda sus propiedades mecánicas significa que disminuyen los valores de resistencia a esfuerzos (de ruptura y fluencia) y disminuye la ductilidad del material debido principalmente a la carburización y al crecimiento de granos lo cual hace que el material se torne frágil. Esto significa que es más fácil que los tubos, por ejemplo, se rompan ante cambios bruscos de presión y/o temperaturas propios de la dinámica de operación del horno. La disminución de propiedades mecánicas se puede medir a través de ensayos mecánicos para calcular la resiliencia (capacidad para absorber energía en forma de impactos) del material, esfuerzos por unidad de área y deformación.
CAMBIOS FÍSICOS Y METALÚRGICOS.
Todos los metales y aleaciones están expuestos a sufrir cambios a elevadas temperaturas o por efecto de otro tipo de fallas. Estos cambios pueden ser clasificados en dos amplias categorías: cambios estructurales y cambios químicos. Metales y aleaciones están compuestos de uno o más tipos de pequeños cristales, a menudo llamados "granos." El cambio estructural se refiere a cualquier cambio que ocurre en el cristal o grano.
Cambios estructurales.
Crecimiento de granos:
En general, mientras más pequeño el tamaño del grano en un metal o aleación, el esfuerzo tensor es mayor y menor el esfuerzo de ruptura.
Por consiguiente, se producen mejores metales con un tamaño de grano adecuado bajo las condiciones de operación en que serán usados, y cualquier cambio en este tamaño es perjudicial.
Cuando los aceros ferríticos están calentados sobre una cierta temperatura (1350ºF para los aceros blandos), ocurre el crecimiento de grano y esto lleva a bajar en general el esfuerzo tensor. Por esta razón, cualquier equipo de aceros blandos que ha estado calentado sobre 1350ºF durante algún tiempo, por ejemplo, en un fuego, puede tener un tamaño de grano aumentado, el resultado será que la fuerza original de la parte pueda haber disminuido y el factor original de seguridad reducido.
Los aceros austeníticos y aceros de aleación de níquel-cromo sufren crecimientos de granos cuando es calentado sobre aproximadamente 1600ºF. La temperatura exacta requerida depende de la práctica industrial usada al hacer el acero, y puede ser ligeramente bajo o considerablemente superior que 1600ºF.
El efecto del tiempo y temperatura en el crecimiento de los granos es similar a los aceros ferríticos.
Grafitización:
Cierto aceros ferríticos, cuando operan por largos periodos de tiempo en el rango de 825ºF a 1400ºF, pueden sufrir cambios de tipo estructural llamados "Grafitización".
El carburo de cementita que dan los aceros ferríticos desestabiliza los esfuerzos internos, y en estos rangos de temperatura, puede descomponerse en cristales de hierro (la ferrita) y en nódulos de grafito (el carbono). Esta descomposición es conocida como la grafitización. Remplazando la dureza del carburo, con débiles grafitos y aceros suaves que bajan las fuerzas en los aceros.
Otros fenómenos que influyen en los cambios físicos o estructurales son por ejemplo, la "dureza", provocada cuando los aceros ferríticos se calientan sobre 1350ºF, comienza a formarse la austenita, solución de hierro y carbono. Al enfriarse lentamente, la austenita se transforma nuevamente en ferrita y cementita, pero si el acero es enfriado rápidamente, la martensita, en lugar de la ferrita y cementita, es creada. La martensita es extremadamente dura y es esta substancia la que provoca la dureza.
La "precipitación de carburos" es otro de los fenómenos que les ocurre a los aceros inoxidables austeníticos, se cree que es la precipitación de un carburo de cromo complejo que se aloja en los limites de granos. Esto tiene lugar cuando los aceros austeníticos son calentados en el rango de 750ºF a 1650ºF.
Cambios químicos metalúrgicos.
El cambio químico se refiere a un cambio en la composición química de un metal como opuesto a un cambio estrictamente estructural o cambio de fase.
No siempre puede disociarse los cambios químicos de los cambios estructurales porque los cambios de composición química pueden producir completamente nuevas estructuras, acompañados de cambios en las propiedades.
Sometido a las altas temperaturas, los elementos y compuestos químicos tienen poco o ningún efecto en los metales y aleaciones, pero a temperaturas atmosféricas pueden ponerse sumamente destructivos, produciendo agrietamientos severos, desintegración, fragilización o debilitamiento en los materiales.
La Carburización:
Se llama carburización a la difusión de carbono sólido en el acero elemental en contacto con un material carbonífero (como es el petróleo procesado) a altas temperaturas. El resultado de semejante aumento del carbono es la tendencia al endurecimiento de los aceros ferríticos, de esta forma, si un acero carburizado se enfría después de estar sometido un largo periodo de tiempo a las altas temperaturas, es probable que ocurra el endurecimiento del material y esto de cómo resultado una fisura.
La carburización depende de la proporción de difusión de carbono en un metal elemental y aumenta rápidamente con los aumentos de temperaturas. Algunos de los hidrocarburos saturados pueden acelerar este proceso. La carburización se encuentra a menudo donde está presente el coke, sin embargo, cuando en los tubos del horno se presenta el coke, aumenta la temperatura del metal. Por esta razón, es difícil determinar si la presencia del coke o las temperaturas altas del metal llevan a la carburización.
Los aceros austeníticos parecen ser más resistentes a la carburización.
Descarburización:
La descarburización puede definirse como la pérdida de carbono de la superficie de una aleación ferrosa como resultado de calentar el material en un medio que reacciona con el carbono. La descarburización es normalmente el resultado de la oxidación a altas temperaturas. Cuando el carbono está alejado de la superficie de un acero, la capa de esta superficie se convierte en hierro, que trae como resultado una considerable baja del esfuerzo tensor, dureza y esfuerzo de fatiga. La apariencia de la capa descarburizada normalmente no es tan seria a menos que el efecto de la fatiga esté presente. Sin embargo, su ocurrencia operando el equipo es evidencia de que el acero se ha sobre calentado, además de otros efectos que pueden estar presentes. La descarburización sólo puede encontrarse a través de exámenes metalúrgicos. Para los propósitos prácticos, la descarburización está limitada en el servicio de la refinería a los aceros ferríticos. CAPITULO VI
Mantención de los equipos
TÓPICOS GENERALES DE MANTENCIÓN.
En general el mantenimiento se presenta bajo tres situaciones:
Ejecución sin planeamiento y sin control (periodo de 1914 a 1930).
Ejecución con planeamiento y sin control (periodo de 1930 a 1950).
Ejecución con planeamiento y con control (de 1950 en adelante).
Estas situaciones evolutivas se caracterizan por la reducción de costos y aumento de fiabilidad y disponibilidad de los equipos.
Objetivos del mantenimiento.
El diseño e implementación de cualquier sistema organizativo y posterior informatización debe siempre tener presente que está al servicio de unos objetivos determinados. Cualquier sofisticación del sistema debe ser complementada con gran prudencia en evitar, precisamente, de que se enmascaren dichos objetivos o se dificulte su consecución.
En el caso del mantenimiento su organización debe estar encaminada a la permanente consecución de los siguientes objetivos:
Optimización de la disponibilidad del equipo productivo.
Disminución de los costos de mantenimiento.
Optimización de los recursos humanos.
Maximización de la vida útil de las máquinas.
MÉTODOS UTILIZADOS EN LA MANTENCIÓN DE LOS EQUIPOS.
Mantenimiento preventivo (MP) definido en Petrox S.A.
La mantención preventiva (MP) consiste en la planeación sistemática, programación y terminación a tiempo del trabajo de mantenimiento necesario que se diseña para garantizar la mayor disponibilidad del equipo e instalaciones, prolongar la vida útil de los activos de capital y reducir los costos. Este trabajo abarca inspección, limpieza, reemplazo y reparación (de fallas menores). Se programa por año (anual) para realizar en intervalos planeados regulares (periodicidad, frecuencia).
La MP es la inspección periódica de los equipos de la planta y sus fuentes de alimentación, para localizar los problemas potenciales y desarrollados previo a una falla declarada y de esta manera, ejecutar una mantención correctiva mientras el problema está en su fase menor. El objetivo de las inspecciones de mantenimiento preventivo es bajar los costos de operación y mantenimiento.
La MP es una mantención periódica basada en el tiempo de corrida, independiente de la condición del equipo. Normalmente se llevan registros históricos para obtener tendencias de desgaste, corrosión y otros.
Adicionalmente a la mantención predictiva, se efectuará mantención preventiva basada en las recomendaciones de los fabricantes, experiencias en equipos similares y de los resultados obtenidos en las mantenciones predictivas correspondientes a cada equipo.
Dentro de la mantención preventiva tenemos:
Análisis de fallas: Estudios de los antecedentes o historial, tendiente a determinar la(s) causa(s) con el fin de tomar las acciones correspondientes para evitar que se repitan.
Paro de planta:
Durante una detención programada de la planta se efectuará una inspección a los equipos que no puedan ser intervenidos con la planta en servicio, basándose en aspectos sintomáticos derivados de las mantenciones predictivas, antecedentes operacionales, recomendaciones del fabricante y requerimientos normativos regulatorios.
Mantención correctiva (MC) o a la falla definida en Petrox S.A.
El mantenimiento correctivo consiste en la reparación de la maquina una vez producida la falla.
Este tipo de mantenimiento es más fácil de implementar y el equipo no se interviene mientras está en funcionamiento.
La mantención correctiva no permite programar ni planificar las acciones. Las intervenciones consisten en remplazo del equipo o una reparación provisoria que de tiempo para poder planificar y programar adecuadamente una mantención eficaz con posterioridad.
Ante una falla inesperada, recomendación o sugerencia de intervención, se deben seguir los siguientes pasos:
Solicitud de trabajo:
Cualquier trabajo debe ser solicitado mediante una orden de trabajo a través del programa computacional "Máximo Serie 5" existente en la red, en forma clara y con la mayor información posible.
Planificación de trabajos:
El coordinador tendrá la responsabilidad de planificar y programar los trabajos solicitados. Las órdenes de trabajo (OT) serán incorporadas y transmitidas a las divisiones de mantención correspondiente mediante software, el que además contiene un archivo de fallas, permitiendo tener el historial del equipo.
Ejecución de los trabajos:
La OT será derivada a la división correspondiente de acuerdo a la criticidad de ésta, a la especialidad responsable y a la disponibilidad de personal.
Mantención predictiva (MPD) definida en Petrox S.A.
Es la extrapolación de las tendencias gráficas de las lecturas físicas medidas, contra un limite técnico conocido para detectar, analizar y corregir problemas en el equipo antes de la ocurrencia de fallas. El MPD puede requerir de la instalación permanente de equipo de monitoreo. Ciertamente involucra la toma de mediciones periódicas, como es el caso de la tensión, presión, desgaste, calor, etc.
El MPD debe cubrir el equipo cuya falla interrumpiría o detendría la producción, aumentaría los gastos, la contaminación y el control de la seguridad. También debería cubrir algunos equipos según criterios de operaciones y mantención.
El mantenimiento predictivo predice fallas y las previene en función de acciones periódicas, basadas en informaciones estadísticas y análisis de síntomas.
En la inspección predictiva se miden los valores de condiciones iniciales de fallas o valores de orígenes de fallas a través de sensores adecuados, con el equipo en funcionamiento y sin interrumpir el proceso. Estos valores se tratan matemáticamente, se analizan, prediciendo la ocurrencia de la anomalía y posibilitando la optimización de los tiempos de intervención del equipo.
El control predictivo ejecuta la mantención en el punto exacto en que se interfiere la confiabilidad del sistema, es decir, tal control determina el punto óptimo para efectuar y/o ejecutar la mantención preventiva en equipos en el cual la probabilidad de falla alcanza valores indeseables.
La determinación de este punto óptimo se puede hacer por análisis estadístico (análisis de falla, probabilidad de fallas, tasas de fallas) y/o análisis de síntomas (monitoreo).
Los objetivos específicos del mantenimiento predictivo son los siguientes:
Vigilancia de maquinas.
Diagnósticos de los problemas.
Pronósticos de vida.
Para determinar las condiciones de los equipos y sistemas de proceso, se utilizarán distintas técnicas de diagnósticos, aplicables a todos aquellos, cuyas acciones se deben realizar con equipos en servicio y estas son:
Inspección visual.
Medición de vibración.
Medición de la temperatura.
Medición de espesor.
Medición de eficiencia.
Termografía.
Detección de fugas.
Mantención proactiva (MPR).
Aplica tecnologías avanzadas para la investigación y corrección de fallas, con la finalidad de incrementar la vida útil de los equipos con la meta ideal de eliminar la mantención correctiva.
Tecnología de mantenimiento con la cual se ha mejorado las tecnologías de MP y MPD. Este MPR se enfoca hacia la reducción del mantenimiento total requerido y a la maximización de la vida útil de los equipos por medio de la eliminación sistemática de las fuentes de fallas, evita y detecta las anomalías que producen fallas.
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