MECANISMOS DE DAÑO EN CALDERAS

MECANISMOS DE DAÑO

EN

CALDERAS

SOLICITADO POR:

ELABORADO POR: Proyecto “Preservación de la Integridad y control de la corrosión de GCB”.

Piedecuesta, 21 de mayo del 2004

VINCULADA AL MINISTERIO DE MINAS Y ENERGÍA

ICP INSTITUTO COLOMBIANO DEL PETRÓLEO

CENTRO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO

GUATIGUARA - PIEDECUESTA - SANTANDER

TELS. CONMUTADOR (976)445420 - FAX (976) 445444 - TELEX 77605

AÉREO 4185 - BUCARAMANGA – COLOMBIA

ANÁLISIS DE MECANISMOS DE DAÑOS

1. OBJETIVO

Evaluar los mecanismos de daño que sufren los materiales de los diferentes componentes de una caldera acuotubular industrial, junto con un monitoreo en línea de las variables operativas que hoy día realiza la Gerencia Complejo Barrancabermeja – GCB a sus calderas.

2. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA

La principal causa de paradas de emergencia o no programadas en las calderas industriales es por fallas en la tubería. La razón de las fallas se debe a la severidad del medio ambiente de la caldera por el uso de combustibles fósiles, en su mayoría, que junto con la acción combinada de Esfuerzos, Temperatura, Corrosión, Erosión y Vibración producen la degradación del material de los diferentes componentes de la caldera.

La fallas en las tuberías aproximadamente se presentan en:

40 % Tuberías de pared de agua.

30% Tuberías del sobrecalentador.

10 al 15% Tuberías del economizador y calentador de aire.

Otro factor importante que influye en las fallas de los componentes de una caldera se debe al factor humano. El cual puede presentarse en las etapas de diseño, fabricación, transporte, almacenamiento, construcción, operación y mantenimiento. Un material equivocado puede ser instalado en una zona critica, ocasionando una falla prematura del material.

La determinación del correcto mecanismo de daño de los componentes de la caldera es importante para prevenir fallas futuras y tomar acciones correctivas para aliviar o disminuir la causa raíz del fenómeno. Las acciones correctivas están encaminadas al monitoreo en campo de las variables criticas de la operación y de corrosión, las cuales conllevan al desarrollo de un programa de control optimo y de esta forma convivir con los daños y evitar perdidas económicas por las paradas de planta no programas.

3. ANTECEDENTES

La generación de vapor es un proceso fundamental en la industria de refinación y petroquímica, sus funciones van desde la utilización en la producción de energia hasta el suministro a los diferentes procesos operativos, por tal motivo ECOPETROL – ICP, desarrollo durante los años 1998, 1999 y 2000, ECOPETROL - ICP estudios de “Evaluación de Integridad y Vida Residual” a diferentes Calderas Industriales de la Gerencia Complejo Barrancabermeja – GCB, entre las cuales tenemos: Calderas Unidad de Balance (B2951 / 52 / 53 / 54 / 55), Calderas Distral Sur (B954 / 55 / 56), Calderas Central Norte (B2401 / 02 / 03 / 04 / 05), Calderas Foster Wheeler (B901 a / b / c) y Calderas Nuevas (B951 y B952), de las cuales se encontró criticidad de daño principalmente en las tuberías del hogar, supercalentador y economizador.

El conocimiento de los mecanismos de daño, tales como, Ruptura por Esfuerzo, Corrosión, Erosión – Abrasión, Fatiga y Deficiencias en control de calidad que presentan los materiales de las calderas, los cuales pueden actuar por si solos o conjuntamente con otros y en conjunto con los datos de monitoreo en red se debe llegar a la implementación de una estrategia de monitoreo y control optima. Esta implementación permitirá redundar en beneficios económicos y en una mayor confiabilidad operacional al permitir establecer un grado de protección seguro.

4. ESTADO DEL ARTE

El principio de un caldera es convertir agua en vapor por medio de aplicación de calor, bajo este principio las caldera se dividen en dos grandes grupos: Pirotubulares y Acuotubulares.

Las calderas acuotubulares son las industriales y consta básicamente de tambores y de tubos. Los tambores (tambor de lodos y vapor) se caracterizan por almacenar agua y vapor y se comunican con tubos que a través de los cuales circula agua. Los tubos que circula vapor salen del tambor de vapor y constituyen la tubería del supercalentador. La figura 1, detalla el esquema de una caldera acuotubular industrial donde se muestran todas sus partes.

En las calderas la principal causa de paradas no programadas o de emergencia es por fallas en la tubería; aproximadamente un 40% de todas las fallas ocurren en las tuberías de pared de agua, un 30% de las fallas ocurre en las tuberías del supercalentador. La Tubería del recalentador y del economizador fallan aproximadamente entre un 10 a un 15 %. La severidad del medio ambiente de calderas que usan combustibles fósiles en su mayoría, es la razón de las fallas y los efectos combinados de esfuerzo, temperatura, corrosión, erosión y vibración producen la degradación del material de los diferentes componentes de las calderas. La corrosión por oxidación, por productos de combustión, e impurezas en el agua de alimentación reducen significativamente el espesor de pared y producen fallas en los tubos años antes de cumplir su vida útil esperada ó de diseño.

El material de los diferentes componentes de la caldera al ser expuesto a elevadas temperaturas puede sufrir cambios microestucturales en los constituyentes del acero tales como esferoidización de la perlita en los aceros al carbono, grafitización en los aceros al carbono y al carbono - Molibdeno. Los aceros inoxidables austeniticos formarán precipitados de carburos o componentes intermetálicos como la fase sigma que es una combinación del Hierro y el Cromo. Los cambios microestructurales pueden ocurrir aún trabajando dentro de condiciones de diseño por largos tiempos de servicio, su formación se acelera cuando el material es utilizado a temperaturas de operación superiores a las condiciones de diseño.

Se ha determinado principalmente una clasificación amplia en cinco (5) clases de mecanismos de daño tal como se presenta en la Tabla 1.

Estos cinco mecanismo de daño primarios se han subdividido en veinte (20) mecanismos o formas básicas de daño que pueden actuar por si solos o conjuntamente con otros; cada uno de estos mecanismos es considerado como una forma primaria de ocurrencia de falla del componente. Los mecanismos de falla son procesos que degradan el componente pero que requieren de una circunstancia especial para que el daño se inicie. Por ejemplo, la calidad del combustible y mal funcionamiento de un equipo o su incorrecta operación son considerados como la causa raíz para que existan las condiciones de generación de un mecanismo de daño.

Para mayor detalle sobre las bases teóricas de los mecanismos de daño que afectan los materiales que conforman las caldera industriales, se encuentran consignados en al Anexo A.

Tabla 1. Mecanismos de Daño Primarios y Secundarios en Materiales de Calderas.

MECANISMOS DE DAÑO PRIMARIO MECANISMOS DE DAÑO SECUNDARIOS

RUPTURA POR ESFUERZO • Sobrecalentamiento:

- corto tiempo de exposición

- largo tiempo de exposición

• Termofluencia (Creep)

• Soldadura de metales disimiles (bimetalicas)

CORROSIÓN Lado Fuego

• Corrosión a baja temperatura

• Corrosión por cenizas de combustión

Lado Agua

• Corrosión Cáustica:

- Corrosión por Quelatos

• Corrosión Ácida:

- Daño por hidrogeno

• Corrosión bajo esfuerzos (SCC)

• Corrosión localizada (pitting)

EROSIÓN - ABRASIÓN • Erosión por flujo de cenizas:

- Erosión por deshollinado

• Erosión por caída de escoria

• Erosión por partículas de carbón

FATIGA • Fatiga térmica

• Corrosión - fatiga

• Vibración - fatiga

DEFICIENCIAS EN CONTROL DE CALIDAD • Daño en limpieza de mantenimiento

• Daño por lavado químico

• Defectos e inapropiada selección de material

• Defectos en uniones soldadas

La Tabla 2, presenta un resumen de los diferentes componentes de la caldera con los respectivos mecanismos de daño actuantes.

TRATAMIENTO DE AGUAS PARA CALDERAS.

El agua utilizada en calderas debe cumplir con requisitos mínimos específicos de calidad. El agua completamente pura y lista para alimentación de calderas no existe, por lo cual se hace necesario el uso de tratamientos previos que la hagan apta para su uso industrial. El fallo en los tratamientos acarrea una serie de problemas que generan consecuencias graves sobre los equipos.

Figura 1. Esquema de una Caldera Acuotubular Industrial.

Tabla 2. Mecanismos

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