Avances en la evaluación del Ataque por Hidrógeno a Alta Temperatura (HTHA): Técnica Ultrasónica de Imágenes por Coherencia de Fase (PCI)

Introducción

El Ataque por Hidrógeno a Alta Temperatura (HTHA, por sus siglas en inglés) representa un riesgo significativo para los equipos industriales que operan en entornos con altos contenidos de hidrógeno, especialmente en sectores como la petroquímica y la refinación. Las técnicas de evaluación convencionales a menudo no logran detectar y caracterizar con precisión el daño por HTHA y son aplicadas en combinación para una mayor probabilidad de detección. Sin embargo, los avances recientes en tecnología ultrasónica, particularmente la técnica de Imágenes por Coherencia de Fase (PCI, por sus siglas en inglés), ofrecen soluciones prometedoras para mejorar la evaluación del HTHA.

¿Qué es el Ataque por Hidrógeno a Alta Temperatura (HTHA)?

El ataque por hidrógeno a elevadas temperaturas es un mecanismo de falla generado en materiales cuando son sometidos a elevadas presiones de hidrógeno y elevadas temperaturas (al menos 400 °F o 204 °C), resultando en la disociación térmica de la molécula de hidrógeno (H₂) en átomos de hidrógeno (H), sobre la superficie metálica y su posterior penetración al interior del mismo. Estos átomos reaccionan con el carbono disuelto formando gas metano CH₄ (g) provocando cambios microestructurales como la descarburización y la precipitación de carburos. Este mecanismo puede explicarse en tres etapas¹:

• Etapa 1: El metano atrapado en el metal en los límites de grano, imperfecciones en la estructura cristalina, inclusiones, u otras discontinuidades, forma una burbuja microscópica.
• Etapa 2: A medida que las burbujas comienzan a crecer, comienzan a fusionarse.
• Etapa 3: Finalmente, la formación de estas burbujas generan fisuras y grietas¹, comprometiendo la integridad de los equipos como: recipientes a presión, tuberías y reactores, causando fallas catastróficas si no se detectan a tiempo.

La acumulación de las burbujas crean microfisuras en los límites de los granos del acero; las cuales, reducen la resistencia del metal y causan la formación de grietas en el acero, como se puede apreciar en la figura 1.

Desafíos en la evaluación del HTHA

En sus etapas iniciales, el ataque por hidrógeno a alta temperatura (HTHA) generalmente se desarrolla como fisuras del tamaño de una micra en el material de un componente bajo ciertas condiciones como: La presencia de moléculas de hidrógeno del producto petroquímico con una presión parcial en la mezcla, la elevada temperatura de producción y el tipo de aleación o edad del componente.

Las primeras etapas de HTHA presentan un desafío para los inspectores que utilizan técnicas de pruebas ultrasónicas (UT) convencionales, ya que las indicaciones relacionadas con el metano suelen ser más pequeñas que las longitudes de onda ultrasónicas empleadas. Es difícil distinguir entre HTHA, tamaños de grano, inclusiones, variaciones de superficie o geometría inusuales; Una serie de anomalías a menudo pueden conducir a resultados falsos positivos de un ataque².

Si bien la detección a tiempo de HTHA es esencial para el funcionamiento seguro de los activos petroquímicos, la industria ha estado buscando formas efectivas y confiables de distinguir las indicaciones de discontinuidades de fabricación como microlaminaciones, inclusiones o porosidades.

Prácticas como API RP 941 mencionan el uso de tecnologías ultrasónicas, incluida la Difracción de Tiempo de Vuelo (TOFD), Ultrasonido por Arreglo de Fases (PAUT), Método de Focalización Total (TFM), Técnica Avanzada de Ultrasonido por Retrodispesión (AUBT), entre otros, para detectar posibles daños por HTHA y evaluar su estado; sin embargo, se recomienda el uso de estas tecnologías de manera combinada para obtener resultados confiables, ya que aunque cada una tiene sus propias fortalezas también presentan sus limitaciones.

Imágenes por Coherencia de Fase (PCI): Descripción general

Imágenes de Coherencia de Fase, o PCI, es una técnica de prueba ultrasónica relativamente nueva que complementa el TFM y aborda algunas de sus limitaciones. PCI se basa en el concepto de preservar y utilizar la información de fase de las señales ultrasónicas recibidas. Al hacerlo, puede proporcionar información valiosa sobre la estructura que se inspecciona.

Las señales de las ondas recibidas (cada una definiendo un A-Scan) están en fase cuando tienen la misma frecuencia, y la diferencia de fase entre ambas es constante.

De esta forma, el procesamiento de las señales recibidas mediante PCI se basa de forma exclusiva en la información de fase que llevan los A-scans elementales utilizados para generar una representación TFM y es independiente de la amplitud de las indicaciones A-Scan, (figura 2).

Las fuentes omnidireccionales, como las porosidades, las difracciones de punta y la escoria, tienden a mostrar una alta intensidad en la definición de la indicación PCI, ya que muchos pares de emisor-receptor de la Captura de Matriz Completa (FMC) las ven aproximadamente con la misma fase. Los reflectores cuya fase tiene una fuerte dependencia direccional, como la superficie frontal, la pared posterior, delaminaciones, falta de fusión (LOF), etc., producen PCI de bajo valor. PCI facilita la detección de señales difractadas en la punta de la grieta para un mejor dimensionamiento, así como las generadas por fenómenos de agrietamiento como el HTHA².

Detección de HTHA mediante PCI

PCI se ha desarrollado e implementado en detectores de fallas portátiles para ayudar a detectar discontinuidades que generan señales difractadas en lugar de reflejos en pruebas ultrasónicas utilizando y aprovechando la información provista por FMC/TFM¹, con lo que puede diferenciar las indicaciones coherentes correspondientes a ataque por hidrógeno a alta temperatura (HTHA) netamente de difracción de aquellas incoherentes provenientes de discontinuidades especulares como porosidades e inclusiones.

TFM es requerido previamente para detectar patrones de posibles indicaciones de ataque por hidrógeno a alta temperatura (screening) la cuales son posteriormente descartadas o confirmadas con PCI. A pesar de ser dos técnicas combinadas, PCI tiene la ventaja de que es una adición que complementa y se integra al TFM aprovechando la información de esta última, por lo que no se requiere de dos ensayos diferentes.

En el caso de porosidades e inclusiones, a pesar de que también producen difracciones, la diferencia radica en que este tipo de fallas también generan reflexiones especulares, que al evaluarlas a través de PCI, se notará que muchas de estas desaparecerán de la pantalla delatándolas como volumétricas.

Otra técnica que ayuda a una mejor eficiencia y sensibilidad en la evaluación del HTHA es la obtención de imágenes PCI a partir de Imágenes de Ondas Planas (PWI); dichas imágenes representan un escaneo sectorial que utiliza la apertura total de la matriz, en vez de escanear todo el elemento a la vez, combinada con la reconstrucción TFM. La ventaja es una ganancia en productividad y más sensibilidad con una relación señal/ruido incrementada, facilitando esta última a una mejor definición de las indicaciones PCI, (figura 3).

Ventajas del PCI en la detección de HTHA

• Imágenes 2D en vivo utilizando información de fase de señal: Esto permite identificar defectos mal orientados o muy pequeños, como el ataque por hidrógeno a alta temperatura (HTHA).

• Imposibilidad de saturación de la señal: Esto no es un problema para el PCI, ya que se basa en la coherencia y no de la amplitud de las señales.

• No requiere manipular la ganancia: En esta técnica, no es necesario ajustar la ganancia a un reflector conocido (el control de ganancia es bloqueado en el instrumento).

• Detección en materiales ruidosos o atenuantes: Esto permite detectar microgrietas tal como HTHA en microestructuras austeníticas y mejor aún si se combina con PWI.

• Resultados más consistentes y dimensionamiento más sencillo: Los resultados son repetibles entre inspecciones sucesivas, lo que lo hace ideal para el seguimiento de grietas gestadas y detectadas durante el servicio y aplicar metodologías como Fitness For Service.

• Análisis cuantitativo: PCI puede cuantificar el alcance y la gravedad del daño por HTHA, permitiendo una evaluación precisa del riesgo y estrategias de gestión de la integridad.

A continuación se presenta un video informativo sobre la coherencia de fase vs TFM vs PAUT en la detección de Ataque por Hidrógeno a Alta Temperatura (HTHA). Cortesía de: Shane Walton-University of Ultrasonics.

Conclusión

La técnica ultrasónica de Imágenes Coherentes de Fase (PCI) representa un avance significativo en la evaluación del Ataque por Hidrógeno a Alta Temperatura (HTHA), proporcionando resultados de imágenes con una alta resolución, a través de Pruebas No Destructivas, facilitando la detección, caracterización y monitoreo preciso de los daños en equipos industriales bajo condiciones extremas.

A medida que los esfuerzos de investigación y desarrollo avanzan en la innovación de las técnicas de inspección, se garantiza la seguridad, confiabilidad y eficiencia de las industrias relacionadas con procesos que involucran el transporte de hidrógeno y en las que puedan surgir fenómenos por corrosión a alta temperatura.

Referencias

1. FLORIN TURCU. Reducing False Calls in HTHA Inspection through Phase; Consultado en fecha 06 de Febrero de 2024. https://www.ndt.net/article/ecndt2023/presentation/ECNDT2023_PRESENTATION_330.pdf
2. FRÉDÉRIC REVERDY. Keep Your Cool with High Temperature Hydrogen Attack (HTHA) Cracking Assessments; Consultado en fecha 07 de Marzo de 2024. https://blog.eddyfi.com/en/keep-your-cool-with-high-temperature-hydrogen-attack-htha-cracking-assessments