Tubos de reformadores con vapor: La confiabilidad de la integridad mediante la aplicación de Ensayos No Destructivos combinados

Introducción

Los tubos de reformadores con vapor utilizados en las industrias de refinación, petroquímica y fertilizantes se fabrican mediante el proceso de fundición centrífuga de aleaciones austeníticas resistentes al calor, tales como el HK-40, HP-40 y HP-materiales modificados con Niobio.

Estos tubos son propensos a diversos mecanismos de degradación como el de la fluencia o creep, la vida útil de estos tubos depende en gran medida de la operación y el mantenimiento. Además, como estos tubos funcionan en condiciones severas, la determinación de la capacidad de servicio de estos tubos más allá de su vida útil de diseño de 100.000 horas de funcionamiento es de vital importancia.

En este contexto, los Ensayos No Destructivos (END) desempeñan un papel fundamental en la detección de estas fallas. En este artículo, exploraremos el poder de combinar simultáneamente diferentes técnicas de END en la inspección de tubos de reformadores con vapor, centrándonos en los ensayos combinados de corrientes inducidas para evaluar la permeabilidad, ultrasonido para evaluar la atenuación y medición de espesores, y la evaluación diametral.

Conjunto de ensayos que aplicados simultáneamente y de forma automatizada se le conoce como sistema H-Scan, y el sistema de inspección de tubos ópticos láser (LOTIS) que combinado con un arreglo de sondas de diseño  especial de corrientes inducidas se conoce como sistema Leo-Scan (Marca registrada Foerster).

Dos enfoques deben tenerse en cuenta para la inspección de los tubos de reformadores con vapor mediante Ensayos No Destructivos combinados, el primero referido a la detección de fallas gestadas o en proceso de gestación, y la segunda referida al monitoreo del comportamiento del material a lo largo del servicio, este segundo enfoque requiriendo de técnicas altamente repetibles a efectos de comparar los resultados a lo largo del tiempo y que servirán de base para estimar la vida útil de los tubos.

Mecanismos de daños en tubos de reformadores con vapor

Un reformador de vapor consiste de un lecho catalizador del reformado en comunicación térmica con una fuente de combustión de manera que el calor de la cámara de combustión se transfiere desde las reacciones de combustión hacia el catalizador del reformador para mantener la reacción endotérmica de reformado de vapor. Estos sistemas pueden ser de gran escala industrial o unidades compactas diseñadas para la integración directa con una aplicación de uso del hidrógeno corriente abajo.

Los principales mecanismos de daño en servicio que prevalecen en los tubos moldeados centrífugamente para hornos reformadores son los siguientes:

• Fluencia (Creep): A temperaturas elevadas y tensiones mucho menores que el límite elástico de alta temperatura, los metales sufren una deformación plástica permanente llamada fluencia. Este es el principal mecanismo de deterioro de los tubos de los reformadores y es resultado de la combinación de tensiones térmicas en la pared del tubo y tensiones de presión internas. El proceso de daño por fluencia provoca el aumento del diámetro y el daño por fluencia (cavitación) en el diámetro interior.
• Choque térmico: El agrietamiento por choque térmico puede producirse cuando se desarrollan tensiones térmicas elevadas y no uniformes en un solo evento durante un corto período de tiempo en una pieza de equipo debido a la expansión o contracción diferencial. Si se frena la expansión/contracción térmica, pueden producirse tensiones superiores al límite elástico del material.
• Oxidación a alta temperatura: Los tubos de reformadores con vapor funcionan a temperaturas elevadas y la exposición al oxígeno a altas temperaturas puede provocar la oxidación del material del tubo. Esto puede dar lugar a la formación de óxidos, como incrustaciones, que pueden reducir la resistencia mecánica y la conductividad térmica del tubo.
• Fragilización de fase Sigma: La formación de una fase metalúrgica conocida como fase sigma en algunos aceros inoxidables cuando se calientan por encima de de 1000 °F (540 °C) puede provocar una pérdida de ductilidad y tenacidad a la fractura. La fragilización puede provocar   fallo por agrietamiento.
• Ataque por hidrógeno (fragilización por hidrógeno): La exposición al hidrógeno a altas temperaturas puede provocar la entrada de hidrógeno en la matriz de acero, causando fragilización. Esto hace que el material sea más susceptible al agrietamiento, especialmente bajo tensión. El ataque por hidrógeno es un problema importante en los procesos de producción de hidrógeno.

Técnicas y sistemas de Ensayos No Destructivos combinados para la detección y monitoreo de degradación de tubos de reformadores con vapor

Corrientes Inducidas (ETC): Evaluación de la permeabilidad

Las corrientes inducidas son una técnica de END ampliamente utilizada para evaluar la permeabilidad y con ello la degradación de los tubos de reformadores con vapor. Estas corrientes generan campos magnéticos que interactúan con el material, permitiendo detectar posibles discontinuidades. La medición de la permeabilidad magnética proporciona información sobre la integridad estructural y la presencia de fisuras superficiales.

Es de señalar que esta técnica no requiere de un medio de acoplamiento como el agua lo cual hace de los resultados de la aplicación altamente repetible y apropiada para el seguimiento de la integridad de los tubos, sin embargo, al aplicarse simultáneamente con la técnica de ultrasonido automatizado, el cual por lo general hace uso de este medio de acoplamiento (H-Scan), pierde su efectividad en la repetibilidad de resultados y por lo tanto en su uso para el seguimiento del comportamiento estructural del material de los tubos.

Ultrasonido Automátizado (AUT): Evaluación de la atenuación y medición de espesores

El daño por fluencia en los materiales progresa con nucleación de vacios, crecimiento de vacíos, delineación de vacíos y unión para formar microfisuras y posteriormente macrofisuras. Los parámetros de la señal ultrasónica dependen esencialmente de las propiedades y el estado del medio por el que pasan. Al enviar ondas ultrasónicas a través del material, las variaciones en la atenuación por la retrodispersión revelan la presencia de microfisuras y daños en la interfaz entre los granos del material.

La principal desventaja de esta técnica es la influencia de la condición de la superficie del tubo, que puede variar desde incrustaciones suaves, con hoyuelos y muy adheridas, hasta incrustaciones sueltas, o una combinación de todas ellas, que afectan la señal ultrasónica y dan la impresión de daño por fluencia.

Perfilometría (Medición del incremento diametral): Detección de creep

Es usado para detectar crecimiento en el diámetro del tubo de los tubos de reformadores mediante el uso de mecanismos adaptados al scanner de la instrumentación del Ultrasonido Automatizado (AUT) y Corrientes Inducidas (ETC).

Sistema de inspección de tubos ópticos por láser (LOTIS): Monitoreo de variaciones de diámetro asociado al Creep

El fenómeno de creep, o deformación lenta bajo carga constante, es un desafío en los tubos de reformadores debido a las altas temperaturas a las que están expuestos. El láser se ha convertido en una herramienta valiosa para monitorear las variaciones de diámetro asociadas al creep.

Al proyectar un haz láser sobre la superficie del tubo y medir la reflexión, es posible detectar cambios minúsculos en las dimensiones del material. Esta técnica permite evaluar la evolución del creep y anticipar posibles problemas estructurales, esto por la alta repetibilidad de las mediciones obtenidas.

La medición de OD es una prueba importante para identificar la fluencia. El uso de láseres para esta inspección, aparte de garantizar la repetibilidad, permite registrar digitalmente el diámetro del tubo en toda la longitud del tubo dentro del reformador.

Radiografía: Verificación de defectos

Este método de ensayo se aplica para comprobar grietas/defectos, detectados con otros métodos de inspección. La radiografía es un ensayo volumétrico ideal para este tipo de inspección ante la dificultad de aplicar el ensayo de ultrasonido por la alta atenuación del sonido en este tipo de materiales y la condición irregular de la superficie externa del material.

Sistema H-Scan: Detección de fallas

Es una combinación de un conjunto de métodos de Ensayos No Destructivos END en la que se ejecutan evaluaciones de atenuaciones ultrasónicas, corrientes inducidas, mediciones dimensionales y datos de espesor de pared integrados a través de un escáner neumático conectado a sistemas de imágenes, y programas informáticos que analizan los datos y clasifican los tubos escaneados en cinco grados en función de su grado de daño.

Sistema Leo-Scan: Detección y monitoreo de degradación del material

Es un sistema de Ensayos No Destructivos combinados en la que se aplican corrientes inducidas (hasta una profundidad de 24 mm) y Lotis integrados a través de un escáner tipo escalador y desde el exterior del tubo (Leo-Scan), ideal cuando se quiere detectar tendencias en el perfil de combustión del horno y ayudar a identificar áreas con problemas de carga del catalizador o con la condición del catalizador. Los problemas con el flujo de gases de combustión también se pueden determinar utilizando estos datos.

Otra variante del sistema se aplica desde el interior del tubo (Leo-iScan) y aplicable cuando los tubos se someten al reemplazo del catalizador. Dado que las superficies internas de los tubos del reformador están maquinadas, estas lecturas muestran fácilmente un crecimiento de la fluencia incluso en ausencia de datos previos (línea base).

Softwares para la estimación de la vida útil de los tubos de reformadores

Diversos softwares han sido creados para estimar la vida útil de los tubos y a través de esfuerzos mancomunados ante la falta de disposición de códigos y prácticas que abordaran formalmente la complejidad del comportamiento de vida útil de los tubos reformadores y utilizando datos de tamaño de grietas y deformación.

En el pasado, las estimaciones de este importante valor se basaban en los principios y elementos de los estándares posteriores a la construcción, como API 571, API 579, R5 y/o BS7910. Sin embargo, la aplicación de estos estándares es menos que ideal, ya que no reflejan directamente la complejidad de los mecanismos de daño que afectan la vida útil de los tubos reformador.

Conclusiónes

En un mundo donde la seguridad y la eficiencia son imperativos, los Ensayos No Destructivos combinados se erigen como pilares esenciales en la detección y monitoreo de tubos de reformadores con vapor. El uso de Ensayos No Destructivos combinados a través de la integración de diversas técnicas no solo fortalece la capacidad de detección, sino que también sienta las bases para un futuro donde la tecnología desempeñará un papel aún más crucial en la preservación de la integridad estructural en la industria química. Al abrazar estas innovaciones, damos un paso firme hacia un mañana más seguro y confiable en la producción de elementos fundamentales para nuestro mundo moderno.

Es importante definir el enfoque de estas inspecciones (detección o monitoreo), para establecer los ensayos o sistemas de ensayos no destructivos combinados más imperativos. Para el caso de un enfoque desde el punto de vista de monitoreo, se podrá determinar la vida útil de los tubos de reformadores con vapor más acertada mediante el uso de softwares especiales.

Se ejecuta una primera inspección externamente y antes de la primera puesta en funcionamiento de la unidad para establecer una base cero (línea base). Si la inspección es realizada desde la parte interna del tubo (Leo-iScan) no será requerida esta inspección previa.

Referencias bibliográficas

• GAUTAM DAS, D. DUTTA, KAUSHIK BORAL, GOURAB SEAL. Advanced NDTs for Inspection of Catalyst Tubes of Reformer Furnace; Consultado en fecha 28 de Noviembre de 2023. https://www.ndt.net/article/apcndt2013/papers/258.pdf
• BRIAN SHANNON, CARL JASKE.  A Comprehensive Approach to Reformer Tube Inspection and Assessment; Consultado en fecha 28 de Noviembre de 2023; https://www.ndt.net/article/mendt03/shannon/shannon.htm
• FOERSTER. TUBOS Y COMPONENTES DEL REFORMADOR; Consultado en fecha 29 de Noviembre de 2023; https://www.foerstergroup.com/fileadmin/user_upload/downloads/Broschueren/BROC_Branche_Reformer_2022_spanisch_150_dpi.pdf
• API RP 571 : Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry; Consultado en fecha 30 de Noviembre de 2023.