Coke drums: Inspection, evaluation and repair

Introducción

La industria del refinado de petróleo utiliza unidades de coquización retardada para convertir los residuos pesados del crudo en productos más ligeros y de mayor valor, como gasóleo y nafta. Los tambores de coque, componentes vitales en estas unidades, están sometidos a condiciones extremas de temperatura y presión durante sus ciclos de operación, lo que provoca daños estructurales con el tiempo. Los principales desafíos en la gestión de estos tambores incluyen la identificación temprana de defectos como grietas, abultamientos y pérdida de material, así como la implementación de reparaciones eficaces que prolonguen su vida útil sin comprometer la seguridad operativa.

En este artículo se examinan los procesos de inspección, evaluación y reparación de los tambores de coque, basando en las prácticas industriales descritas en el API Technical Report 934-J. la cual aborda los problemas comunes en los mismos.

Tipos de daño en los tambores de coque

La coquización retardada es un proceso que se desarrolla en entornos severos a los que están expuestos los tambores de coque, donde se genera una serie de mecanismos de daño que, si no se abordan a tiempo, pueden provocar fallas. Los mecanismos principales incluyen:

Corrosión por grietas: Uno de los problemas más críticos es la aparición de grietas en varias partes del tambor. Las grietas pueden surgir en las soldaduras circunferenciales y longitudinales, en la placa del tambor, cerca de la unión entre la falda y el tambor, o en áreas donde el tambor tiene geometrías complejas. Estas grietas son causadas por ciclos térmicos, que generan tensiones debido a las rápidas fluctuaciones de temperatura, especialmente durante las fases de calentamiento y enfriamiento del ciclo de coquización. Los tipos de grietas, mas comunes se describen a continuación:

• Grietas longitudinales: Se presentan a lo largo del eje vertical del tambor y suelen ser causadas por la expansión y contracción térmica repetitiva.
• Grietas circunferenciales: Generalmente se desarrollan alrededor del tambor y son a menudo resultado de tensiones concentradas en las soldaduras o en las áreas donde el tambor se une a otros componentes.
• Grietas en la soldadura de la falda: Estas grietas ocurren en la unión entre la falda del tambor y el tambor mismo, debido a las tensiones inducidas por las diferencias de temperatura y las cargas mecánicas durante la operación.

Abultamientos: El abultamiento es otro problema común, causado por la deformación plástica del material del tambor cuando se somete a ciclos térmicos extremos. Estos pueden aparecer tanto en el revestimiento interior como en la superficie del tambor.

Pérdida de metal y daños en el revestimiento: La corrosión, la erosión y la deslaminación del revestimiento son causas comunes de pérdida de material en los tambores de coque. Estas pérdidas pueden ser aceleradas por las condiciones agresivas en la parte interna del tambor, especialmente en áreas de contacto directo con el coque o los gases corrosivos. La pérdida de metal reduce el grosor del tambor, debilitando su capacidad para soportar las presiones operativas.

Deformación e inclinación del tambor: Con el tiempo, el tambor puede desarrollar deformaciones significativas debido a los ciclos térmicos y las cargas mecánicas. La inclinación del tambor, el arqueamiento y el levantamiento en la base son problemas que pueden afectar la estabilidad del equipo y su alineación. Estas deformaciones aumentan las tensiones en las soldaduras y otras conexiones críticas, aumentando el riesgo de fallos estructurales.

Métodos y frecuencia de inspección de tambores de coque

Estas actividades dependen de varios factores como, por ejemplo, para los tambores nuevos se requieren una inspección inicial después de los primeros 4 a 6 años de servicio, pero en general las inspecciones y la frecuencia dependerán de los tipos de problema, su ubicación y el método de inspección, tal como se especifican en las tablas 2 y 3 de la API Technical Report 934-J.

A continuación, se describen algunos de los métodos de inspección más utilizados.

Inspección visual (VT): Es uno de los primeros pasos en el proceso de evaluación de tambores de coque. Este método permite detectar deformaciones visibles, grietas y otros signos de daño superficial siendo particularmente útil en la identificación de grietas que han desarrollado patrones característicos, como el de “piel de elefante”, una condición común en tambores de coque que indica fatiga térmica. La tecnología de cámaras de alta definición y video remoto ha mejorado considerablemente la capacidad para inspeccionar el interior del tambor sin la necesidad de que el personal ingrese al equipo.

Inspección por líquidos penetrantes (PT): Este método es eficaz para encontrar grietas superficiales y determinar su extensión, siendo particularmente útil en materiales no magnéticos, como las soldaduras de restauración de aleaciones de níquel. Este método es ampliamente utilizado para inspeccionar áreas específicas del tambor donde es sabido qué ocurren grietas, como en las soldaduras circunferenciales o cerca de las conexiones de boquillas.

Inspección por partículas magnéticas (MT): La inspección por partículas magnéticas es un método no destructivo que se utiliza para detectar grietas superficiales y sub-superficiales en materiales ferromagnéticos. Este método es adecuado para inspeccionar las áreas de soldadura en tambores de acero al carbono, pero no es aplicable a soldaduras restauradas con aleaciones de níquel u otros materiales no magnéticos.

Inspección por ultrasonido (UT): La inspección por Ultrasonido es uno de los métodos más avanzados y precisos para detectar y dimensionar grietas y otros defectos en tambores de coque. Existen varias técnicas de ultrasonido, como la Difracción del Tiempo de Vuelo (TOFD) y el Ultrasonido de Fase Array (PAUT). Estas técnicas permiten detectar grietas internas en el tambor, incluidas aquellas que se originan en la superficie interior y se propagan hacia el exterior. El uso de TOFD es especialmente eficaz para detectar grietas en las soldaduras y evaluar su tamaño y profundidad, mientras que el PAUT permite obtener imágenes detalladas de la parte interna de la pared del tambor. 

Inspección por emisión acústica (AET): Es una técnica avanzada que permite monitorear en tiempo real la integridad de los tambores mientras están en operación, utilizando las ondas acústicas emitidas por defectos como grietas o deformaciones. Los sensores de emisión acústica, montados en la superficie del tambor, detectan estas ondas y registran su intensidad, frecuencia y localización.

Perfilado láser: Es una técnica de escaneo que permite medir las deformaciones en los tambores de coque, especialmente los abultamientos en tambores de coque. Este método puede detectar pequeños cambios en la geometría del tambor a lo largo del tiempo, permitiendo un monitoreo detallado de las áreas más afectadas por la deformación plástica.

Las herramientas láser generalmente se montan en el vástago interno de perforación o en las boquillas de entrada/salida del tambor para proporcionar un perfil de superficie. 

Evaluación de daños en tambores de coque

Esta fase implica un análisis detallado de los resultados obtenidos durante la inspección para determinar la extensión del daño y planificar las reparaciones necesarias. La evaluación debe considerar los siguientes aspectos:

• Cargas térmicas y mecánicas: El tambor de coque está sometido a ciclos térmicos y mecánicos severos, lo que genera tensiones que pueden causar grietas, deformaciones y otros daños. Es importante evaluar cómo estas tensiones afectan la integridad estructural del tambor a lo largo del tiempo. Los datos obtenidos de los sensores de temperatura y deformación pueden ayudar a identificar las áreas más críticas donde el daño es más probable.
• Abultamientos: La detección de estos daños es fundamental para evitar fallas en los tambores. Los abultamientos en tambores de coque indican que el material ha experimentado una deformación plástica, lo que puede debilitar el tambor y aumentar la probabilidad de formación de grietas. Estos daños pueden detectarse mediante inspecciones visuales internas o a través del uso de técnicas de perfilado láser
• Grietas en la falda del tambor: La falda del tambor es una de las áreas más propensas a grietas, debido a las tensiones generadas por las diferencias de temperatura entre el tambor y su base. Las grietas en esta área pueden comprometer la estabilidad del tambor.
• Pérdida de material: La pérdida de material en los tambores de coque puede deberse a la corrosión, la erosión o la deslaminación del revestimiento. Es esencial medir con ultrasonido el espesor restante del tambor para determinar si es necesario reemplazar secciones del equipo. 

Técnicas para extender la vida útil de los tambores de coque

Además de las reparaciones, existen técnicas que permiten extender la vida útil de los tambores, evitando la necesidad de reemplazarlos por completo.

• Reparaciones temporales de grietas: La aplicación de este tipo de reparaciones Permiten que el tambor siga operando hasta el próximo ciclo de mantenimiento programado. Para estas reparaciones se suele implicar soldaduras superficiales para sellar las grietas y evitar que se propaguen. Sin embargo, estas soluciones solo deben considerarse como una medida temporal y debe seguirse una reparación permanente.
• Soldadura de depósito controlado y soldadura de cordón templado (CDW/TBW): Son técnicas utilizadas en la reparación de tambores de coque para minimizar tensiones térmicas y evitar el agrietamiento. La CDW controla el aporte de calor, preservando las propiedades del material base, mientras que la TBW aplica capas de soldadura que templan las zonas afectadas, eliminando la necesidad de un tratamiento térmico posterior. Estas técnicas son esenciales para mantener la integridad estructural del tambor en reparaciones críticas. ​
• Superposición estructural de soldadura (Weld Overlay): La superposición estructural de soldadura es una técnica avanzada que permite reforzar áreas del tambor que han sufrido desgaste o daño significativo. Este método implica la aplicación de capas de soldadura sobre la superficie afectada, restaurando su resistencia estructural. La superposición de soldadura puede prolongar la vida útil del tambor, reduciendo la necesidad de reparaciones frecuentes.

Reparación de tambores de coque

Generalmente se realizan dependiendo de la gravedad del daño, esto puede incluir soldaduras, reemplazo de secciones o refuerzos estructurales. A continuación, se describen algunos de los métodos de reparación más comunes.

• Reparación de soldaduras desde el interior: Cuando se detectan grietas en la superficie interior del tambor y no penetran más del 50% del espesor, es posible realizar reparaciones eliminando las áreas dañadas y aplicando soldadura de restauración según el proceso CDW/TBW. Después de la soldadura, se restaura el revestimiento interior del tambor con Weld Overlay para protegerlo contra la corrosión y la erosión.
• Reparación de soldaduras desde el exterior: Se practica cuando es necesario retirar el aislamiento térmico y realizar soldaduras de reparación utilizando un proceso CDW/TBW, o utilizando una secuencia de soldadura normal seguida de PWHT. Es fundamental seguir las recomendaciones de la API Technical Report 934-J en cuanto a la selección de materiales de relleno y los parámetros de soldaduras. 
• Reemplazo de secciones del tambor: En casos donde el daño es extenso, puede ser necesario reemplazar secciones completas del tambor. Esto requiere cortar las áreas afectadas y soldar nuevas placas. Este tipo de reparación es más compleja y costosa, pero es esencial cuando el daño compromete gravemente la integridad del tambor.

Conclusiones

La inspección, evaluación y reparación de tambores de coque son procesos críticos que garantizan la seguridad y la eficiencia de las unidades de coquización retardada. El uso de técnicas de inspección avanzadas, junto con un enfoque proactivo para la evaluación de daños y la implementación de reparaciones adecuadas, prolongarán la vida útil de los tambores y reducirán los tiempos de inactividad no planificados. 

Siguiendo las recomendaciones descritas en el API Technical Report 934-J, los operadores pueden gestionar eficazmente el ciclo de vida de sus tambores de coque, optimizando su rendimiento y minimizando los riesgos operativos.

Referencia

1. American Petroleum Institute. (2021). Inspection, assessment, and repair of coke drums and peripheral components in delayed coking units (API Technical Report 934-J). Washington, D.C.: API.