High Temperature hydrogen attack detection with highly sensitive wet fluorescent magnetic particles

Introducción

El Ataque de Hidrógeno a Alta Temperatura (HTHA) es un problema en la industria petroquímica y de refinación, donde los equipos están expuestos a hidrógeno a altas temperaturas y presiones. El HTHA puede llevar a la formación de grietas y fisuras internas, comprometiendo la integridad de recipientes a presión, reactores y tuberías. La detección temprana de la corrosión por HTHA es significativo  para garantizar la seguridad y prevenir fallos catastróficos.

Uno de los métodos más efectivos para detectar este tipo de corrosión es el uso de partículas magnéticas fluorescentes húmedas en conjunto con el flujo magnético provisto por la aplicación del ensayo de partículas magnéticas (MT) aplicada sobre una superficie especialmente preparada para obtener la mayor sensibilidad.

Comprendiendo el ataque de hidrógeno a alta temperatura (HTHA)

Este proceso de ataque por hidrógeno atómico se difunde en el acero a temperaturas elevadas, típicamente por encima de 204 °C (400 °F). El hidrógeno reacciona con el carbono en el acero para formar metano, que no puede difundirse fuera del metal. Esto lleva a la formación de grietas y fisuras internas, debilitando el material.

El HTHA se encuentra a menudo en componentes de las unidades de hidroprocesamiento, como los hidrotratadores (desulfuradores) y los hidrocraqueadores, los reformadores catalíticos, algunas unidades isomerización, las unidades de producción de hidrógeno y las unidades despojadoras de hidrógeno¹. En la figura 1 se puede apreciar una fotomicrografía de ataque por hidrógeno, imagen cortesia de Mistras Group.

Importancia de la detección temprana de HTHA

La detección temprana del HTHA es fundamental  para prevenir fallos inesperados en los equipos. Métodos tradicionales de inspección, como el ensayo de radiografía (RT), tienen limitaciones para detectar corrosión por hidrógeno a alta temperatura a cuando se inicia el proceso . El método de ensayo de ultrasonido es actualmente el más aceptado, sin embargo, para la detección al comienzo de HTHA tiende a ser difícil y se recomienda aplicar varias técnicas diferentes para confirmar la presencia de este fenómeno de corrosión.

El siguiente video es una presentación de un accidente en una refinería en los Estados Unidos con consecuencias desastrosas debido a HTHA.

Vídeo de seguridad del accidente.

El ensayo de partículas magnéticas, utilizando partículas magnéticas fluorescentes húmedas en simultáneo con un flujo magnético y aplicadas sobre una superficie especialmente preparada con macroataque (HSWFMT), ofrece la máxima sensibilidad y es una solución efectiva para detectar discontinuidades superficiales y cercanas a la superficie causadas por HTHA, sirviendo de complemento ideal para verificar la presencia de los patrones detectados previamente cerca de la superficie a través de técnicas avanzadas del ensayo de ultrasonido tales como Ensayo de Ultrasonido por Arreglo de Fases (PAUT), Matriz de Captura Total/Método de Focalización Total (FMC/TFM), ambas contempladas en la API 941, y más recientemente las Imágenes por Coherencia de Fase (PCI).  

Descripción de la técnica del ensayo de Partículas Magnéticas Húmedas Fluorescentes de alta sensibilidad (HSWFMT)

El ensayo de partículas magnéticas (MT) es un método de ensayo no destructivo (END) utilizado para detectar defectos superficiales y cercanos a la superficie en materiales ferromagnéticos. El proceso implica aplicar un flujo magnético (magnetizar el componente) y aplicar partículas magnéticas en la superficie. Las partículas se acumulan en áreas de fuga de flujo magnético, como grietas y poros, haciéndolos visibles bajo condiciones de iluminación apropiadas.

La técnica de partículas magnéticas fluorescente húmeda de alta sensibilidad (HSWFMT) es una combinación de eliminación de metal de la superficie, macroataque y técnica de magnetización directa², es decir mediante la aplicación simultánea del flujo magnético y las partículas magnéticas fluorescentes húmedas.

Las partículas magnéticas fluorescentes aplicadas simultáneamente con flujo magnético (magnetización continua) y uso de corriente alterna, mejoran la visibilidad de los defectos bajo luz ultravioleta (UV), proporcionando una mayor sensibilidad en comparación con las partículas magnéticas visibles, y esta sensibilidad se maximiza al aplicarlo sobre una superficie macroatacada.

La técnica de partículas magnéticas húmedas de alta sensibilidad (HSWFMT) capaz de detectar daños HTHA incipientes, en etapa temprana y en etapa tardía orientados aleatoriamente en la superficie de inspección².

Pasos Involucrados en el ensayo de partículas magnéticas húmedas fluorescentes de alta sensibilidad para la detección de HTHA

1. Selección de áreas a inspeccionar: Seleccionar aquellas áreas donde previamente se detectaron patrones típicos de HTHA cerca de la superficie mediante el ensayo de ultrasonido avanzado (PAUT, FMC/TFM o PCI). 
2. Preparación de la superficie: Realizar limpieza abrasiva y luego remover una capa de material. Posteriormente, realizar un macroataque de la superficie del suelo que se va a inspeccionar.
3. Magnetización: Seleccionar la técnica de magnetización directa aplicando el flujo magnético simultáneo a la aplicación de las partículas y uso de corriente alterna.
4. Aplicación de Partículas Magnéticas Fluorescentes Húmedas: Aplicar la suspensión de las partículas magnéticas húmedas fluorescentes a la superficie magnetizada usando un método de pulverización, flujo o inmersión y simultáneamente a la aplicación del flujo magnético.
5. Inspección bajo Luz UV: Inspeccionar la superficie bajo luz UV para detectar cualquier indicación de fuga de flujo magnético. Las partículas fluorescentes se acumularán en áreas de discontinuidades, haciéndolas visibles como indicaciones brillantes. En la figura 2, se muestra imagen representativa,  de una inspección con partículas húmedas fluorescentes.
6. Interpretación y evaluación: Interpretar las indicaciones basadas en su tamaño, forma y ubicación. Evaluar las indicaciones de acuerdo con normas y criterios de aceptación relevantes para determinar la presencia y severidad del HTHA.
7. Desmagnetización y limpieza: Después de la inspección, desmagnetizar el componente para eliminar cualquier magnetismo residual. Limpiar la superficie para eliminar cualquier partícula magnética restante.

Ventajas del metodo de Partículas Magnéticas Fluorescentes Húmedas de Alta Sensibilidad (HSWFMT)

El uso de partículas magnéticas fluorescentes húmedas de alta sensibilidad ofrece varias ventajas para detectar HTHA:

• Aumento de la sensibilidad: Las partículas fluorescentes proporcionan una mayor sensibilidad en comparación con las partículas visibles, permitiendo la detección de discontinuidades más finas y en especial sobre una superficie preparada por remoción de material y macroataque.
• Mejora de la visibilidad: El empleo de luz UV mejora la visibilidad de las indicaciones, facilitando la identificación e interpretación de defectos.
• Cobertura mejorada: Las partículas magnéticas húmedas proporcionan una mejor cobertura de superficies irregulares y geometrías complejas, asegurando una inspección completa.
• Reducción de la interferencia de fondo: Las partículas fluorescentes reducen el ruido de fondo y la interferencia, llevando a resultados más precisos y fiables.

Consideraciones al aplicar la técnica Partículas Magnéticas Fluorescentes Húmedas de Alta Sensibilidad (HSWFMT) para la detección de HTHA

Aunque las pruebas de partículas magnéticas con partículas fluorescentes húmedas son altamente efectivas, hay ciertos desafíos y consideraciones a tener en cuenta:

• Definición de las zonas a evaluar con HSWTMT: Se requiere evaluar previamente con técnicas avanzadas con ultrasonido, preferiblemente PAUT o FMC/TFM, para identificar las áreas que presenten patrones típicos de indicaciones de HTHA, y de estas marcar aquellas localizaciones con indicaciones en la o cercanas a la superficie interna del componente para verificar con HSWFMT. Debido a la indicación correspondiente a la zona muerta interna provista por la técnica ultrasónica TOFD, la cual puede enmascarar la presencia de HTHA en la superficie interna o muy cercana a esta, no se recomienda utilizarla para esta búsqueda cuando se contemple aplicar posteriormente HSWFMT.
• Condición de la superficie: La maximización de la sensibilidad del ensayo al preparar la superficie realizando primeramente una limpieza abrasiva (el granallado ofrece la mejor limpieza) y luego remover una capa de material (0,3 pulg a 0,09 pulg de profundidad) mediante disco de fibra hasta lograr un acabado final de grano de 80 a 100. Es importante tener en cuenta que este desbaste no puede sobrepasar la corrosión permitida². En la figura 2 se muestra una imagen de limpieza con disco.

• Macroataque de la superficie: Realizar un macroataque de la superficie del suelo que se va a inspeccionar. Para ello se recomienda utilizar tres rondas de Nital al 5% en intervalos de 3 minutos. Se debe tener cuidado para evitar el macroataque excesivo, ya que esto puede dar lugar a indicaciones falsas positivas². 
• Técnica de magnetización: Para lograr la máxima sensibilidad, el tipo de corriente de magnetización debe ser alterna y la magnetización directa, es decir, las partículas se deben aplicar simultáneamente con el flujo magnético.
• Suspensión de partículas: La concentración y calidad de la suspensión de partículas magnéticas pueden impactar la visibilidad de las indicaciones. Es importante seguir las instrucciones del fabricante para preparar y aplicar la suspensión.
• Condiciones de luz UV: La intensidad adecuada de la luz UV y las condiciones de inspección apropiadas son necesarias para asegurar la visibilidad de las indicaciones fluorescentes. Es fundamental  verificar que la luz provista sea de la clase A (UV-A) por ser la más segura desde el punto de vista de salud. Igualmente, debe verificarse la intensidad de la luz. 
• Calificación del personal: Para hacer efectiva la técnica, esta debe ser ejecutada por personal técnico con un alto grado de destreza y entrenamiento.

Conclusiones

La detección del Ataque de Hidrógeno a Alta Temperatura (HTHA) es crucial para garantizar la seguridad e integridad de los equipos en las industrias petroquímica y de refinación. El método de ensayo de Partículas Magnéticas (MT) mediante la técnica de partículas magnéticas húmedas fluorescentes aplicadas en simultáneo con el flujo magnético y sobre una superficie especialmente preparada (HSWFMT), ofrece un método efectivo para detectar discontinuidades superficiales y cercanas a la superficie causadas por HTHA.

La integración de  pasos como el macroataque de la superficie pulida antes de la inspección y utilizar partículas fluorescentes bajo luz UV, los inspectores pueden lograr una mayor sensibilidad y precisión en la detección de HTHA. 

Este método representa  una herramienta mediante la cual se puede predecir y prevenir fallos en los equipos. Implementar HSWFMT puede mejorar significativamente la fiabilidad y seguridad de las infraestructuras expuestas a entornos de hidrógeno a alta temperatura cuando el fenómeno de corrosión HTHA se desarrolla en la superficie interna del componente.

Referencias

1. AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API Recommended Practice 571: Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industrys; Consultado en fecha 27 de Mayo de 2024. 
2. AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API Recommended Practice 941: Steels for Hidrogen Service at Elevated Temperatures and Pressures in Petroleum Refineries Petrochemical Plants; Consultado en fecha 28 de Mayo de 2024.