Aplicación del estándar API 650 a un activo físico instalado en la industria petroquímica

Autores:

Evelio Chirinos, Ingeniero Mecánico, MSc en Ingeniería de Gas. Correo: evelioch30@hotmail.com

Edgar Fuenmayor, Ing. MSc. CMRP. Correo: edgarfuenmayor1@gmail.com

Caso de estudio basado en el Apéndice “F”.

La importancia  de la petroquímica está  en su capacidad para producir grandes volúmenes de productos a  partir  de  materias primas abundantes y a bajo precio.

La plantas    de   Cloro utilizan como    materia prima  la  sal  común de  la cual  mediante un proceso de descomposición electrolítica,  se obtiene cloro  Cl2, soda cáustica  NaOH e hidrógeno  H2. Este último en conjunto  con el cloro pueden formar el compuesto químico de fórmula  HCl cloruro  de  hidrógeno  (ácido clorhídrico en su forma hidratada) obtenidos como subproductos en la fabricación del hidróxido de sodio. El cloro se quema en exceso de hidrógeno en unidades  con mecheros especiales. Desde que se descubrieron sus usos y propiedades, el ácido clorhídrico ha ocupado un  lugar  de  gran importancia  en  la industria petroquímica debido  a la amplia gama de productos que se obtienen a partir de él.

Es así como el HCl es almacenado en tanques de diversos  materiales, por  lo general  de  forma cilíndrica, que  son  usados  para  guardar   y/o preservar  este líquido a presión ambiente, por lo que  en ciertos medios  técnicos  se les da el calificativo   de   tanques  de   almacenamiento atmosféricos.

En este caso particular se mostrarán  algunos de los pasos  a seguir durante la construcción  y/o fabricación  de  un  tanque para  el almacenamiento  de  HCl con  un  tiempo   en servicio operacional  continuo  de 8 años donde se  le  hará  una  estimación   de  la frecuencia óptima de inspección.

MARCO CONCEPTUAL
APÉNDICE F DE LA NORMA API 650

Este  apéndice   permite   el  incremento  de  la presión interna en tanques de techo  jo hasta la máxima permitida, cuando se cumplen los requerimientos adicionales  allí establecidos   y aplica para tanques no refrigerados. La máxima presión interna de diseño permitida por este apéndice es de 2,5 psi.

CARGA HIDROSTÁTICA

La presión ejercida por un líquido en reposo.

CÓDIGO

Conjunto   de   mandatos  dictados    por   una autoridad  competente.

CORROSIÓN

Desgaste no deseado, originado por la reacción química entre el uido contenido y/o procesado y el material  de  construcción  del  equipo  en contacto  con el mismo.

ESTÁNDAR

Sugerencias    para   la   fabricación   y   diseño, originadas por la experiencia.

NORMA

Conjunto de reglas para el dimensionamiento y cálculo de accesorios.

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

Es la producida  por el peso del aire y su valor depende de la altura del sitio indicado sobre el nivel del mar.

PRESIÓN DE PRUEBA

Valor de la presión manométrica que sirva para realizar la prueba hidrostática o neumática.

TANQUE

Depósito  diseñado  para almacenar  o procesar fluidos, generalmente a  presión atmosférica  o presión internas relativamente bajas.

TANQUES SOLDADOS DE TECHO FIJO

Tanques  construidos  con  acero  al carbono  o aceros    aleados,    de diversos    tamaños     y capacidades, de paredes  cilíndricas y verticales, diseñados    para   almacenar   líquidos   y  para trabajar a presiones próximas a la atmosférica o a presiones inferiores a 1,0 kg/cm2 (14,22 psi).

TANQUES  DE ALMACENAMIENTO CILÍNDRICOS VERTICALES  DE  FONDO PLANO

Nos permite    almacenar grandes  cantidades volumétricas con un costo bajo, con la limitante que sólo se pueden usar a presión atmosférica o presiones internas relativamente pequeñas.

ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

Se denomina ensayo  no  destructivo  END,  o en inglés NDT a cualquier tipo de prueba practicada   a  un  material  que  no  altere  de forma  permanente  sus  propiedades físicas, químicas, mecánicas  o dimensionales, estos ensayos  implican  un  daño  imperceptible o nulo. Los diferentes  métodos de ensayos  no destructivos  se basan en la aplicación de fenómenos físicos tales como ondas electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión  de  partículas  subatómicas, capilaridad, absorción y cualquier tipo de prueba   que  no  implique  un  daño considerable  a la muestra  examinada.

CASO DE ESTUDIO BASADO EN EL APÉNDICE “F” DE LA NORMA API 650 PARA EL CONTROL DE CALIDAD EN LA FABRICACIÓN DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE ÁCIDO CLORHÍDRICO EN LA INDUSTRIA PETROQUÍMICA.

En los Estados Unidos de Norteamérica  y en muchos  otros países del mundo, incluyendo el nuestro, el diseño y cálculo de tanques de almacenamiento, se  basa  en  la publicación que realiza el “Instituto Americano del Petróleo”,  al  que   esta   institución   designa como “STANDARD API 650”,  para tanques de almacenamiento a presión atmosférica.

En este caso se describirá a continuación  los principales pasos a seguir durante el seguimiento y control de la calidad en la fabricación de un tanque de almacenamiento de  HCl en  la  industria  petroquímica, asimismo se darán a conocer  las pautas  para la frecuencia óptima de inspección.

REUNIÓN DE PRE-FABRICACIÓN

En esta reunión  es muy importante la participación de los representantes del cliente, como lo son: control de calidad, personal asignado  y exclusivo para el seguimiento y control  de  la ejecución. Así como  también  la contratista  encargada de la fabricación del tanque, para  considerar  algunos  de  los siguientes aspectos:

  • Cronograma de fabricación.
  • Asignación     de     los     puntos      de inspección.
  • Calificación de los procedimientos de soldadura.
  • Calificación de soldadores y/u operadores de máquinas de soldar.
  • Tipos de pruebas a realizar.
  • Condiciones  para  la inspección  en  el taller del fabricante.
  • Cumplimiento        de       las       fechas establecidas en el proyecto.
FABRICACIÓN

Cuando   el   diseño   sea   realizado   por   una empresa  contratista, tanto los planos de fabricación como los cálculos de diseño, deben ser revisados y aprobados por el representante del  cliente  involucrado en el  proyecto. Asimismo todos los materiales que vayan a ser utilizados en la construcción  del tanque atmosférico: planchas y láminas de acero, acero para estructuras, tuberías, bridas, válvulas, conexiones, accesorios, empacaduras, espárragos  y otros  componentes deben satisfacer los requisitos  indicados  en el código de diseño especificado.

Figura 1.Estructura del Tanque.
Figura 2.Configuración de la pared del tanque.
Figura 3. Configuración del techo del tanque.
Figura 4. Configuración del piso del tanque.
PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

El estándar  API 650, se auxilia del Código ASME Sección IX para dar los lineamientos que han de seguirse en la unión y/o soldado de materiales.

El Código ASME Sección IX, establece  que toda junta  soldada  deberá  realizarse  mediante un procedimiento de  soldadura  de  acuerdo  a la clasificación   de  la  junta   y  que,  además,  el operador deberá  contar con un certificado que lo acredite  como soldador  calificado, el cual le permite  realizar cierto  tipo  de  soldaduras  de acuerdo  con  la clasificación  de  ésta.  Una vez realizada  la soldadura  o  soldaduras, éstas  se someterán a pruebas  y ensayos como: ultrasonido, radiografiado, líquidos penetrantes, dureza, etc., donde  se verificará la calidad de la soldadura.

Los procedimientos de soldadura serán presentados para su aprobación y estudio antes de aplicar cualquier cordón  de soldadura para cada  caso  en particular.  Este  procedimiento debe  indicar la preparación  de los elementos a soldar, así como  la temperatura a  la que  se deberá precalentar  tanto  el material de aporte (electrodo, si lo hubiera), como los materiales a unir.

Especificación  de Procedimiento  de Soldadura (WPS): Es  un   procedimiento de   soldadura calificado por escrito preparado para proporcionar instrucciones para realizar soldaduras  de producción  según  los requisitos del  código.  El  WPS u  otros  documentos  se pueden usar para proporcionar  dirección al soldador o al operador de soldadura para asegurar  el cumplimiento  de los requisitos  del código.

Formato 1. Modelo de un WPS.
Fuente: Multiservicios y Asesoría Barboza.

Registro de calificación de procedimiento (PQR). Es  un   registro   de   los datos   de   soldadura utilizados para soldar un cupón  de prueba.  El PQR es un  registro  de  variables  durante  la soldadura  de los cupones  de prueba. También contiene  los resultados  de  las pruebas de  los especímenes.

Formato 2. Modelo de un PQR.
Fuente: Multiservicios y Asesoría Barboza.

Calificación de habilidad del soldador (WPQ). Es un  alcance  que  rige  y califica  al soldador  o también  la soldadura  en la cual se observa  la capacidad, la destreza  y el conocimiento del soldador   a  la  hora   de   soldar.  Este  código reconoce  que los fabricantes o contratistas pueden mantener un control operacional efectivo   de   los  registros de   calificación de desempeño del soldador.

Formato 3. Modelo de un WPQ.
Fuente: Multiservicios y Asesoría Barboza.

Durante y posteriormente a la fabricación de la estructura   metálica del tanque se  realizarán algunas de las siguientes pruebas:

Fotografía 1. Construcción de la pared del tanque.
Fotografía 2. Construcción del techo del tanque.
LÍQUIDOS PENETRANTES

Cuando  se  especifique  el examen  de  líquido penetrante, este deberá estar de acuerdo con la sección  V,  Artículo  6  del  Código  ASME.   El método de examen con líquidos penetrantes es un medio e caz para detectar discontinuidades que están abiertas a la superficie de metales no porosos  y  otros  materiales.  Las discontinuidades típicas  detectables por  este método son  grietas,  uniones,  vueltas,  cierres fríos, laminaciones y porosidad.

Fotografía 3-A. Prueba de Líquido Penetrante en soldadura circunferencial
Fotografía 3-B. Prueba de Líquido Penetrante en soldadura circunferencial
Fotografía 4-A. Prueba de Líquido Penetrante en juntas del piso del tanque.
Fotografía 4-B. Prueba de Líquido Penetrante en juntas del piso del tanque.
AS BUILT DE SOLDADURA Y UBICACIÓN DE RADIOGRAFÍAS

El personal  que  realice y evalúe los exámenes radiográficos  de acuerdo   con   esta   sección deberá  ser calificado  y certificado cumpliendo con los requisitos  de certificación  descritos  en los niveles II o III de ASNT SNT-TC-1A.

Figura 5. Mapa radiográfico.
Figura 5. Mapa radiográfico
PRUEBA DE GAS OÍL

Las juntas  soldadas  las cuales deberán ser examinadas  para  detectar grietas  o cualquier otra discontinuidad que permita posibles fugas, mediante la aplicación de un aceite altamente penetrante en  todas  las juntas  de  soldadura interiores, y examinar  cuidadosamente  el exterior de las mismas para detectar fugas.

Fotografía 5-A. Prueba de Gas Oil en el interior del tanque.
Fotografía 5-B. Prueba de Gas Oil en el interior del tanque
PRUEBA DE VACÍO DEL FONDO

Las pruebas de vacío se realizan con una caja de aproximadamente 150 mm de ancho  por 750 mm de largo con una ventana  transparente en la parte  superior  que  proporciona  una visibilidad adecuada para ver el área bajo inspección. Durante las pruebas, la iluminación debe ser adecuada para la correcta evaluación e interpretación de la prueba. El fondo abierto se sellará contra la superficie del tanque mediante una junta adecuada.  Se proveerán  conexiones, válvulas, iluminación  y medidores, según  sea necesario. Se utilizará una solución de película de jabón o una solución comercial de detección de fugas, aplicable a las condiciones.

Fotografía 6. Prueba de Vacío en las juntas del piso del tanque.
PRUEBA HIDROSTÁTICA

El tanque debe  ser probado hidrostáticamente y su llenado debe ser gradual de manera que se puedan detectar fugas a tiempo, asentamiento de la fundación  o cualquier otro problema.  Se realiza antes de colocar el recubrimiento interno y las tuberías externas permanentes al tanque. El  tiempo  de  la prueba  será  establecido por criterio  del  inspector, una  vez completada la prueba   hidráulica, sólo se  pueden soldar  al tanque pequeños accesorios  no  estructurales. Todas  las  uniones   soldadas   que   estén   por encima del nivel de agua de prueba  se examinarán en busca de fugas mediante uno de los siguientes métodos:

  • Aplicar  un aceite altamente penetrante en todas las juntas de soldadura interiores y examinar cuidadosamente el exterior de las juntas para detectar fugas.
  • Aplicando  vacío  a  cada  lado  de  las juntas o aplicando  presión de aire interna y examinar   cuidadosamente  las  juntas   en busca de fugas; o
  • Usando cualquier combinación  de los métodos estipulados en los subpuntos 1 y 2.
APLICACIÓN DE RECUBRIMIENTO INTERNO

El ácido clorhídrico, o como  una  vez se llamó ácido muriático, es un ácido fuerte y altamente corrosivo. El ácido comercial puede oscilar entre 28 y 38%. Existen empresas a nivel mundial que tienen   experiencia   en   el  diseño   y procesamiento de compuestos de caucho para los entornos  altamente corrosivos que se encuentran en diversas aplicaciones de HCl.

Para los tanques de almacenamiento, los revestimientos de caucho natural sobre acero se han utilizado predominantemente para la contención de ácido clorhídrico. Es muy importante la comprobación de la fecha de elaboración,  así como la fecha de vencimiento de  estos  materiales  no  metálicos, tales  como revestimientos (pinturas, elastómeros, etc), asimismo exigir la  cha técnica  del fabricante del producto.

Los medios de inspección estarán basados en el aspecto   visual, prueba   de  dureza   en  escala “Shore A” y prueba de salto de chispa Spark Test.

La superficie  debe  ser descontaminada, sobre todo en equipos en donde se generen sales solubles, tales como cloruros y sulfuros. A fin de descontaminar  la  superficie   y  realizar   una adecuada preparación   y la concentración de sales solubles  (cloruros) debe  ser menor  a 10 ppm.

Una vez completada la instalación, el curado del revestimiento colocado  puede  completarse de acuerdo  al tipo  de  revestimiento instalado. El curado  puede   ser  con  vapor  o  mediante un agente químico de curado.

Los paños de goma no deberán tener abombamiento u  otro  defecto de instalación que comprometa el desempeño de la goma  a futuro  o que permita  el deterioro  de  la junta durante el proceso de curado.

Fotografía 7. Inspección al recubrimiento interno mediante Prueba
de Spark Test antes del curado.
LIMPIEZA Y PINTURA

Se  protege  toda   la  superficie   externa   del cuerpo, techo, soportes, barandas, escaleras, conexiones, etc, del tanque. Mediante la aplicación de la protección  anticorrosiva, se tuvieron en cuenta las condiciones ambientales predominantes en la zona donde  se construyó el tanque, así como  las condiciones  de operación  y características  del  fluido a almacenar. Los requerimientos técnicos para la aplicación del sistema de recubrimiento, están dados  en  la especificación  de  recubrimientos NACE N°  1/SSPC-SP-05 con   limpieza   NACE 6G198/SSPC-TR2. Una vez terminada la limpieza abrasiva   de   la   superficie    deben    tomarse previsiones  para  evitar su contaminación con sales   solubles,   polvo,   partículas   metálicas, aceite, agua o cualquier otro agente. Además, se ha observado  que la vida del revestimiento interno de caucho natural se puede mejorar pintando el exterior del recipiente con un color claro para reflejar los rayos del sol.

Fotografía 8. Tanque para el almacenamiento de HCL finalmente construido.
CÁLCULO DE LA FRECUENCIA ÓPTIMA DE INSPECCIÓN

Una vez construido  el tanque y puesto  en  la etapa  de operación, se diseñaron  los planes de mantenimiento haciendo  uso de tareas de mantenimiento e inspección y la frecuencia de aplicación la cual corresponda con el contexto operacional  actual, mediante las metodologías apropiadas desde  la etapa  temprana del ciclo de vida del activo tales como RCM, FMECA, FMEA y  RBI.   Por  otro   lado   es  sumamente importante de nir  el  intervalo  óptimo  de  la frecuencia de inspección para mitigar el riesgo.

En la figura 8 se muestran los cuatros parámetros más importantes en el cálculo de la frecuencia óptima  de  inspección  tales  como:  punto   de inicio del deterioro, rata de deterioro, punto  de falla, y precisión en la medición.

Figura 7. Optimización de la frecuencia de inspección.
Fuente: An Anatomy of Asset Management version 3. Diciembre 2015.
Figura 8. Modelo de Inspección.

A continuación   se  muestra   la  tabla   de  los resultados  indicando  la frecuencia óptima para la próxima inspección. Estos resultados  son obtenidos  a  través  de  la  aplicación  de  un modelo matemático que modela el deterioro  a diferentes  frecuencias considerando costos, riesgos y desempeño.

De acuerdo  a este  modelo  la próxima inspección  debe  ser  realizada  en  8 años. No obstante, es recomendable el monitoreo cada cierto tiempo de las variables de deterioro  para pronosticar el momento oportuno para la intervención  del equipo. Para la resolución  de este cálculo se modelo  el costo  de  realizar la tarea de inspección a varias frecuencias y de la misma manera  se calculó el riesgo de no hacer la tarea de inspección.

CONCLUSIONES
  1. Es importante  destacar   al  lector  que   el tanque del cual se menciona en este artículo fue construido en el año 2010 y su comportamiento operacional ha sido hasta los momentos satisfactorio.
  2. Se cumplieron  las buenas  prácticas comprobadas del estándar API 650 Apéndice F, es importante indicar por parte  de los autores que este código no tiene la intención de obviar la necesidad  de la aplicación de los adecuados criterios de ingeniería establecidas con anterioridad en cada tipo de industria.
  3. Se  mostró   el  resultado   de  un  adecuado seguimiento y control  por parte  del inspector cliente, como es la de asegurar que las empresas contratistas   encargadas  de  fabricar  tanques para la industria petroquímica cumplan en conformidad  con los requerimientos de los códigos, y normas nacionales e internacionales.
  4. Se  indicaron  los  puntos   de  espera  (hold points)  y de  inspección  (examination  points) por parte  del inspector  cliente, requeridos  en los planes de inspección y ejecución del trabajo que elaboró la empresa contratista, y determinó los Ensayos No Destructivos correspondientes.
  5. Se   definió    el   intervalo   óptimo    de   la frecuencia  de la próxima inspección  mediante un   modelo    matemático considerando   los costos, riesgo, y desempeño, aplicado a tanque para  el almacenamiento de  Ácido Clorhídrico instalado en una planta petroquímica.
  6. El cálculo de la frecuencia  óptima  de inspección  o  intervalo para  la próxima inspección es un parámetro sumamente importante para el monitoreo del deterioro  del activo, ya que se puede anticipar la falla es decir una vez conocido  el punto  de la falla potencial se  puede  establecer  el tiempo  máximo permitido antes de llegar a la falla funcional. En el caso  de equipo  de  contención de  energía como  lo  son  los  equipos estáticos   es  muy esencial  definir  el momento oportuno para la inspección debido  a las consecuencias cuando se pierde la función primaria del equipo.
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