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Caso práctico: Evaluación de integridad mecánica de un calentador piro-tubular de crudo pesado utilizando una metodología de inspección propuesta basada en normas internacionales

Ago 29, 2023 | Articulo

Introducción

El transporte de crudo pesado con alta viscosidad es un desafío en la industria petrolera debido a la formación de depósitos y obstrucciones en las tuberías. Los calentadores son esenciales para reducir la viscosidad y evitar la formación de depósitos, lo que aumenta la presión y el estrés en los equipos y reduce la eficiencia del oleoducto. Mantener una temperatura adecuada también ayuda a reducir el riesgo de corrosión y otros daños en las tuberías.

El presente artículo presenta un caso de inspección de integridad mecánica en calentadores de crudo pesado, con una metodología basada en recomendaciones de normas internacionales adaptadas al contexto operacional del calentador en cuestión. Es importante señalar que la aplicabilidad de las técnicas utilizadas depende de los modos de falla esperados en el contexto operacional del activo y cualquier programa de inspección de integridad debe comenzar definiendo este contexto y los modos de falla para determinar las metodologías más adecuadas.

Definiciones básicas  

Las definiciones de términos para el calentador tubular de combustión y los mecanismos de daño, así como las técnicas de inspección y el programa de confiabilidad de tubos para calentadores, se parafrasearon de la API 573. En particular, la API 573 define los calentadores tubulares de combustión como diseños de caja, cilíndricos y de cabina que utilizan tubos radiantes y de choque para capturar calor. La selección de la metalurgia del tubo depende de los mecanismos de daño esperados y la temperatura y presión de diseño del proceso. Los mecanismos de daño incluyen corrosión interna y externa, creep, ruptura por estrés, erosión, fatiga térmica, choque térmico, fisuración y fragilización por metal líquido. Las técnicas de inspección pueden incluir examen visual, calibres fijos de diámetro, mediciones detalladas y estratificación, cerdos de inspección por ultrasonido interno, mediciones de temperatura por infrarrojos en línea y pruebas destructivas. Un programa de confiabilidad de tubos para calentadores incluye una lista de mecanismos de daño activos y potenciales, técnicas de inspección, revisión de operaciones históricas y registros de reparaciones de mantenimiento, evaluación del impacto de operaciones y reparaciones previas en la vida restante del tubo, tareas o procedimientos definidos para minimizar el daño potencial, tasa de deterioro de los tubos, método para evaluar el impacto de los cambios de proceso en la tasa de deterioro, evaluación de la vida útil restante del tubo y un plan para reemplazar el tubo cuando sea necesario.

Metodología

Para la inspección del calentador en cuestión, se ha dividido la metodología en cuatro aspectos fundamentales a considerar: seguridad y herramientas necesarias, métodos de inspección a emplear, componentes específicos a inspeccionar con su categoría de evaluación y por ultimo las cualificaciones de los inspectores encargados de realizar la tarea.

Seguridad y herramientas necesarias

API 573 recomienda verificar la disponibilidad, el estado de funcionamiento adecuado y la precisión de las herramientas necesarias para la inspección antes de iniciar la tarea. Además, se deben proporcionar señales de seguridad donde sea necesario para la protección del personal. Las herramientas necesarias para inspeccionar calentadores, hornos, calderas y chimeneas incluyen luces portátiles, raspadores, martillos de inspector, calibradores, reglas de acero, lupas, cepillos de alambre, plomadas y líneas, y equipos especiales para medición de espesor, como el equipo de ultrasonido.

Asimismo, otras herramientas, como el nivel de topógrafo, el equipo de inspección de partículas magnéticas, los materiales de inspección con líquidos penetrantes, el equipo de inspección radiográfica y ultrasónica, el equipo de granallado, el micrómetro, el calibrador electrónico de tensión, el endoscopio y el fibroscopio, deben estar fácilmente disponibles en caso de que sean necesarias.

Métodos de inspección a emplear

Es fundamental destacar que, para seleccionar los métodos y herramientas adecuados de inspección para un calentador, se requiere la colaboración de un equipo multidisciplinario. Esto permitirá identificar los modos de fallo del equipo a través de datos históricos, análisis de FMEA o la opinión de expertos, en caso de no contar con información previa. Si, por ejemplo, se determina que pueden existir grietas superficiales en las soldaduras, se pueden utilizar métodos de inspección como partículas magnéticas o tintes penetrantes. Sin embargo, si las grietas esperadas son internas, estos métodos no serían efectivos ya que sólo identifican fallas superficiales. En este caso, se recomendaría la utilización de radiografía o inspección ultrasónica. Por lo tanto, el primer paso para elegir las técnicas de inspección adecuadas es identificar los modos de fallo del equipo.

Según API 573, las técnicas de inspección durante las paradas de mantenimiento son diversas y abarcan desde el examen visual hasta la metalografía y las pruebas de termopares de la superficie de los tubos. Entre ellas, es esencial realizar mediciones de espesor de pared para identificar y monitorear el daño por adelgazamiento en tuberías y tubos. Se recomienda seleccionar ubicaciones de monitoreo de corrosión en todos los pasos del tubo, prestando atención a los tubos donde ocurren cambios de fase y donde se esperan las temperaturas de metal del tubo más altas. Además, es importante registrar y comparar las mediciones de espesor con las lecturas históricas en los mismos lugares para obtener un registro preciso de la cantidad de espesor perdido, la tasa de pérdida y la asignación de corrosión restante.

El método más común para obtener el espesor de la pared del tubo es el ultrasónico, utilizando técnicas de haz recto. Es esencial limpiar adecuadamente la oxidación externa o compensar el espesor de la capa de óxido para evaluar adecuadamente las tasas de pérdida de metal. Asimismo, para detectar grietas, se utiliza el examen visual junto con el examen de penetrante de tinte y partículas magnéticas si se sospecha su presencia. API 573 sugiere que se utilice el examen de penetrante de tinte para inspeccionar componentes de acero inoxidable austenítico, mientras que las metalurgias ferríticas se examinan con partículas magnéticas. Además, se recomienda registrar el espesor de los tubos y accesorios cuando se instalan por primera vez para obtener una línea base precisa.

Para inspeccionar un calentador de crudo es necesario considerar todos los componentes de este y, preferiblemente, utilizar los métodos de inspección adecuados para detectar los modos de falla esperados. En este caso, se han utilizado las recomendaciones de API 573, que enumera los componentes necesarios para inspeccionar en un calentador de crudo. A continuación, se muestran estos componentes para la inspección del calentador en cuestión:

CARCASA E INTERNOS: Aislamiento, refractario, Clips de aislamiento, ladrillo refractario, Puerto de vista del quemador, Sección de convección, Termopozos, Estado placa solera piso, Condición de la carcasa, Estado del revestimiento externo

TUBOS: Escala externa, Corrosión externa, picaduras (describir ubicación, apariencia y profundidad), Bultos, ampollas, flacidez, Mediciones del diámetro exterior del tubo, Limpieza externa, limpieza interna, Mediciones ultrasónicas, Mediciones de dureza, inspección radiográfica, Soportes y herrajes para tubos, Estado de soldadura

FITTINGS: Corrosión (incrustaciones, picaduras, acumulación). Describir la ubicación, la apariencia y la profundidad, Distorsión, Mediciones ultrasónicas, Condición del rollo de tubo, el tapón y las roscas, Estado de soldadura

QUEMADOR: Corrosión (incrustaciones, picaduras, acumulación). Describir la ubicación, la apariencia y la profundidad, Condición del termopar, cubierta de guía de entrada, Estado de la teja del quemador, Apariencia de llama, Estado de la punta del quemador, Movimiento de puerta de aire primario de piloto y/o premezcla

CHIMENEA (GASES DE HUMOS): Condición externa, Estado de los pernos, Aislamiento interno, refractario, revestimiento, Soportes de cables de sujeción, Condición del amortiguador (tenga en cuenta la libertad de movimiento y el rango de movimiento), gorro de lluvia, Estado del revestimiento externo.

FUNDAMENTOS Y SOPORTES: Estado de los soportes de hormigón, Estado del acero estructural

SOPLADOR: Estado del motor del ventilador, Estado del impulsor

Para clasificar el grado de deterioro se utilizó la siguiente categoría de evaluación según API 573.

Categoría de evaluación: A = Aceptable, I = Inaceptable, NA = no aplicable, NI = no inspeccionado

Cualificaciones de los inspectores

Para aplicar la metodología correctamente y obtener los resultados deseados es primordial que el personal que inspecciona calentadores, hornos y calderas tenga experiencia en identificar daños y utilizar técnicas de inspección apropiadas. Para el control de calidad / aseguramiento de calidad de la instalación refractaria, se recomienda contar con personas certificadas. Los inspectores deben comprender los mecanismos de daño de los quemadores, los tubos, los soportes y colgadores de tubos, los refractarios y la operación general. Los examinadores de END deben estar capacitados y calificados, y pueden requerir certificaciones adicionales. La certificación del inspector de calderas puede estar regulada por las jurisdicciones.

Resultados de la inspección del calentador piro-tubular

A continuación, se presentan los datos del calentador piro tubular inspeccionado

Datos del equipo:

MAWP: 7.5 BAR

Presión de diseño: 5 BAR

Chimenea: 2 DE 18ӯ X 6MTS

Capacidad calórica: 2.0 MMBTU/HR

Peso Vacío: 5800 KGS

Tamaño: 1,50MØ X 4,20M

Haz tubular: 18” Ø X 4 MTS

Siguiendo la metodología de inspección previamente mencionada, se determinaron los métodos a emplear para la inspección de este calentador, teniendo en cuenta los modos de falla esperados a partir de la opinión de expertos y la información histórica disponible. Por esta razón, se excluyeron ciertos métodos de inspección (como la radiografía), mientras que se emplearon otros, como la inspección por tintes penetrantes de las soldaduras cercanas a la brida de los tubos de fuego y el uso de medición de espesores por ultrasonido en los tubos para detectar adelgazamiento.

Cabe recordar categoría de evaluación: A = Aceptable, I = Inaceptable, NA = no aplicable, NI = no inspeccionado

A continuación, se presentan los resultados de la inspección siguiendo la metodología establecida:

CARCASA E INTERNOS

  • Aislamiento, refractario: No aplicable, calentador no posee sistema de aislamiento, se recomienda como proyecto de mejoramiento para reducir perdidas de calor y por seguridad del personal. 
  • Clips de aislamiento: No aplicable
  • Ladrillo refractario: No aplicable
  • Puerto de vista del quemador: Aceptable, no recomendación
  • Sección de convección: No aplicable
  • Termopozos: Aceptable
  • Estado placa solera piso: No aplicable
  • Condición de la carcasa: Aceptable, el recipiente se encuentra en condiciones estructurales adecuadas, sin signos de corrosión interna o externa, no corrosión tipo picaduras o de otro tipo. Los rieles y soportes interna presentaron condiciones aceptables. Por otro lado, no se evidencio acumulación de sedimentos significativos. Ver figuras 1 y 2.
  • Estado del revestimiento externo: Inaceptable, el sistema protectivo de pintura mostró tizamiento, desprendimiento moderado, rayones y manchas de crudo
Figura 1: Carcasa / Figura 2: Parte interna

TUBOS

  • Escala externa: Inaceptable. Sistema compuesto por haz tubular doble de18” de diámetro y 4 metros de longitud. El tubular de fuego presento acumulación leve de sedimentos y material coquificado lo que dificulto la inspección y diagnóstico, sobre todo a una distancia de 1,60 metros medidos desde la brida frontal por lo cual se recomendó realizar limpieza manual mecánica para facilitar la evaluación de la integridad mecánica del haz tubular y detectar la posible formación de picaduras. Esta condición puede ser el resultado de exceso de temperatura en los quemadores y una extensión del tiempo de limpieza y mantenimiento del calentador. Ver figura 3.
  • Corrosión externa, picaduras (describir ubicación, apariencia y profundidad): Aceptable. Una vez efectuada la limpieza del haz tubular se realizó inspección lo cual revelo que ambos tubos y el codo se encuentran en condiciones estructurales aceptables y sin formación de picaduras que comprometan la operatividad del calentador. Ver figura 4.
  • Bultos, ampollas, flacidez: Aceptable.
  • Mediciones del diámetro exterior del tubo: Aceptable. Medido con calipers, no se encontraron problemas de redondez.
  • Limpieza externa: Inaceptable. Acumulación de sedimentos, se recomendó limpieza manual mecánica.
  • Limpieza interna: Aceptable.
  • Mediciones de espesor con ultrasonido: Los resultados de las mediciones de espesor de pared remanente con ultrasonido fueron aceptables. En los tubos 3 y 4, denominados tubos chimeneas, se obtuvieron resultados de tubos de sch STD, mientras que en los tubos 1 y 2, denominados tubos de fuego, se obtuvieron resultados de schd XS. No se encontró una variación significativa en las mediciones que pudiera representar una pérdida de espesor, ver figura 5.

En caso de haberse encontrado una reducción del espesor, como por ejemplo una pérdida del 20% o más con respecto al espesor original, habría sido necesario llevar a cabo análisis más detallados y considerar varios escenarios posibles. Por ejemplo, se podría calcular una nueva presión máxima operacional permitida, ya que la presión de diseño es de 5 bars y la presión MAWP es de 7.5, lo cual pudiera dar como opción a la recalificación de las tuberías a una presión MAWP menor siguiendo un procedimiento establecido que implicaría cambiar la presión de la válvula de seguridad. Alternativamente, se podrían reemplazar los tubos. En este caso, dado que las condiciones encontradas fueron aceptables, no se requirió tomar ninguna acción adicional aparte de registrar las mediciones obtenidas.

  • Mediciones de dureza: No inspeccionado
  • Inspección radiográfica: No inspeccionado. Los espesores se obtuvieron con ultrasonido, no indicios de grietas o condiciones que ameritaran radiografía 
  • Soportes y herrajes para tubos: Aceptable
  • Estado de soldadura: Aceptable. Se realizaron tintes penetrantes en soldaduras cercanas a la brida de los tubos y no se encontraron grietas.
Figura 3: Haz tubular previo a limpieza / Figura 4: Haz tubular después de limpieza
Figura 5: Mediciones de espesor utilizando ultrasonido.        
 Elaboración propia.

FITTINGS

  • Corrosión (incrustaciones, picaduras, acumulación). Describir la ubicación, la apariencia y la profundidad: Aceptable
  • Distorsión: Aceptable
  • Mediciones ultrasónicas: Aceptable. No se encontró variación significativa
  • Condición del rollo de tubo, el tapón y las roscas: Aceptable.
  • Estado de soldadura: Aceptable. Tintes penetrantes no revelaron defectos

QUEMADOR

  • Corrosión (incrustaciones, picaduras, acumulación). Describir la ubicación, la apariencia y la profundidad: Aceptable
  • Condición del termopar: Aceptable
  • Cubierta de guía de entrada: Aceptable
  • Estado de la teja del quemador: Aceptable
  • Apariencia de llama: Inaceptable. distribución de llama no uniforme
  • Estado de la punta del quemador: Inaceptable. Presento taponamiento lo cual causo la distribución inadecuada de la llama y coquificación de crudo en los tubos. Se recomendó reemplazar punta y realizar limpieza de componentes del quemador. 
  • Movimiento de puerta de aire primario de piloto y/o premezcla: Aceptable

CHIMENEA (GASES DE HUMOS)

  • Condición externa: Aceptable. Compuesta por dos tubos de 18” de diámetro y 6 metros de longitud. medición de espesor de pared no mostro variación significativa.
  • Estado de los pernos: Aceptable
  • Aislamiento interno, refractario, revestimiento: No aplicable.
  • Soportes de cables de sujeción: Aceptable
  • Condición del amortiguador (tenga en cuenta la libertad de movimiento y el rango de movimiento): Aceptable
  • Gorro de lluvia: Aceptable. Desde el punto de vista mecánico no se encontraron deficiencias del gorro, sin embargo, existe adherencia de hollín en el gorro lo que revela combustión incompleta. Esto se encuentra relacionado a la condición del quemador. Aparte de lo recomendado para el quemador se recomienda que el equipo de instrumentación revise instrumentos, control y calibración para asegurar combustión completa.
  • Estado del revestimiento externo: Inaceptable. El sistema de pintura presento desprendimiento localizado en la chimenea del equipo. Se recomendó limpieza manual mecánica y aplicación de sistema de pintura.

FUNDAMENTOS Y SOPORTES

  • Estado de los soportes de hormigón: Aceptable
  • Estado del acero estructural: Aceptable. Los apoyos y estructura base metálica presentaron condiciones estructurales aceptables, respecto al skid muestra envejecimiento de la pintura.

SOPLADOR

  • Estado del motor del ventilador: No Inspeccionado
  • Estado del impulsor: No inspeccionado

Después de haber cumplido con las recomendaciones establecidas durante la parada del calentador, se concluyó la inspección de campo con éxito. Una vez realizadas las acciones necesarias, se procedió a poner en funcionamiento el calentador nuevamente, y se observaron condiciones operativas aceptables y una distribución de la llama adecuada. Para asegurar la continuidad de la supervisión, se distribuyó un informe completo del proceso, incluyendo la data de mediciones de espesor y demás resultados obtenidos durante la inspección, que fueron almacenados en la base de datos para el seguimiento del historial.

Referencias

  • API 573: American Petroleum Institute. (2013). Inspección de calderas y calentadores de fuego. API Recommended Practice 573 (3ª ed.).
  • API 12K: American Petroleum Institute. (2016). Especificación para calentadores indirectos de campos petroleros (4ª ed.).
  • API 556: American Petroleum Institute. (2011). Sistemas de instrumentación, control y protección para calentadores de gas (2ª ed.). API Recommended Practice 556.
  • API 571: American Petroleum Institute. (2011). Mecanismos de daño que afectan equipos fijos en la industria de la refinación (2ª ed.). API Recommended Practice 571.
  • SSPC-SP 1: Sociedad para la Protección contra la Corrosión. (2007). Limpieza de superficies de acero mediante herramientas manuales y mecánicas. SSPC-SP 1 (4ª ed.).
  • NACE RP0188: Asociación Nacional de Corrosión. (2011). Preparación de superficies de acero antes de la aplicación de revestimientos de protección contra la corrosión.

Sobre el Autor:

Julio Carrillo Palma, PE, CMRP, CRE, CSSBB, VCAT II, Ingeniero mecánico con una maestría en gerencia de operaciones egresado de la Universidad del Zulia – Venezuela. Especialista en la implementación de estrategias de confiabilidad, mantenimiento, lean six sigma y mejora continua en diversas industrias. Actualmente Ingeniero Senior de Confiabilidad en Pfizer, Rocky Mount NC, USA. juliomcp_1@hotmail.com

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