Análisis de falla de los tubos transportadores de gas reductor del horno precalentador de una planta de reducción directa

Lares, Maritza de¹, Gil, Linda², Jiménez, Lis Lorena³

Centro de Estudios de Corrosión y Nuevos Materiales. Dpto. Ingeniería Metalúrgica Unexpo - Puerto Ordaz.

¹maritzajml@hotmail.com. ²lindagil@cantv.net ³lljimenez77@hotmail.com

Resumen

Los Tubos Transportadores de Gas Reductor del Horno Precalentador de una empresa de reducción directa de finos de mineral de hierro, presentaron una falla del tipo catastrófica, que ameritó su sustitución y la realización de este estudio. La rotura de los tubos consistió en la pérdida de material por daño tipo picadura en la zona expuesta a mayor temperatura. Siguiendo la metodología de análisis de fallas se dió respuesta a las causas que originaron la falla. Las fotomicrografias por MEB evidenciaron ataque localizado en ciertas fases con pérdida de material y con la consiguiente formación de cavidades. Los resultados de EDX realizados a los productos de corrosión señalaron que el proceso corrosivo está asociado a una presencia significativa de azufre. La evidencia señala un ataque localizado por un mecanismo de sulfidizacion como causa de la falla.

Palabras claves: Análisis de Falla/ Horno Precalentador/ Corrosión/ Picadura/Planta de Reducción Directa.

I. INTRODUCCIÓN.

En esta investigación se presenta el estudio de un análisis de fallas de los Tubos de un Horno Precalentador que transporta gas de proceso para la reducción de finos de mineral de hierro. Para tal fin se suministraron tres secciones de los tubos que se identificaron como sigue: Muestra A (Usada con poco ataque), Muestra B (Zona del codo y muy atacada), y Muestra C (Zona vertical del tubo completamente atacado) sobre las cuales se aplicó la metodología para realizar un análisis de fallas. La rotura de los tubos se sucedió en la zona de más alta temperatura y con mayor intensidad en el cordón de soldadura y en los codos de empalme. Esta falla trajo como consecuencia una parada de la planta para sustitución de los tubos, con la subsiguiente pérdida de producción.

II.-DESARROLLO

1. Métodos.

Siguiendo la metodología de análisis de falla se cumplieron los siguientes pasos:

1) Estudio de historia de servicio Previa de los tubos en planta

2) Examen Prelimar: Detalles de la Falla y Selección de muestras a estudiar (Fig. 1).

3) Inspección Visual (Toma de fotografías en planta y detalles en laboratorio).

4) Análisis Químico del material de fabricación de los tubos.

5) Caracterización Microestructural.

6) Microscopía Electrónica de Barrido con Microanálisis.

7) Determinación de dureza

8) Difracción de Rayos X a los productos de corrosión.

Fig. 1. Esquema de Horno Precalentador para la selección de muestras

2. Resultados:

2.1. Inspección visual.

La Figura. 2 indica el esquema de la toma de muestras en planta para el análisis de falla.

Fig. 2. Esquema de la toma de muestras en planta

La Figura 3 presenta un aspecto macroscópico de los tubos fallados donde se observa el ataque severo tipo picadura en los codos de empalme (Fig. B) y el ataque interno en menor grado en la zona vertical de los tubos (Fig. C)

Fig. 3) Muestra A: Usada con poco ataque corrosivo. Muestra B: Zona del codo muy atacada y Muestra C: Zona vertical del tubo.

2.2. Análisis químico

En la Tabla I se presenta el análisis químico de tubo. Las especificaciones del fabricante indican que los tubos son de un acero ASTM A297 grado HP. Sin embargo al comparar los resultados obtenidos con las especificaciones de este acero, se observa que el porcentaje de cromo en los tubos es mayor al porcentaje nominal correspondiente a la especificación ASTM A297, Grado HPNb.

Tabla I. Análisis Químico de la aleación de los tubos.

2.3. Caracterización Microestructural.

Los resultados indican que las muestran analizadas presentan una matriz austenítica con carburos interdendríticos. El Tipo de Inclusiones son óxidos globulares, nivel de inclusiones 1 1/2. de la serie gruesa según la ASTM E-45. En la Figura 4 se presentan las fotomicrografias de las secciones de los tubos analizadas, que muestran las fases y los carburos presentes.

Figura 4. Fotomicrografías de las secciones de los tubos analizadas.

Fig. 4.1. Muestra A: A) Se observan las fases presentes a (100x) y B) Detalle de los carburos formados.

Fig. 4.2. Muestra B: C) Fases presentes a (100x) y D) Detalle los carburos formados

Fig. 4.3. Muestra C: E) Fases presentes a (100x) y F) Detalle (1000X) de los carburos formados.

2.4. Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Microanálisis por Energía Dispersiva (EDAX).

Se realizó Microscopía Electrónica de Barrido a muestras en secciones transversales y frontales en contacto con el gas de proceso, con la finalidad de evaluar los daños por corrosión y caracterizar por microanálisis (EDAX) los productos de corrosión. A continuación se presentan las fotomicrografias obtenidas en las condiciones estudiadas con sus respectivos EDAX. Los resultados señalan una presencia significativa de azufre, sugiriendo un ataque localizado por un mecanismo desulfidizacion como causa de la falla.

2.5. Difracción de Rayos X.

En la Tabla II se presenta el análisis por Difracción de Rayos X de los productos de corrosión tomados en la parte interna de los tubos fallados.

Tabla II. Difracción de Rayos X de los Productos de Corrosión.

3. Discusión de Resultados.

Los resultados de los análisis químicos (Tabla I), indican que el material de fabricación de los tubos del horno en estudio no se ajusta a las especificaciones de un acero ASTM A 297 Grado HP Nb. La caracterización microestructural de las tres muestras analizadas (Fig. 4) arrojó que la aleación de los tubos presenta como fases una matriz austenítica con carburos interdendríticos, con un nivel de inclusiones de 1 _ serie gruesa y del tipo óxidos globulares,

Las fotomicrografías de la zona frontal de la muestra B, sección frontal, (Fig. 5), tomadas por MEB, indican un daño por picaduras, esto se corrobora con las imágenes de la sección transversal, (Fig. 6) en las cuales se evidencia ataque localizado en ciertas fases con pérdida de material y con la consiguiente formación de cavidades. El microanálisis de la superficie corroída (Fig.5 y 6) indica la presencia en los productos de corrosión de los elementos O, Si, Fe, Cr como elementos mayoritarios. Es importante destacar la presencia de azufre en la zona de las picaduras, lo que asocia la presencia de este elemento al mecanismo de ataque corrosivo por sulfidizacion. (2) En la muestra C, correspondiente a los tubos de la zona vertical del horno, se corrobora los resultados obtenidos en la muestra B, es decir un fuerte ataque corrosivo. La capa de productos de corrosión que se forma está constituida fundamentalmente por óxidos de cromo y de hierro.

Fig. 5. Fotomicrografía por MEB y su EDAX, de la muestra B (codo), sección frontal, donde se observa daño por picadura con pérdida de material

Fig. 6. Fotomicrografía por MEB de la sección transversal de la muestra B (zona soldada al codo), en la cual se presenta el mayor deterioro. El EDAX muestra la presencia de azufre en porcentaje bastante significativo.

Fig. 7. Fotomicrografía por MEB con EDAX de la sección transversal de la muestra C (Zona vertical) evaluada en la zona soldada al codo, donde se presenta el mayor deterioro corrosivo

Las fotomicrografías por MEB de ambas muestras presentan productos de corrosión ricos en azufre y se observa que el ataque corrosivo ocurre preferencialmente a través de los carburos en los bordes de grano, lo cual se explica por la generación de una micropila galvánica entre la matriz y la interfase con los carburos, originándose una corrosión microgalvánica preferencialmente por la zonas de la matriz cercana a los límites de grano. Los resultados de DRX corroboran los resultados obtenidos por EDX, en los cuales se evidencia que los principales productos de corrosión son óxidos de cromo, de hierro, y de níquel. Es importante destacar la presencia de sulfuro hierro, lo que confirma la ocurrencia de un fenómeno de ataque corrosivo por azufre. Los resultados de la difracción de rayos X de los depósitos no orientan hacia un problema de Metal Dusting ya que no se detectó la presencia de carbón y/o grafito (3,4)

III. CONCLUSIONES

1. La evidencia señala un ataque localizado por un mecanismo de sulfidización.

2. La composición química no se corresponde con la de una aleación ASTM A 297 HP Nb.

3. La microestructura de la aleación evaluada luego de estar en uso, corresponde a una matriz austenítica con presencia de carburos interdendríticos.

4. Los principales componentes de los productos de corrosión son óxidos de cromo, de níquel, de hierro y sulfuro de hierro.

IV. REFERENCIAS

1. Collins, J.A. “Failure of Materials in Mechanical Design”. John Wiley & Sons. 1981, pp 510-518.        [ Links ]

2. Gordon W. Powell,Salah E. Mahmoud. “Metals Handbook: Failure analysis and prevention”. 9th ed. Vol. 12, Materials Park, ASM International. USA 1987, pp 140-158.        [ Links ]

3. Vander Voort, G. F. “Metallography in Failure Analysis.” New York, J.L. Mc Call and P.M. French, eds. 1978, pp 250-265.        [ Links ]

4. Maier, M. Norton, J.F and Frampton, P.D Metal Dusting of 9-20% Cr Steels in Increased Pressure Environments at 560ºC. Mater, Corrosion 49.300 1998.        [ Links ]