colaga 2014 integridad de materiales

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ESTUDIO DE LA INTEGRIDAD DE MATERIALES MEDIANTE

TÉCNICAS METALOGRÁFICAS

Leiry Centeno+58-424-240.32.29

[email protected]

Lecherías, VENEZUELA , 29-31 OCTUBRE 2014

CiMA INTERNACIONAL, C.A.

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INTRODUCCIÓN

Estudio de la integridad de materiales mediante técnicas metalográficas

1. Degradación en servicio de materiales metálicos encomponentes e instalaciones de la industria energética.Fundamentos y procedimientos técnicos.

2. Técnicas metalográficas empleadas para evidenciar lasvariaciones microestructurales asociadas a los principalesmecanismos de degradación de los materiales.

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INTRODUCCIÓN

3. Técnicas metalográficas en laboratorio como métodoinsustituible para la evaluación y cuantificación del daño sufridopor el material asociado al modo y mecanismo de falla presente.

4. Metalografía in situ como prueba no destructiva considerada enlos programas obligatorios de inspección de plantas einstalaciones para el monitoreo de la degradación de losmateriales en servicio y determinación de la vida residual delcomponente.


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DEFINICIONES

FALLA: Un evento no previsible, inherente a los Sistemas Productivos, que impiden que estos cumplan su función bajo condiciones establecidas.

DAÑO: (¿qué pasó?)

Características físicas del deterioro que pueden ser detectadasvisualmente o por técnicas de inspección. Puede ocurrir de unamanera uniforme o localizada.

MECANISMO DE DEGRADACIÓN: (¿cómo pasó?)

Viene dado por las acciones (mecánicas/químicas) que producenel daño. Mecanismo de falla funcional.


(ISO 14224, IEC 60812, API RP 571)

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METALOGRAFÍA

ASTM E7

5


La metalografía es, esencialmente, el estudio de las características estructurales o de constitución de un metal o una aleación para relacionar ésta con las propiedades físicas y mecánicas.

DEFINICIONES

Filosofía de trabajo que tiene por objeto garantizar que todo equipo de proceso sea diseñado, procurado, fabricado, construido, instalado, operado, inspeccionado, mantenido, y/o reemplazado oportunamente para prevenir fallas, accidentes o potenciales riesgos a personas, instalaciones y al ambiente, todo esto basado en data histórica, normas y regulaciones organizacionales, nacionales e internacionales.

INTEGRIDAD MECÁNICA

OSHA, ASME, ANSI, ISO, API,

NACE, ETC

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CONDICIÓN Y VIDA REMANENTE

¿Operación? ¿Reparación?

¿Sustitución?TOMA DE

DECISIONES

PROBLEMA

INTEGRIDAD MECÁNICA/MATERIALES

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¿Cuánto tiempo se puede

operar de manera segura y

rentable y al mismo tiempo

satisfacer las necesidades

relativas a la disponibilidad

operativa y la reducción de las

emisiones contaminantes,

después que lo equipos han

servido su vida útil estimada?

CONDICIÓN Y VIDA REMANENTE EN PLANTAS DE ENERGÍA

Considerar las implicaciones económicas de estas tres

alternativas, así como las implicaciones económicas,

sociales y ambientales de las interrupciones no

programadas debido a fallas repentinas.

mantener en funcionamiento

reparar

reemplazarSeg

uri

dad

Dis

po

nib

ilid

ad

Tiempo de vida remanente (RLT)

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Corrosión

Fatiga térmica

Fluencia

Vida remanente

¿Mejor solución técnica?

METODOLOGÍA MIXTA

Vida Remanente

Inspección Basada en

Riesgo

Ingeniería de Confiabilidad

Garantizar el

funcionamiento

seguro de los

activos

Enfoque multinivel mezcla de diseño, operación, historial de

mantenimiento en combinación con las características del material

PROBLEMA

INTEGRIDAD DEL MATERIAL

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Microestructura

Propiedades

Vida

útil

METALOGRAFÍA


INTEGRIDAD DEGRADACIÓN DEL MATERIAL


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¿Control y monitoreo de daño/vida remanente o

vida útil?


¿Determinar el mecanismo de daño/degradación del

material?

Técnicas No

Destructivas

Metalografía

in Situ

Técnicas

Destructivas

Metalografía

en Laboratorio

¿IN

TEG

RID

AD

DEL

MA

TER

IAL?


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Revisión de la geometría del componente

Ensayos no destructivos

de materiales

Ensayos destructivos de

materiales

Inspección visual

MACRO MICRO

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HERRAMIENTAS DE TRABAJO

Selección de Materiales

Funcionamiento

Mantenimiento

Solución de problemas operativos

ISO 14224 15234

ASTME3 E7 E1351

API 610 571


AISI: Normas de composición de aceros

ASTM: Normas para materiales y su manufactura

API: Normas para la industria del petróleo, usadas por muchas otras industrias

ASME: Códigos para recipientes a presión

NACE: Códigos para materiales expuestos a ambientes corrosivos

SAE: Normas para la industria automotriz, usadas por muchas otras industrias

UNS: Clasificación de metales y aleaciones metálicas

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► Petroleum, petrochemical and natural gas industries - Collection and exchange of reliability and maintenance data for equipment

► Analysis techniques for system reliability –Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA)

► Damage Mechanisms Affecting FixedEquipment in the Refining Industry



SELECCIÓN DE MATERIALES

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API RP 571

Damage Mechanisms Affecting Fixed

Equipment in the Refining Industry

1. GENERAL DAMAGE MECHANISMS – ALL INDUSTRIES

2. REFINING INDUSTRY DAMAGE MECHANISMS

GENERAL DAMAGE MECHANISMS – ALL INDUSTRIES

1. Mechanical and Metallurgical Failure Mechanisms

2. Uniform or Localized Loss of Thickness

3. High Temperature Corrosion [400ºF (204ºC)]

4. Environment – Assisted Cracking



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MECANISMOS DE FALLAAPI RP 571

1. Graphitization2. Softening (Spheroidization)3. Temper Embrittlement4. Strain Aging5. 885ºF Embrittlement6. Sigma Phase Embrittlement7. Brittle Fracture8. Creep / Stress Rupture9. Thermal Fatigue10.Short Term Overheating – Stress Rupture11.Steam Blanketing12.Dissimilar Metal Weld (DMW) Cracking13.Thermal Shock14.Erosion / Erosion-Corrosion15.Cavitation16.Mechanical Fatigue17.Vibration-Induced Fatigue18.Refractory Degradation19.Reheat Cracking

Estudio de la integridad de materiales mediante técnicas metalográficas M

ECH

AN

ICA

L A

ND

MET

ALL

UR

GIC

AL

FAIL

UR

E M

ECH

AN

ISM

S 1. Galvanic Corrosion2. Atmospheric Corrosion3. Corrosion Under Insulation (CUI)4. Cooling Water Corrosion5. Boiler Water Condensate Corrosion6. CO2 Corrosion7. Flue Gas Dew Point Corrosion8. Microbiologically Induced

Corrosion (MIC)9. Soil Corrosion10. Caustic Corrosion11. Dealloying12. Graphitic Corrosion

UNIFORM OR LOCALIZED LOSS OF THICKNESS

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HIGH TEMPERATURE CORROSION [400ºF (204ºC)]

1. Oxidation

2. Sulfidation

3. Carburization

4. Decarburization

5. Metal Dusting

6. Fuel Ash Corrosion

7. Nitriding

ENVIRONMENT – ASSISTED CRACKING

1. Chloride Stress Corrosion Cracking (CI–SCC)

2. Corrosion Fatigue

3. Caustic Stress Corrosion Cracking (Caustic Embrittlement)

4. Ammonia Stress Corrosion Cracking

5. Liquid Metal Embrittlement (LME)

6. Hydrogen Embrittlement (HE)


MECANISMOS DE FALLAAPI RP 571

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INTEGRIDAD DEGRADACIÓN

DE MATERIALES

Antecedentes

Premisas de evaluación

Estudio metalúrgico

Modos y Mecanismos de falla

Características del

proceso/fluido


IDENTIFICACIÓN DEL MECANISMO DE DETERIORO, TASA DE DAÑO

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EVALUACIÓN MICROSCÓPICA

EVALUACIÓN MACROSCÓPICA

METALOGRAFÍA


Réplica metalográfica

Análisis de imagen Metalografía Cuantitativa

ESTUDIO METALÚRGICO

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EVALUACIÓN

MACROSCÓPICA

Inspección Visual

Estereoscopía

Macroscopía

FractografíaInspección visual

Características macroscópicas

de modos clásicos de falla


INICIANDO EL ESTUDIO………

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¿MACROSCOPÍA?

¿MACROGRAFÍA?

¿FRACTOGRAFÍA?

¿Magnificación?

Mecanismo de falla

Modo de falla



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• Tipo de fractura

• Origen de la fractura

• Daños ocurridos después de la fractura

• Presencia de grietas secundarias

• Presencia de marcas de desgaste en las cercanías de la fractura

• Deformación plástica anterior a la fractura

• Presencia de depósitos y/o productos de corrosión

• Cambios de coloración

• Evidencia de sobrecalentamiento

• Cambios dimensionales en el componente




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Grieta

radial


¿QUÉ?¿CÓMO?¿DÓNDE?

INICIANDO EL ESTUDIO……

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• Presencia de segregación

• Solidificación del material

• Comprobar la distribución de defectos como grietas superficiales, de forja, rechupes, partes soldadas

• Carburización/Decarburización

• Homogeneidad/heterogeneidad macroestructural

• Presencia de inclusiones

• Tratamientos mecánicos sufridos por el material (trefilado, laminado, forjado, entre otros)

EVALUACIÓN MACROGRÁFICA



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Macrosegregación

EVALUACIÓN MACROGRÁFICA

¿QUÉ?¿CÓMO?¿DÓNDE?

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Análisis de imagen Metalografía Cuantitativa

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TÉCNICAS DE

PREPARACIÓN

METALOGRÁFICA

Técnicas para la preparación y

diferenciación de fases (corte,

montaje, desbaste y pulido

mecánico, pulido electrolítico).

Otras técnicas de preparación.

Métodos de ataque (químico,

electroquímico, térmico).

Normas técnicas para

preparación metalográfica.


CONTINUANDO EL ESTUDIO………

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Méto

do

s d

e p

repara

ció

n V

s T

ipo d

e e

valu

ació

n

CORTE

ATAQUE

PULIDO

DESBASTE

MONTAJE

Mecánico, Láser

Frío, Caliente

Mecánico, Automático

Mecánico, Automático, Químico-Electrolítico

Químico, Electrolítico, Láser

Selección

Extracción

macro

ym

icro

scopia

OBSERVACIÓN MICROSCÓPICA Óptica, Electrónica

PR

EPA

RA

CIÓ

N M

ETA

LOG

RÁ

FIC

A


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PREPARACIÓN METALOGRÁFICA

CORTE

EMBUTIDO

DESBASTE/PULIDO

OBSERVACIÓN

ATAQUE QUÍMICO

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NORMAS ASTM

Código DescripciónE7 Terminología de metalografía

E3 Preparación metalográfica

E45 Inclusiones no metálicas en aceros

E768 Inclusiones en aceros (Contraste Interferencial, análisis de imagen)

E1245 Inclusiones o constituyentes de segunda fase (Análisis de imagen)

E112 Tamaño de grano

E930 Longitud del grano en secciones metalográficas

E1181 Tamaño de grano en aceros duplex

E340 Macroataque

E407 Microataque

E1351 Réplicas de campo



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Código DescripciónE175 Terminología de microscopia

E1077 Profundidad de descarburización en aceros

E1268 Grado de bandeo u orientación de microestructuras

E562 Fracción volumétrica por conteo manual

E1558 Pulido electrolítico

E1920 Preparación metalográfica de recubrimientos por rociado térmico

E1951 Calibración de retículas y magnificaciones en microscopia óptica

E1180 Impresiones de azufre (evaluación macroestructural)

NORMAS ASTM



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EVALUACIÓN

MICROSCÓPICA

Solidificación

Transformación en estado sólido

Deformación plástica y recristalización

Recubrimientos superficiales

Componentes soldados

MICROESTRUCTURA


ProcesamientoMecanismo de degradación

Servicio

CONTINUANDO EL ESTUDIO………

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CAUSAS DE FALLA SIETE CATEGORÍAS

1. Defectos de diseño

2. Defectos de materiales

3. Manufactura o procesos de fabricación defectuosos

4. Ensamblaje o instalación defectuosos

5. Imprevisiones en las condiciones de servicio

6. Mantenimiento deficiente

7. Malas prácticas de operación



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Corrosión por HCl

Corrosión galvánica

Corrosión por cloruros orgánicos

Corrosión por cloruros inorgánicos

Corrosión por azufre

Corrosión por H2/H2S, Sulfuración

Corrosión por ácidos nafténicos

Corrosión por ácido sulfúrico

Corrosión caustica

Corrosión por amonio

Corrosión por ácido fosfórico

Corrosión por ácido (HF)

ADELGAZAMIENTO DEL METAL

Corrosión atmosférica

Corrosión por aguas agrias

Corrosión bajo depósitos

Corrosión biológica

Corrosión en calderas (agua/condesado)

Corrosión por CO2

Corrosión por cloruros/hipoclorito de sodio

Ataque selectivo ”dealloying”

Oxidación a alta temperatura

Corrosión en caliente


Agrietamiento por amina

Agrietamiento por H2S húmedo

Agrietamiento caustico

Agrietamiento por carbonato

Agrietamiento por cloruros (CLSCC)

Ataque por ácidos politiónicos PTA

Fragilización por metal fundido

Ataque por ácido HF

Corrosión-fatiga

Fatiga

AGRIETAMIENTO DEL METAL

API 571-MECANISMOS DE DEGRADACIÓN ASOCIADOS A


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MECANISMO TIPO DE DAÑO (MODO)

Erosión por sólidos Adelgazamiento

Erosión por liquido Adelgazamiento

Cavitación Adelgazamiento

Desgaste Adelgazamiento

Fatiga mecánica Agrietamiento (superficial/subsuperficial)

Fatiga térmica Agrietamiento

Corrosión-fatiga Agrietamiento

Termofluencia Cambios dimensionales/metalúrgicos. Microgrietas

Sobrecarga Cambios dimensionales. Adelgazamiento

Fractura frágil Cambios dimensionales/propiedades del material


EVALUACIÓN MICROSCÓPICA API 571

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MECANISMO TIPO DE DAÑO (MODO)

Esferoidización/grafitización Cambios p.m.Microfisuras/microporos, agrietam.,

Endurecimiento Cambios propiedades mecánicas

Fragilización (Sigma y Chi) Cambios propiedades mecánicas

Fragilización 885°f Cambios propiedades mecánicas

Fragilización prec. de carburos Cambios propiedades mecánicas

Carburización Cambios propiedades mecánicas/ Agrietamiento

Decarburización Cambios propiedades mecánicas

“Metal dusting” Cambios propiedades mecánicas/Adelgazamiento

Fragilización envejecimiento Cambios propiedades mecánicas

Fragilización por temple Cambios propiedades mecánicas


EVALUACIÓN MICROSCÓPICA API 571

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EVALUACIÓN MACRO/MICROSCÓPICA/DEGRADACIÓN

18

Borde externo

Borde interno

¿MECANISMO(S)?

¿MODO?

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USO DE RÉPLICAS METALOGRÁFICAS

• Para establecer la condición del material requerimos resultados que puedan ser cuantificados?

• Sólo queremos indicar si un defecto está presente o no?

Los ensayos no destructivos son esenciales encualquier programa de evaluación de vidaremanente. El objetivo de esta evaluación escomparar la condición actual del material de uncomponente dado con su condición original paradefinir la cantidad de deterioro del componente.


Cuándo DóndeCómo

Antes de iniciar

METALOGRAFÍA IN SITU

MO/MEB

TÉCNICA DE

REPLICACIÓN

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Cuándo DóndeCómo

H2S

Stripper….

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Components DC TM ME HT PT/MT ET UT RT

- economiser headers X X X

- waterwalls X X X

- boilers drums X X X

- lower waterwalls and headers X

- junction headers X X X

- waterwall risers X X X

- waterwall headers X

- superheater headers (welds) X X X X X

- reheater headers (welds) X X X X X

- desuperheaters :

liners X

nozzles X X

- HT superheater tubing X X X X X X

- steam piping X X X X X X X

- feedwater piping X X

Ejemplo: Calderas

Las técnicas de inspección utilizadas dependen del componente, su ubicación

en el equipo, los modos de daño a evaluar y el material de fabricación.



DC Chequeo dimensional

TM Medida de espesores

ME Evaluación microscópica

HT Ensayo de dureza

PT/MT Líquidos Penetrantes /Partículas magnéticas

ET Corrientes de Eddy

UT Ultrasonido

RT Radiografía

Tomado de: Evaluating the condition & remaining life of older power plants. LABORELEC - BELGIUM

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Cuándo DóndeCómo

Antes de iniciar

Tubo sobrecalentador ASME SA 231 tipo AISI 321 HASME SA 213 T11

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Ejemplo Mecanismos de degradación

(localizado o generalizado)

Predicción de la vida útil

Envejecimiento de componentes de caldera y tuberías

FluenciaFatiga Térmica

Cálculo/Microestructura del material

Otros mecanismos Microestructura del material

Falla por creep en tubo recalentador debido a la formación de una gruesa cascarilla de óxido

Falla por creep en tubo recalentador debido a agrietamiento (sensibilización) del material

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USO

DE

RÉP

LIC

AS

MET

ALO

GR

ÁFI

CA

S


Nivel de daño

Acción requerida

A No se requieren medidas correctivas

B Monitoreo mediante réplicas a intervalos especificados

C Servicio limitado hasta la reparación

D Reparación inmediata

cavidades aisladas

cavidades orientadas

microgrietas

macrogrietas

Tiempo de exposición

De

form

ació

n p

or

Cre

ep

Fractura

Esta teoría realmente se utiliza como una técnica de monitoreo, y no como un método predictivode vida. Sin embargo, debido a su simplicidad, mundialmente es aceptada por todos losoperadores de plantas de energía.

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• La metalografía situ, cuando se aplica correctamente, puede generar información valiosa para un funcionamiento seguro y fiable de las plantas de proceso.

• El monitoreo periódico de la microestructura puede generar confianza operativa y proporciona directrices útiles para las decisiones de reemplazo a tiempo o ayuda a las evaluaciones de extensión de la vida útil.


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CONCLUSIÓN

Evaluación y cuantificación del daño sufrido por elmaterial asociado al modo y mecanismo de fallapresente.

Evaluación y cuantificación de la degradación de losmateriales en servicio y determinación de la vidaresidual del componente.


INT

EG

RID

AD

DE

MA

TE

RIA

LE

S

TÉCNICAS

METALOGRÁFICAS

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RECOMENDACIONES

• Combinar los estudios de vida remanente con la evaluaciónmicroestructural del material para determinar el nivel dedegradación y su repercusión en la vida útil del componente.

• Considerar que el proceso de deterioro del material puededarse por la sinergia de múltiples mecanismos de daño.

• Es conveniente correlacionar las siguientes variables:Nivel de daño, evaluado por la microestructuraVida operativa del componenteIntervalos (frecuencia) de inspección


INT

EG

RID

AD

DE

MA

TE

RIA

LE

S

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FUNDATEC-CEAMETAL

AGRADECIMIENTOS

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POR SU ATENCIÓN

…GRACIAS…

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