Relación entre Integridad Mecánica y Selección Incorrecta de Materiales

La especificación y selección correcta de Materiales Mecánicos tiene mucha importancia para mantener la Integridad Mecánica de las Instalaciones Petroleras y Petroquimicas.

La Especificación y Selección erróneas de los Materiales Mecánicos puede traer como consecuencia la reducción de la vida útil de las líneas de tubería y pueden ocasionar la descarga al ambiente de sustancias peligrosas, nocivas para los humanos, flora y fauna, e inclusive fuentes potenciales de incendios y explosiones.

Estos errores pueden ocurrir en diferentes etapas de la vida de un material:

1. Errores durante la fase de Ingeniería, dando como resultado especificación no correctas de los materiales mecánicos para las condiciones de servicio.
2. Errores durante fase de compra de los materiales (Procura), en donde un proveedor puede ofrecer algún material  que no cumple con las especificaciones requeridas según diseño, ya sea por desconocimiento, costo y estas pueden ser aceptadas por el departamento de Procura, Ingeniería o Mantenimiento.
3. Errores durante el Almacenamiento y manejo de los materiales, tales como error en la codificación del material. Un material mal codificado, por ejemplo en SAP, puede dar como resultado el uso inadecuado en una Instalación Petrolera o Petroquimica. Por ejemplo inluir un niple con costura en una ubicación técnica en el almacen de un niple que se requiere sea sin costura.
4. Errores durante la instalación, ya sea durante la Construcción o durante el Mantenimiento, con la instalación por error de materiales mecánicos que no cumplen con las especificaciones del diseño.

 

Los errores pueden ser como:

1. Tuberías y otros accesorios de espesor menor a la requerida, dando como resultado que no pueden soportar las presiones y temperaturas que se manejan, o que el tiempo de vida útil se reduzca considerablemente al no resistir las velocidades de corrosión determinadas por diseño. Como por ejemplo el uso de tubería Schedule 40 en vez de Sch 80 requerido.
2. Especificar, seleccionar o aceptar materiales diferentes al requerido, tal como usar un niple con costura en donde debería ser sin costura, el uso de niple sin recubrimiento donde se requiere galvanizado.
3. Bridas y accesorios de un rating menor al especificado en el diseño, los cuales no van a soportar las presiones y temperaturas que se manejan.
4. Sustituciones erradas de materiales, tanto por tipo de material, como de Schedule o rating. Este puede ser por ejemplo el uso de Bridas Slip-on en vez de Wedilg neck. Tambien el uso de accesorios roscados en vez de Socket Weld (SW).

El resultado final puede ser la falla del material instalado erróneamente en una Instalación Petrolera o Petroquimica, ocasionando la emisión al ambiente de sustancias peligrosas, ya sea nocivas a los seres unamos, fauna y flora, como corrosivas o explosivas que puede generar perdidas de vida y daños de las Instalaciones.

Curso de Materiales Mecánicos para la Industria Petrolera y Petroquimica

A continuación les presento el Curso de Materiales Mecánicos dirigido a la Industria Petrolera y Petroquimica.

Tipos de Materiales Usados en la Industria Petrolera y Petroquimica

Los Componentes o Materiales Mecánicos comúnmente usados en la construcción de Instalaciones Petroleras y Petroquimicas son los siguientes:

1. Tuberías

Las tuberías usadas en la fabricación de líneas de Proceso para las Plantas Petroleras y Petroquimicas son determinadas por la Norma ASME B31.3.

Para seleccionar una Tubería para una línea de Proceso se requiere determinar el Material de Fabricación, la resistencia a la Presión y Temperatura y sus Dimensiones.

El material de Fabricación se especifica de acuerdo a la Norma Internacional mas usada como el ASTM. De acuerdo a la Norma ASTM, el material de Fabricación de una tubería de acero al carbono puede ser ASTM A-106 Gr B, A-53 Gr B, etc. Esta Norma determina la composición química de la tubería y sus propiedades mecánicas.

La resistencia a la presión y temperatura se especifica mediante el "SCHEDULE" (SCH). El schedule o cédula de la tubería determina su espesor.

Las Dimensiones de la tubería, como diámetro externo, diámetro interno espesor, etc, está determinado, por ejemplo, por las Normas ANSI/ASME.

Un ejemplo de la especificación de una Tubería para una línea de Proceso puede ser:

Tubería de diam. 2", SCH 80, ASTM A-106-B, ANSI B36.10

2. Bridas

Los tipos de bridas normalmente utilizados son:

- Bridas de Cuello para soldar o Welding Neck (WN)

- Bridas Slip-on o deslizante

- Bridas Lap-joint o brida loca

- Bridas Ring-joint o RTJ

- Bridas Roscadas o Socket well (Enchufe)

En todos los tipos de bridas el material normalmente se rige por la Norma ASTM (ejem ASTM A-105), el dimensionamiento se rige por la Norma ASME/ANSI (ejem ANSI B16.5) y la capacidad se designa por su rating ( 150, 300, 600, 900, etc) y por último se debe especificar el tipo de cara como lo es Raise Face RF, Cara Plana o Flat Face, Ring Joint (RTJ), etc.

Un ejemplo de especificación de Brida es como sigue:

Brida WN Diam 2" RF SCH 80, A-105, B16.5 sin costura

3. Empacaduras

Las empacaduras, son los elementos que sirven para asegurar el sellado de un conjunto bridado, o sea, entre dos bridas.

Las empacaduras pueden ser:

- Empacaduras No-Metálica, tales como las de asbesto, teflon, neopreno, etc. Como las del fabricante Gralock (Blue-Gard), Mamusa, etc.

- Espirometalica o Spiral Wound, tales como las de la marca Flexitallic

- Anillos metálico o RTJ.

- Empacaduras enchaquetadas

La empacaduras se especifican, ademas del tipo y diámetro, con el rating de presión (la misma de la brida), el material y la norma de dimensionamiento, como el API 601 para las espirometalica, y el ANSI B16.21 para las no metálicas.

4. Accesorios de Tubería.

Llamamos accesorios de tubería a todos los elementos que se requiere para completar una linea de tubería de proceso. Estos son:

- Codos. Los codos pueden ser de 90o, 45o, 180o, de radio corto (r=D), radio largo (r= 1.5D), o Bend (curvas) de r= 3D o r=5D. 

- Tee. Pueden ser tee recta o tee reducidas.

- Reducciones. Pueden ser Concentricas o Excentricas

- Derivaciones o Branch connections. Estas derivaciones pueden ser Weldolet, Latrolet, Nipolet, sockolet, etc.

Los accesorios pueden ser para soldar a tope o Butt weld, Socket weld o enchufe, roscados.

En el caso de ser para soldadura a tope, se debe especificar el Schedule (ejem Sch 80) y si son roscados o socket weld se debe especificar el rating como 3000#, 6000#.

Selección de Materiales de Acuerdo a la Presión y Temperatura

Una de las Condiciones mas importantes a la hora de seleccionar un material o componente para una Instalación para la Industria Petrolera y Petroquímica son las condiciones de diseño.

De acuerdo a la Norma ASME B31.3, las condiciones de diseño la define como la condición de Operación de Presión y Temperatura, combinada, mas severa a la que puede trabajar el sistema.

La Norma ASME B31.3 es la Norma que cubre el diseño de las tuberías dentro del Límite de Batería de una Planta Petrolera o Petroquimica.

Cuando se dice que las condiciones de Diseño, es la Condición de Operación Presión/Temperatura mas severa significa, por ejemplo, que un sistema puede trabajar con LPG (Gas Licuado de Petroleo, ejem. Propano) normalmente a una Presión de 30 Kg/cm2 y una temperatura de 50 oC, pero cuando hay una despresurización del Sistema, por ejemplo hasta 10 kg/cm2, la temperatura, tanto del recipiente que lo contiene, como todas las tuberías y equipos aguas abajo, puede llegar a -20 oC.

También se sabe que la resistencia de un material a la Presión depende de la Temperatura, esto es, a medida que la temperatura sea mayor, la resistencia a la Presión es menor.

Esto significa que las Condiciones de Operación que debemos tomar en cuenta son 30 kg/cm2 @ 50 oC y  10 kg/cm2 @ -20 oC. Se debe evaluar los materiales a todas la condiciones de operación Presión/Temperatura a la que puede estar expuesta la tuberías y equipos.

A continuación algunos casos comunes:

Caso1: Gas Licuado de Petróleo

En el caso de los Fluidos como el LPG (Gas Licuado del Petróleo), la despresurización puede generar una baja considerable de temperatura, hasta condiciones criogenicas, esto pasa, como ejemmplo, cuando se está usando una Bombona de Propano de Camping para cocinar, y se puede ver como el cilindro de gas empieza a sudar. Esto es un indicativo de la baja temperatura que se está generando.

Llegar a condiciones de temperatura muy bajas, puede obligar al uso de materiales para Baja Temperatura, como el caso de A-333, Acero Inoxidable, etc, en donde el Acero al Carbono como el A-106 Gr. B se cristaliza a baja temperatura y se comporta como un vidrio, reduciéndose considerablemente su capacidad para resistir golpes (cambios de Presión, etc).

Caso 2: Vapor de Agua

Otro ejemplo muy común es el caso del vapor de agua. Si tenemos en un recipiente, totalmente cerrado, un fluido como Vapor de Agua Saturada, a lo que llamamos Vapor de Alta Presión ( 42 kg/cm2 @ 260 oC) y lo dejamos enfriar, el volumen de vapor contenido en el recipiente pueden convertirse en unas pocas gotas de agua, reduciéndose su volumen considerablemente hasta crearse condiciones de vacío a temperatura ambiente. Esto significa que nuestro sistema que maneja Vapor de Alta puede requerir que sea diseñada para condiciones de vacío, porque si no, el recipiente y tuberías puede colapsar.

Caso 3: Sistemas de Tanque de Almacenamiento

En un Sistema de Almacenamiento, Tanque/Bomba, en el proceso de vaciado de un Tanque de Almacenamiento, el volumen ocupado por el líquido debe ser sustituido por un gas, el cual puede ser Aire (venteo atmosferico), Nitrógeno, etc, porque si no, se puede producir vacío, ocasionando el colapso del Tanque. Normalmente estos Tanques de Almacenamiento de gran tamaño tienen instalados sistemas de rompe vacío, el cual puede ser un simple cuello de cisne, una válvula rompe vacío, o un sistema mas sofisticado de inyección de Nitrógeno, lo que llamamos en Ingles "Blankenting".

Caso 4: Sistemas de secado

Podemos tener un sistema que normalmente trabaja a 4 kg/cm2 @ temperatura atmosférica (40 oC), pero maneja un fluido que se contamina, degrada, o reacciona con el agua. Esto significa que el sistema debe ser "Calentado" con Nitrógeno caliente, por ejemplo a 2 kg/cm2 y 200 oC, para lograr la eliminación del agua que puede estar en las tuberías y equipos. Las Condiciones de Diseño será, la mas severa entre 4 kg/cm2 @ 40oC y 2 kg/cm2 @ 200oC, así sea una condición en la que el sistema va a estar expuesta una sola vez al año durante una hora.

Caso 5: Sistemas de Bombeo

En el caso de un Sistema de Bombeo, en donde se encuentra instalada un Bomba Centrífuga, la máxima presión que podemos encontrar a la descarga de la bomba es cuando está completamente cerrada la válvula a la descarga (caso muy frecuente), esto hace que que la bomba pase a un punto en la curva característica a Cero Flujo y Máxima Presión (shut off).

En el caso de una Bomba Reciprocante (desplazamiento positivo),  y tener cerrada la válvula de la descarga de la bomba, la presión puede incrementarse indefinidamente hasta romperse el elemento mas débil del sistema (por lo general la bridas), por lo que toda bomba de desplazamiento positivo debe tener instalada una válvula de alivio (PSV).

Un elemento clave para determinar la presión máxima de un Sistema, son las Válvulas de Alivio (PSV). La Presión de Ajuste de las Válvulas de Alivio (Set Point) es la Presión Máxima a la que puede llegar el Sistema, tomando en cuenta que esta válvula va a responder adecuadamente a esa presión (presión de ajuste), porque va a estar sometida a un Mantenimiento Preventivo adecuado, y han sido Ajustadas y Certificadas por una Organización Confiable.