Título: Reparación de Domo para Caldera del Ingenio Azucarero “Urbano Noris”. Autores: Dr. Carlos René Gómez Pérez. crene@uclv.edu.cu

Dr. Manuel Rodríguez Pérez. manuelr@uclv.edu.cu Ing. Alexis Masa Sánchez. amaza@uclv.edu.cu Ing. Enrique Velásquez Pérez. evelazquez@uclv.edu.cu Ing. Jorge V. Miguel Oria jorgev@uclv.edu.cu

Resumen: Los domos de calderas de ingenios azucareros constituyen uno de los recipientes más complejos por las presiones y temperaturas de explotación y la cantidad de agujeros en su cuerpo. El costo de un domo para caldera de central azucarero se estima entre los seis mil y ocho mil dólares estadounidenses. La reparación de recipientes a presión es un tema de debate necesario entre los especialistas, pues aspectos económicos y códigos se contradicen. Son pocos los códigos especializados en soldaduras que refieren la posibilidad de la reparación de este tipo de instalaciones industriales, sin embargo se conoce de casos en que se han hecho con fines remediales. El desmontaje inadecuado del tercer domo superior del ingenio “Urbano Noris”, de Cuba, mediante procedimientos de corte con arco eléctrico y aire, trajo consigo el deterioro de más de 150 agujeros de su cuerpo, en el lugar de la maya. El presente trabajo propone un procedimiento para la reparación de los agujeros de la maya de este domo para su posterior reinstalación, a partir de los resultados de la inspección practicada. En este procedimiento se consideran los criterios de los códigos sobre la reparación de recipientes a presión, las particularidades de explotación y degradación estructural del cuerpo del domo, así como los criterios de los especialistas de ensayos no destructivos practicados y las técnicas más adecuadas de reparación por soldadura aplicables en este caso. Palabras claves: Recuperación de domos, soldadura de reparación. Abstract: The pressure vessels of boilers of sugar industry constitute one of the most complex recipients for the pressures and temperatures of exploitation and the quantity of holes in their body. The cost of a dome for sugar power station boiler is considered between the six thousand and eight thousand American dollars. The repair of pressure recipients is a topic of necessary debate among the specialists, because economic aspects and codes are contradicted. They are few welding codes that refer the possibility of the repair of this type of industrial facilities, however are known cases in that it has been made with remedial ends. The inadequate disassembly of the superior third dome of the "Urban Noris" sugar industry, of Cuba, by means of court procedures with electric arc and air (torch), get the deterioration of more than 150 holes of their body, in the place grate. The present work proposes a procedure for the repair of the grate holes of this dome, starting from the results of the practiced inspection. In this procedure they are considered the approaches of the codes on the repair of pressure recipients, the particularities of exploitation and structural degradation of the body of the dome, as well as the approaches of the specialists of practiced non destructive rehearsals and the most appropriate techniques in repair for applicable welding in this case. Key words: Recovery of domes, repair welding.

Introducción: En Cuba se lleva a cabo una política de reestructuración de la agroindustria azucarera, para mejorar la eficiencia del sector. Esta política ha llevado al desmantelamiento de algunos centrales y el incremento de las potencialidades de molienda y procesamiento de otros, incluyendo la diversificación de la producción azucarera. Estos aspectos conllevan al desmontaje de partes y piezas de ingenios y a la adaptación de otros, para alcanzar potencias superiores y procesos industriales adicionales a los existentes. Son las calderas de los centrales las encargadas de generar en la actualidad de la industria azucarera cubana la mayor cantidad de potencia mecánica y de vapor para otras funciones. Los domos constituyen el corazón de las calderas de ingenios azucareros, considerándose uno de los recipientes más complejos por las presiones y temperaturas de explotación y la cantidad de agujeros en su cuerpo. El costo de un domo para caldera de central azucarero se estima entre los seis mil y ocho mil dólares estadounidenses. La desactivación inadecuada de algunos domos ha conllevado a su desecho. Este es el caso del tercer domo superior del ingenio “Urbano Noris”, de Cuba, al cual se desmontó mediante procedimientos de corte con arco eléctrico y aire. El empleo descuidado de este procedimiento trajo consigo el deterioro de más de 150 agujeros de su cuerpo, en el lugar de la maya. El ICINAZ, empresa de consultoría de servicios de ingeniería para la industria azucarera de Cuba, solicita al Centro de Investigaciones de Soldadura la asesoría para la defectación y posible reparación de este domo, que deberá ser montado nuevamente. La reparación de recipientes a presión es un tema de debate necesario entre los especialistas, pues aspectos económicos y códigos se contradicen. Los códigos especializados en soldaduras no refieren la posibilidad de la reparación de este tipo de instalaciones industriales, sin embargo se conoce de casos en que se han hecho con fines remediales. El presente trabajo propone un procedimiento para la reparación de los agujeros de la maya de este domo para su posterior reinstalación, a partir de los resultados de la inspección practicada. En este procedimiento se consideran los criterios de los códigos sobre la reparación de recipientes a presión, las particularidades de explotación y degradación estructural del cuerpo del domo, así como los criterios de los especialistas de ensayos no destructivos practicados y las técnicas más adecuadas de reparación por soldadura aplicables en este caso.

Desarrollo: Características de los domos de calderas de ingenios azucareros. Existen innumerables tipos y formas de recipientes que trabajan bajo presión. También que trabajan a relativa alta temperatura. La combinación de ambos aspectos y una configuración compleja, hacen de los domos de calderas de ingenios azucareros uno de los recipientes más complejos por las presiones y temperaturas de explotación y la cantidad de agujeros en su cuerpo. En la tabla 1 se refieren algunos datos técnicos de domos retirados de funcionamiento en Cuba.

Tabla 1: Datos técnicos de algunos domos desmontados en Cuba.

Criterios sobre las consideraciones de los códigos en la reparación de recipientes a presión. La reparación de recipientes a presión es un tema de debate necesario entre los especialistas, pues aspectos económicos y códigos se contradicen. Los códigos especializados en soldaduras de recipientes a presión, tales como el ASME(1), no refieren la posibilidad de la reparación de este tipo de instalaciones industriales, sin embargo se conoce de casos en que se han hecho con fines remediales. No obstante, considerando que el código de la National Board Inspection Code(2) suministra las reglas para la inspección, reparaciones y alteraciones por soldadura en calderas y recipientes a presión, después que estos han sido puestos en servicio es recomendable su uso para resolver este aspecto. Características del tercer domo superior del ingenio “Urbano Noris”, de Cuba. Según información suministrada por el ICINAZ, estos domos se han explotado durante 9 campañas. Se desconoce el régimen de explotación (ciclos de presiones y temperaturas). Sin embargo, se poseen los datos relacionados en la tabla 2.

Datos técnicos de diseño

Designación Procedencia Presión prueba

(Kp/cm2)

Presión admisible (Kp/cm2)

Diámetro Interior (mm)

Longitud (mm)

Espesor Cuerpo (mm)

Espesor Tapa (mm)

Material

1 Inferior CAI Camilo 45 34 1160 7602 30 18 19Mn5N

2 Superior CAI Panamá 45 34 1576 8502 38 22 19Mn5

2 Inferior CAI Panamá 45. 34 1160 7602 30 18 19Mn5N

3 Inferior CAI Urbano 45 34 1160 7602 30 18 19Mn5N

Tabla 2: Datos técnicos del diseño del domo superior del ingenio “Urbano Noris, de Cuba.

Otros datos de interés son: Diámetro de los agujeros de la malla 51,5 +0.3 mm; Paso entre los agujeros de la malla (Longitudinal) 95 mm, Paso entre los agujeros de la malla (Transversal) 82,5 mm. Estrategia seguida para la reparación del domo superior del ingenio “Urbano Noris”, de Cuba. I- Inspección del metal base La composición química del domo se refleja en la tabla 3.

Tabla 3: Composición química del domo superior del CAI “Urbano Noris”

Marca acero C

(%) S i (%)

Mn (%)

Cr, (%)

Ni (%)

Cu (%)

P, S (%)

19Mn5 0,17 - 0,23 0,44 – 0,60 1 – 1,5 ≤ 0,04 ≤ 0,04 La inspección visual arrojó que el desmontaje inadecuado del tercer domo superior del ingenio “Urbano Noris”, de Cuba, mediante procedimientos de corte con arco eléctrico y aire, trajo consigo el deterioro de más de 150 agujeros de su cuerpo, en el lugar de la maya con socavaduras provocadas por el proceso de oxicorte, que se extienden, en algunos casos, sobre el borde superior de los agujeros (figura 1a) y, en otros, desde el borde hasta el fondo (figura 1b). Los agujeros afectados se encuentran contiguos (ver figura 1b), representando más de un 20 % de la totalidad de los agujeros de la maya, siendo esta la zona más vulnerable de la pared del domo.

a) Defectos de la socavadura. b) Defectos de socavaduras en la malla del domo.

Figura 1: Defectos en la malla del domo superior del ingenio “Urbano Noris”, de Cuba.

Datos técnicos de diseño

Presión prueba (Kp/cm2)

Presión admisible (Kp/cm2)

Diámetro Interior (mm)

Longitud (mm)

Espesor Cuerpo (mm)

Espesor Tapa (mm)

Material

45 34 1576 8502 38 22 19Mn5

En este domo existen zonas afectadas térmicamente producto del oxicorte, que pudieran agudizarse en el caso de una reparación con estos métodos. Sin embargo, la metalografía “in situ” (ver figura 2) arroja que no sufrió cambios estructurales durante su explotación.

Figura 2: Microestructura “in situ” del domo superior del ingenio “Urbano Noris”.

Estructura Ferrítico-Perlítica tamaño de grano 7. Ataque con nital al 1 %. Aumento 140X.

La medición de espesores (ver tablas 4 y 5) cumple con la norma de reutilización.

Tabla 4: Medición de espesores (banquetes 1A y 1B) en el domo superior del ingenio “Urbano Noris”. Mediciones Realizadas

Casquete 1 A Casquete 1B Nº I II III IV V −

x I II III IV V −

x 1 20,8 20,6 20,8 20,6 20,7 20,7 21,5 21,6 21,4 21,4 21,4 21,46 2 20,5 20,6 20,3 20,3 20,4 20,42 21,2 21,5 21,6 21,2 21,0 21,3 3 20,7 20,7 20,7 20,7 20,8 20,72 21,1 20,9 21,3 21,2 20,9 21,08 4 21,3 21,3 21,4 21,3 21,6 21,38 21,4 21,3 21,6 21,6 21,5 21,48 −

x 20,83 20,8 20,8 20,73 20,88 20,81 21,3 21,33 21,48 21,35 21,2 21,33

Tabla 5: Medición de espesores (Cuerpo) en el domo superior del ingenio “Urbano Noris”. Identificación Mediciones Realizadas en la Malla

Nº Columnas Filas I II III IV V −

x 6 10 - 11 IX - X 37,9 37,8 38,1 37,8 38,0 37,92 7 10 - 11 XVIII - XIX 38,0 37,9 38,0 37,9 37,9 37,94 8 20 - 21 IX - X 37,9 38,1 37,8 37,9 38,0 37,94 9 20 - 21 XVIII - XIX 37,9 38,0 38,1 37,9 38,1 38,00 10 30 – 31 IX - X 38,0 37,9 37,9 38,0 38,0 37,96 11 30 -31 XVIII - XIX 37,9 37,7 37,7 37,9 38,0 37,84 12 40 – 41 IX - X 38,0 38,0 37,9 38,0 37,9 37,96 13 40- 41 XVIII - XIX 38,0 38,0 37,9 38,0 38,0 37,98 14 50 – 51 IX - X 37,7 37,4 37,4 37,6 38,0 37,62 15 50 – 51 XVIII - XIX 37,3 37,3 37,1 37,3 37,3 37,26 16 60 – 61 IX - X 37,4 37,3 37,1 37,0 37,2 37,20 17 60 – 61 XVIII - XIX 37,5 37,7 37,4 37,7 37,7 37,60 18 63 – 64 IX - X 37,5, 36,7 37,1 37,2 36,9 36,98 19 73 - 74 XVIII - XIX 37,4 37,5 37,6 37,4 37,4 37,46 20 Fuera Malla XVIII - XIX 36,8 37,1 37,1 37,0 37,1 37,02

−

x 37,1 37,3 37,35 37,2 37,25 37,24

Considerando que una reparación de domos usados debe, cumplir con la condición de que al repararse el equipo debe superar, al menos, en más de una vez y media, la vida útil de la fusería de la caldera, es recomendable planificar una reparación que satisfaga estas consideraciones. II-Reparación por soldadura.

2.1. Análisis de soldabilidad del metal base. La temperatura de precalentamiento puede ser calculada, a partir de un gran número de formulaciones, las que se basan en el cálculo del Carbono Equivalente. Entre algunas de las fórmulas para el cálculo del carbono equivalente se encuentran:

• Según el Código D.1.1 CE=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5 +(Ni+Cu)/15 (1)

• Según el IIW CE= C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 +(Ni+Cu)/15 (2)

• Según el JIS CE=C+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14+Si/24 (3)

• Según el WINTERTON CE=C+Mn/6+Ni/20+Cr/10+Cu/40-Mo/50-V/10 (4)

• Según el LINCOLN CE=C+Mn/6+Ni/15+Mo/4+Cr/4+Cu/13 (5)

Estas fórmulas de Carbono Equivalente (CE) intentan expresar, a través de números, como influye la composición química de los aceros sobre su soldabilidad, en especial en la fisuración en frío. Sin embargo, estas fórmulas poseen su campo de validez, que está limitado por la siguiente composición química: ≤0,5 %C; ≤3,5% Ni; ≤1% Cr; ≤1,6% Mn; ≤0,6% Mo; ≤1% Cu No obstante, según Códigos(2) (capítulo III, suplemento 2 “Minimum Temperaturas For Preheating”, para un acero P1, del grupo 1, 2 y 3, solo lleva precalentamiento si tiene más de 0,3 5 de C y espesores superiores a 25 mm, (1”), por lo que la reparación ha de realizarse sin este proceder.

2.2. Limpieza y preparación de la superficie. La limpieza de la superficie debe realizarse con disco abrasivo, con profundidades mínimas indispensables para eliminar vestigios de restos de óxidos en la profundidad de las socavaduras (R-401.1.1)(2).

2.3. Propuesta de EPS, hoja de especificación de procedimiento de soldadura. En el anexo se brinda una propuesta de Especificación de Procedimiento de Soldadura (EPS), considerando una reparación como cualquier trabajo necesario para restaurar una caldera o un recipiente a presión para operar en condiciones de operación segura y satisfactoria, para lo cual no debe desviarse de las condiciones de diseño (R200,

Definition of terms) y que la soldadura de agujeros se considera una rutina natural de reparación (Capítulo III, suplemento 1, inciso C9)(2). El procedimiento de reparación propuesto en el presente trabajo considera los tipos y magnitudes de defectos encontrados en los agujeros de la maya del domo, a partir de los resultados de la inspección practicada, y los requisitos necesarios a cumplir para su posterior reinstalación. En este procedimiento se consideran los criterios de los códigos sobre la reparación de recipientes a presión, las particularidades de explotación y degradación estructural del cuerpo del domo, así como los criterios de los especialistas de ensayos no destructivos practicados y las técnicas más adecuadas de reparación por soldadura aplicables en este caso. Considerando que los defectos están conformados por la pérdida de la geometría en los bordes y algunos surcos hacia el interior de los agujeros, el procedimiento de reparación más aconsejado a aplicar es la soldadura manual con electrodo revestido, sin precalentamiento, ni tratamiento térmico posterior, dirigido sobre las zonas deterioradas de cada uno de los agujeros de la maya, limpiando con disco abrasivo la zona afectada previa y posteriormente de ser aplicado el proceso. El electrodo más aconsejable para este tipo de acero es un E7018 (R305)(2), electrodo de polvo de hierro y potasio de bajo hidrógeno, de diámetro 3,2 mm (1/8 in.), con longitud normalizada de 350 mm (14 in.) con corrientes entre 120 y 130 A, que no requiere ensayos mecánicos, según la literatura especializada(3). La composición química del electrodo se refiere en normas(3). Seguido del relleno se hace necesaria la restauración de dimensiones mediante un mandrinado. III-Procedimiento de inspección. El procedimiento de inspección está compuesto por tres fases importantes: antes durante y después de aplicado el proceso de recuperación por soldadura. El procedimiento de inspección aplicado para la detección de los defectos está basado en técnicas de inspección in situ, tales como la inspección visual y la metalografía. El procedimiento de inspección durante la soldadura incluye la certificación del procedimiento y de los soldadores involucrados, la revisión de los certificados de calidad de los electrodos y el seguimiento por los soldadores del procedimiento de recuperación establecido. El procedimiento de inspección después de la soldadura se enmarca en la aplicación de un examen visual, líquidos penetrantes y ultrasonido para la revisión de posible falta de relleno, fisuras e inclusiones de escoria. Esta inspección ha de realizarse antes del maquinado.

Conclusiones:

1. Cuando las piezas o equipos son de gran envergadura técnica y/o económica deben velarse las recomendaciones existentes para su desmontaje, sin dañar la forma y dimensiones de sus componentes en el sentido de facilitar cualquier trabajo de reparación posterior.

2. La inspección visual arrojó que el desmontaje inadecuado del tercer domo superior del ingenio “Urbano Noris”, de Cuba, mediante procedimientos de corte con arco eléctrico y aire, trajo consigo el deterioro de más de 150 agujeros contiguos de su cuerpo, en el lugar de la maya con socavaduras provocadas por el proceso de oxicorte, que se extienden, en algunos casos, sobre el borde superior de los agujeros y, en otros, desde el borde hasta el fondo, representando más de un 20 % de la totalidad de los agujeros de la maya, siendo esta la zona más vulnerable de la pared del domo.

3. La medición preliminar de espesores de trabajo permiten extender su vida útil en explotación por encima de la vida útil de la fusería, por los que cumple con los requisitos económicos de reutilización.

4. El procedimiento de reparación más aconsejado a aplicar, es la soldadura manual con electrodo revestido (E 7018), sin precalentamiento, y tratamiento térmico posterior, considerando las particularidades respecto a la soldabilidad del metal base. El régimen de soldadura debe ser: Diámetro del electrodo 3,2 mm, utilizar corriente directa y polaridad invertida con valores entre 120 – 130 A.

5. Para realizar la reparación, las zonas deterioradas de cada uno de los agujeros de la maya, se deben limpiar con disco abrasivo eliminándose toda la capa de oxido y los residuos existentes como resultado del proceso de oxicorte. Una vez depositada cada una de las capas de relleno, debe eliminarse cuidadosamente la escoria con ayuda de cepillo de alambre y disco abrasivo de ser necesario.

Bibliografía: 1. ASME 1998. Código de calderas y Recipientes a Presión. Seción IX. Norma de

calificación de procedimientos de soldadura y soldadura fuerte, soldadores y operarios de soldadura y soldadura fuerte.

2. National Board Inspection Code. A manual for Boiler and Pressure Vessel Inspectors. 1985. 227 pp.

3. SFA 5.1: Specification for covered carbon steel arc welding electrodes.

Especificación del Procedimiento de Soldadura (EPS) Welding Procedure Specification (WPS) No: 01/06

Hoja 01 de 02

Basado en la American National Standard AWS D1.3/D1.3M:2002

Nombre de la compañía: CIS EPS Nro: 01/06 Fecha: 09/07/2006 Nro (s) del PQR que apoya (n): 07/06 Revisión Nro: Fecha: 09/07/2006

Proceso(s) de Soldadura: SMAW Tipos: Manual (Manual, semiautomático, mecanizado, automático)

Juntas Tipo de junta: BW

(A tope BW, en ángulo FW) Respaldo: Sí: No: X

Material del respaldo: N/A (Metal, metal que no se funde, no metálico, otros)

Diseño de la junta (croquis) N/A

Secuencia de soldadura (croquis) N/A

Metales Base Nro P: 1 Nro Grupo: 2 a Nro P: 1 Nro Grupo: 2 Especificación, Tipo y Grado: A 537 Grado 1 a Especificación, Tipo y Grado: A 537 Grado 1 Análisis químico: C = 0,24 %; Mn = 0,7 – 1,6 %; Si = 0,15 – 0,50 %; P≤ 0,35 %; S ≤ 0,04 %; Cr = 0,25 %, Ni = 0,25 %; Mo = 0,08 %; Cu = 0,35 %. Propiedades mecánicas: Resistencia a la tracción: 550 - 585 MPa Límite de fluencia: 310 MPa Alargamiento: 22 %

a

Análisis químico: C = 0,24 %; Mn = 0,7 – 1,6 %; Si = 0,15 – 0,50 %; P≤ 0,35 %; S ≤ 0,04 %; Cr = 0,25 %, Ni = 0,25 %; Mo = 0,08 %; Cu = 0,35 %. Propiedades mecánicas: Resistencia a la tracción: 550 - 585 MPa Límite de fluencia: 310 MPa Alargamiento: 22 %

Orden de espesores: Metal base: 38 mm Ranura: N/A Filete: N/A Diámetro de tubo: N/A Otros: Metales de Aporte Nro especificación SFA 5.1 Nro AWS (Clase) E7018 Nro F 4 Nro A 1 Tamaño de metales de aporte: 280 mm Orden de espesores Metales de aporte: ∅ (1/8”) 3 mm Fundente del electrodo (clase) N/A Nombre comercial del fundente N/A Metal del inserto consumible N/A Otros N/A

Especificación del Procedimiento de Soldadura (EPS) Welding Procedure Specification (WPS) No: 01/06

Hoja 02 de 02

Basado en la American National Standard AWS D1.3/D1.3M:2002

Posiciones Tratamiento térmico posterior a la soldadura

Orden de Temperatura: N/A Orden de Tiempos: N/A

Gas

Posición (es) de ranura: Si Progresión: Ascendente: X Descendente: No Posición (es) de filete: N/A Composición

Gas(es) Mezcla Gasto Protección No - - Arrastre No No No

Precalentamiento Temp. Precalent. Mín.: No Temp. entre pasadas: Máx.: No Mantenencia de Precalent.: No Respaldo No No No Características Eléctricas

Metal de aporte Corriente de soldadura

Nro

Pasada

Proceso de

soldadura Tipo ∅, mm

Tipo y polaridad

Amperaje: (A)

Min. Max.

Voltaje: (V)

Min. Max.

Aporte térmico,

J/cm

Velocidad soldadura,

cm/min

Velocidad de alimentación del alambre, m/min

Min. Max.

1 SMAW - 3 CDPN 120…130 22…28 12500 12…18 N/A

Tamaño y tipo de electrodo de tungsteno: N/A Modo de transferencia para GMAW: N/A (Arco pulverizado, arco cortocircuito, etc.) Técnica Cordón recto u oscilado: Recto Tamaño Orificio o Taza de gas: N/A Limpieza inicial y entre pasadas: Esmerilado (Cepillado, Esmerilado, etc.)

Otro Método: N/A

Método de cincelado posterior: No Distancia del Tubo de Contacto a la Pieza: N/A Paso múltiple o simple (por lado): Simple por un lado Electrodos múltiples o simple: Simple Martillado: No Otros:

Elaboró: Dr. Carlos R. Gómez Pérez Revisó: Dr. Manuel Rguez. Pérez Aprobó: Dr. Alejandro Duffus Scott

Fecha: 09/07/2006 Firma: Fecha: 09/07/2006 Firma: Fecha: 05/07/2006 Firma: