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Evaluación de laminaciones en ductos de transporte de hidrocarburosmediante API RP 579-1 / ASME FFS-1 Fitness-For- Service.

Octavio Chablé Herrera Tecpetrol México

2° Congreso y exposición internacional de logística, transporte y distribución de hidrocarburos

Evaluación de laminaciones en ductos detransporte de hidrocarburos Mediante

API RP 579-1 / ASME FFS-1 Fitness-For- Service

Octavio Chablé Herrera Sistema 3 México Tecpetrol




Introducción: El proyecto del Sistema 3




Figura 1. Morfología típica de una laminación en un ducto

Fuente: Internet

Definición: Una laminación es un defecto cuya morfología consiste en una discontinuidad conseparación interna o debilitamiento en la pared del ducto (figura 1), creando capas quegeneralmente y en el mejor de los casos, se alinean de forma paralela a la pared del ducto.




Detección mediante equipos instrumentados: La capacidad de detección de las laminaciones depende del tipo de técnica y del tipo de laminación.

Inspección ultrasónica (UT): Consiste enmedir los espesores de pared del tubomediante el barrido de toda la circunferenciamediante un haz ultrasónico.

Inspección por fuga de flujo magnético(MFL): Consiste en detectar la dispersión deun campo magnético que se produce por lapresencia de una discontinuidad en la pieza ainspeccionar.




Detección mediante Ensayos No Destructivos convencionales.

Inspección visual (VT): algunos tipos delaminaciones pueden ser detectadas por estatécnica, por ejemplo, laminaciones portraslape o laminaciones conectadas a lasuperficie.

Partículas magnéticas (PT): La presenciade una laminación cerca de la pared externa(<0.250 pulg) puede ser detectada.

Ultrasonido (UT): es mediante esta técnicaque se detectan la mayoría de laslaminaciones. En la Figura 2 se muestra ladelimitación de una laminación y la forma deloscilograma del equipo de ultrasonido.

Líquidos penetrantes (PT): En general estatécnica no detectará laminaciones a menosque se encuentre conectada a la superficie opresente grietas en la pared externa.

LAMINACION




Por su origen Por su forma Por su localización

• Por rolado de

inclusiones no

metálicas y vacíos

• Por bandas de

inclusiones no

metálicas

• Planas

• Escalonadas

• Inclinadas

• Abultadas

• Ampolladas

• Conectadas a

soldaduras

• Conectadas a la

superficie

Clasificación de laminaciones: Se pueden clasificar por su origen, por su forma y por su localización. Los tipos mas comunes se muestran en la Tabla:

Fuente: Basado en el trabajo de J.L. Gonzalez et al, Revista Ductos, Edición Mayo-Junio 2000.




Por su origen - por rolado de Inclusiones no metálicas y vacíos: Resulta de óxidos,inclusiones no metálicas (típicamente MnS), segregación de aleaciones u otras impurezasatrapadas en el material, incluyendo vacíos, que son deformadas durante el proceso de rolado(Ver Figura 3).

Figura 3. Representación de la morfología de las inclusiones antes y después del rolado.

Fuente: Chunhui Luo, Modeling the behavior of inclusions in plastic deformation of Steels, Doctoral Thesis, Royal Institute of Technology, Estocolmo, Suecia (2001), Página 4.




Fuente:




Por su origen – Por traslape de la superficie: Se originan también durante el rolado de lasplacas por superficies irregulares o porosidades en la superficie, que cuando se laminan encaliente rolan sí misma, traslapándose.

Figura 4. Traslape en la superficie

Fuente: Howard (Hsun-hau) Huang, Daniel Gutchess, Engineer, Imaging-based In-Line Surface Defect Inspection for Bar Rolling, AIST Iron & Steel Conference and Exposition, Nashville, TN, (2010), Página 5.




Por su origen - por banda de inclusiones: Son áreas, generalmente en el centro delespesor, donde se acumulan gran cantidad de inclusiones no metálicas elongadas pordeformación, i.e., el proceso de rolado produce bandas alargadas que son caracterizadascomo inclusiones.

Figura 4. Banda de inclusiones

Fuente: Tecpetrol




Por su forma - planas simples: Son las menos complejas. Cuando provienen por rolado sepresentan más largas que anchas, y cuando son inducidas por hidrogeno, son másrectangulares y pueden ser discontinuas y con escalonamiento.

Figura 5. Laminación plana simple

Fuente: Tecpetrol




Por su forma - escalonadas: Es común que este asociada al Agrietamiento Inducido porHidrogeno. Es un grupo de laminaciones en una misma zona del ducto, son intermitentes yubicadas a diferentes profundidades, con la posibilidad de conectarse en forma escalonada.

Figura 6. Laminación escalonada

Fuente: Tecpetrol




Por su forma - Inclinadas: contrario a la laminación plana, este tipo de laminación seencuentra a diferentes profundidades, formando un ángulo respecto al eje del ducto, lo cuales peligroso ya que si evoluciona puede eventualmente romper a la superficie.

Figura 6. Laminación escalonada

Fuente: Tecpetrol




Por su forma - abultada: Se forman cuando una laminación simple muy larga (>12 pulg) sellena de gas o cuando el tubo se deforma por pandeo. El abultamiento puede ser en ambassuperficies, en las cuales se observa como una protuberancia de forma ovalada que puedepresentar agrietamientos.

Figura 6. Laminación abultada

Fuente: Tecpetrol




Por su forma - ampolladas: es similar a una abultada, pero de diferente morfología. Seforma por la absorción de gas en una laminación. Su forma es casi circular y casi siempre sepresentan en grupos. Cuando el ampollamiento es severo, se forman grietas tipo T o L.

Figura 6. Laminación ampollada

Fuente: Tecpetrol




HS

H

H H + HH

HHH H H

HH

HH

HH

HH

H

H

H

H

H

HH

H

HS

H HS

H

HS

H

HS + + +

H

HS

H

Flujo de Gas amargo

Pared externa del ducto

Fe Fe

HS

H

SH H

HS

H

HS

HH

SH

Proceso de ampollamiento: La corrosión amarga libera el hidrogeno atómico en lasuperficie del ducto, los cuales el acero del ducto hasta llegar al interior de una laminación,para recombinarse para formar moléculas de hidrogeno las cuales por su tamaño no puedenentonces dispersarse a través del acero, quedando atrapadas dentro de la cavidad,aumentando la presión interna dentro de la laminación, causando un abultamiento en la paredinterna y/o externa del ducto, y agrietamiento alrededor de la ampolla o sobre esta.

HS

H

HS

H

HS

H

HS

H

HS

H

HS

H




Fuente: http://sirius.mtm.kuleuven.be/Research/corr-o-scope/hcindex2/tutor2.htm




Casos de ampollamiento en el sistema 3: se han detectado ampollas con grietas en lapared interna de componentes, un caso fue en una Trampa de envío de 24 NPS, en servicioamargo. Para detectar las ampollas, que en la pared externa parecían laminaciones, se solicitóa Pemex trasladar la Trampa a un taller para inspeccionar internamente los componentes. Seencontraron 4 ampollas cada una con grietas de hasta 4.4 cm de largo.




Por su localización - conectadas a soldaduras: Esta situación sucede en cualquier tipo delaminación. Generalmente no traspasa la soldadura. Es frecuente que una laminación seconecte a la soldadura de campo o a la costura longitudinal del tubo.

Figura 6. Laminación conectada a la soldadura

Fuente: Tecpetrol




Por su localización - conectadas a la superficie: Son laminaciones cuya inclinación,escalonamiento o grietas asociadas hacen una conexión con una de las superficies libre deltubo; generalmente la interna.

Figura 6. Laminación conectada a la soldadura

Fuente: Tecpetrol




Principales riesgos por presencia de laminaciones

Laminaciones inclinadas o escalonadas: debido a su orientación pueden reducir el espesorefectivo del ducto y pueden causar una ruta de falla, especialmente a través de ciclos depresión.

Laminaciones sujetas a esfuerzos no solo circunferenciales: las laminaciones sujetas aotros tipos de esfuerzos, no solo de membrana, las laminaciones pueden reducir la Resistenciadel ducto cuando están sujetos a esfuerzos de flexión, compresión o radiales.

Laminaciones cercanas a soldaduras: estas se pueden propagar a través de la zonaafectada por el calor o a través de la línea de fusión.

Laminaciones cercanas a una discontinuidad estructural: por ejemplo, en una conexiónramal, las laminaciones pueden reducirla resistencia del ducto por esfuerzos deflexión, provocados por el peso de la conexión ramal.

Laminaciones en Servicio amargo: El sulfuro de hidrogeno es muy corrosivo en ductos deacero, los fluidos con altos niveles de H2S se denominan como amargos y NACE define losniveles de H2S por arriba de 0.05 psi de presión parcial como condición amarga. La corrosiónamarga libera hidrogeno atómico, que se recombina como hidrogeno molecular dentro de laslaminaciones, creando ampollas y agrietamientos que pueden causar una falla.




Evaluación de laminaciones

ASME B31 y API 1104: rechazan las laminaciones en la etapa de construcción Indicando queno se debe reparar el componente con laminaciones, sino más bien retirarlos completamente;para la etapa de operación y mantenimiento, una laminación no se considera un defecto si esparalela a la superficie del ducto, no intersecte una soldadura y no sea rompiente a lasuperficie.

NRF-030-PEMEX-2009: no hacen referencia alguna a las laminaciones. Es necesario queesta norma incluya lo pertinente a la evaluación y reparación de estos defectos.

NRF-014-PEMEX-2013: indica en la sección 8.9.7 evaluar la aptitud para el serviciomediante la practica recomendada API RP 579-1 / ASME FFS-1 Fitness-For- Service.

API RP 579-1 / ASME FFS-1 Fitness-For- Service: Provee de procedimientos paradeterminar la aptitud para el servicio de laminaciones. La Parte 13 de API 579 se usa paraevaluar la aceptabilidad de laminaciones, ya sean que se encuentren paralelas o no a lasuperficie de la pared del ducto. Los métodos de cálculo sirven para determinar la PMPO. Laparte 13 consta de 3 niveles de evaluación. Para el nivel 1 y 2 se requiere la informaciónmostrada en la Figura 12. Si el componente no satisface los niveles 1 y 2 de evaluación sepuede aplicar el nivel 3, que es una simulación por el método del elemento finito. La ediciónmás actual es del año 2007, y se publicó un manual de ejemplos en 2009.




Evaluación por el nivel 1 de la parte 13 de API 579: Es un criterio tipo filtro o lista deverificación basada en las dimensiones, orientación relativa a la superficie, distancia a juntassoldadas, discontinuidades estructurales y distancia a otras laminaciones.

Paso 1. Determine si existe algún abultamiento: Verificar la presencia deabultamientos, protuberancias o ampollas en la superficie interna o externa del componenteen o sobre la zona de la laminación. En caso afirmativo evalúe la laminación mediante el nivel1 de la Parte 7 de API 579 (Evaluación de ampollas por hidrogeno).




Paso 2. Determine los parámetros de evaluación: Para lo cual se debe obtener la informaciónde la figura siguiente.




Paso 3. Verificar el espacio entre laminaciones: Si hay dos o más laminaciones en elmismo plano, y no hay indicaciones de agrietamientos y la distancia entre ellas es menor oigual que dos veces el espesor de pared (i.e. Ls2tc) entonces se deben combinar laslaminaciones en una sola. Si las laminaciones no están en el mismo plano, se debe evaluar elgrupo de laminaciones mediante el Nivel 1 de la Parte 7 de API 579 (Evaluación de ampollas).



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Paso 4. Verificar la altura de la laminación: si la altura de la laminación es pequeñarespecto a las dimensiones de la laminación (i.e. Lh 0.09 Max [s,c]) proceda al PASO 5. De locontrario, evalúe el componente mediante el nivel 1 de la Parte 9 de API 579, ya que si lalaminación es muy alta, actúa mas bien como una grieta.

Paso 5. Determinar el espesor de pared a utilizarse: Calcule tc, el cual es el espesormínimo medido (tmm) en zona sana adyacente a la laminación, menos un espesor porcorrosión futura (FCA), el cual se puede calcular como el espesor de pared que se desgastarao corroerá en el tiempo de vida considerado para el componente. Típicamente se considera undesgaste de 0.00625” por año (6.25 MPA 0.159 mm/año).




Paso 6. Verifique el tamaño y ubicación de la laminación. Antes de proceder al paso 7,se deben verificar que se cumplan las siguientes condiciones:

• No tiene agrietamientos

• No tiende a romper hacia lasuperficie, tmm0.10tc, en caso contrariose debe evaluar como un defectoparecido a grieta mediante el Nivel 1 deAPI 579.

• No se encuentra cercana a juntassoldadas, ya sea a 1” o a dos veces elespesor de pared tc (i.e. Lw Max[2tc, 1”]).

• No se encuentra cerca dediscontinuidades estructurales mayores(e.g. una conexión ramal). El limite es1.8Dtc (i.e. se debe cumplir Lmsd

1.8[Dtc]).

• No debe ser “grande” si la laminación seencuentra en Servicio amargo, entonceslas dimensiones planas de la laminaciónno deben superar el limite que es0.6(Dtc).




Paso 7. Calcule la PMPO: para ductos se debe utilizar la ecuación 1[5] de la NRF-030-PEMEX-2009 para el componente, considerando el espesor calculado en el paso 5. Elcomponente con la laminación es apto para continuar en servicio hasta una presión deoperación igual a la PMPO calculada.




Evaluación por el nivel 2 de la parte 13 de API 579: Si el componente no satisface lorequerimientos del Nivel 1, se tienen dos opciones: sustituir, reparar o retirar el componente orealizar una evaluación por el nivel 2, el cual es similar al nivel 1. Para la evaluación por nivel2, se deben seguir los siguientes pasos:

Paso 1 al Paso 5. Son idénticos a los del Nivel 1 (Excepto que en caso de rechazo, seremiten al nivel 2 de evaluación de las mismas partes indicadas en el nivel 1).

Paso 6. Verifique el tamaño y ubicación de la laminación. Antes de proceder al paso 7,se deben verificar que se cumplan todas y cada una de las siguientes condiciones:

No tiene agrietamientos.

No tiende a romper hacia la superficie, tmm0.10tc, en caso contrario se debe evaluarcomo un defecto parecido a grieta mediante el Nivel 2 de API 579.

No se encuentra cerca de juntas soldadas, ya sea a 1” o a dos veces el espesor de paredtc, la que sea mayor (i.e. Lw Max [2tc, 1”]). Si no cumple esta condición sonaceptables siempre y cuando no haya agrietamientos transversales a la pared.

No se encuentra cerca de discontinuidades estructurales (e.g. una conexión ramal). Severifica la distancia a una discontinuidad estructural con el valor de 1.8Dtc (i.e. se debecumplir Lmsd1.8[Dtc]). Si no hay discontinuidades estructurales, se da por cierto que lalaminación está lejos de las mismas.

No se encuentra en Servicio amargo, de lo contrario se debe evaluar mediante laparte 5 de API 579.




Ejemplo práctico.En un ducto de 24 NPS que transporte de gas amargo, con especificación API 5L-X52, seencontró mediante ultrasonido una laminación de 36.500” de largo y 11.250” de ancho, en unhorario de 2:26 - 4:15. Según el reporte de inspección la laminación es plana y se encuentra auna profundidad de 0.359” respecto a la pared externa. El espesor de pared en zona sanaadyacente a la laminación fue de 0.691”.

No se reportaron ampollas ni grietas. La soldadura más cercana seencuentra a 2.500”, y existe una conexión ramal a 19.375” de lalaminación.




Paso Verificación Nivel 1 Nivel 2

1Existencia de abultamientos

¿Hay abultamiento? = No. IDEM

2Parámetros de evaluación

s = 36.500”c = 11.250”Lh = 0.000”Ls = 3.250”tmm = 0.332”

tady = 0.691”Lw = 0.393”Lmsd = 19.375”

D = 22.618IDEM

3Espacio entre laminaciones

¿Hay laminaciones cercanas que se puedan agrupar? No.Ls critico = 2tc =1.257”Ls = 2.500”Ls < Ls critico

IDEM

4Altura de la laminación

¿Tiene una altura muy grande respecto a sus dimensiones planares? No.Lh critica = 0.09*Max(s,c,) = 3.285”Lh = 0.000” (la laminación es plana)Lh < Lh critica

IDEM

5Espesor de pared a utilizarse

FCA = 0.0625”tc = tady – FCA = 0.691” – 0.0625”tc = 0.6285”

IDEM




Paso Verificación Nivel 1 Nivel 2

6Tamaño y ubicación

¿Tiene agrietamientos? = NoIDEM

¿Es rompiente a la superficie? = No.tmm critico = 0.10tc = 0.0628”tmm = 0.332”tmm > tmm critico

IDEM

¿Se encuentra cerca de juntas soldadas? = SiLW critica = Max (2tc ,1”) = 1.257”LW = 0.393”LW < LW critica

¿Se encuentra cerca de juntas soldadas? = SiLW critica = Max (2tc ,1”) = 1.257”LW = 0.393”LW < LW critica¿Existen agrietamientos? No

¿Se encuentra cerca de discontinuidadesestructurales? = No.Lmsd critica = 1.8(Dtc) = 6.786”Lmsd = 19.375”Lmsd > Lmsd critica

IDEM

¿Si se encuentra en servicio amargo, esgrande? = Si.Tamaño límite = 0.6*(Dtc) = 2.268”¿s > 2.268”? = Si (s=96.500”)¿c > 2.268”? = Si (c=11.250”)

¿Se encuentra en servicio amargo? = Si.

7 PMPONo aplica. El componente con laminación sedebe sustituir, reparar o realizar unaevaluación por el nivel 2.

No aplica. El componente con laminación sedebe sustituir, reparar o evaluar mediante laparte 5 de API 579.

XA NIVEL 2

XEVALUAR MEDIANTE LA PARTE 5 DE API 579

XA NIVEL 2




Reparación de laminaciones.Si la evaluación indica que una laminación no es apta para continuar en servicio, el tramo delducto se puede reparar por dos métodos:• Reparación definitiva: sustitución del tramo afectado• Reparación permanente: Instalación de una envolvente metálica circunferencial completa

soldada, y programación de la reparación definitiva.




Conclusiones y recomendaciones.

• Las laminaciones están presentes en los ductos de transporte de hidrocarburos de mayorantigüedad y pueden ser una amenaza si no se les identifica y evalúa en tiempo y forma,en particular representan un riesgo si están en servicio amargo.

• La práctica recomendada API 579 provee procedimientos para determinar la aptitud para elservicio de componentes con laminaciones. Los criterios de aceptación y rechazo de basanen la cercanía de las laminaciones a juntas soldadas y a discontinuidades estructurales, asícomo en su parecido a grietas y tamaño si están en servicio amargo.

• Los componentes con laminaciones que no satisfacen los criterios de aceptación deben sersustituidos, o bien, reparados mediante envolventes metálicas soldadas, en tanto seprograma, a corto plazo, la sustitución.

• Las laminaciones que satisfacen los criterios de aceptación no requieren reparación, pero siel componente está severamente dañado o existe una gran densidad de las laminaciones,se recomienda la reparación definitiva, en particular si las laminaciones se encuentran enservicio amargo, ya que pueden crecer o ser en realidad ampollas internas, lo cual no sepuede detectar mediante pruebas no destructivas.

• Se recomienda incluir el criterio de evaluación de laminaciones y ampollas en las normasde referencia de Pemex, o bien la creación de una Norma de referencia referente a la“Inspección, evaluación de integridad y mantenimiento de ductos terrestres” que indiquecomo evaluar estos y otros defectos.

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