ANÁLISIS CAUSA-RAIZ DE FALLO RECURRENTE EN SOLDADURA DISIMILAR EN TUBERÍA DE VAPOR DE ALTA PRESIÓN. IMPLEMENTACIÓN DE MEDIDAS CORRECTORAS

Definición del problema

Durante el funcionamiento de una planta petroquímica (ubicada en el Medio Oriente), se detecta la aparición recurrente de grietas en una unión de soldadura disimilar de metal de una tubería crítica de vapor de alta presión (2010-2014).
Las grietas aparecen periódicamente en la misma zona, en el extremo de la soldadura que une dos piezas de diferentes materiales A-335-P91 y SS347H. El material de soldadura es INCONEL625.
Tubería de 24″ de diámetro y gran espesor debido a las condiciones severas de operación: tª=530ºC / P=110 bar
Ninguna de las reparaciones realizadas hasta el momento había conseguido evitar una nueva rotura tras 6-12 meses desde la última reparación.

Fig. 1: 24 «Disposición de la línea de vapor de alta presión y características de la soldadura”

-Recurrencia de fallo en tres ocasiones en zonas similares.

-Tiempo estimado de fallo después de la reparación ≈ de 6 a 12 meses.

PRIMER FALLO (después de 11 meses de operación)

Aumento de la battering layer

PH, PWHT buttering

UT en buttering PRE-POST PWHT

Soldadura realizada en campo

GATAW, 5G, Inconel 625

SEGUNDO FALLO (después de 5 meses de operación)

El mismo procedicimiento que en la primera reparación

No se eliminan restos del material de la «capa final»

TERCER FALLO (después de 6 meses de operación)

Sustitución de DWJ por SPOOL PIPE transformada en taller → mejor calidad de la soldadura

END en soldadura y UT

CUARTO FALLO (después de 12 meses de operación)

ANÁLISIS DEL FALLO → ANÁLISIS CAUSA-RAÍZ → CADE

Metodología de análisis causa raíz

CONOCER EL PROBLEMA

CARACTERIZAR LA FÍSICA DEL PROBLEMA

SOLUCIÓN: MEDIDAS CORRECTORAS

Datos de diseño y fabricación:

Detalle de soldadura
Proceso de soldadura
Tratamientos térmicos pre y post soldadura.
Materiales (propiedades, almacenamiento, …)
Inspecciones y ensayos no destructivos (ENDs)

Datos de Operación:

Observaciones previas y evidencias.
Registro y detalle de fallos (imágenes del área crítica, imágenes de grietas …)
Macrografías, metalografía, pruebas de dureza, pruebas de tracción, composición química

Funcionamiento normal:

Tubería y soldadura en condiciones de funcionamiento
Proceso de soldadura

Las mejores prácticas de ingeniería mecánica y de
proceso:

Simulación: FEA (aná
lisis de elementos finitos).
Códigos
internacionales (ASME, API FFS 579).
Modelado físico (entendiendo cómo funciona).
Pruebas y modelos de hipótesis.
Modelización de medidas correctivas.

2.1: DETALLE NIVEL 1

Análisis de tuberías y soldadura en condiciones de operación.

2.2: DETALLE NIVEL 2

Simulación del proceso de soldadura.

2.3. DETALLE NIVEL 3

Ensayos para la obtención de tensiones residuales.

Observaciones y evidencias

Pruebas de laboratorio.

Análisis y determinación de la causa del fallo.

Propuesta específica de medidas correctoras
Modificación del detalle de soldadura + tramo de tuberías.
PWHT (Tratamiento Térmico Post Soldadura).
Modificación del proceso de soldadura y secuencias de paso.
Modificación del material de relleno de la soldadura.

1. CONOCIMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 Identificación del Fallo

Fallos cada 6-12 meses

1.2 Localización de las Grietas y Tamaño de las Grietas:

ENTRE 100º – 270º
250 mm – 400 mm
Grieta en zona de fusión
Buttering Inconel 625

1.3 Inspecciones y Ensayos NDT

Grietas completas VT y grietas superficiales (PT –END)
Grieta localizada en la cara interior de la tubería ⇒ relleno inadecuado

1.4 Fractografía, Examinación Esteroscópica y Composición Química

Esteroscopia ⇒ depósitos de óxido ⇒ CAPING PASS
Fractografía ⇒ Cascarillas de óxido en superficies interiores y exteriores
Composición química ⇒ según requerimientos de especificación de materiales

1.5 Metalografías

Estructura martensítica templada en P91, HAZ
Estructura dentrítica austenítica en INCONEL y Buttering
Estructura martensítica templada con ferrita en la zona de localización de la grieta

1.6 Ensayos de Dureza

1.7 Procedimiento de Soldadura y Tratamientos Térmicos

Precalentamiento 200ºC
Soldadura GTAW
Soldadura 5G Weld / 2G buttering
PWHT en buttering à no PWHT en soldadura

1.8 Condiciones de Operación y Sistemas de Apoyo

Sistemas de apoyo sin anomalías detectadas
Temperaturas de aislamiento mas elevadas en zona de fugas

1.9 Evaluación de Posibles Causas de Fallo

2. DESCRIPCIÓN FÍSICA

2.1 Detalle Nivel 1- Análisis de tubería y soldadura en condiciones de operación

2.2 Detalle Nivel 2- Simulación del proceso de soldadura

ANÁLISIS TÉRMICO TRANSITORIO

Determinación de las pasadas de soldadura a partir de macrografías
Temperatura de soldadura en cada pasada :
– Tª fusion metal = 1500ºC
-Tiempo fusion 30 seg
-Enfriamiento libre 30 min
-Velocidad de avance 110-110 mm/min

ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Consideración plasticidad material en función de la temperatura.
Consideración de temperaturas derivadas del anterior análisis térmico
Consideración de la restricción de la tubería
Determinación de las tensiones y strains tras proceso de soldadura y contracción de la misma.

2.3 Causas del fallo

CAUSAS PRINCIPALES

ZONA DE ALTAS TENSIONES
✓ Tª de operación (520ºC) y Presion (106 bar)
✓ Diferencia de expansión térmica entre material Inconel y P91
✓ Detalle de soldadura concentrador de tensiones

DAÑO CREEP
✓ Zona HAZ en union P91 con Inconel
✓D año creep a partir de las 750 horas de funcionamiento

CONCLUSIÓN CONSISTENTE CON EL HECHO DE QUE LAS GRIETAS SE DETECTEN TRAS POCOS MESES DE FUNCIONAMIENTO

CAUSAS SECUNDARIAS

ELEVADA DUREZA DEL MATERIAL EN HAZ EN P91 CON INCONEL Disminución de la ductilidad ⇒ fragilización de la zona

PRECIPITACIÓN DE CARBUROS EN ZONA DE APARICIÓN DE GRIETAS

PRESENCIA DE TENSIONES RESIDUALES POSTSOLDADURA

POSICIÓN SOLDADURA 5G ⇒ dificultad de ejecución

SECUENCIA DE PASADA DE SOLDADURA

ANÁLISIS CAUSA-RAÍZ: SOLUCIÓN Y MEDIDAS CORRECTIVAS

Instalación de Spool Pipe entre P91 y SS347H

✓ Desplazar la soldadura lejos de la zona de cambio de espesor ⇒ reducción de concentración de tensiones en zona soldadura

✓ Reducción sobretensiones derivadas de la expansión térmica causadas por la diferencia de coeficiente de expansión de materiales

Definición de nuevo PWHT (Tratamiento Térmico Post Soldadura)

✓ Definir un tratamiento térmico PWHT en zona soldadura además del definido previamente en zona buttering.

Modificación de la secuencia de soldadura

✓ Terminar la secuencia de soldadura en zona central de la tubería en lugar de en zonas exteriores ⇒ reducción de tensiones residuales derivadas de la contracción de la soldadura.

SOBRE EL PROYECTO

La solución propuesta ha resuelto un problema crítico y recurrente que implicaba un alto coste en términos de disponibilidad de la planta.

La ejecución del proyecto estuvo sujeta a duras limitaciones de tiempo, y tuvo que resolverse en un período de 2 meses (tiempo restante hasta siguiente parada de planta).

Metodología sólida y consistente gracias a la simulación.

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Definición del problema

PRIMER FALLO (después de 11 meses de operación)

SEGUNDO FALLO (después de 5 meses de operación)

TERCER FALLO (después de 6 meses de operación)

CUARTO FALLO (después de 12 meses de operación)

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1. CONOCIMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 Identificación del Fallo

1.2 Localización de las Grietas y Tamaño de las Grietas:

1.3 Inspecciones y Ensayos NDT

1.4 Fractografía, Examinación Esteroscópica y Composición Química

1.5 Metalografías

1.6 Ensayos de Dureza

1.7 Procedimiento de Soldadura y Tratamientos Térmicos

1.8 Condiciones de Operación y Sistemas de Apoyo

1.9 Evaluación de Posibles Causas de Fallo

2. DESCRIPCIÓN FÍSICA

2.1 Detalle Nivel 1- Análisis de tubería y soldadura en condiciones de operación

2.2 Detalle Nivel 2- Simulación del proceso de soldadura

2.3 Causas del fallo

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Modificación de la secuencia de soldadura

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