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FACULTAD DE INGENIERÍA
UNIVERSIDAD DE LA REPÚBLICA
METALURGIA DE TRANSFORMACI
Carlos Duarte
Pedro Galione
2003
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS EN LA
AMPLIACION DE LA REFINERÍA DE LA TEJ
(ANCAP)
INSTITUTO DEENSAYO DE
MATERIALES
ON
A
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ÍNDICE
Página 1. Introducción......................................................................................................................2 2. Antecedentes.....................................................................................................................2 3. Magnitudes físicas del proyecto......................................................................................4 4. Importancia de los ensayos no destructivos...................................................................4
4.1. Utilización de END en la ampliación de ANCAP...................................................4 5. Técnicas de END..............................................................................................................5
5.1. Ensayo visual.............................................................................................................5 5.2. Ensayo acústico.........................................................................................................5 5.3. Radiografía................................................................................................................5 5.4. Ultrasonido................................................................................................................6 5.5. Partículas magnéticas..............................................................................................7 5.6. Corrientes inducidas................................................................................................7 5.7. Líquidos penetrantes................................................................................................7 5.8. Pruebas hidráulicas..................................................................................................8
6. Estructuras.......................................................................................................................8 6.1. Antorcha....................................................................................................................9
7. Tuberías............................................................................................................................9 8. Hornos..............................................................................................................................11 9. Recipientes a presión......................................................................................................12 10. Torres de destilación.......................................................................................................13 11. Intercambiadores de calor.............................................................................................14 12. Reactores.........................................................................................................................15 13. Conclusiones...................................................................................................................16
Agradecimientos..............................................................................................................16 Referencias.......................................................................................................................16 Apéndice: refinación del Petróleo..................................................................................17
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END EN EL PROYECTO DE AMPLIACIÓN DE LA REFINERÍA DE LA TEJA
Carlos Duarte
Pedro Galione
Facultad de Ingeniería - Instituto de Ensayo de Materiales
Correo electrónico: [email protected]
Resumen: este trabajo consiste en el relevamiento de la utilización de ensayos no destructivos en la ampliación de la Refinería de La Teja. Se describen brevemente las características de esta obra, así como el contexto en que se realiza. Se trata también de convencer al lector acerca de la importancia de los END, además de describir someramente aquellas técnicas utilizadas en ANCAP. Al tratar estos temas se asume que se tiene algún conocimiento previo en este tipo de ensayos. Finalmente se hace una selección de diferentes componentes de la instalación, para estudiar en cada uno de ellos las técnicas de ensayo aplicadas. Se concluye acerca de la importancia y de los beneficios de aplicar END en este proceso productivo.
1. INTRODUCCIÓN En Uruguay la producción de destilados del petróleo es realizada únicamente por la empresa estatal
ANCAP. Esta empresa fue creada en 1931, y la refinería de La Teja inaugurada oficialmente en 1937. En el año 1997 se ideó el proyecto de ampliación de la refinería dado el contexto local en el que se
visualizaba la posibilidad de una apertura en el mercado interno de combustibles, así como también la exportación de excedentes a países de la región. Esto implicaba una necesidad de mejorar los procesos de producción a fin de aumentar la calidad y volumen de producción y así poder competir en estos mercados.
A esto se le suma, más tarde, la aparición de casos de plombemia en el barrio La Teja, a partir del cual se dictó una disposición judicial la que obligó a la empresa eliminar la producción de nafta con plomo a partir del año 2004. Este proyecto de ampliación disminuirá el doble impacto ambiental de la refinería: debido a su funcionamiento por la quema de fuel oil y de gas natural en la planta, y a la utilización del producto terminado en todo el país.
En este proyecto se sustituye la fase de reforming catalítico por: -Unidad de Reformación Catalítica de Regeneración Continua -Unidad de Isomerización de Gasolina -Unidad de Hidrotratamiento de Naftas Las cuales permitirán la obtención de mayor cantidad de naftas de mejor calidad (y sin plomo). Además se remodelaron las unidades de Topping y Cracking Catalítico, y se modificó el parque de
tanques y salas de bombas.
2. ANTECEDENTES El estudio de factibilidad de este proyecto fue realizado por ANCAP y complementado por Purvin &
Gertz. La ingeniería básica fue contratada con Axens-IFP y la asistencia a la Gerencia del Proyecto fue
contratada con BEICIP-FRANLAB. Acuerdos de licencia han sido firmados entre ANCAP e Axens-IFP para las nuevas unidades de
proceso: Reforming de Regeneración Continua (Octanizing), Isomerización e Hidrotratamiento de Nafta. La selección del contratista general para la realización de Ingeniería de Detalle, Suministros y
Construcción recayó en el Consorcio Techint - ABB, por medio de un contrato del tipo “llave en mano”. Esto quiere decir que el control de calidad e inspección de las obras y maquinaria está también a su
cargo. No obstante ANCAP se encarga de la auditoría de tales actividades.
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Figura (1) Vista de la sección de ampliación desde la antorcha
La siguiente tabla es un esquema de las modificaciones en equipos y capacidades:
Unidad Capacidad anterior (bpsd)
Capacidad actual (bpsd)
Topping 37000 (1994) 50000 Cracking Catalítico 9000 13000
Reforming Catalítico 3000 No Reformación Catalítica de
Regeneración Continua No 12000
Isomerización de Gasolina No 6000 Hidrotratamiento de
Naftas No 18000
Modificación en servicios e instalaciones vinculadas ("utilities and offsites"): - Reinstrumentación de la unidad de generación de vapor, inclusión en el Sistema de Control
Distribuido. - Adaptación de las dos calderas existentes de 40kg/cm2 para quemar fuel oil o fuelgas. - Modificación de tanques existentes y construcción de nuevos tanques. - Modificación de Salas de Bombas y sistema de blending. - Modificación y extensión de servicios eléctricos, fluidos auxiliares de servicio, drenajes y nuevo
sistema de antorcha.
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3. MAGNITUDES FÍSICAS DEL PROYECTO
Civil a) Desagües, cámaras y trincheras........................................................................................ 3911 m b) Hormigón in situ ...............................................................................................................6637 m3 c) Hormigón premoldeado .....................................................................................................813 m3 d) Pavimentos ......................................................................................................................10985 m2 e) Pilotaje .................................................................................................................... 1806 unidades
Estructuras Metálicas a) Livianas.................................................................................................................................286 tn b) Medianas...............................................................................................................................849 tn
Cañerías a) Prefabricación....................................................................................................................1110 tn b) Montaje...............................................................................................................................2216 tn
Equipos Mecánicos a) Desmontaje ...........................................................................................................................680 tn b) Montaje...............................................................................................................................4934 tn
Electricidad a) Canalizaciones.................................................................................................................. 19429 m b) Montaje de Equipos ................................................................................................. 178 unidades c) Puesta aTierra.................................................................................................................. 25920 m d) Tendido y Conexionado de Conductores ..................................................................... 222606 m
Instrumentación a) Canalizaciones.................................................................................................................. 42376 m b) Montaje de Instrumentos ...................................................................................... 2851 unidades c) Tendido de Cables de Instrumentos............................................................................. 192048 m
4. LA IMPORTANCIA DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (END) [1] En las últimas décadas ha tomado gran relevancia estos tipos de ensayo, pasando a ser una
herramienta indispensable en la industria. Es notable su influencia en la mejora del nivel de calidad de los productos, así como en la calidad de la
producción. Dado que estos métodos permiten la inspección 100% de la producción, contribuyen a mantener un nivel de calidad uniforme lo que constituye una ventaja para quien los emplea.
Otra aplicación de importancia de los END es en el mantenimiento y vigilancia de los sistemas a lo largo del servicio. Esto permite asegurar su calidad funcional y la prevención de accidentes y de fallas durante el servicio.
Por otra parte, proporcionan beneficios económicos directos e indirectos. Beneficios directos, por la reducción en los costos de fabricación al eliminar, en las primeras etapas de fabricación, los productos que serían rechazados en la inspección final.
Entre los beneficios indirectos cabe destacar su contribución a la mejora de los diseños. A partir de los datos que nos brindan se pueden sacar conclusiones sobre las falencias en los distintos procesos de fabricación, las cuales podrán ser subsanadas posteriormente.
En ANCAP la utilización de los END ha permitido junto a otros factores, aumentar el tiempo entre paradas de servicio. Hasta hace poco tiempo, la planta se detenía para mantenimiento cada año durante un mes. Este período se ha aumentado a dos años, y se espera aumentarlo a cuatro años, y luego a seis reduciendo a su vez el tiempo de mantenimiento. Esto permitirá aumentar en gran medida los beneficios de la empresa.
4.1 Utilización de END en la ampliación de ANCAP
Particularmente en el proyecto de ampliación de la refinería de La Teja los END son constantemente utilizados.
El control de calidad de los nuevos equipos se encarga a empresas subcontratadas por TECHINT, quienes efectúan los distintos tipos de ensayos no destructivos necesarios para la aceptación o rechazo de acuerdo a normas internacionales. ANCAP se encarga a su vez, de auditar dichos controles como prevención de irregularidades, inevitables en una obra de tal magnitud (alrededor de 120 millones de dólares).
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Simultáneamente el personal de Ancap realiza END para obtener un registro del estado inicial de la maquinaria e instalaciones ya que se realizará un seguimiento durante el servicio. En particular, se efectúa medición de espesores en cañerías por la técnica de ultrasonido para controlar su evolución y planificar su mantenimiento.
Para realización de las diferentes técnicas de ensayos y criterios de aceptación, se siguen los procedimientos especificados en normas internacionales, con algún agregado a fin de hacerlos más estrictos, en algunos casos en que se ha comprobado no son suficientes. También existen normas acerca de la capacitación que necesitan los operadores de END a fin de obtener de estos un resultado confiable.
Son utilizadas las técnicas de inspección visual, acústica, radiografía, ultrasonido (medición de espesores y detección de fallas), partículas magnéticas, corrientes inducidas, tintas penetrantes, pruebas hidráulicas, neumáticas.
La elección de cada técnica depende de varios factores: tipo de material a ensayar (ferromagnético, paramagnético, poroso, etc.), método de fabricación, tipo de anomalía buscada (volumétrico, planar, superficial, sub-superficial, interno, etc.), de la geometría de la pieza a ensayar, si se debe hacer en campo o en laboratorio, así como de la importancia relativa de la pieza a ensayar (aspectos de seguridad o economía) en el contexto en que se encuentra, además tener en cuenta las limitaciones y ventajas de cada tipo de ensayo.
5. TÉCNICAS DE END
5.1 Ensayo visual:
Consiste en observar a ojo desnudo o con la ayuda de instrumentos especiales (lupas, endoscopios, etc.) el estado de una pieza, siguiendo criterios establecidos en normas. Es el más ampliamente utilizado por su simplicidad y rapidez, aunque se necesita personal con experiencia y bien capacitado.
En ANCAP se utiliza en todos los casos posibles. Es fundamental para determinar aproximadamente la calidad de soldaduras en general. Se utiliza endoscopía para inspeccionar el interior de nuevas instalaciones (tuberías, torres, etc.), buscando colillas de electrodos, acumulaciones de óxidos, etc., antes de su puesta en funcionamiento.
5.2 Ensayo acústico:
Mediante algún tipo de instrumento, se golpea el material, produciendo de esta manera una onda acústica. Generalmente consiste en oír el sonido producido por el golpe, pudiendo el operador diferenciar una pieza con fallas de una sana.
Se utiliza mucho durante el funcionamiento de la planta para inspección de cañerías.
5.3 Radiografía:
Emisión de rayos X o Gamma a través del material, detectando las modificaciones de este campo por medio de una placa fotográfica. Se logran imágenes del interior de la pieza. Se deben tener precauciones especiales de seguridad.
En la ampliación de ANCAP se ha utilizado mucho esta técnica. Rayos X para la inspección de piezas pequeñas que se pueden llevar al bunker, también es utilizada en la inspección de soldaduras para la calificación de los soldadores. La gammagrafía es más versátil para la aplicación en campo gracias a las pequeñas dimensiones del equipo utilizado. De esta manera se ensayan soldaduras y se hace medición de espesores en tuberías de pequeño diámetro en las que el ultrasonido da lecturas erróneas.
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Figuras (2) y (3) Vista de un equipo de Rayos X y el bunker donde está ubicado en la refinería de La
Teja.
Figuras (4) y (5) Elementos utilizados en gammagrafía (contadores Geiger, placas radiográficas,
carteles de advertencia). En la fig. (5) se puede ver un equipo de rayos gamma (contenedor de la cápsula de Iridio 192, tubo guía-fuente con colimador, manguera guía).
5.4 Ultrasonido:
Interacción de ondas mecánicas (ultrasónicas) con el material, detectándose modificaciones. Se utilizan para la medición de espesores, así como para la detección de fallas, siendo un método muy preciso.
En Ancap ha sido muy utilizado este método en la medición de espesores de las nuevas instalaciones. Se hace inicialmente un relevamiento del estado de los equipos, para luego, durante el mantenimiento, poder seguir la evolución de los mismos.
También se ha empleado para la detección de fallas durante la fabricación de los equipos (en su lugar de origen).
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Figura (6) Ensayo para detección de fallas en un cabezal de reactor por medio de ultrasonido. Este ensayo fue efectuado en su fábrica en Brasil.
5.5 Partículas magnéticas:
Consiste en la medición de modificaciones en un campo magnético inducido en la pieza por medio de partículas magnetizables. Se utiliza para detectar fallas superficiales y sub-superficiales en materiales ferrosos.
En la refinería se utilizan por ejemplo en la construcción de los tanques de almacenamiento y torres de destilación para la inspección de soldaduras de las chapas de anclaje (ver capítulo 10).
Figura (7) Aquí se ven un yugo magnético y una lámpara de luz ultravioleta (para la observación de partículas fluorescentes).
5.6 Corrientes inducidas:
Se miden modificaciones en el campo magnético producido por corrientes eléctricas inducidas en el material. Mediante este método se detectan defectos superficiales y subsuperficiales.
Se ha utilizado por ejemplo para ensayar los revestimientos de cañerías en busca de fisuras (ver figura 15)
5.7 Líquidos penetrantes:
Consiste en la aplicación de un líquido en la superficie del material el cual penetra en grietas o poros. Se observa luego el líquido que queda atrapado en estas imperfecciones. Tiene la ventaja, frente al de
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partículas magnéticas de que se puede utilizar en materiales no ferrosos. Detecta solamente defectos superficiales.
Se utiliza ampliamente en el control de calidad de soldaduras en general y como complemento del ensayo visual en soldaduras de estructuras cuando existen dudas acerca de su calidad (ver figura 8).
5.8 Pruebas hidráulicas (neumáticas):
Se llena la pieza (tuberías, recipientes a presión, etc.) de agua (aire) a presión a fin de detectar fugas. La prueba hidráulica se efectúa en el 90% de las cañerías de la refinería antes de su puesta en
funcionamiento. No se realiza en un 100% debido a que existen líneas que no admiten humedad por problemas de corrosión, contaminación, o dada su gran extensión no es aplicable. A éstas se le realiza ensayo neumático o de otro tipo.
6. ESTRUCTURAS (Norma ANSI/AWS) A las estructuras en general se les realiza ensayo visual en soldaduras. Se buscan poros, escorias, falta
de penetración, falta de fusión. En los lugares donde existen dudas sobre la calidad de la misma, se puede realizar un ensayo de líquidos penetrantes.
Figura (8) Aquí se pueden ver defectos en soldaduras de estructuras detectables a simple vista
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6.1 Antorcha
Figura (10). Puntero de antorcha antes de su
instalación.
Figura (9). Vista de la torre de antorcha. En la estructura se realizan ensayos visuales en las soldaduras, y en caso de dudas, se realiza un ensayo con tintas penetrantes.
Figura (11). Vista del puntero de antorcha donde se aprecian los tubos quemadores, tubos de vapor en la periferia y el quemador piloto a la derecha .
En el puntero de la antorcha se hacen líquidos penetrantes en las costuras de los tubos de gas y vapor.
No se hacen partículas magnéticas ya que se trata de acero inoxidable austenítico.
7. TUBERÍAS (ASME B31)
En este proyecto de ampliación, se instalaron más de 3000 tn de tuberías de todo tipo, para diferentes usos, desde tuberías de vapor, hasta líneas de servicio de hidrógeno. Debido a esto, diferentes técnicas de END son utilizadas. Especial atención reciben las líneas de servicio de hidrógeno (ver fig. (31)) las cales llevan un 100% de radiografía en las bridas, 20% en las costuras comunes y 100% ensayo de dureza en todas las soldaduras (donde se verifica que no superen los 200 BHN).
Figura (12). Realización de inspección visual al interior de una tubería. Se
observa la raíz de la soldadura de unión.
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Figura (13). Tuberías de producto terminado hacia tanques de almacenamiento. Se observan partes
nuevas, junto a otras ya existentes. En éstas se realiza 10% de gammagrafía en soldaduras.
Figura (14). Figura (15). En la figura (14) se observa la aplicación de tintas penetrantes, en la soldadura socket (socket weld) de
la brida de unión de línea de fuel-oil a UTE. No se le pueden realizar pruebas hidráulicas debido a su extensión, ni radiografía debido a la geometría de la pieza. La figura (15) muestra la aplicación del revelador en la brida de un codo. Se observa el revestimiento de la tubería en la parte que va enterrada. Por corrientes inducidas se verifica que no haya grietas o agujeros en este recubrimiento.
Figura (16). Ensayo visual en la soldadura de una
tubería donde se observa “overlap” (falta de fusión), lo que constituye un defecto grave.
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8. HORNOS
Figuras (17) y (18). Tubos en el interior de un horno. En fábrica se les realiza prueba hidráulica,
además de 100% de radiografía en soldaduras. En campo se realizan tintas penetrantes en soldaduras de tubos o partículas magnéticas. Durante el mantenimiento se hace radiografía para verificar el espesor de capas de carbón en estos tubos. Se observa (abajo a la derecha) un hueco para el quemador.
Figura (19). Quemador de horno.
Figura (20). Vista exterior de uno de los hornos, en los cuales se efectúa ensayo visual en las soldaduras de la estructura exterior.
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9. RECIPIENTES A PRESIÓN (ASME VIII (fabricación y ensayo), API 510 (reparación y mantenimiento))
Figura (21). Receptor: se le efectúan radiografías en cierto porcentaje de acuerdo al servicio (lo crítico que este sea).Se le hacen también pruebas hidráulicas, tintas penetrantes o partículas magnéticas (de acuerdo
al servicio).
Figura (22). Receptor.
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10. TORRES DE DESTILACIÓN A continuación vemos una secuencia de fotografías del armado de una torre de destilación.
Figura (23) Figura (24) En la figura 23 se presentan las partes de la torre a soldar. Luego en la figura (24) se procede a soldar
los “perros de sujeción” (chapas de anclaje).
Figura (25) Figura (26)
En la fig. (25) se ven los “perros de sujeción”. Se utilizan para fijar las piezas a ser soldadas. En la fig.
(26) están las piezas listas para soldar.
Figura (27) Figura (28)
Vista de la soldadura semi-terminada (fig. (27)) Se realizan ensayos de tintas penetrantes a la raíz y
luego se continúa con el relleno. Luego de retirar los perros, se amola hasta retirar su soldadura, y luego de un ensayo visual se realiza partículas magnéticas para verificar la no existencia de microfisuras (fig. (28).
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Figura (29) Figura (30)
En la fig. (29) se repite el procedimiento con la parte superior de la torre. La fig. (30) muestra las
torres terminadas. Se le hace 100% de radiografía en soldaduras además de una prueba hidráulica.
11. INTERCAMBIADORES DE CALOR (
Figura (31) Figura (32)
En la fig. (31) se puede ver un grupo de intercambiadores de calor. Éstos vienen de fábrica con prueba
hidráulica y con 100% de radiografía en bridas y en soldaduras longitudinales. Las cañerías entre intercambiadores transportan hidrógeno por lo que se les presta especial atención (ver capítulo 7).
La fig. (32) muestra un aeroenfriador (intercambiador de calor que trabaja con aire). La utilización de estos equipos, en lugar de los anteriores enfriadores que trabajaban con agua de la bahía, tendrá un efecto ambiental positivo, al evitar la contaminación térmica de la misma.
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12. REACTORES
Figura (33). Vista de un reactor de regeneración continua. Lleva tintas penetrantes y radiografía en el
100% de las soldaduras (de fábrica).
Figura (34). Ensayo de tintas penetrantes en el cabezal del regenerador.
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13. CONCLUSIONES: Luego de realizar las visitas a la planta de La Teja, específicamente la sección de ampliación, se puede
concluir que la utilización de los END en este proyecto es de vital importancia. Tanto para la aceptación de los equipos nuevos a instalar, el ensayo de piezas armadas en campo, la puesta a punto de las instalaciones o el mantenimiento durante el funcionamiento, son utilizados variadas técnicas de END.
Cabe destacar la función de auditoría que realiza el personal de Inspección Técnica de ANCAP sobre la construcción que realiza Techint-ABB, ya que se ha logrado detectar de manera oportuna varios defectos que habrían pasado desapercibidos de no haberse realizado esta tarea.
Gracias a la planificación estricta del mantenimiento (donde los END juegan un papel preponderante), se ha logrado incrementar el período entre paradas de la planta, y se espera seguir incrementándolo. Con esto se logra una disminución de los costos, siendo finalmente éste el principal objetivo de la integración de los END a los procesos productivos.
Agradecimientos
Juan Carlos Hernández; Ing. Gerardo Marcelli; Ing- Silvia Infanzón; sección Inspección Técnica de ANCAP, refinería de La Teja.
Referencias [1] -Ramírez Gómez,F., “Introducción a los métodos de Ensayos No Destructivos de control de la calidad de los materiales” Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial “Esteban Terradas”, Madrid, 3ª Edición. [2] -Microsoft Encarta 2003. Los datos de la introducción y de las características del proyecto fueron proporcionados por el Ing. Gerardo Marcelli, mientras que la información acerca de los ensayos aplicados en los distintos equipos e instalaciones por Juan Carlos Hernández.
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APÉNDICE [2]- REFINACIÓN DEL PETRÓLEO
La herramienta básica de refinado es la unidad de destilación. El petróleo crudo empieza a vaporizarse a una temperatura algo menor que la necesaria para hervir el agua. Los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más bajas, y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes. El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de gasolina, seguida por la nafta y finalmente el queroseno. Alquilación y craqueo catalítico
En el proceso de craqueo catalítico, el crudo se divide (craquea) en presencia de un catalizador finamente dividido. Esto permite la producción de muchos hidrocarburos diferentes que luego pueden recombinarse mediante alquilación, isomerización o reformación catalítica para fabricar productos químicos y combustibles de elevado octanaje para motores especializados.
En la alquilación, las moléculas pequeñas producidas por craqueo se recombinan en presencia de un catalizador. Esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de la gasolina con mejores propiedades (por ejemplo, mayores índices de octano) como combustible de motores de alta potencia, como los empleados en los aviones comerciales actuales. Indice de Octano
Índice de octano, de una gasolina, es el porcentaje de 2,2,4-trimetilpentano que, mezclado con heptano, da un combustible de las mismas características detonantes que la gasolina en cuestión.
Las distintas gasolinas se diferencian por su volatilidad, densidad y sus propiedades ‘antidetonantes’. Una mezcla de vapor de gasolina y aire arde con violencia casi explosiva en el cilindro del motor de combustión interna. Cuanto más comprimida se encuentre la mezcla en la ignición, mayor es el rendimiento del motor, pero si se utiliza una compresión muy elevada la mezcla arde con excesiva rapidez y el resultado es una violenta sacudida contra el émbolo; el motor detona y el rendimiento es menor.
El poder explosivo de una gasolina puede ser moderado mediante la adición de antidetonantes. El tetraetilo de plomo, uno de los antidetonantes más utilizados, es una sustancia altamente contaminante.
La primera etapa en el refinado del petróleo crudo consiste en separarlo en partes, o fracciones, según la masa molecular. El crudo se calienta en una caldera y se hace pasar a la columna de fraccionamiento, en la que la temperatura disminuye con la altura. Las fracciones con mayor masa molecular (empleadas para producir por ejemplo aceites lubricantes y ceras) sólo pueden existir como vapor en la parte inferior de la columna, donde se extraen. Las fracciones más ligeras (que darán lugar por ejemplo a combustible para aviones y gasolina) suben más arriba y son extraídas allí. Todas las fracciones se someten a complejos tratamientos posteriores para convertirlas en los productos finales deseados.