Investigación de falla por fisuración en una cañería

Nombre de los autores: Ruben Caravia, rcaravia@ancap.com.uyRodolfo Ibarrondo, ribarrondo@ancap.com.uySilvia infanzón, sinfanzon@ancap.com.uy Resumen: Se detectaron pérdidas en una cañería en servicio de GLP, donde se comprobó que había fisuración. Se investigó el origen de la falla mediante ensayo visual, magnético y metalográfico, se midieron macro- y microdurezas y % de carbono. Este trabajo muestra los resultados de dichos ensayos y revela la causa de la falla. Palabras clave: Análisis de falla, acero al carbono

1. Introducción

Se detectó una fisura en la unión soldada de un codo de 45º 4” std (espesor = 6.0 mm) contra un caño en una línea de succión de reproceso del gas licuado de petróleo (GLP). Según la especificación de esa línea, el codo es ASTM A 234 WPB y el caño es ASTM A 106 gr. B. La cañería se había construido 6 meses antes. Los soldadores y el procedimiento de soldadura TIG habían sido calificados según el Código ASME IX. Se realizaron controles de calidad mediante ensayo visual, ensayo radiográfico al 10% y prueba hidrostática en la fabricación. El tramo de cañería donde surgió la falla no es de uso continuo.

Constatadas pérdidas al exterior al entrar nuevamente en operación, se procedió a renovar el tramo de la línea

que contenía la falla y realizar un estudio de la misma, que se detallará en este artículo. 2. Estudios realizados

Se realizó una investigación visual del tramo de cañería retirado del servicio y de la situación del mismo en planta, para descartar posibles problemas mecánicos (vibraciones, restricciones a dilataciones, tensiones externas). Se registraron los datos estampados en las piezas. Se verificaron los datos del soldador y se revisaron los registros de placas radiográficas, que indicaron que la soldadura en cuestión no había sido radiografiada en los controles de calidad de fabricación. Se realizó un análisis de composición química para descartar la presencia de elementos de aleación tales como Cr, Ni, Mo, etc., en el metal base o en la soldadura (por posible confusión del material de aporte). Se aplicó ensayo magnético a la superficie exterior e interior de las soldaduras de la muestra. Se tomaron medidas de dureza en la superficie exterior del metal base del codo y caño.

Se cortó la soldadura seleccionándose 3 muestras que fueron analizadas por mircroscopía óptica sin atacar y

atacadas con un reactivo para revelar su microestructura. Se midieron microdurezas en la sección transversal de la soldadura. Se determinó el % de carbono en el metal base del caño y codo. A continuación se detallan los resultados más relevantes de estos estudios. 2.1. Ensayos visual y magnético

Se revisaron las marcas en el codo que indican ASTM A 234 WPB. Se registraron los números de colada estampados en el codo. No se pudieron ubicar los certificados de fabricación de ese accesorio en particular. Se registró la marca del soldador y se verificó su calificación.

A ojo desnudo se detectó la presencia de una fisura en la superficie exterior de la cañería, ubicada entre la soldadura y la zona térmicamente afectada del codo (Fig. 1 a y b).

Al realizarse un ensayo visual de la superficie interior, se detectó una fisura de mayor longitud que del lado exterior, que se ubica en la zona térmicamente afectada del codo, llegando a separarse de la soldadura varios mm.

Se realizó ensayo magnético en las superficies exterior e interior, mediante partículas fluorescentes vía húmeda, magnetización por yugo portátil. Se comprobó que las fisuras se extienden más allá de los límites detectados visualmente.

Figura 1: (a) Tramo de la cañería que fue renovado. La falla se presenta en la soldadura de la izquierda.. (b)

Detalle de la imagen anterior. (c) Vista de interior. (d) y (e) Imágenes correspondientes a (b) y (c), de la pieza sometida a ensayo magnético.

(a)

(b) (c)

(d) (e)

2.2. Medición de dureza y microdureza Mediante un durómetro de banco se midió dureza Rockwell B en el metal base del caño y del codo,

obteniéndose valores promedio de 69 y 97 HRB respectivamente (123 y 222 HB). La norma ASTM A 234 WPB indica una dureza máxima de 197 HB, por lo que la dureza medida en el codo

excede el máximo permitido por su especificación. Se midieron microdurezas en la sección transversal de la unión soldada caño-codo. Los valores promedio

para el metal base del caño y codo fueron respectivamente 142 y 264 HV500. Los valores máximos medidos en

las zonas afectadas térmicamente (ZAT) del caño y codo fueron respectivamente 158.4 y 457.9 HV500. El conjunto de los valores se grafican en la Fig. 2.

Figura 2: Microdureza

Metal base del caño

ZAT del caño

SoldaduraMetal base del codo

ZAT del codo

Microdureza

0

100

200

300

400

500

HV

500

2.3. Microscopía

Se prepararon 3 muestras en forma de corte transversal de distintas zonas de la soldadura caño-codo, las cuales se examinaron mediante microscopía óptica sin atacar y luego de un ataque con nital al 4%.

Se comprobó que las fisuras se ubican en la zona afectada térmicamente del codo (Fig. 1b). No se

detectaron fisuras en otras zonas. También se observa un fuerte bandeado en la estructura del codo. La morfología de las fisuras se puede ver en las Fig. 3 c y d, donde se observaron fisuras muy finas en torno

a las fisuras principales y en sus proximidades. Luego de atacar las muestras con nital al 4% se observaron estructuras martensíticas en torno a las fisuras (ver Fig. 3 e y f).

El metal base del codo presenta una estructura característica de enfriamiento rápido (Fig. 3 g), que es

incompatible el proceso de fabricación por forjado y las precauciones en cuanto al tratamiento térmico indicados en la norma ASTM A 234.

En la Fig. 3 h se puede observar el metal base del codo, que presenta una estructura ferrítico perlítica con

cierta deformación de los granos debido al proceso de fabricación, que es compatible con las especificaciones de la norma ASTM A 106 gr. B. No se encontraron estructuras martensíticas en la zona afectada térmicamente del caño.

Figura 3: Corte transversal de la unión. (a) Esquema de la sección donde se indican las ubicaciones de las

imágenes (b) a (h). (b) Fisura de aprox. 2.1 mm de longitud. (b) y (c) Detalles de la fisura sin atacar. (d) y (e) mismas regiones que en (b) y (c) luego de un ataque con nital al 2%. (f) Metal base del codo. (g) Metal base del caño.

(a)

Metal base del cañoVer (h)

ZAT del caño

ZAT del codo

Metal base del codoVer (g)

SoldaduraRaíz

(lado interior)

FisuraVer (b) a (f)

(b)

(c) (d)

(e) (f)

(e) (f)

2.4. Composición química

Se descartó la presencia de elementos de aleación tales como Cr, Ni, Mo y otros mediante un analizador de metales por flourescencia de rayos X. Se descartó también una confusión en el metal de aporte.

Se determinó el contenido de carbono en muestras de limaduras del caño y del codo, mediante la técnica de conversión a dióxido de carbono por combustión con oxígeno y detección por infrarrojo, método ASTM E 1019-00, obteniéndose 0.21% para el caño y 0.47% para el codo. La norma ASTM A 234 WPB indica 0.30 % de C máximo, por lo que el contenido de carbono del codo está fuera de especificación.

3. Conclusiones

Los resultados de los ensayos de dureza, microdureza, determinación del % de carbono y microestructura

muestran que el material del codo no cumple la especificación de la norma ASTM A 234 WPB y que su contenido de carbono es excesivo.

El cambio de material base constituyó una modificación de una variable esencial que hizo que no se respetara el procedimiento de soldadura calificado.

Debido al alto porcentaje de carbono que está presente en el metal base del codo se formaron fases martensíticas de alta dureza y baja ductilidad en la zona afectada térmicamente del mismo durante el proceso de soldadura, lo que originó las fisuras que nos ocupan.

Se deben realizar investigaciones para determinar cuál es el fabricante de este codo y cuál fue el error cometido, ya que el codo no corresponde a su estampa.

Se recomienda realizar registros de fabricante y número de colada de los materiales en cada isométrico durante la construcción y que se establezca un sistema para que se pueda vincular y acceder con facilidad a las copias de los certificados de los materiales utilizados en cada lugar.