Análisis de falla de componente de planta de LDPE
La investigación llevada adelante sobre la falla del “T” block, perteneciente a una planta de producción de polietileno de baja densidad (LDPE), que se encontraba ubicado aguas arriba del reactor tubular y aguas abajo del hipercompresor, permite concluir lo siguiente: La fuga de etileno detectada,...
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| Lenguaje: | Español |
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Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Argentina
2019
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La investigación llevada adelante sobre la falla del “T” block, perteneciente a una planta de producción de polietileno de baja densidad (LDPE), que se encontraba ubicado aguas arriba del reactor tubular y aguas abajo del hipercompresor, permite concluir lo siguiente:
La fuga de etileno detectada, tuvo lugar en el accesorio estudiado, denominado “T” block.
La fuga se produjo a través de una fisura que progresó hasta comunicar los orificios internos (δ y ϕ) y alcanzar uno de los agujeros roscados para los espárragos (Figura 4.14 ).
Al abrir la fisura (luego de separar la sección Ω en los fragmentos α y β) se detectó la presencia de marcas de playa sobre ambas superficies de la fisura, indicativas de propagación subcrítica por fatiga (Figura 4.14 ).
Las paredes de ambos orificios internos poseían una película de polímero adherida en su superficie, al igual que la cavidad de la fisura. Esto es posible dado que, a pesar de que el “T” block se ubicaba aguas arriba del reactor tubular, cierto grado de polimerización puede darse (fenómeno de autoiniciación).
El material de la pieza cumple con las especificaciones suministradas por el proveedor (AISI 4340), tanto de composición química (Tabla 4.1) como de propiedades mecánicas (Tabla 4.2). La concentración de los elementos químicos Si y C, se encontró levemente encima del rango estipulado para ellos. La tensión de fluencia (Tabla 5.3) se situó por debajo de los valores estipulados para el AISI 4340 templado y un doble recocido (Tabla 4.2), sin embargo la técnica empleada tiene un carácter de tipo cualitativo y se la usó a modo orientativo.
En la región aledaña a los orificios δ y ϕ (primeros 0,5mm contabilizados desde el radio interno hacia el interior de la pieza) se halló un afinamiento de la microestructura del material (Figura 5.3 ).
La modificación de la microestructura del material, estaría asociada a tratamientos térmicos y/o mecánicos (autofrettage) realizados.
En dicha región se midieron valores de dureza superiores al material base congruentes con la microestructura encontrada (Tabla 5.2).
La composición química de la pieza era uniforme, dado que no se detectó un gradiente de composición entre la zona en contacto con el fluido y el material base (Figura 5.6). Se descartaron procesos de difusivos de elementos del fluido del proceso hacia el interior de la pieza y/o una reacción química con el material de la misma. Se descartó la existencia de tratamientos químico sobre la superficie de los orificios δ y ϕ, como por ejemplo: cementado, nitrurado. Debido a las limitaciones de la técnica empleada (no permite detectar elementos químicos con un peso atómico inferior al del Be), para el elemento hidrógeno (H) no es posible realizar esta aseveración.
En el orificio ϕ del soporte del reactor, que deriva en la válvula de seguridad, se detectaron fisuras dispuestas en un patrón tipo “mapa”, con una preponderancia de las mismas en las direcciones longitudinal y circunferencial (Figura 5.1). Al analizar una de las longitudinales, se percibe que la misma no posee ramificaciones y su punta es aguda (Figura 5.5). La imagen no posibilita determinar si la propagación fue intergranular o intragranular.
Se determinó que el “T” block, en condiciones estándar de operación, no debería fallar por el efecto de las cargas cíclicas (Figura 6.7).
También se evaluó la sensibilidad de la integridad de la pieza a las condiciones de operación y se pudo establecer que hasta un 10% de sobrepresión respecto a la presión operativa (valor restringido por la válvula de seguridad ubicada en el soporte de reactor), la vida a las cargas cíclicas es infinita (Figura 6.9).
En la misma línea del proceso se encontraron piezas, con gradientes de tensiones de autofrettage invertidas, por lo que cabe la posibilidad de que dicho fenómeno se hubiera producido en la pieza en estudio.
En el caso de que se produzca un desvío de las condiciones del proceso (temperatura, presión, concentración del iniciador, etc), pueden producirse reacciones indeseadas de la materia prima y/o porcentajes de conversión superiores a los esperados, que eventualmente derivan en un fenómeno de autoaceleración de las reacciones (runaway).
Una de las posibilidades de la pérdida de autofrettage se encuentra en los eventos mencionados, que tienen el potencial de elevar localmente la temperatura hasta valores muy elevados (teóricamente 1400°C).
Tomando como base estos antecedentes, se determinó el estado tensional en servicio sin incluir las tensiones remanentes del tratamiento de autofrettage. La simulación demostró que la pieza, sin las tensiones residuales compresivas, estaría en el límite de falla según el criterio de Goodman.
El modo de falla es fatiga, propagada por las condiciones operativas normales del reactor, hasta comunicar la presión interior con uno de los agujeros roscados. La iniciación se produjo en un alto concentrador de tensiones formado por la intersección de los orificios δ y ϕ. La iniciación y propagación habrían estado propiciadas por una relajación de las tensiones de autofrettage, debido a fenómenos de descomposición espontánea del etileno. |
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Márquez, Aníbal Suqueli, Gerónimo |
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Las paredes de ambos orificios internos poseían una película de polímero adherida en su superficie, al igual que la cavidad de la fisura. Esto es posible dado que, a pesar de que el “T” block se ubicaba aguas arriba del reactor tubular, cierto grado de polimerización puede darse (fenómeno de autoiniciación). El material de la pieza cumple con las especificaciones suministradas por el proveedor (AISI 4340), tanto de composición química (Tabla 4.1) como de propiedades mecánicas (Tabla 4.2). La concentración de los elementos químicos Si y C, se encontró levemente encima del rango estipulado para ellos. La tensión de fluencia (Tabla 5.3) se situó por debajo de los valores estipulados para el AISI 4340 templado y un doble recocido (Tabla 4.2), sin embargo la técnica empleada tiene un carácter de tipo cualitativo y se la usó a modo orientativo. En la región aledaña a los orificios δ y ϕ (primeros 0,5mm contabilizados desde el radio interno hacia el interior de la pieza) se halló un afinamiento de la microestructura del material (Figura 5.3 ). La modificación de la microestructura del material, estaría asociada a tratamientos térmicos y/o mecánicos (autofrettage) realizados. En dicha región se midieron valores de dureza superiores al material base congruentes con la microestructura encontrada (Tabla 5.2). La composición química de la pieza era uniforme, dado que no se detectó un gradiente de composición entre la zona en contacto con el fluido y el material base (Figura 5.6). Se descartaron procesos de difusivos de elementos del fluido del proceso hacia el interior de la pieza y/o una reacción química con el material de la misma. Se descartó la existencia de tratamientos químico sobre la superficie de los orificios δ y ϕ, como por ejemplo: cementado, nitrurado. Debido a las limitaciones de la técnica empleada (no permite detectar elementos químicos con un peso atómico inferior al del Be), para el elemento hidrógeno (H) no es posible realizar esta aseveración. En el orificio ϕ del soporte del reactor, que deriva en la válvula de seguridad, se detectaron fisuras dispuestas en un patrón tipo “mapa”, con una preponderancia de las mismas en las direcciones longitudinal y circunferencial (Figura 5.1). Al analizar una de las longitudinales, se percibe que la misma no posee ramificaciones y su punta es aguda (Figura 5.5). La imagen no posibilita determinar si la propagación fue intergranular o intragranular. Se determinó que el “T” block, en condiciones estándar de operación, no debería fallar por el efecto de las cargas cíclicas (Figura 6.7). También se evaluó la sensibilidad de la integridad de la pieza a las condiciones de operación y se pudo establecer que hasta un 10% de sobrepresión respecto a la presión operativa (valor restringido por la válvula de seguridad ubicada en el soporte de reactor), la vida a las cargas cíclicas es infinita (Figura 6.9). En la misma línea del proceso se encontraron piezas, con gradientes de tensiones de autofrettage invertidas, por lo que cabe la posibilidad de que dicho fenómeno se hubiera producido en la pieza en estudio. En el caso de que se produzca un desvío de las condiciones del proceso (temperatura, presión, concentración del iniciador, etc), pueden producirse reacciones indeseadas de la materia prima y/o porcentajes de conversión superiores a los esperados, que eventualmente derivan en un fenómeno de autoaceleración de las reacciones (runaway). Una de las posibilidades de la pérdida de autofrettage se encuentra en los eventos mencionados, que tienen el potencial de elevar localmente la temperatura hasta valores muy elevados (teóricamente 1400°C). Tomando como base estos antecedentes, se determinó el estado tensional en servicio sin incluir las tensiones remanentes del tratamiento de autofrettage. La simulación demostró que la pieza, sin las tensiones residuales compresivas, estaría en el límite de falla según el criterio de Goodman. El modo de falla es fatiga, propagada por las condiciones operativas normales del reactor, hasta comunicar la presión interior con uno de los agujeros roscados. La iniciación se produjo en un alto concentrador de tensiones formado por la intersección de los orificios δ y ϕ. La iniciación y propagación habrían estado propiciadas por una relajación de las tensiones de autofrettage, debido a fenómenos de descomposición espontánea del etileno. Fil: Suqueli, Gerónimo. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería; Argentina. 2019-06-13 Thesis info:eu-repo/semantics/draft info:ar-repo/semantics/tesis de grado info:eu-repo/semantics/bachelorThesis application/pdf http://rinfi.fi.mdp.edu.ar/handle/123456789/355 spa info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Argentina |