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Tecnología

Por dentro de los tubos

Una nueva metodología de análisis de instalaciones de petroquímicas

Las industrias petroquímicas tienen un grave problema: el desgaste que sufren por los caños de acero utilizados en la producción de etileno, la materia prima empleada en la fabricación de polímeros, tales como el polietileno y el polipropileno, usados en la confección de embalajes y piezas para la industria automotriz, por ejemplo. Dichos tubos, elaborados con base en un tipo de acero refractario (resistente al calor), sufren desgastes, ocasionados por la acción de las altas temperaturas y de los gases utilizados en la síntesis de los polímeros.

Así, la calidad de las cañerías constituye un factor fundamental para evitar el constante recambio de las tuberías y la consiguiente paralización de la producción. Por eso, y para comprender con precisión la naturaleza de estos desgastes, un equipo del Instituto de Investigaciones Tecnológicas del Estado de São Paulo (IPT, sigla en portugués) decidió desarrollar una nueva metodología de ensayos, capaz de evaluar el comportamiento de aleaciones metálicas resistentes al calor bajo las condiciones de producción de polímeros.

El ambiente en el funcionan estos tubos en forma de serpentina es el interior de los hornos de pirólisis (la descomposición por calor, sin presencia de oxígeno). En la producción de etileno, la superficie externa de los tubos asciende a temperaturas de hasta 1.150 grados centígrados. El resultado es la aparición de dos fenómenos, que llevan el nombre de fluencia y carburación. Con el primero se producen deformaciones, prodcuto de las tensiones provocadas por el calentamiento.

Con el otro existe una acentuada degradación, causada por la difusión de átomos de carbono en el interior de la tubería. De una manera general, los tubos son proyectados para que tengan una vida útil de 100 mil horas (alrededor de 11 años), pero, debido a la carburación, este período se reduce hasta en un 50%. Hoy en día, para garantizar la vida útil original, los fabricantes aumentan el espesor de las paredes de estas piezas, lo que encarece el producto.

Los investigadores contaron con el apoyo de la FAPESP, que financió el proyecto en el marco del Programa Asociación para la Innovación Tecnológica (PITE, sigla en portugués). La empresa socia es Engemasa, fabricante de tubos de acero refractario de São Carlos (interior de São Paulo). Pero esta empresa no fue la primera industria involucrada en el proyecto. Cuando éste fue concebido, en 1997, la asociación se hizo con Aços Villares, que tenía una fábrica de esos tubos.

Mientras el proyecto era evaluado por la Fundación, la empresa cerró las actividades de esa planta. Entonces los investigadores del IPT le ofrecieron el proyecto a Fundinox, una división de Sulzer Brasil. La empresa lo aceptó y la investigación se inició en mayo de 2000. Pero poco tiempo después, Fundinox fue adquirida por un gran fabricante alemán, que no demostró interés en el trabajo.

Cambio de socio
“Como el proyecto ya estaba en marcha, la FAPESP aceptó en que el mismo prosiguiese sin la participación de una empresa socia, hasta que fuimos a golpear la puerta de Engemasa”, comenta Mário Boccalini, investigador de la División de Metalurgia del IPT. El trabajo concluyó en abril de este año, y los resultados muestran en detalle las leyes generales sobre los dos fenómenos que afectan a los tubos. “Hicimos un avance metodológico inédito en Brasil. Logramos reproducir con fidelidad las condiciones fisicoquímicas existentes en los hornos y, a partir de allí, pudimos entender mejor la carburación y la fluencia”, afirma la física Zehbour Panossian, coordinadora del proyecto del PITE y jefa del Agrupamiento de Corrosión y Protección del IPT.

Para comprender la relevancia de los ensayos y los resultados de este proyecto, es necesario previamente conocer los dos fenómenos que afectan a los tubos. De acuerdo con Boccalini, la fluencia es una deformación causada por dos tipos de esfuerzos: la presión provocada por el gas que circula en el interior de tubo y la tensión longitudinal ejercida por el peso de la pieza. Estas cañerías suelen tener alrededor de 10 metros de longitud, y entre 5 y 20 centímetros de diámetro.

Cuando se las somete a altas temperaturas, pueden sufrir deformaciones de hasta 10 centímetros en su longitud. A su vez, la carburación se produce cuando los átomos de carbono presentes en la nafta y en el etileno penetran en las paredes de los tubos. “La carburación es perjudicial debido a que afecta la integridad de las tuberías, con lo cual éstas quedan frágiles y sujetas a sufrir rajaduras. Los caños pierden así su capacidad de deformarse, y se tornan pasibles de sufrir fracturas catastróficas (rotura de la pieza)”, explica Boccalini. Cuando esto sucede, debe repararse el material o cambiarlo, lo que acarrea serios perjuicios para la empresa.

Para realizar los ensayos que permitieran evaluar el comportamiento de las aleaciones -compuestas de hierro, cromo, níquel y una pequeña adición de carbono de un 0,8%-, cuando son sometidas a la carburación, los investigadores fabricaron una atmósfera sintética con metano e hidrógeno en el interior de un horno, con cuerpos de prueba cilíndricos de 10 milímetros de diámetro por 70 milímetros de longitud. La temperatura interna del horno se mantuvo en 1.150 grados centígrados como punto máximo, y cada ensayo (fueron 25 en total) duró alrededor de 100 horas. Luego de que los pequeños cilindros salían el horno, se los medía, para detectar de la variación de masa. Posteriormente eran sometidos a un análisis microestructural, que envolvía el uso de diversos instrumentos.

En el marco de estos análisis, se removieron capas de metal, para saber hasta dónde y en qué cantidad los átomos de carbono penetraron en la aleación. “En algunos casos, un 5% de la masa del tubo estaba compuesta de carbono, que llegó a difundirse 5 milímetros en el cuerpo de prueba”, comenta el ingeniero metalúrgico del IPT Marcelo Moreira, encargado de la realización de los ensayos. Como resultado de ello, se notó que el tenor de carbono creció de un 0,8% a un 5%. Así, Engemasa pasa a fabricar productos con una mayor capacidad de uso en las industrias petroquímicas.

El proyecto
Desarrollo de una Metodología de Ensayos de Aleaciones Resistentes a la Carburación y a la Carburación Catastrófica
Modalidad
Asociación para la Innovación Tecnológica (PITE, sigla en portugués)
Coordinadora
Zehbour Panossian – IPT
Inversión
R$ 171.750,00 (empresa), R$ 27.146,00 y US$ 51.623,07 (FAPESP)

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