Materiales de bombas centrífugas para manipular productos que contienen sulfuro de hidrógeno

Jul 30, 2023

La presencia de sulfuro de hidrógeno (H2S), incluso en cantidades mínimas, y agua en un producto puede provocar agrietamiento por tensión de sulfuro (SSC) y agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC) en materiales estándar utilizados en la producción de bombas centrífugas.

Este agrietamiento puede conducir a una falla catastrófica del componente. La selección adecuada de materiales para controlar SSC y HIC se aborda en los estándares MR0103 y MR0175 de la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión (NACE). Este artículo establece los materiales estándar para usar en la construcción de componentes húmedos para bombas en servicio de H2S. En general, los materiales utilizados requieren dureza y resistencia reducidas del material seleccionado.

Si bien otros materiales pueden ser aceptables, los enumerados funcionarán para todas las clases de materiales API 610. Tenga en cuenta que la diferencia entre H2S húmedo y seco es la presencia de agua.

Es responsabilidad del usuario especificar la cantidad de H2S húmedo que puede estar presente en el producto y si la cantidad presente invoca el estándar NACE. Si se especifica material de dureza y resistencia reducida, el material requerido estará de acuerdo con NACE MR0103 o NACE MR0175.

Aunque es responsabilidad del comprador especificar si se requieren materiales de dureza reducida, incluso pequeñas cantidades de H2S son suficientes para requerir materiales resistentes al agrietamiento por corrosión bajo tensión de sulfuro.

Si hay alguna duda sobre si se requieren materiales de dureza reducida, se deben usar como un mecanismo de seguridad para evitar posibles fallas del equipo.

NACE MR0103 o MR0175 se aplican a diferentes operaciones. NACE MR0103 se aplica a refinerías de petróleo, plantas de gas natural licuado (GNL) y plantas químicas. NACE MR0103 se aplica a materiales potencialmente sujetos a agrietamiento por corrosión bajo tensión de sulfuro.

NACE MR0175 se aplica a materiales potencialmente sujetos a agrietamiento por corrosión bajo tensión de sulfuros y cloruros en instalaciones de producción de petróleo y gas y plantas de endulzamiento de gas natural.

Los materiales ferrosos de dureza reducida no cubiertos por NACE MR0103 o NACE MR0175 deben tener un límite elástico no superior a 90 000 libras por pulgada cuadrada (psi) y una dureza no superior a la dureza Rockwell C (HRC) 22 (número de dureza Brinell 234 [BHN]). Los componentes fabricados mediante soldadura deben recibir un tratamiento térmico posterior a la soldadura, si es necesario, de modo que tanto las soldaduras como las zonas afectadas por el calor cumplan con los requisitos de resistencia a la fluencia y dureza.

Se dispondrá de materiales de dureza reducida para los siguientes componentes, como mínimo:

Las piezas de la carcasa interior de la bomba de doble carcasa que están comprimidas, como los difusores y los conjuntos de la carcasa interior, no se consideran piezas de la carcasa a presión.

Los pernos de la carcasa para bombas con carcasa dividida axialmente (como API 610 BB1 y BB3) no se consideran húmedos.

Los anillos de desgaste del impulsor renovable que se endurecen por completo no deben tener una dureza superior a HRC 22 (234 BHN). Se pueden usar anillos de desgaste del impulsor renovables que tienen un revestimiento duro o una superficie endurecida si la dureza del sustrato y las zonas de transición tienen una dureza no superior a HRC 22 (234 BHN).

Las superficies de desgaste integrales de los impulsores pueden endurecerse superficialmente o endurecerse mediante la aplicación de un recubrimiento adecuado en lugar de proporcionar anillos de desgaste renovables del impulsor si la dureza del material del sustrato no es superior a HRC 22 (234 BHN). En todos los grados de material, no se permiten variaciones que contengan elementos de aleación como plomo o azufre para mejorar la maquinabilidad.

El hierro fundido es aceptable para piezas de desgaste para material API clase S-4. El estándar común para este material es la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) A48 Clase 30 y CIass 40.

Los anillos de desgaste resistentes a Ni se pueden usar para las clases API S-5 y S-6. Cuando se especifica Ni-resist, use ASTM A436 Tipo 1 para las piezas de desgaste estacionarias y ASTM A436 Tipo 2 para las piezas giratorias. No se deben usar piezas resistentes a Ni cuando la presión diferencial sea superior a 350 psi.

El acero al carbono es aceptable, pero debe cumplir con el requisito de dureza de RC22 (248 BHN) y requiere alivio de tensión después de la soldadura, independientemente de cuán pequeña sea la soldadura. La clase de material estándar es ASTM A216 Gr. WCB. En general, el material en barra de acero al carbono no es aceptable porque el requisito de baja dureza reduce la resistencia a un nivel tan bajo que no funcionará para la mayoría de las aplicaciones. En los casos en que la resistencia no sea importante, se puede usar siempre que cumpla con los requisitos de soldadura de dureza y tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT).

La norma ASTM 479 tipo 410 es aceptable con una dureza máxima RC22 (248 BHN) siempre que tenga este tratamiento térmico de tres pasos:

ASTM A CA6NM es aceptable en RC23 (255 BHN) siempre que el material haya sido tratado térmicamente de acuerdo con los pasos a continuación:

El acero inoxidable austenítico con la composición química que se muestra en la Imagen 1 es aceptable con una dureza máxima de RC 22 (248 BHN) en la condición recocida y templada en solución o recocida en solución y estabilizada térmicamente.

No se permite el trabajo en frío para mejorar las propiedades mecánicas. La prueba hidrostática pulsada para bombas de etapas múltiples es aceptable ya que se usa para estabilizar el material y no mejora las propiedades mecánicas.

ASTM A479 tipo XM19 (Nitronic 50) es aceptable en la condición recocida en solución, laminada en caliente (trabajada en frío/caliente) o trabajada en frío en RC 35 (327 BHN).

El acero inoxidable dúplex forjado y fundido es aceptable en la condición de recocido en solución y templado líquido. El número de dureza permitido está relacionado con el número equivalente de resistencia a las picaduras (PREN). El número PREN se puede calcular usando la fórmula en la Ecuación 1.

Para aceros inoxidables dúplex, el contenido de ferrita debe controlarse entre 35% y 65% ​​en volumen. Los tratamientos térmicos de envejecimiento para aumentar las propiedades mecánicas están prohibidos debido a la formación de fases fragilizantes.

Se recomienda Super Duplex, ASTM A890 grado 5A para los grados D-1 y D-2 porque es el único material aceptable tanto para NACE MR0103 como para MR0175.

Dúplex estándar, ASTM A890 grado CD4MCuN es aceptable para aplicaciones D-1 cuando se especifica NACE MR0103. No es aceptable para NACE MR0175.

La condición H1150M (17-4) de ASTM A747 CB7Cu-1 es aceptable con una dureza de RC 33 (327 BHN). Los usuarios deben asegurarse de que el material sea tratado térmicamente de acuerdo con el siguiente procedimiento:

A. El material debe tener una dureza máxima de HRC 22 (234 BHN). Cualquier soldadura realizada a la fundición o para la fabricación debe recibir un tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT), independientemente de cuán pequeña sea la soldadura. Si se utiliza fundición o fabricación de stock de un proveedor, debe ser PWHT antes de su uso debido a la posibilidad de que se haya realizado una soldadura menor en la fundición y no se haya tratado térmicamente posteriormente.

B. Las piezas fundidas CA6NM son aceptables a HRC 23 (240 BHN) siempre que tengan un tratamiento térmico de tres pasos para lo siguiente:

1. Austinitize a 1,850 F mínimo y enfriamiento rápido con aire o aceite a temperatura ambiente

2. Templar a 1200 a 1275 F y enfriar al aire a temperatura ambiente

3. Templar a 1,100 a 1,150 F y enfriar al aire a temperatura ambiente

C. Los anillos de desgaste resistentes a Ni son aceptables siempre que el usuario los apruebe. Use ASTM A436 Tipo 1 para las piezas de desgaste estacionarias y ASTM A436 Tipo 2 para las piezas giratorias.

D. La microestructura del acero inoxidable dúplex es una variable crítica y debe documentarse. El contenido de ferrita debe estar entre 35% y 65% ​​en volumen. Si el número de resistencia a las picaduras (PERN) es superior al 40 % para el material, la dureza se limita a HRC 32 (318 BHN) como máximo.

E. ASTM A564 Tipo 630 condición H1150 (17-4 PH) es un sustituto aceptable para Nitronic 50 en RC33 (327 BHN) cuando se trata con calor según los siguientes criterios:

1. Recocido de solución a 1.038 C +/- 14 C (1.900 F +/- 25 F) y enfriamiento rápido con aire o líquido adecuado por debajo de 32 C (90 F)

2. Endurezca a 621 C +/- 14 C (1150 F +/- 25 F) durante cuatro horas como mínimo a temperatura y enfríe al aire por debajo de 32 C (90 F)

3. Endurezca a 621 C +/- 14 C (1150 F +/- 25 F durante cuatro horas como mínimo a temperatura y enfríe al aire

4. Se pueden usar ciclos adicionales a 621 C +/- 14 C (1150 F +/- 25 F) si es necesario para producir un nivel de dureza aceptable

F. ASTM A890 grado 5A se especifica para los grados D-1 y D-2. Este material es aceptable tanto para NACE MR0103 como para MR0175. Dúplex estándar, ASTM A890 grado CD4MCuN es aceptable para aplicaciones D-1 cuando se especifica NACE MR0103. No es aceptable para NACE MR0175.

G. ASTM A790gr. S31803 puede usarse para dúplex (D1) si la resistencia reducida resultante de la dureza reducida requerida por NACE (279 BHN) es aceptable para el diseño.

H. ASTM A240 gr. S31803 puede usarse para dúplex (D1) si la resistencia reducida resultante de la dureza reducida requerida por NACE (279 BHN) es aceptable para el diseño.

1. API 610, 12ª edición

2. NACE MR0103, Requisitos de materiales estándar, materiales resistentes al agrietamiento por tensión de sulfuro en entornos corrosivos de refinación de petróleo

3. NACE MR0175, Requisitos de materiales estándar, materiales metálicos resistentes al agrietamiento por tensión de sulfuro para equipos de yacimientos petrolíferos

Charles Goodrich, PE es consultor de PumpWorks, LLC. Tiene más de 50 años de experiencia en la industria de bombas. Tiene un título en ingeniería mecánica de la Louisiana Tech University y es un ingeniero profesional registrado. Se puede contactar a Goodrich en [email protected]. Para obtener más información, visite www.pumpworks.com.