Jornadas SAM – CONAMET - AAS 2001, Septiembre de 2001

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INTEGRIDAD Y CONFIABILIDAD DE GARRAFAS DE G.L.P. P.G. Fazzini, M. Teutónico, J.L. Otegui INTEMA, Universidad nacional de Mar del Plata J.B. Justo 4302, Mar del Plata [email protected] RESUMEN Se detalla un estudio experimental de defectos en 62 garrafas de distintas edades en uso en hogares argentinos. Se muestran vicios de fabricación y de reparación, y se concluye que la metodología de fabricación, de relevado de tensiones y de inspección no es confiable. Se recomienda evaluar cambios en las normas y procedimientos de rehabilitación. Palabras clave Garrafas, G.L.P, Integridad, Soldadura, Defectos. 1.- INTRODUCCIÓN Todo componente o equipo está diseñado para un cierto período de funcionamiento seguro, durante el cual la probabilidad de una falla es aceptable. Esto establece un tiempo de vida útil de diseño del componente [1]. Cuando se determina que el grado de deterioro es tal que aumenta considerablemente el riesgo de falla del componente, éste alcanza el final de su vida útil y debe ser retirado de operación. En este estudio se evalúa la confiabilidad que presentan los recipientes de 10 Kg. utilizados actualmente para la comercialización de gas licuado de petróleo (GLP) en la Republica Argentina. Algunas de estas garrafas para uso hogareño cuentan con más de 30 años de antigüedad. Es función primordial del Estado y los entes reguladores establecer normativas que permitan mantener en niveles aceptables los riesgos asociados a la comercialización y uso de recipientes a presión. En el caso de las garrafas domiciliarias, la población usuaria suele desconocer los riesgos asociados a la falla o inadecuada manipulación, y en el caso de producirse un siniestro las consecuencias suelen ser fatales. El objetivo del estudio fue desarrollar elementos de prueba que permitan definir si las actuales regulaciones en vigencia permiten asegurar la aptitud para el servicio de estos componentes. Se desea verificar si con los actuales requisitos de inspección periódica cada 10 años y una vida de diseño infinita se puede asegurar la integridad de una garrafa por el plazo completo entre las inspecciones, y el efecto que los cambios en las tecnologías de fabricación de la chapa, conformado, soldadura y tratamiento térmico pueden tener sobre la disminución del riesgo asociado al uso de las garrafas.

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2.- RESULTADOS EXPERIMENTALES Una garrafa de LPG de 10 Kg. es una pieza construida en chapa fina de acero, rolada y soldada, generalmente en acero de bajo contenido de carbono, para asegurar máximas condiciones de soldabilidad y tenacidad. El material de construcción es típicamente un acero de bajo carbono, 0. 2% C aproximadamente. Se estudiaron las características de los aceros y procedimientos de construcción de los recipientes antiguos y modernos, y su efecto sobre la confiabilidad de las garrafas. Se realizaron inspecciones en tres plantas de reparación y reacondicionamiento de garrafas, y se seleccionaron al azar un total de 62 garrafas de diversa antigüedad y con diferentes defectos, las que fueron posteriormente evaluadas. Se agregó a este estudio una garrafa construida en 1968 y fallada en servicio en 1994, ver Figura 1 [2].

Figura 2 (a, b).

Figura 1

Las series 6, 7, 8 y 9 corresponden a cada década de fabricación. Se realizaron ensayos químicos y mecánicos de muestras seleccionadas de cada lote. Los ensayos Charpy permiten medir la tenacidad o energía consumida durante la rotura del material [3]. Estos fueron realizados a 0ºC en metal base, zona afectada por el calor (ZAC) de las soldaduras, y material aportado. Se realizaron estudios metalográficos sobre la estructura granular de las tres zonas. Se realizaron cortes transversales de las soldaduras, los que fueron analizados en microscopio óptico. En las garrafas mas antiguas las microestructuras mostraron en general fuerte bandeado en el metal base, y la presencia de inclusiones alargadas en el sentido paralelo a la superficie de la chapa, en metal base y ZAC. Se observó un marcado aumento de la ductilidad promedio de las chapas, medida a partir de la estricción y la elongación porcentuales, a medida que aumenta la fecha de fabricación, acompañado por una leve disminución de la resistencia a la

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rotura. Las garrafas construidas con anterioridad a la introducción de nuevos procesos de acería están construidas con aceros Siemens Martín, proceso hoy obsoleto. Los resultados de composición química de los aceros utilizados como chapa base en algunas garrafas antiguas muestran gran dispersión en los contenidos de Carbono (entre 0.03 y 0.18 %) e impurezas como el Fósforo (entre 0.010 y 0.025) y el Azufre (entre 0.007 y 0.32 %), que implican variaciones de soldabilidad y conformabilidad posiblemente importantes. Las garrafas seleccionadas para este estudio presentaron en muchos casos defectos que pudieran ser atribuidos a problemas de fabricación. Los defectos de fabricación que más comúnmente dan lugar al rechazo de los recipientes están relacionados con vicios en las soldaduras de cierre de los casquetes. De ellos el más frecuente es la pobre geometría en la sobremonta y el talón, que generan concentradores de tensiones moderados. Otros defectos de soldadura son potencialmente de mayor gravedad. Se observaron algunos recipientes con soldadura circunferencial manual, con muy mala calidad superficial, en vez del cordón de arco sumergido habitual. En otro caso la soldadura circunferencial automática se había desviado de la junta, y se realizó un nuevo cordón a su lado. En varios casos se observaron reparaciones realizadas en la soldadura circunferencial. En algunos recipientes las reparaciones fueron realizadas durante el reacondicionamiento. Se encontró la reparación de una fuga en la soldadura circunferencial entre casquetes, y el rellenado de una socavadura de la soldadura del aro inferior, ver Figura 2. (a,b).

Figura 3

Figura 4

Un cordón de soldadura circunferencial de buena calidad posee una solapa de respaldo sobre uno de los casquetes, y la soldadura de una o dos pasadas desde el exterior. La longitud de la solapa es muy distinta en diferentes muestras. En el 25% de las garrafas fabricadas con anterioridad a 1990 se observaron soldaduras circunferenciales con diversos grados de no conformidades. El más común es el defecto de falta de fusión entre el cordón de soldadura y la solapa de respaldo. A veces este defecto no afecta en forma apreciable la sección resistente. En otros el defecto está acompañado de falta de penetración o de material de aporte de la soldadura. En la Figura 4 se observa una reducción de un 50 % la sección resistente a las tensiones longitudinales, y una entalla muy aguda de 1.5 mm de profundidad susceptible de propagación en servicio [4]. En algunos casos los vértices de estos defectos presentan aristas muy agudas y se continúan con inclusiones, falta de fusión y otros defectos que se alinean en la línea de fusión entre la zona fundida y la zona de grano grueso de la ZAC, ver Figura 5.

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Figura 5 (X50)

Figura 6

Dos garrafas mostraron dos pasadas de soldadura, una al lado de la otra, con la función aparente de corregir una socavadura lateral. En un caso un defecto plano fue originado aparentemente en una fisuración en caliente del material de aporte, ver Figura 3. Una geometría alargada y con poca penetración de la soldadura, y un material de aporte de pobre composición con segregaciones de impurezas en limites de grano, son condiciones favorables para la fisuración del metal aportado. Estos defectos en dirección del espesor afectan en forma apreciable la sección resistente y generan sitios potenciales de propagación de fisuras. La solapa de respaldo es en muchos casos de longitud variable, indicativa de que el excedente de metal de las solapas luego del embutido no fue eliminado. Este es un defecto muy comúnmente observado en las garrafas de las series 70 y 80, y se podría atribuir a una reducción de costos de fabricación. La longitud variable de la solapa genera geometrías de la raíz y de la soldadura también muy variables. Algunos de los defectos mas peligrosos incluyen casos extremos de falta de fusión. En el caso mostrado en la Figura 6 la solapa estaba bien configurada pero la primera pasada de la soldadura fue realizada fuera de la junta, y la unión quedo realizada en esta zona solamente con la segunda pasada. Debido a esto, la soldadura no fue de penetración completa, la sección resistente fue la mitad del espesor nominal de la chapa, y se generó en la zona de menor resistencia una entalla peligrosa debida a la falta de penetración. Un calculo aproximado permite estimar que la resistencia de esta sección es la cuarta parte que la resistencia nominal de la garrafa. Cuando los defectos geométricos están sumados a defectos del material, las probabilidades de falla crecen en forma alarmante. En varias oportunidades junto a la falta de fusión de raíz se aprecia una línea muy marcada en la línea de fusión de la soldadura, indicativa de probable falta de fusión lateral, ver Figura 7. La combinación de estos defectos hace que la resistencia de esta interfase sea muy reducida, y presente un serio riesgo de falla. Una interacción similar se observó en un caso ocurre entre socavadura y fusión incompleta. Los defectos en la raíz de las soldaduras pueden dar lugar a inclusiones, fisuras y otros defectos, debido a que la pobre protección del metal de soldadura fundido permite el ingreso de impurezas, fundamentalmente oxigeno e hidrógeno provenientes de contaminación superficial (grasas) y la atmósfera. En varios casos se observó que la falta de fusión de la raíz

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continua en dirección perpendicular al espesor, con inclusiones asociadas. Se observó también una fisura, originada en el metal aportado a partir de la superficie interior. Esta fisura, mostrada en la Figura 8, fue probablemente producida por la contaminación del metal aportado con hidrógeno, y es doblemente peligrosa. La fisura es perpendicular al espesor, e indicativa de un material aportado de muy pobre tenacidad.

Figura 7 (X50)

Figura 8 (X50)

En la serie de muestras de los 70 y 80 aparece frecuentemente material base fuertemente bandeado. Ya fue mencionado que este tipo de materiales presenta fuerte anisotropía en su resistencia mecánica. Esta anisotropía está a veces acompañada de exfoliaduras, pero por suerte en todos los casos observados se ubicaba en la zona de la solapa, sin soportar tensiones transversales de importancia. La aparición de fisuras paralelas a la superficie de la chapa en la solapa fue es indicativa de materiales de ductilidad transversal insuficiente para el proceso de conformado en frió requerido por el embutido de las garrafas. Los recipientes fabricados con posterioridad a 1995 que fueron evaluados incluyen muestras de fabricación nacional y extranjera. En general, no se detectaron defectos de fabricación. El material base presenta muy bajo bandeado, la sobremonta tiene una geometría muy suave, no hay signos de excesivo socavado lateral ni falta de fusión de raíz, y la microestructura de las soldaduras y las ZAC no muestra signos de defectos. Sus propiedades mecánicas son muy superiores a las de las muestras de las series anteriores. 3.- LÍMITES TÉCNICOS Y LEGALES DE VIDA ÚTIL Y REHABILITACIÓN La norma de aplicación en la Argentina para la construcción e inspección de las garrafas de uso domiciliario data de los años 70 [5]. Desde la puesta en vigencia de esta norma se han producido importantes cambios tecnológicos. Algunos de estos cambios han sido reflejados en las normativas de otros países.

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La prueba hidráulica es en general un medio para evaluar la integridad de recipientes en servicio [6]. Se valida, en ambos sentidos legales y prácticos, la máxima presión de operación aceptable de un recipiente nuevo. Un fenómeno particular que se ha observado en ocasiones durante el ensayo hidrostático es el de "pressure reversals" (inversión de presión), donde una fisura sobrevive a un nivel de presión de prueba dado para fallar en la presurización siguiente a un nivel por debajo del ciclo anterior. Para que esto ocurra, sin embargo, es imprescindible la existencia de un defecto previo de fabricación. Se realizó una evaluación comparativa de los documentos y normas de otros países. La más moderna es la Mexicana, que data de 1999 [7]. Esta norma fue desarrollada a partir de un cambio en la composición porcentual de los gases butano y propano en los recipientes de GLP. La norma define que en un plazo de pocos años todo el parque de garrafas debe ser reemplazado por nuevos recipientes. Estos a su vez tendrán una vida útil limitada de doce años. Para la elaboración de esta norma se consideraron los procedimientos de reinspección del departamento del transporte de Estados Unidos, los cuales especifican que los cilindros de GLP deben ser reinspeccionados a los 12 años de su fecha de fabricación, con el objeto de destruir todos aquellos cilindros que no cumplan con todos los requerimientos de seguridad, y luego reinspecciones cada 12, 7 o 5 años (según el tipo de inspección). Considerando que la fabricación de los recipientes portátiles para GLP en México es similar a la de los Estados Unidos, el desgaste que sufren los recipientes, derivado de las maniobras en la distribución y la exposición a la atmósfera, y la insuficiencia de laboratorios acreditados para llevar a cabo las pruebas hidrostáticas o neumáticas, el órgano encargado de elaborar las Normas determinó no establecer las pruebas periódicas, hidrostáticas y neumáticas, para la valoración de los recipientes. En su reemplazo, la Norma NOM-011/1SEDG-1999 establece los criterios para la valoración de las condiciones de seguridad de los recipientes mediante constatación ocular y por medición, previo a su llenado, y la Norma NOM-011-SEDG-1999, relativa a la fabricación de los recipientes, establece 12 años como vida útil máxima de los mismos, al cabo de los cuales deben ser destruidos. 4.- DISCUSIÓN DE RESULTADOS Uno de los principales avances tecnológicos en los últimos años ha sido el mejoramiento de las propiedades mecánicas de los materiales, particularmente la fractotenacidad de los mismos. A mayor tenacidad se asegura una mayor resistencia a la presencia de defectos de mayor tamaño. Otros aspectos constructivos que pueden influir en la reducción del riesgo son el proceso de soldadura, los métodos de ensayo no destructivo, los recubrimientos, y los tratamientos térmicos post soldadura. Los fabricantes argentinos de garrafas no disponían hasta avanzados los 80´s de los hornos necesarios para un tratamiento térmico a alta temperatura. Sin un tratamiento de alivio, las tensiones residuales pueden llegar a ser unas cinco veces mayores que las debidas a la presión de funcionamiento. La presencia de la soldadura circunferencial genera una discontinuidad mecánica (tensiones residuales), geométrica (cambio de espesor) y metalúrgica (material aportado con distinta resistencia y tenacidad). Los materiales en las soldaduras están sometidos a concentradores de tensiones, a las que en ausencia de un adecuado tratamiento térmico se agregan las tensiones residuales de soldadura. La presencia de defectos en estas regiones

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criticas disminuye dramáticamente la confiabilidad de las garrafas. Los esfuerzos longitudinales debidos a la presión interna son del orden de la mitad que los esfuerzos circunferenciales, por lo que el modo más probable de rotura es la propagación de fisuras en dirección longitudinal. La explosión de una garrafa, ver figura 1 [2], pone de relieve que discontinuidades en la ZAC de las soldaduras circunferenciales pueden generar fisuración longitudinal, y conducir a explosiones. Se observa un marcado aumento de la ductilidad y tenacidad promedio de las chapas a medida que aumenta la fecha de fabricación. El aumento de la ductilidad es responsable en gran medida de una mayor facilidad en el conformado y soldabilidad de las garrafas. El promedio de tenacidad de los materiales base, de soldadura y ZAC de las garrafas modernas es del orden del 10% superior al de los materiales antiguos, y en el caso de la chapa base esta diferencia llega al 50% aproximadamente. Esto aumenta dramáticamente la resistencia a los defectos y reduce la probabilidad de falla en servicio. En virtud de lo hasta aquí discutido, se recomienda que en lo inmediato se evalúen nuevas metodologías de regulación de las operaciones de rehabilitación, incluyendo la posibilidad de implementar un sistema de control con el apoyo de todas las partes involucradas. Se recomienda además que se evalúe la definición de un proceso paulatino de reemplazo de los recipientes construidos con anterioridad a 1990. Esta fecha coincide con el mejoramiento de la tenacidad y limpieza de la chapa base, y una reducción en la tasa de defectos en las soldaduras circunferenciales de las garrafas. Ambas condiciones permiten concluir que la probabilidad de falla de las garrafas cae en forma importante para las garrafas construidas a partir de 1990.

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REFERENCIAS 1. Aspectos Generales de la Evaluación de Integridad y Extensión de Vida de Equipamiento Industrial y Estructuras. J.L. Freire, J. Castro, J.L. Otegui, C. Manfredi. Doc. No. 1. Proyecto Multinacional de Evaluación de Integridad y Extensión de Vida de Equipos Industriales. Impr. CNEA, Bs As., 1996. 2. Flaw Analyses Of Vintage LPG Carafes in Use in Argentine Households. P. Fazzini, J. L. Otegui , C. Manfredi. Sen to Engineering Failure Analysis 3. Singer, A. Pytel: "Strength of Materials". 3 ed., Harper & Row, New York, 1980 4. BSI PD6493/91 "Guidance on some methods for assessing the acceptability of flaws in fusion welded structures". British Standards Intitution, London, 1991. 5. "Cilindros de acero para gases licuados de petróleo ". Gas del Estado, Espec. 79-004-02, 1973. 6. R. Eiber, B. Leis, D. Rudland: “Situations where hydrotesting can be beneficial”. AGA PRCI 9 th Symposium on pipe line research, Houston, paper 9, 1996. 7. “Norma oficial mexicana de emergencia NOM-EM-SEDG-1999. Recipientes portátiles para contener Gas L.P. no expuestos a calentamientos por medios artificiales. Fabricación”.

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