Dos de los métodos más utilizados para evaluar los defectos de las tuberías

Cuando se descubren defectos similares a grietas en una tubería, las primeras preguntas que suelen plantearse los operadores están relacionadas con si la tubería puede seguir funcionando de forma segura, cuántas reparaciones serán necesarias (en caso de que las haya) y cuándo deben completarse dichas reparaciones.

Se han desarrollado varios métodos para ayudar a dar respuesta a estas preguntas. Algunos modelos se basan en los primeros principios y en la mecánica de la fractura y se desarrollaron inicialmente para aplicaciones genéricas (no específicas de las tuberías). En ocasiones, estos modelos pueden ser muy conservadores, ya que no tienen en cuenta los entresijos de una situación concreta. La industria de las tuberías ha desarrollado otros métodos que se basan en gran medida en la observación y la experimentación, dando lugar a métodos semiempíricos que pueden ser sencillos de utilizar y dar resultados precisos cuando se usan dentro del rango de su calibración original. Este artículo pretende dar una visión general de estos diferentes métodos y modelos de evaluación para proporcionar a los operadores una mejor comprensión y a los ingenieros de integridad de activos en la selección de una evaluación adecuada para su caso específico.

Métodos "genéricos"

Dos de los métodos de evaluación de defectos en tuberías más utilizados son la norma británica BS 7910:2019 "Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures"ⁱ y la norma API579-1/ASME FFS-1 - 2021 "Fitness for Service"ⁱⁱ del American Petroleum Institute/American Society of Mechanical Engineers. Estos documentos están referenciados en una serie de normas y prácticas de la industria de tuberías, aportando beneficios a la industria debido a un enfoque coherente y sólido que es ampliamente entendido. Estos métodos han ganado popularidad en la industria de las tuberías para la evaluación de defectos similares a grietas, y en la actualidad existe una amplia experiencia en su aplicación a tuberías^iii,iv.

BS 7910 se refiere a todo tipo de estructuras y componentes metálicos, mientras que API 579-1/ASME FFS-1 (más comúnmente conocido como API 579) es específico de los equipos presurizados utilizados en la industria petroquímica y afines. La evaluación de los defectos se lleva a cabo basándose en el concepto de adecuación al propósito (FFP). Este concepto de FFP considera que una estructura es "apta para llevar a cabo su propósito", siempre que no se alcancen las condiciones para el fallo. Por lo tanto, mediante la realización de una evaluación crítica de ingeniería (o simplemente "evaluación de ingeniería"), los defectos conocidos o hipotéticos se evalúan en función de este criterio.

Para determinar la aceptabilidad de los defectos similares a grietas, tanto la norma BS 7910 como la norma API 579 utilizan un diagrama de evaluación de fallos (FAD) que tiene en cuenta el fallo por fractura (frágil o dúctil) y el colapso plástico. Se calcula un límite seguro/no seguro utilizando las propiedades del material y, en algunos casos, la geometría. A continuación, se trazan puntos en este dominio en función de las cargas y la geometría del defecto y, posteriormente, se consideran aceptables o no. La figura muestra un FAD típico con un punto de evaluación dentro del límite, lo que significa que este defecto concreto se consideraría seguro.

Métodos semiempíricos

Cuando se desarrolló el campo de la mecánica de la fractura, se hizo para un régimen lineal-elástico idealizado y simplificado. Este régimen era difícil de aplicar en la industria de las tuberías, donde las estructuras tienen secciones delgadas, a veces baja resistencia y alta ductilidad, y definitivamente muestran comportamientos no lineales-elásticos. Tras muchos trabajos en este campo, se desarrollaron las ecuaciones NG-18 (elaboradas por el comité NG-18 de la Asociación Americana del Gas), basadas tanto en una teoría sencilla como en experimentos a escala real. Este programa experimental ayudó a superar una serie de retos planteados por fenómenos como la alta ductilidad, el embotamiento de grietas y las limitaciones de los materiales que se observan en el mundo real pero que no se tienen en cuenta fácilmente en los métodos genéricos. Desde el desarrollo inicial de las ecuaciones semiempíricas NG-18 en la década de 1960, se han introducido una serie de mejoras para tener en cuenta los mecanismos de control del fallo (fractura o flujo controlado) y las diferentes formas de los defectos.

Existen otros métodos de evaluación que incluyen el modelo de crecimiento de defectos dúctiles (DFGM) y el criterio de fallo de defectos axiales en tuberías (PAFFC), estrechamente relacionado, que se basan en la teoría de la mecánica de fractura elástico-plástica. El software de evaluación de la vida útil de la corrosión (CorLAS), basado en el esquema de estimación J del Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), se desarrolló originalmente para la evaluación de grietas por corrosión bajo tensión (SCC) en tuberías, pero se ha aplicado a grietas y defectos similares a grietas de diferente origen.

Dureza a la fractura

Una entrada crítica tanto en los modelos genéricos como en los específicos para tuberías es la dureza a la fractura del acero de la tubería. Tradicionalmente, la "tenacidad" de las tuberías se ha cuantificado mediante la energía de impacto medida con el ensayo Charpy V-notch (CVN). Sin embargo, este método CVN es una medida cualitativa de la tenacidad, y éstas requieren una mayor validación y calibración en ensayos a escala real para poder utilizarlas como aproximación a valores cuantitativos. Los métodos cuantitativos para medir directamente la tenacidad de un material, como el desplazamiento de apertura de la punta de la grieta [CTOD] o la integral J, no son tan populares porque suelen ser más caros que los ensayos CVN. Por lo tanto, la mayoría de los resultados de ensayos disponibles (históricos y actuales) corresponden únicamente a ensayos CVN.

Esta falta de datos cuantitativos tiene efectos significativos cuando se intenta aplicar los métodos de evaluación mencionados anteriormente; los métodos "genéricos" se basan en estos datos cuantitativos, mientras que los métodos semiempíricos utilizan directamente los valores CVN. Para intentar utilizar los resultados del CVN en métodos genéricos, se han formulado una serie de correlaciones, que dependen en gran medida de una serie de factores, como el mecanismo de fractura, la temperatura, etc. Elegir la correlación correcta se convierte en algo vital, ya que seleccionar una correlación incorrecta puede significar que los resultados carezcan de sentido y no representen con exactitud el estado del activo. Además, como regla general, los métodos genéricos tienden a dar resultados mucho más conservadores que los métodos semi-empíricos, de nuevo derivados de la naturaleza conservadora de las correlaciones de tenacidad.

Mecanismos dependientes del tiempo?

Independientemente del tipo de método de evaluación que se utilice, otra dimensión que debe tenerse en cuenta es el tiempo. ¿Es probable que las anomalías crezcan con el tiempo o son estáticas y estables? ¿Se trata realmente de grietas o sólo de elementos planos con puntas romas? Cuando se consideran los cambios de las grietas a lo largo del tiempo, muchos parámetros pueden tener un gran impacto en la evaluación. Entre ellos se incluyen el tamaño inicial supuesto, los mecanismos y la tasa de crecimiento supuestos, las fuerzas/cargas impulsoras estimadas y el tamaño crítico final estimado.

Entonces, ¿qué método utilizar?

En general, las ecuaciones NG-18 tienden a ser más precisas para los aceros de tuberías dúctiles (siempre que el acero se encuentre en la región de "estante superior" CVN, teniendo en cuenta que la mayoría de los aceros de tuberías de buena calidad muestran un comportamiento de estante superior a las temperaturas de funcionamiento típicas de las tuberías). Los métodos genéricos tienden a ser más conservadores, pero pueden utilizarse para obtener resultados seguros cuando las propiedades del material son inciertas o se sabe que la ductilidad y/o la tenacidad son bajas. Cabe señalar que los métodos genéricos pueden dar resultados no conservadores al calcular la vida a fatiga. Por supuesto, estas afirmaciones son generalizaciones hechas para mayor claridad en este resumen introductorio. Es una buena práctica buscar siempre el asesoramiento de expertos antes de evaluar anomalías similares a grietas.

Cuando se trata de evaluar defectos similares a grietas en tuberías, un método no es necesariamente "mejor" que otro. Cada método tiene sus ventajas e inconvenientes, que pueden depender del material concreto y del tipo de grieta. En función de los datos de que se disponga y de las hipótesis que se formulen, se tomará la decisión de elegir un método u otro. Si se tiene en cuenta el crecimiento en función del tiempo, la evaluación de anomalías similares a grietas en una tubería requiere más complejidades y consideraciones. Siempre es mejor buscar el asesoramiento de expertos en la materia para asegurarse de que se elige el método más adecuado y de que los datos de entrada utilizados son los más apropiados para ese método, evitando así caer en la vieja trampa de "basura dentro, basura fuera".