V LATINOMETALURGIA

Análisis de Falla por Corrosión en una Bomba de Vacío del Tipo de Anillo Líquido

Dr. Ing. Víctor Andrade C.1, Ing. Halter García S.2, Dr. Santiago Flores M.3

Pontificia Universidad Católica del Perú, Instituto de Corrosión y Protección (ICP-PUCP),Av. Universitaria 1801, Lima 32, Perú.

1vandrad@pucp.edu.pe 2hgarcia@pucp.edu.pe 3sflores@pucp.edu.pe

RESUMEN

En el presente trabajo son presentados los resultados de la evaluación de los problemas de corrosión, que condujeron a la falla en servicio de una bomba de vacío de anillo líquido, a fin de determinar sus probables causas. Esta bomba de vacío deshumedece una pasta de jabón y trabaja en serie con un eyector, logrando un vacío promedio de 180 mbar absolutos y manipula aire saturado a una temperatura entre 25 y 28ºC. El tiempo de operación de la bomba de vacío fue de aproximadamente seis meses, funcionando un promedio de doce horas diarias. El problema de corrosión fue detectado al desensamblar la bomba luego de su retiro por pérdida de vacío. Por el corto periodo de operación no se realizó ningún mantenimiento. Fueron observados daños considerables en la superficie del impulsor de la bomba y en la del disco intermedio, en la zona de la salida del agua que forma el anillo líquido. La inspección visual de los principales componentes internos afectados de la bomba fue complementada con la realización de pruebas y análisis en laboratorio, que proporcionaron información adicional y complementaria sobre el problema de corrosión existente y permitieron determinar las causas de la corrosión y de la falla en servicio.

1. INTRODUCCIÓN

Las bombas de vacío del tipo de anillo líquido son usadas para manipular mezclas “húmedas” de gas (por ejemplo mezclas conteniendo vapores condensables). La humedad presente en estas mezclas puede remover el aceite de lubricación en bombas convencionales lubricadas con aceite, causando en ocasiones la falla prematura.

Al rotar el impulsor o impelente de la bomba de vacío, éste lanza el agua debido a la fuerza centrífuga para formar un anillo líquido, concéntrico con la periferia de la carcasa que hace el trabajo de compresión. El montaje excéntrico del impulsor con respecto a la carcasa resulta en un incremento del espacio entre los álabes del impulsor en la zona de entrada y una disminución en el espaciamiento, en la zona de salida (Figura 1). A medida que la fase gaseosa ingresa a la bomba, ésta es atrapada entre los álabes del impulsor y el anillo líquido. Luego, al rotar el impulsor, el anillo líquido comprime el gas expulsándolo por la zona de salida [1].

Para el presente caso fue realizado el análisis de la falla por corrosión en una bomba de vacío del tipo de anillo líquido teniendo en cuenta, en primer lugar, los antecedentes e información referidos ésta, los cuales pueden resumirse en los siguientes aspectos:

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- La bomba de vacío deshumedece una pasta de jabón y trabaja en serie con un eyector (Figura 2), logrando un vacío promedio de 180 mbar absolutos y manipulando aire saturado a una temperatura entre 25 y 28ºC.

- El tiempo de operación de la bomba fue de aproximadamente 6 meses, funcionando un promedio de 12 horas diarias.

- La descarga de la bomba va conectada a un tanque separador líquido/gas contiguo y el aire con agua de la descarga de la bomba sale a una temperatura aproximada de 40ºC.

- Por el diseño de la bomba se requiere el suministro de agua fría para formar el anillo líquido, la cual es suministrada a 15ºC.

- El problema de corrosión se detectó al desensamblar la bomba luego de su retiro por pérdida de vacío. Por el corto periodo de operación no se realizó ningún mantenimiento.

Figura 1.- Principio de operación - bomba de vacío del tipo de anillo líquido [1].

Figura 2.- Diagrama de la instalación.

2. PROCEDIMIENTO DE EVALUACIÓN

Se realizó una inspección visual a fin de tomar conocimiento de los detalles de los problemas presentados. Además fueron tomadas secciones de material de los principales componentes dañados y recibidas, por parte del usuario, muestras del agua utilizada en la proceso.Los ensayos complementarios consistieron en el análisis químico del agua utilizada en el proceso, así como los análisis macrográfico, metalográfico y la determinación de la microdureza en las muestras de material obtenidas.

2.1 INSPECCIÓN VISUAL Y ANÁLISIS MACROGRÁFICOFueron recibidos diferentes componentes de la bomba de vacío. El análisis

macrográfico se llevó a cabo sobre el impulsor de la bomba y el disco intermedio1, indicados con los números 1 y 2 en la Fotografía 1.

2.2 ANÁLISIS QUÍMICOSe analizaron las muestras de agua remitidas por el solicitante, correspondientes

al ingreso a la bomba de vacío y a la salida del tanque separador líquido-gas. Asimismo, fueron analizados químicamente los productos de corrosión depositados en

1 Fue realizado el análisis metalográfico y la medición de la microdureza en las mismas muestras.

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las paredes internas del cuerpo de descarga. La Tabla 1 resume la descripción de los análisis químicos efectuados.

Tabla 1.- Análisis químicos realizados.

Muestra Análisis realizados

Agua – Ingreso a la bomba. pH, iones cloruros, iones sulfatos y sólidos en suspensión.

Agua – Salida de tanque separador.

pH, iones cloruros, iones sulfatos y sólidos en suspensión.

Productos de corrosión. pH, iones cloruros y iones sulfatos.

En el caso de las muestras acuosas la determinación de cloruro soluble fue realizada según el método volumétrico basado en SM 4500 Cl- C – 98, la determinación de sulfato soluble fue realizada según el método turbidimétrico basado en HACH 8051, la determinación del pH fue llevada a cabo según el método potenciométrico basado en SM 4500 H+ – 98 y la determinación del contenido de sólidos en suspensión fue efectuada según el método propuesto por SM 2540 D.

Para la muestra sólida de productos de corrosión la determinación de cloruro soluble fue realizada según el método volumétrico basado en ASTM D1411-04, la determinación de sulfato soluble fue realizada según el método turbidimétrico basado en HACH 8051 y la determinación del pH fue llevada a cabo según el método potenciométrico basado en ASTM D 4972-01.

2.3 ANÁLISIS METALOGRÁFICOSe obtuvieron secciones transversales en las zonas dañadas, tal como se

describe en la Tabla 2, las cuales fueron montadas en resina fenólica (briqueteado en caliente).

Tabla 2.- Secciones obtenidas en las muestras analizadas metalográficamente.

Elemento Descripción

Impulsor de bombaSección transversal, zona de la punta del álabe del impulsor (elemento B en la Figura 3).

Disco intermedioSección transversal, zona de la salida de la bomba (zona J del elemento K en la Figura 3).

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Figura 3.- Ubicación de los elementos de la bomba de vacío en los cuales se tomaron muestras para el análisis metalográfico [2].

Las muestras fueron preparadas mecánicamente (desbaste y pulido) para su observación metalográfica, según la norma ASTM E 3 - 11: "Métodos estandarizados para preparación de especímenes metalográficos".

El ataque de las muestras se realizó empleando Nital al 0,5%, durante 20 a 30s, según la norma ASTM E 407 - 07: "Métodos estandarizados para microataque de metales y aleaciones".

La observación y toma de micrografías fueron efectuadas en un microscopio de reflexión Zeiss-Axioskop con iluminación DIC, según la norma ASTM E 883 - 11: "Guía estandarizada para la microfotografía metalográfica".

2.4 MEDICIÓN DE LA MICRODUREZALa medición de la microdureza en la escala Vickers se realizó según la norma

ASTM E 384-10: "Método de ensayo estandarizado para la determinación de la microdureza en materiales". Fueron utilizadas las mismas muestras obtenidas para el análisis metalográfico.

3. RESULTADOS

3.1 INSPECCIÓN VISUAL Y ANÁLISIS MACROGRÁFICOEn la Fotografía 1 es presentada una vista general y se indican los componentes

de la bomba de vacío, en su estado de recepción. Los componentes recibidos fueron:

1.- Impulsor y eje.2.- Disco intermedio.3.- Cuerpo de succión.4.- Cuerpo de descarga.5.- Tambor.

En la Fotografía 2 es observado el aspecto superficial del impulsor y en las Fotografías 3 y 4 es mostrada la morfología del ataque, el cual se ubica sobre la cara del álabe que crea la succión y se presenta en forma de socavaciones que se localizan en el extremo del álabe y también a la altura de la raíz. Esta morfología de ataque fue observada en la totalidad de los álabes, siguiendo el mismo patrón. La Figura 4 muestra de manera esquemática la ubicación del ataque en el impulsor de la bomba.

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Fotografía 1.- Componentes de la bomba de vacío. Fotografía 2.- Impulsor de la bomba.

Fotografía 3.- Morfología del ataque en el impulsor. Fotografía 4.- Ubicación de zonas atacadas (señaladas con flechas). Se indica sentido de giro.

Figura 4.- Diagrama mostrando la ubicación de las zonas atacadas por

corrosión en el impulsor de la bomba de vacío [3].

En la Fotografía 5 es presentada una vista de la cara del álabe que comprime la mezcla agua-gas, que no presenta cavidades o picaduras; por el contrario, se observa una capa de productos de corrosión de color negruzco, bien adherida a la superficie del álabe. Esta capa, parcialmente retirada, contrasta en la foto con el substrato corroído uniformemente de color pardo rojizo, de la superficie del álabe.

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Sentido de giro

En las Fotografías 6 y 7, son mostradas la superficie del disco intermedio en contacto con el impulsor y la morfología del ataque, el cual se ubica en la zona de la salida del flujo y se presenta en forma de picaduras y pequeñas socavaciones similares a las observadas en los bordes laterales de los álabes del impulsor.

Fotografía 5.- Vista de la cara del álabe que comprime la mezcla agua-gas.

Fotografía 6.- Vista del disco intermedio.

Fotografía 7.- Detalle de la morfología del ataque en el disco intermedio.

Fotografía 8.- Productos de corrosión depositados en las paredes internas del cuerpo de descarga.

3.2 ANÁLISIS QUÍMICOLa Fotografía 8, muestra los productos adheridos a la superficie interna de la

carcasa y el procedimiento de su extracción. En la Tabla 3 son presentados los resultados del análisis químico para las muestras acuosas.

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Tabla 3.- Resultados del análisis químico – Muestras de agua.

MuestrapH(°C)

Cloruro soluble (mg/l)

Sulfato soluble (mg/l)

Sólidos en suspensión (mg/l)

Ingreso a la bomba. 8,20 45,4 185 4,0

Salida de tanque separador.

7,27 48,0 193 974,0

En la Tabla 4 son presentados los resultados del análisis químico de los productos de corrosión.

Tabla 4.- Resultados del análisis químico – Muestra de productos de corrosión.

MuestrapH(°C)

Cloruro soluble(mg/kg)

Sulfato soluble(mg/kg)

Productos de corrosión. 6,9 88 1061

3.3 ANÁLISIS METALOGRÁFICO

Sección del impulsor de la bomba.La microestructura observada corresponde a una fundición nodular (o fundición dúctil), la cual consiste en nódulos de grafito rodeados de ferrita en una matriz de perlita (Fotografías 9 a 11).La morfología del ataque localizado es mostrada en la Fotografía 11.

Fotografía 9.- Microestructura del material del impulsor (100X).

Fotografía 10.- Microestructura correspondiente a una fundición nodular o dúctil (200X).

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Fotografía 11.- Morfología del ataque localizado en un álabe del impulsor (50X).

Sección del disco intermedio.En este caso, la microestructura es la correspondiente a una fundición gris, en la que se observa láminas de grafito en una matriz de austenita (Fotografías 12 a 14). La morfología del ataque localizado es mostrada en la Fotografía 14.

Fotografía 12.- Microestructura del material del disco intermedio (100X).

Fotografía 13.- Microestructura correspondiente a una fundición gris (100X).

Fotografía 14.- Morfología del ataque localizado en el disco intermedio (50X).

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3.4 MEDICIÓN DE LA MICRODUREZAEn la Tabla 5 son presentados los valores de microdureza obtenidos en las

muestras correspondientes al impulsor y al disco intermedio.

Para el ensayo de la microdureza en la escala Vickers se empleó una carga de 300g aplicada durante 15s.

Tabla 5.- Valores obtenidos de microdureza Vickers.

Elemento Valores de HV medidos HV (promedio)

Impulsor de bomba 166 167 172 163 167

Disco intermedio 214 201 230 215 215

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

4.1 En la inspección realizada y en el análisis macrográfico correspondiente, fueron observados daños severos por corrosión localizada, en forma de cavidades y socavaciones en la superficie del álabe del impulsor y en la zona de la salida del disco intermedio. 4.2 Se observaron productos de corrosión, en forma de láminas de color negruzco de aspecto grumoso, adheridas en toda la superficie del impulsor salvo en las zonas en donde se presentan socavaciones, donde fue observada una coloración pardo rojiza. Esta diferencia de color entre los productos de corrosión observados en las zonas atacadas de los álabes del impulsor (pardo rojizo) y la capa adherida en el resto del elemento (negruzco), indican que la capa de óxido formada inicialmente sobre el impulsor (capa de color negruzco) fue destruida localmente por daño hidro-mecánico debido a la acción de un mecanismo de corrosión–erosión, exponiéndose así el material base al ataque del medio por la creación de pilas de corrosión. Estos productos de corrosión de color pardo rojizo son removidos por el flujo de la mezcla aire-gas y depositados en las paredes del cuerpo de descarga. La coloración de los abundantes sedimentos de las paredes internas del cuerpo de descarga confirma este transporte de productos de corrosión. 4.3 Los valores del contenido de iones cloruro y sulfato así como los valores de pH son muy similares en el agua en la entrada de la bomba y en la salida de la mezcla agua-gas.Lo que se observa en base a estos resultados y a los de la determinación de sólidos en suspensión es que se trata de la misma agua añadida a la bomba, que sale de ésta con un mayor contenido de sólidos en suspensión, provenientes de la zona del cuerpo de la descarga, en donde se han acumulado los productos de corrosión.4.4 El análisis metalográfico determinó que los dos componentes analizados están fabricados de distintos materiales. Esto podría explicar por qué el impulsor y el disco intermedio presentan morfologías de ataque diferentes.Asimismo, la diferencia en los valores de dureza de los materiales corrobora la diferencia en la severidad del ataque, siendo éste mayor en el impulsor (fundición dúctil, HV 167) que en el disco intermedio (fundición gris, HV 215).4.5 La morfología del ataque observada en la Fotografía 11 (álabe de impulsor) nos indica que se trata de un ataque localizado severo del extremo del álabe que ha destruido el elemento inhabilitándolo, lo que se manifestó por la pérdida de vacío de la bomba. Por otro lado, La morfología del ataque observada en Fotografía 14 (disco

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intermedio) nos indica que se trata de un ataque localizado. Las marcas que se aprecian en la vista revelan la morfología de un ataque por corrosión-erosión.4.6 Parece ser que el ataque localizado (picaduras y socavaciones), observado en los álabes del impulsor, es el resultado de la acción conjunta de la formación de celdas locales en su superficie (lo cual se refuerza teniendo en cuenta que la bomba de vacío trabaja 12 horas diarias y que, por lo tanto, las 12 horas restantes el material queda en contacto con el agua que se emplea para lograr el anillo), de la presencia de cavitación y del choque de burbujas de aire en la bomba.4.7 La temperatura de entrada del agua y/o las condiciones de operación de la bomba (transferencia de calor importante en el interior de la bomba que eleva aún más la temperatura del agua que forma el anillo, aumentando así el riesgo de que ocurra la cavitación al incrementarse el vacío y disminuir la temperatura de ebullición del agua), pueden también considerarse como causas de un fenómeno de cavitación [4].4.8 La morfología del ataque observada en el impulsor corresponde a la descrita en la información técnica como la que es causada por cavitación en bombas de vacío de anillo líquido [5]: series de socavaciones y picaduras siguiendo un patrón que se repite en los bordes de los álabes del impulsor y a nivel de la raíz, donde ocurre además el ataque debido al choque de burbujas de aire, causadas también por las condiciones de funcionamiento de la bomba de vacío. La Fotografía 2 muestra este patrón de ataque localizado en los álabes del impulsor.

5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Los resultados del análisis químico descartan que el ataque del impulsor se haya debido a la presencia de iones cloruro o sulfatos en el agua empleada. Las concentraciones determinadas no son perjudiciales para los componentes analizados.5.2 El análisis macrográfico y el análisis metalográfico indicarían que el daño en los álabes del impulsor fue debido a un mecanismo de corrosión-erosión, donde se tiene por un lado, cavitación de la bomba y choque de burbujas de aire y, por otro lado, un proceso de corrosión al estar en contacto el material del impulsor que queda expuesto por la acción de la erosión, con el agua durante los periodos de parada de la bomba (12 horas por día).5.3 Asimismo, los análisis macrográfico y metalográfico muestran que el daño en la zona de la salida del flujo del disco intermedio fue debido únicamente a cavitación de la bomba.5.4 Para prevenir la cavitación en la bomba de vacío podría considerarse la revisión de sus condiciones de operación, actuando por ejemplo sobre temperatura de entrada del agua a fin de disminuirla lo más posible y/o sobre las condiciones de operación de la bomba, incrementando la presión (es decir, logrando un menor nivel de vacío).5.5 Considerar la posibilidad de reemplazar el material del impulsor, utilizando por ejemplo, acero inoxidable.

6. REFERENCIAS

[1] J. Aliasso. “How to size liquid ring vacuum pumps”.http://www.graham-mfg.com/usr/pdf/techlibvacuum/212.pdf.

[2] SIHI Pumps - LPH SERIES - Liquid Ring Vacuum Pumps.http://www.sihi-pumps.com/dmdocuments/LPH.pdf

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[3] “Cavitation in Liquid Ring Vacuum Pumps used in Condenser Venting Service”. Kevin Skelton. Graham Corporation. 20 Florence Ave., Batavia, NY 14020. Pag. 4. EPRI Conference Sept 1-3,1999.

[4] “SIHI liquid ring vacuum pump trouble shooting guide”.http://www.sihi-pumps.com/option,com_docman/task,doc_view/gid,23/Itemid,26.html

[5] “Cavitation in Liquid Ring Vacuum Pumps used in Condenser Venting Service”. Kevin Skelton. Graham Corporation. 20 Florence Ave., Batavia, NY 14020. Pag. 5. EPRI Conference Sept 1-3,1999.

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