Análisis de corrosión y erosión en equipos utilizando CFD
Todos nosotros ya hemos tenido problemas de corrosión alguna vez en la vida: desde aquella esponja de acero en la que apareció un color marrón amarillento después de un largo período de uso, hasta un equipo industrial, con piezas oxidadas.
Ya la erosión, al contrario de lo que muchos piensan, no se limita solamente al proceso de desgaste del suelo y de las rocas por acción de vientos y lluvias. De manera general, podemos decir que la erosión es un proceso físico, en el cual se tiene el desgaste gradual de un sólido por medio de abrasión, como por ejemplo, el acarreo de partículas de arena a alta velocidad en el interior de tuberías.
En este contexto, los procesos de corrosión y erosión son uno de los dos principales desafíos de los sistemas de producción de la industria de procesos en general. Tales fenómenos pueden acarrear la reducción del tiempo de vida útil de tuberías y equipamientos y, por lo tanto, son vitales en estudios de gestión de riesgos.
A) Ejemplo de erosión por partículas en codo de tubería | B) Ejemplo de equipo industrial con efectos de la corrosión
La erosión es un proceso complejo, influenciado por innumerables factores, siendo que pequeños cambios en las condiciones operacionales pueden afectar significativamente los daños causados. La erosión es conocida como uno de los dos principales problemas de la producción de petróleo y gas. Los mecanismos potenciales que pueden provocar daños significativos por erosión son: erosión por partículas, erosión por gotas de líquido, erosión por corrosión, y erosión por cavitación. El primero es generalmente considerado como la fuente más común de problemas de erosión en sistemas de producción, especialmente erosión causada por partículas de arena.
La corrosión es un proceso espontáneo y complejo, en el cual un material (usualmente metales) se convierte, por medio de reacciones químicas de óxido reducción, en una forma más estable. Este tipo de proceso es un problema grave en todos los tipos de industrias, causando gran perjuicio en equipos, lo que puede llevar a pérdida de eficiencia de los mismos o, en casos extremos, a accidentes.
Existen diversas formas de corrosión, entre las que podemos citar: corrosión uniforme, corrosión galvánica, corrosión localizada y corrosión-erosión, siendo que la corrosión localizada es más difícil de detectar y, por lo tanto, causa daños considerables en las industrias.
Análisis de corrosión y erosión utilizando CFD
La Fluido Dinámica Computacional (CFD) como herramienta de proyecto, va ganando fuerza con el aumento de la potencia computacional disponible y la eficiencia de los códigos empleados. El uso de simulaciones numéricas permite la reducción de los costos experimentales en la construcción de prototipos y realización de testes, así como permite obtener una riqueza de detalles de la hidrodinámica en el interior de los dispositivos, la cual sería imposible de ser obtenida por métodos experimentales.
A) Modelado del proceso de erosión en tuberías utilizando CFD | B) Modelado del proceso de corrosión en tuberías utilizando CFD
Utilizando los programas de CFD de Ansys (Fluent y CFX) se pueden calcular las trayectorias de las partículas utilizando los modelos adecuados. Las interacciones partícula-pared son definidas por medio del coeficiente de restituciones para las direcciones normal y tangencial. Cuando las partículas individuales sufren impacto sobre una pared, el daño causado es calculado utilizando un modelo de daños por impacto (Erosion Model). De esa forma, se puede decir que el CFD es una herramienta indicada para prever localizaciones de erosión y las formas de desgaste causadas. Es particularmente ventajosa para geometrías complejas, tales como válvulas, en las cuales las trayectorias de las partículas son muy complicadas.
Los procesos de corrosión ya pueden ser simulados por medio del modelo de reacciones electroquímicas implementado en la versión 17.0 de Ansys Fluent, con el cual es posible prever la tasa de corrosión en una determinada superficie. El usuario precisa proveer al programa con las sustancias envueltas en las reacciones con sus respectivas cargas, algunos parámetros de cinética de reacciones, además de especificar qué reacciones ocurren en el cátodo y en el ánodo.
Por lo tanto, la Fluido dinámica Computacional (CFD) tiene un gran potencial para ser utilizada en estudios de corrosión y erosión y apoyar la validación de soluciones que puedan mitigar e impedir tales problemas.
