Juan Gonzalez-PDVSA Intevep

CORROSION BAJO TENSION DEL ACERO API 5L GRADO X52 EN PRESENCIA
DE MUESTRAS DE SUELO
J.J. González, ([email protected]); H. Tovar ([email protected])
PDVSA INTEVEP - Departamento Tecnología de Materiales
( (58) 2 908 7680, FAX (58) 2 908 7699
+ AP 76343, Caracas 1070 A, Venezuela
A. Bentolila
Universidad Simón Bolívar
Caracas Venezuela
RESUMEN
Desde la década de los 70, se han encontrado fallas asociadas al fenómeno de
corrosión bajo tensión (CBT), en líneas de transmión de gas elaboradas con aceros al
carbono. Estas han ocurrido en Canadá, Estados Unidos, la ex URSS (Gasoducto de
Siberia) y en otros países. Los estudios realizados indican que las fallas por CBT tienen
características no clásica, es decir, ocurren en zonas con pH cercano al neutro, el
agrietamiento es transgranular y ocurre al potencial libre o en sitios con
discontinuidades en el revestimiento donde no se logra la protección catódica.
Con el propósito de determinar la susceptibilidad a la CBT del acero al carbono, se
evaluaron muestras de suelo tomadas en las cercanías de gasoductos de occidente,
centro y oriente del país. Estas fueron caracterizadas mediante análisis físico-químicos
encontrándose una granulometría, composición iónica y pH variables. Se evaluó un
acero de especificación API 5L X-52, el cual es utilizado como tubería de línea en
sistemas de transmisión de gas. El comportamiento a la CBT del acero se determinó
mediante ensayos mecánicos a velocidad de deformación lenta; además, se estudió la
corrosividad de soluciones suelo/agua mediante ensayos de pérdida de peso.
En los ensayos mecánicos, se encontró que el acero presenta una sensible variación
de las propiedades mecánicas (Sy, Su, %ε y %RA); sin embargo, los indicadores de
CBT, el análisis fractográfico y la microestructura en corte longitudinal de las probetas,
no indican evidencias de CBT. La variación de las propiedades se puede asociar a la
formación de picaduras en presencia de los medios evaluados. La velocidad de
corrosión del acero en presencia de las soluciones suelo/agua fue relativamente baja
(0,10 y 0,08 mm/año).
INTRODUCCION
Desde hace algunos años, en líneas de transmisión de gas como el TransCanada
Pipeline en Canadá
[1]
y el gasoducto de Siberia en Rusia
[2]
, entre otros sistemas, se
han encontrado numerosas fallas asociadas al fenómeno de CBT con agrietamiento
longitudinal presencia de colonias de grietas en tuberías enterradas. Las rupturas en las
líneas, se han presentado en tuberías de acero API 5LX52 con más de 40 años de
servicio, asociándose a la sinergia de varios factores como: falla de recubrimiento
(alquitrán de hulla o cintas de poliolefinas), deficiencia en la protección catódica y
presencia de un suelo con pH neutro [3].
Estudios realizados en laboratorio con aceros de especificación API 5L serie X (grados
X52, X70, X80, etc.)
[4]
, en presencia de suspensiones preparadas con muestras de
suelo y soluciones sintéticas, denominadas serie NS
[5]
, han favorecido la falla de los
materiales por mecanismos de CBT. Las soluciones NS, son electrolitos compuestos
de una carga iónica conocida que está relacionada con la concentración de especies
contenidas en los suelos en donde se ha observado el fenómeno. Los iones que
constituyen estas soluciones son: HCO3-, Cl-2, SO4-2, K+, Na+, Mg+2 y Ca+2.
En Venezuela, aunque en tuberías enterradas no han sido detectadas fallas por CBT,
se han encontrado rupturas recurrentes en el gasoducto Anaco-Caracas (línea no
enterrada) en el tramo N50-Quiripital, en donde las características del agrietamiento
son comparables a las encontradas en fallas promovidas por este fenómeno [6-8]. Estas
se presentan, predominantemente en sentido longitudinal, aunque también se han
encontrado en sentido transversal o combinado
[9]
. Tiene lugar en la parte inferior de la
tubería (hora 6), exactamente en los valles y están ubicadas en el punto de contacto con
un soporte de madera que forma parte de una estructura "H" en donde, se presume, se
acumula agua de rocío diariamente.
En un estudio reciente realizado con el acero que constituye este gasoducto
[8]
,
mediante ensayos mecánicos a baja velocidad de deformación en presencia de
muestras de suelo, no se encontró efecto del medio en el comportamiento a la CBT. Sin
embargo, se presume que las fallas encontradas se deban posiblemente al fenómeno
de corrosión en espacios confinados por aireación diferencial. Este mecanismo
favorece la disolución anódica y en presencia de esfuerzos moderados (por tracción,
flexión o esfuerzos internos) puede producir agrietamiento por CBT.
Una evaluación de las secciones en donde se ha encontrado agrietamiento en el
gasoducto Anaco-Caracas
[9]
, indicó que el acero tiene una microestructura diferente a
la encontrada en el acero 5L X-52 con fabricación reciente. La microestructura está
constituida por una matriz ferrítica y colonias de perlita con granos no orientados de
gran tamaño y un alto contenido inclusiones. Además, se encontró ferrita Witmänstatten
de forma acicular, la cual produce un endurecimiento de la matriz, ya que ésta
contribuye a la concentración de esfuerzos. La composición química del acero, contiene
el doble de carbono (0,262%p) y diez veces más de azufre (0,048%p), respecto a los
fabricados en la actualidad. Esta microestructura favorecería la formación de grietas
por ataque preferencial de la ferrita en presencia de esfuerzos.
El objetivo del presente trabajo es estudiar el comportamiento ante la CBT del API 5LX52 en presencia de suspensiones preparadas a partir de muestras de suelo tomadas
en diferentes sitios donde se ubican las líneas de transmisión de gas y crudo. Se
pretende, además, conocer el efecto en la CBT de las especies presentes en el suelo.
Las muestra de suelo fueron tomadas superficialmente (a unos 30 cm de la superficie)
en la cercanía del paso de los gasoductos, en tres sistemas de transimisión de gas de
PDVSA denominados: Sistema I (Gasoducto Pto. Caballo-La Paz φ20" y Ule-Amuay
φ16") muestras A, B, C y D; Sistema II (Poliducto SISOR-Anaco φ16") muestras E, F y
G; y sistema III (Gasoducto Anaco-Caracas φ26" tramo N50-Quiripital) muestras H, I y J.
Este último es no está enterrado.
Todas las muestras fueron caracterizadas mediante análisis físico-químico: tipo de
suelo, composición química, pH y análisis constitucional por difracción de rayos X
(mineralogía). A partir de los resultados obtenidos, se seleccionaron muestras
representativas de manera de establecer tendencias en el comportamiento mecánico
del acero en presencia de las suspensiones suelo/agua.
METODOLOGIA EXPERIMENTAL
Caracterización del acero
El material utilizado en este estudio fue un acero al carbono de especificación API 5L
grado X52, el cual se emplea normalmente en la construcción de líneas de producción
(tubería para el transporte de gas natural, crudo o derivados del petróleo). Las
probetas, para los ensayos mecánicos y pérdida de peso, fueron obtenidas a partir de
cortes longitudinales de una sección de tubería de 16 pulgadas y espesor 0,375" (9,5
mm), tomada de una línea de transmisión de gas de fabricación reciente.
La caracterización del acero incluyó: composición química, propiedades mecánicas y
metalografía. En la Tabla 2, se reportan los resultados de la composición química y
propiedades mecánicas del acero utilizado y la correspondientes a la especificación
del acero API 5L grado X52 [11].
TABLA 1: Composición química y propiedades mecánicas del acero API 5L grado X52
utilizado y la especificación del acero.
Material
C
Mn
P
S
Si
Fe
Sy [MPa]
Su [MPa]
ε [%]
Acero utilizado
0.145
1.30
0.014
0.004
0.345
Bal.
425
588
23.5
API 5L X52 (max.)
0.28
1.25
0.030
0.030
-
Bal.
358
455
20
Sy, Su: Esfuerzo de fluencia y esfuerzo máximo
% ε: Porcentaje de deformación
La composición química del acero utilizado está dentro de los valores permisibles para
un acero X52 según la especificación API 5L. Nótese que el contenido de carbono (C) y
azufre (S) es considerablemente inferior. En efecto, en la última década se ha logrado
mejorar las características metalúrgicas de este acero disminuyéndose el contenido de
estos elementos, para obtener aceros con menor tamaño de grano y bajo contenido de
inclusiones.
La metalografía, se realizó en cortes en sentido longitudinal y transversal, los cuales
fueron montados en baquelita. Las muestras fueron desbastadas mecánicamente por
intermedio de papel abrasivo de carburo de silicio (SiC) adherido a un disco giratorio,
desde el grado 80 hasta el 1000. Seguidamente, fueron pulidas con alúmina de
granulometría 1, 0,3 y 0,05 µm, limpiadas con acetona en una cuba con ultrasonido y
finalmente secadas.
Las observaciones de la superficie pulida de las muestras sin ataque en un
microscopio óptico a x100 no indican presencia de inclusiones. La microestructura del
acero fue revelada mediante un ataque químico usando una solución 2% nital.
En la Figura 1 a y b, se presenta la microestructura del acero en corte transversal y
longitudinal, respectivamente. Estas microestructuras son comparables y se
caracterizan por la presencia de granos orientados, producto del proceso de
manufactura (extrucción en caliente). La matriz está constituida de granos de ferrita
(fase
del sistema Fe-C) bandeada y perlita fina (α + Fe3C) de tamaño relativamente
pequeño y granos equiaxiales. Esta microestructura corresponde a la de un acero al
carbono poco aleado [12].
(a)
(b)
Fig. 1. Microestructura del acero 5LX52: (a) corte longitudinal y (b) transversal. x 150.
Los ensayos mecánicos se realizaron en una máquina de tracción MTS utilizándose
probetas que fueron obtenidas a partir de cortes longitunales de la sección de tubería.
Estas fueron fabricadas según la norma NACE TM0177-96
[¿?]
y corresponden a las
descritas como especímenes tipo subestándar. Para la determinación de las
propiedades mecánicas, se ensayaron tres probetas y se calculó un promedio de los
valores obtenidos.
En la Tabla 1, se indican los valores del esfuerzo de fluencia, Sy; el esfuerzo máximo,
Su; y el porcentaje de elongación (%ε) del acero API 5LX-52 indicados en la
especificación y los obtenidos mediante ensayos de tracción. Como puede apreciarse,
los valores de Sy, Su y %ε, están dentro del rango permisible para un acero de esta
especificación [11].
La dureza se determinó con un microdurómetro, realizándose un promedio de 10
mediciones en sentido radial, en cortes longitudinales y transversales efectuados en la
tubería, obteniéndose en la escala Rockwell B, un valor promedio de 89 HRB.
Caracterización de muestras de suelo
La caracterización de suelos comprendió: tipo de suelo, análisis semicuantitativo de
roca total por difracción de rayos X (mineralogía), pH y análisis químico (HCO3-2, Cl-,
SO4-2, Mg+2, Ca+2, K+ y Na+).
La solución utilizada en los ensayos mecánicos, consistió en una suspensión
suelo/agua con relación 1/1,2. Para ello se mezcló aproximadamente 400 g de suelo,
previamente tamizada por el tamiz 30 (600µm), con 480 ml de agua destilada. De esta
manera, se obtiene una solución suficientemente fluida como para que pueda ser
vertida en la celda de corrosión, con una concentración de especies iónicas
representativa del suelo. En un estudio de CBT se utilizó la técnica SSR en presencia
de suelos de Siberia [2], con una relación suelo/agua igual a 1:1.
Ensayos a baja velocidad de deformación (Slow Strain Rate-SSR)
Los ensayos de CBT se realizaron en un sistema MTS mediante la técnica de baja
velocidad de deformación o SSR. Esta técnica consiste en deformar lentamente bajo
tensión (10-5 - 10-6 s-1), una probeta inmersa en un medio hasta que fracture. Una merma
de las propiedades mecánicas (esfuerzo de fluencia, Sy, esfuerzo máximo, Su),
reducción de área y tiempo de ruptura t
rup
, son condiciones necesarias más no
suficientes para establecer la existencia de este mecanismo
[13]
. Este comportamiento
se debe corroborar con evidencias de fragilidad mediante un análisis de la morfología
de la falla (fractografía) y un estudio metalográfico en corte longitudinal en una zona
cercana a la fractura.
La Fig. 2 muestra la celda utilizada en los ensayos mecánicos SSR. Las pruebas fueron
realizados a temperatura ambiente en aire a la presión atmosférica, siendo
representativa de las condiciones reales de servicio encontradas en los gasoductos. No
obstante, esta es una condición extrema ya que la muestra de suelo está sobresaturada
en agua para así acelerar los procesos corrosivos. Los ensayos de referencia o en
blanco, se realizaron en presencia de agua destilada a las mismas condiciones que los
ensayos con suelo.
Fig. 2. Detalle de la celda de ensayo utilizada en los ensayos SSR
Finalizado el ensayo SSR, las secciones se lavaron con agua destilada, luego se
introdujeron en un Vicker con acetona para limpiarlas mediante ultrasonido y finalmente
fueron secadas y guardadas en un desecador. La superficie externa de las probetas
fracturadas fue observada cuidadosamente a bajo aumento en un stereo-zoom (entre
x2 y x10). Una de las secciones se cortó transversalmente a unos 10 mm de la falla y se
observó en microscopía electrónica de barrido SEM, permitiendo la caracterización
fractográfica. Igualmente, se midió el diámetro final de la probeta en la zona de falla
para determinar el porcentaje de reducción de área.
A partir de los resultados obtenidos en los ensayos a baja velocidad de deformación,
se determinó el índice de CBT (ICBT ) y se calcularon otros indicadores: la relación del
tiempo de falla (RTF), la relación de deformación (Rε) y la relación de reducción de área
(RRA). Estos se calcularon mediante el cociente entre los valores de deformación
ε, reducción de área RA y tiempo de ruptura t
rup
obtenidos en presencia del medio
evaluado con los de la condición de referencia. Cuando los indicadores son próximos a
la unidad, se puede inferir que el medio no tiene influencia en el comportamiento a la
CBT. El ICBT, es una relación entre la deformación y la resistencia a carga máxima del
material en un medio no promotor de CBT y otro medio que presumiblemente si la
favorece [15]. Se calcula mediante la siguiente expresión:
ICBT =
1 + εu
Su
⋅ medio
−1
medio
1 + εu
Su
εu, Su : Deformación y resistencia a carga máxima
Ecuación (1)
del material en un medio inerte a la CBT (ensayo
en blanco).
εumedio, Sumedio: Deformación y resistencia a carga
máxima del material en el medio evaluado.
Un índice ICBT , cercano a la unidad indica alta susceptibilidad al agrietamiento, mientras
que un ICBT , cercano a cero indica poca susceptibilidad al fenómeno. Mediante este
indicador, se puede relacionar una propiedad mecánica (resistencia a carga máxima,
Su), con una medida de la ductilidad del material (deformación a carga máxima, εu).
Aunque la ocurrencia o no de la CBT es determinada sólo con el análisis fractográfico,
el índice en diversos casos ha sido efectivo en la predicción del fenómeno.
Ensayos de velocidad de corrosión
A título de referencia, se determinó mediante la técnica de pérdida de peso la
velocidad de corrosión del acero 5LX-52 en presencia de soluciones suelo/agua con
muestras de suelo H y J. Estos ensayos se realizaron a temperatura ambiente con un
flujo lento de aire a presión atmosférica en autoclaves de vidrio. Se utilizaron cupones
con dimensiones 30x15x3 mm, los cuales fueron preparados y analizados después de
ensayo según la norma ASTM G1
microscopía electrónica de barrido.
[16]
. El daño por corrosión se caracterizó mediante
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Caracterización de las muestras de suelo
En la Tabla 2, se presenta la clasificación de las muestras de suelo que se obtuvo
cualitativamente por el método del Bouyoucos (clase textural), que permite clasificar los
suelos como: arenoso, a (partículas entre 2 mm y 50 µm), franco, F (50 a 2 µm) y
arcilloso, A (< 2 µm); o combinaciones entre estas texturas. Con el porcentaje de
partículas en cada rango de granulometría (arcillosa, arenosa, etc.), se ubican los
valores en un diagrama y se determina el tipo de suelo.
TABLA 2: Distribución de tamaño de partículas de muestras de suelo obtenido por lavado
(tamizado en agua) y tipo de suelo.
Textura
Tamaño de
partículas
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
4.75 - 2.00 mm
2.24
0.42
1.68
0.48
0.02
0.01
0.53
2.10
3.27
1.15
2.00 - 425 µm
53.41
3.34
15.12
4.28
0.16
0.15
4.49
18.91
27.73
10.72
425 - 75 µm
27.50
34.39
50.64
27.12
22.17
13.55
50.68
14.08
27.85
14.29
Grava
75 - 5 µm
9.10
13.76
13.64
12.08
13.20
11.00
14.95
4.18
5.60
3.82
Arcilla
< 5 µm
7.76
48.09
18.92
56.03
64.45
75.29
29.35
60.73
35.55
70.03
a
FAa
AF
F
FA
FA
Fa
FA-F
Fa
A
Arena Gruesa
Arena Media
Arena Fina
(1)
(2)
(3)
Tipo de suelo
(1) Pasante tamiz N° 4 y retenido tamiz N° 10
(2) Pasante tamiz N° 10 y retenido tamiz N° 40
(3) Pasante tamiz N° 40 y retenido tamiz N° 200
Las muestras tienen mayoritariamente características franco (intermedio entre la textura
arcillosa y la arenosa); aunque se tienen algunas muestras con una textura única. Las
otras muestras, son una combinación entre dos o más texturas, como por ejemplo:
franco-arcillosa, FA o franco-arenosa, Fa. Este análisis se complementó con el
tamizado de las muestras en húmedo.
El tamaño de partícula de las muestras de suelo realizado en húmedo fue diferente en
cada caso. Se observa que prácticamente todas las muestras están constituidas por
partículas pasantes del tamiz N° 4 (menores a 4,75 mm). El tamaño predominante de
las muestras de suelo A, B, C, G e I fue arenosa (2 mm a 75µm); mientras que las
muestras D y F, son equivalentes a limo (50 a 2 µm). Sólo la muestra J presentó textura
arcillosa (< 2 µm). La distribución granulométrica de una misma muestra de suelo
realizado en seco y vía húmeda fue diferente debido a la formación de aglomerados.
Por la acción del agua, las arcillas compactas se disgregan produciendo un sedimento
fino. En algunos casos, el contenido de arcilla resultó ser mayor al 50%. Aún cuando
algunos autores
[4]
no vinculan la ocurrencia de CBT con un suelo arcilloso, si advierten
que existe una correlación entre el tipo de arcilla presente y la aparición del fenómeno;
específicamente en el caso de las arcillas expansivas.
Sin embargo, a partir de este análisis, no es posible determinar si constitucionalmente
se trata de una arcilla o simplemente de sílice de textura muy fina; para ello se requiere
de un estudio mineralógico por análisis en difracción de rayos X - DRX para determinar
los compuestos presentes.
pH y análisis químico de las muestras de suelo
En la Tabla 3, se reportan los valores de pH de las mezclas suelo/agua preparadas a
diferentes proporciones de agua: en el extracto de la pasta en saturación pH
PS
,
relación 1:2, pH (1:2) y la suspensión utilizada en el presente estudio 1:1,2 pH (1:1,2).
El pH de las muestras evaluadas están cercano al pH neutro ± 1; aunque algunas
muestras tienen un pH ligeramente ácido, especialmente las de Anaco. Se constata
igualmente que el pH de las diferentes proporciones suelo/agua no varía de manera
significativa, aunque la concentración de especies químicas en el seno de la solución
es distinta en cada caso.
El porcentaje de saturación de las muestras estuvo comprendido entre 17 y 44 % de
agua. Se encontró que las muestras de suelo con un alto porcentaje de saturación se
caracterizaban por un mayor contenido de arcilla; mientras que cuando la cantidad de
agua absorbido era menor, el suelo tenía mayor contenido de cuarzo (arena).
Tabla 3: Porcentaje de saturación y pH de las mezclas para diferentes relaciones suelo/agua
Sistema
I
II
III
Suelo
% Saturación
pH PS
pH (1:2)
pH (1:1,2)
A
17
7.9
8.3
7.8
B
24
6.0
6.1
5.9
C
19
8.1
8.9
8.5
D
23
5.8
5.9
5.9
E
33
4.5
4.8
5.3
F
35
5.4
5.6
6.1
G
18
4.8
5.0
5.4
H
39
5.8
6.2
6.3
I
25
6.6
6.7
6.7
J
44
4.3
4.5
4.5
Composición quimica de las muestras de suelo
En la Tabla 4, se reporta la composición iónica del extracto de saturación (HCO3-, Cl-,
SO4-2, Ca+2, Mg+2, K+ y Na+) de las muestras tomadas en los sitios seleccionados. Las
composiciones en letras oscuras, corresponden a las muestras evaluadas en los
ensayos mecánicos. Para comparar la agresividad de la carga iónica de las muestras
de suelo, a título de referencia, se indica la composición química de la solución NS4, en
donde se ha encontrado susceptibilidad a la CBT de acero API 5LX [18]. Las soluciones
NS, son electrolitos que contienen: KCl, NaHCO3, CaCl2•H2O y MgSO4•7H2O, las
cuales son normalmente utilizadas como referencia para simular condiciones que
activan los mecanismos de CBT en estos aceros.
Un estudio realizado por Beavers y Harle
[3]
, indica que cerca de pH neutro, el
mecanismo de SCC ocurre en presencia de soluciones diluidas de ácido carbónico y
está directamente relacionado con el CO2 disuelto en el medio. Se ha encontrado que
soluciones de carbonato-bicarbonato producen CBT del acero X52 por el mecanismo
de disolución anódica
[19]
. Como se puede apreciar en la Tabla 7, todas las muestras
tienen un contenido de bicarbonato (HCO3-) considerablemente inferior al de la solución
de referencia NS4, con excepción de la muestra 1 que se tomó en la estación Pto.
Caballo. De donde se puede presumir que las soluciones evaluadas no son
suficientemente agresivas como para favorecer la CBT del acero X52.
TABLA 4: Composición química del extracto de saturación de las muestras de suelo y la
solución NS4 (expresado en me/l)
Sistema
I
II
III
Referencia
Suelo
HCO3-
Cl-
SO4-2
Ca+2
Mg+2
K+
Na+
A
6.5
936
10.0
75.0
187.0
46.2
639.0
B
1.3
39.7
45.3
38.5
29.5
1.85
16.5
C
1.9
381
4.0
14.5
52.0
14.13
305.6
D
0.8
1.2
1.1
1.2
1.1
0.19
0.62
E
0.7
1.0
0.4
0.7
0.9
0.08
0.47
F
1.4
57.0
3.0
22.3
18.0
1.03
20.10
G
0.8
1.4
0.6
1.0
1.1
0.12
0.63
H
2.5
2.8
0.8
3.1
2.0
0.46
0.54
I
2.2
2.0
1.6
2.4
2.9
0.22
0.35
J
0.8
1.3
3.5
3.0
1.7
0.48
0.45
NS4
5.8
4.0
1.1
2.5
1.1
1.7
5.7
Análisis semicuantitativo de suelos por difracción de rayos X (Mineralogía)
En la Tabla 5, se presenta la composición mineralógica de las muestras de suelo
tomadas en los sitios de interés. Las muestras recolectadas en el sistema I, están
constituidas principalmente de cuarzo con un contenido comprendido entre 60 y 89%,
mientras que el de arcilla está entre 11 y 34%. En el sistema II, el cuarzo está entre 51 y
77% y la arcilla entre 15 y 40%. En el sistema III, las muestras tienen un contenido de
cuarzo comprendido entre 33 y 47%, y el de arcilla está entre 41 y 55%. Otros
compuestos como: feldespato de sodio y potasio, pirita y carbonatos (calcita, dolomita
y siderita), no exceden el 15%.
Aunque los resultados obtenidos mediante esta técnica son semicuantitativos, estos
son de utilidad pues permiten diferenciar las muestras y evaluar tendencias según el
contenido de arcillas presente. Es conocido que la arcilla denominada Esmegtita, tiene
como característica principal la capacidad de retener agua en su estructura cristalina
(carácter expansivo o higroscópico)
[17]
, la cual ha sido encontrada gasoductos que
presentaron fallas por CBT. Además, éstas ejercen esfuerzos tangenciales sobre los
revestimientos.
TABLA 5: Composición mineralógica de las muestras de suelo por difracción de rayos X
Sistema
I
II
III
Muestra
Cuarzo
Arcilla
Feldspato
Calcite
Dolomita
Siderita
A
60
33
5
-
-
-
B
60
32
7
1
-
3
C
89
11
-
-
-
-
D
66
34
-
-
-
-
E
53
38
9
-
-
-
F
51
40
9
-
-
-
G
77
15
5
3
-
-
H
47
41
9
2
1
-
I
35
48
9
2
1
5
J
33
55
8
2
2
-
- No detectado
Ensayos mecánicos a baja velocidad de deformación
En las Figuras 3-5, se presentan las curvas esfuerzo vs deformación (σ vs ε) obtenidas
en los ensayos mecánicos del acero en presencia de las suspensiones preparadas con
muestras de suelo de los diferentes gasoductos: (a) sistema I, (b) sistema II y (c)
sistema III. La curva con trazo oscuro, corresponde al ensayo de referencia (agua
destilada) mediante el cual se hicieron las comparaciones.
En la Tabla 6, se reportan los valores de esfuerzo de fluencia Sy, el esfuerzo máximo
Su, la deformación ε y la deformación al esfuerzo máximo εu, obtenidos a partir de las
curvas (σ vs ε) representadas en las figuras 3-5.
Tabla 6: Propiedades mecánicas del acero 5LX-52 obtenidas a partir de la curva σ vs ε
obtenidas mediante SSR en presencia de las suspensiones suelo/agua
Sistema
Suelo
Sy [MPa]
Su [MPa]
ε [%]
RA[%]
-
Blanco
425
530
18
73
45
A
370
440
16
75
38
B
360
465
18
81
42
C
360
470
15
73
36
D
350
430
12
78
28
E
420
490
14
73
38
F
420
495
16
75
35
G
460
530
16
67
43
H
350
440
13
78
35
I
355
460
16
69
57
J
360
465
17
80
48
I
II
III
t
600
Stress
Esfuerzo[MPa]
[MPa]
500
400
Ensayo Ref.
B l a n c oTest
(agua)
Blank
AM 1
BM 3
BM∗ 3 *
CM 4
CM∗ 4 *
DM 6 *
300
200
100
0
0,00
0,05
0,10
0,15
Deformación [mm/mm]
D e f o rStrain
m a c i ó n [mm/mm]
[m m / m m ]
0,20
0,25
TTF
[h]
Fig. 3. Curvas esfuerzo vs deformación del acero 5LX-52 en presencia de las muestras de
suelo recolectadas en el sistema I
600
Stress
[MPa]
Esfuerzo
[MPa]
500
400
300
E n s a y(agua)
o Ref.
Blank
Blanco
Test
EM1
FM2
200
G
M3
100
0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Strain [mm/mm]
D e f o rElongación
m a c i ó n [m [mm/mm]
m/mm]
Fig. 4. Curvas esfuerzo vs deformación del acero 5LX-52 en presencia de las muestras de
suelo recolectadas en el sistema II
600
Esfuerzo
[MPa]
Stress [M
P a]
500
400
300
E n s a yTest
o Ref.
Blank
Blanco(agua)
200
HM2
100
0
0,00
JM4
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
Deformación
Strain [mm/mm]
[mm/mm]
D e f o r m a c i ó n [m m / m m]
Fig. 5. Curvas esfuerzo vs deformación del acero 5LX-52 en presencia de las muestras de
suelo recolectadas en el sistema III
Como se observa en las figuras 3-5, las curvas σ vs ε obtenidas en presencia de los
medios evaluados, son comparables entre sí y su forma es similar a la del ensayo de
referencia (curva azul). Esta corresponde a un comportamiento típico de un material
dúctil. Aunque la tenacidad de los materiales (área debajo de la curva) no es
exactamente la misma, no es posible asociar esta pequeña diferencia al efecto de las
especies presentes en el suelo. En caso de presumirse un comportamiento promotor
de CBT, se esperaría una mayor pérdida de ductilidad, e indicios de fractura frágil con
agrietamiento.
En todas las condiciones ensayadas, se obtuvo una disminución de Sy y Su; sin
embargo, el porcentaje de deformación %ε y, la reducción de área (restricción) RA y el
tiempo de ruptura trup., fueron muy próximos a los encontrados en la condición de
referencia (agua, 25°C, aire). En presencia de las muestras de suelo de los sistemas I y
III, la mayor reducción del esfuerzo de fluencia Sy fue 16%, la cual no es significativa
como para deducir un efecto de las especies en la CBT, además, se esperaría una
menor reducción de área. Es conocido que este factor, asociado a la disminución de
Sy, Su y ductilidad, puede estar directamente vinculado con la presencia de CBT,
siempre y cuando se pueda corroborar el comportamiento mediante un estudio
fractográfico.
A partir de los valores reportados en la Tabla 6, se determinaron los valores de los
indicadores de CBT: índice de susceptibilidad a la CBT (I
CBT
), la relación del tiempo de
falla (RTF), la relación de deformación (Rε) y de reducción de área (RRA), los cuales se
indican en la Tabla 7.
En todas las condiciones evaluadas, se obtuvo un ICBT próximo a cero y los otros
indicadores, fueron próximos a 1. Esto se puede interpretar como una baja
susceptibilidad a la CBT. En el presente estudio, los índices ICBT obtenidos estuvieron
comprendidos entra 0,01 y 0,31, lo cual se asocia a la no-existencia de CBT.
Tabla 7. Indicadores de CBT para el acero 5LX-52: índice de susceptibilidad ICBT y relaciones
de tiempo de falla (RTF), deformación (Rε), y reducción de área (RRA).
Sistema
I
II
III
Suelo
I CBT
RTF (a)
Rε (b)
RRA (c)
A
0.18
0.85
0.88
1.03
B
0.17
0.93
1
1.10
C
0.18
0.79
0.84
0.99
D
0.31
0.63
0.65
1.06
E
0.12
0.84
0.71
1.00
F
0.10
0.78
0.79
1.03
G
0.01
0.96
0.93
0.96
H
0.28
0.78
0.70
1.07
I
0.12
1.27
0.89
0.86
J
0.16
1.06
0.93
1.09
(a) RTF = TFmedio / TFref
(b) RE = REmedio / REref.
(c) RRA = RRAmedio / RRAref
De todas las muestras evaluadas, las menores relaciones RTF y Rε, se encontraron en
el ensayo con la muestra D; obteniéndose 0,63 y 0,65. No obstante, el RRA es próximo
a 1, lo cual no permite concluir la existencia de CBT. La composición química de la
muestra presenta una concentración de SO4-2 y Mg+2 comparable a la de la solución
NS4; sin embargo, las otras especies (HCO3-, Cl-, Ca+2, K+ y Na+), están contenidas en
menor proporción, de donde es difícil asociar algún efecto de los componentes del
suelo en la CBT. El estudio fractográfico realizado por MEB indica que en todos los
casos la fractura fue dúctil y no se encontraron otras morfologías que se puedan asociar
a CBT.
En la Fig. 6 (a-d), se presentan las microestructuras correspondientes a la superficie de
fractura (fractografía) de las probetas ensayadas en presencia de las soluciones
suelo/agua del sistema I. La Fig. 6-a, sirve como referencia y corresponde a la fractura
de la probeta en presencia de agua. Las microfotografías de las probetas ensayadas
en presencia de los suelos, se presentan en las Figs. 6 b-e. Se observó que la fractura
fue dúctil del tipo copa-cono. En todos los casos, se observa la presencia de dimples y
hoyuelos típicos de fractura tipo dúctil, esta morfología no es una evidencia de CBT.
El detalle de la Fig. 6-f (suelo D), tomado a bajo aumento, parece indicar la presencia
de una banda o marca de playa que delimita diferentes morfologías. Este tipo de
microestructuras suele encontrarse en fallas con transición ductil-fragil. La Fig. 6-e,
corresponde al lugar por donde comenzó la fractura. Se observan algunas facetas
planas que los autores han llamado lenguas, que ocasionalmente se encuentran en
fracturas frágiles; sin embargo, su presencia es puntual. Esto no permite generalizar el
comportamiento ante la CBT y en base a los resultados no se puede afirmar la
presencia de este mecanismo.
Microestructuras similares fueron observadas en la superficie de factura de las
probetas ensayadas en presencia de las soluciones suelo/agua de los sistemas II y III.
Estas se muestran en la fig. 7 a-f. Las del sistema II: (a) suelo E, (b) suelo F y (c) suelo
G; y las del sistema III: (d) suelo H, (e) suelo I y (f) suelo J. Las morfologías de la
superficie de las probetas ensayadas, no indican evidencias contundentes de CBT,
tales como clivage, estructuras escalonadas, superficies lisas, grietas secundarias, etc.
Las probetas ensayadas en presencia de estos suelos, presentaron fractura modo
dúctil con formación de cuello tipo copa cono.
En el estudio metalográfico efectuado en cortes longitudinales (Fig. 8 a-f), de la sección
de prueba de las probetas facturadas no se encontró ninguna evidencia de
agrietamiento (fisuras, grietas superficiales o secundarias). En algunas probetas se
encontró corrosión localizada con pocos productos de corrosión. Estas picaduras
pueden actuar como concentradores de esfuerzos favoreciendo el agrietamiento del
material, pero este tipo de falla no puede atribuirse a algún mecanismo de CBT. La
profundidad de las picaduras fue del orden de los 50 µm.
(a)
(b )
(c )
(d )
(e )
(f )
Fig. 6. Morfología de la superficie de fractura de las probetas de acero 5L X52 ensayadas
mediante la técnica SSR en presencia de suspensiones suelo/agua del sistema I: (a) ensayo
en blanco (agua destilada, N2), (b) suelo A, (c) suelo B, (d) suelo C, (e) suelo D y (f) detalle de
(e) a bajo aumento.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Fig. 7. Morfología de la superficie de fractura de las probetas de acero 5L X52 ensayadas
mediante la técnica SSR en presencia de soluciones suelo/agua del sistema II: (a) suelo E,
(b) suelo F, (c) suelo G y sistema III: (d) suelo H, (e) suelo I y (f) suelo J.
(a )
(b )
X80
(c )
X80
(d )
X40
(e )
X300
(f )
X80
X80
Fig. 8. Metalografía en corte longitudinal de las probetas ensayadas presencia de las
soluciones suelo/agua de los sistemas: (a) I-suelo C, (b) I-suelo D, (c) detalle a bajo aumento
de II-suelo F, (d) II-suelo F, (e) III-suelo H y (f) III-suelo I.
Velocidad de corrosión
En la Tabla 8 se indica la velocidad de corrosión del acero 5LX-52 en presencia de las
muestras de suelo H y J provenientes del sistema III.
Tabla 8. Velocidad de corrosión del acero 5L-X52 en presencia las muestras de suelos H y J.
Muestra
pH
V corr [mpy]
H
6,8
3,9
J
5,7
3,0
La velocidad de corrosión obtenida en los cupones de acero X52 en presencia de las
suspensiones suelo/agua estuvo comprendida entre 3-4 mpy. La morfología de la
superficie de los cupones, antes y después del decapado fue observada a bajo
aumento y en MEB. En la Fig. 9, se muestra la superficie de los cupones que fueron
ensayados en presencia de las muestras H y J. Se observa que todos presentan una
película anaranjada con delgado espesor, característica de los procesos corrosivos del
hierro en presencia de un medio acuoso oxigenado. Dado el aspecto y la apariencia de
los productos de corrosión, se presume la presencia de óxido de hierro (Fe2O3) e
hidróxido de hierro Fe(OH)3.
Como la microestructura del acero presenta un tamaño de grano pequeño, se tiene una
alta energía superficial en condiciones favorable a los procesos de corrosión (estado
más estable); mientras que la continuidad de las fases, promueve la coalescencia de
picaduras.
Se establece un equilibrio dinámico en las reacciones de óxido-reducción en donde la
reacción anódica es la oxidación del hierro: Fe à Fe++ + 2e-; y las catódicas
corresponden a la de reducción del hidrógeno y el oxígeno: 2H+ + 2e- à H2 y O2 + 4H+ +
4e- à 2H2O. Por deshidratación del hidróxido o herrumbre, se produce óxido de hierro,
según:
2Fe(OH)3 ó Fe2O3 + 3H2O
(a)
(b)
Fig. 9. Aspecto de los cupones de acero 5LX-52 en presencia de las soluciones con: (a)
suelo H y (b) suelo J
En la Fig. 10 a-b, se muestra la morfología de la superficie de los cupones de acero
evaluados, después del decapado observadas en MEB. Se constata la presencia
corrosión uniforme leve con picaduras de diámetro del orden de 30 µm.
(a)
(b)
Fig. 10. Morfología de la superficie de los cupones del acero 5LX-52, luego de 944 horas de
exposición en las soluciones con suelo H y J
CONCLUSIONES
1. La microestructura del acero API 5L grado X52 está constituida de una matriz de
ferrita con colonias de perlita. El tamaño de grano es relativamente pequeño y se
presenta orientado en el sentido de laminación con una morfología bandeada. El
material presentó un bajo contenido de inclusiones.
2. Las muestras de suelo evaluadas, aún cuando presentan algunas características
similares a los suelos donde ha ocurrido el fenómeno de CBT, no están en el
intervalo de composición del electrolito de la serie NS. La concentración de iones
en el seno de la suspensión no es suficientemente alta (agresiva) como para
favorecer los mecanismos de CBT del acero.
3. El acero API 5LX grado 52, no es susceptible a la CBT en presencia de las
suspensiones suelo/agua preparadas a partir de muestras de suelo tomadas en
zonas adyacentes a la trayectoria de los sistemas de transmisión de gas y crudo
evaluadas para este estudio. La ubicación de las fallas encontradas en el sistema III
(Gasoducto Anaco-Caracas), sugiere que el mecanismo de CBT puede ser más
complejo que el reportado en la literatura.
4. La velocidad de corrosión obtenida en los cupones de acero X52 en presencia de
las suspensiones suelo/agua estuvo comprendida entre 3-4 mpy. Se encontró
corrosión localizada con picaduras de diámetro hasta 50 µm.
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