Agrietamiento por Corrosion - AVPG · · 2013-06-18La red nacional de gasoductos que opera y mantiene PDVSA-Gas tiene una longitud aproximada de 5000 Km de tuberías de diámetros

AGRIETAMIENTO POR CORROSIÓN BAJO TENSIÓN DE UNA TUBERÍA DE TRANSMISIÓN DE GAS

B. LUCIANI , X. GUTIERREZ Y J. RODRÍGUEZ PDVSA GAS

JUAN JOSE GONZALEZ PDVSA INTEVEP

Caracas, Venezuela

Presentado en XIV Convención Internacional de Gas de la

Asociación Venezolana de Procesadores de Gas (AVPG) Mayo 10 - 12, 2000 Caracas, Venezuela

SEGURIDAD, AMBIENTE, MANTENIMIENTO Y CORROSION

AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000.

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AGRIETAMIENTO POR CORROSIÓN BAJO TENSIÓN EN UNA TUBERÍA DE

TRANSMISIÓN DE GAS

B.Luciani ([email protected]), X. Gutierrez ([email protected])

J. Rodríguez ([email protected])

PDVSA-GAS, CARACAS

J. Gonzalez (TETMJG1)

PDVSA INTEVEP

El agrietamiento por corrosión bajo tensión, que se ha venido presentando en los

últimos años en Gasoductos, es un serio problema que esta siendo enfrentado por

algunas empresas dedicadas a la transmisión de gas a nivel mundial. De acuerdo a la

literatura la gran mayoría de estos agrietamientos, se han manifestado en la parte

externa de los gasoductos enterrados y ocurren en sitios donde el revestimento

presenta desprendimiento; permitiendo que la humedad penetre y entre en contacto con

la superficie de la tubería. La velocidad de crecimento de estas grietas es muy lenta y a

niveles de tensión que por lo general estan por debajo del esfuerzo de fluencia del

material.

En este documento, se presentan algunas manifestaciones asociadas a este

fenómeno, que ocurrieron en un gasoducto de 26 pulg. de diámetro, tendido

superficialmente en el año 1959, con tubería de acero al carbono API 5LX-52, el cual

opera a 750 psig. Se señalan las características y apariencias de estos

agrietamientos, condiciones de las localidades en las cuales se presentó el fenómeno,



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así como la caracterización del material de la tubería donde ocurrieron los

agrietamientos y las acciones que se llevan a cabo para minimizar su efecto.



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INTRODUCCIÓN

La red nacional de gasoductos que opera y mantiene PDVSA-Gas tiene una longitud

aproximada de 5000 Km de tuberías de diámetros entre 10 y 36 pulgadas.

El Gasoducto Altagracia-Figueroa, donde se detectaron los agrietamientos, forma parte

del sistema Anaco-Caracas. Este sistema, transporta 320 MMPCD de gas metano

para satisfacer la demanda de 533 clientes industriales y 2000 clientes residenciales.

Figura 1. Gasoducto Altagracia-Figueroa

Ingeniería Operacional de Gas

GAS

EPAN50

ALTAGRACIA

Presencia de Grietas ExternasSector Parque Guatopo

Gasoducto Altagracia-Figueroa

BARQUISIMTO

FIGUEROA

El gasoducto opera a 750 LPPC y fue construído en el año 1959, con tubería de acero

al carbono fabricada bajo la especificación para tubería de línea API 5L grado X52,

tiene 26 pulgadas de diámetro y 0,312 pulgadas de espesor de pared .

Todas las grietas se han ubicado en los primeros 30 Km del gasoducto que estan

instalados superficialmente en el sector del Parque Guatopo, aguas abajo de la Planta



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compresora de Altagracia. El primer agrietamiento ocurrió en el año 1974 en la

progresiva 15+334 del mencionado gasoducto; posteriormente, en el año 1992, se

presentó otra falla en la progresiva 23+050. En noviembre de 1997 y durante las

actividades de inspección paso a paso realizadas en el año 98, se detectaron seis (06)

agrietamientos adicionales en diferentes progresivas (tabla 1):

Tabla 1. Ubicación de grietas externas

Progresiva Año Localización

topográfica

Sector

16+100 1997 valle Guatopo






ASPECTOS RESALTANTES DE LA CORROSIÓN BAJO TENSIÓN

La Corrosión bajo tensión es un fenómeno donde un material dúctil sometido a

esfuerzos tensiles falla en forma frágil, producto del deterioro de sus propiedades

mecánicas por efecto del medio ambiente corrosivo.

Para que ocurra este fenómeno, tres condiciones deben estar presentes

simultáneamente: un medio ambiente corrosivo, un material susceptible al fenómeno y

la presencia de esfuerzos tensiles (figura 2).



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Figura 2. Condiciones que deben estar presentes para que ocurra corrosión

bajo tensión

Las características de las grietas originadas por este fenómeno, según lo reportado en

la literatura, son las siguientes:

Ø En forma de grupos o colonias.

Ø Velocidad de crecimiento lenta.

Ø Usualmente orientadas a lo largo del eje longitudinal de la tubería.

Ø Intergranulares o transgranulares según ocurran en un medio de alto pH o pH neutro,

respectivamente.

AMBIENTE CORROSIV

MATERIAL SUSCEPTIBLE

PRESENCIA ESFUERZO

S SC



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De acuerdo a las investigaciones relacionadas con el proceso de corrosión bajo

tensión, el paso inicial para que se inicie el proceso, implica la formación de picaduras

por corrosión o la presencia de un defecto mecánico en el material (muesca o rasguño).

La picadura o defecto actúa como un concentrador de esfuerzos y, si en forma

localizada, se alcanzan valores críticos, el material cede formándose grietas sub-

críticas; las cuales posteriormente crecen por efecto combinado de la corrosión del

medio ambiente y los esfuerzos.

RESULTADOS DE LAS EVALUACIONES REALIZADAS

Inspecciones Visuales y Metalográficas de las Grietas

Las inspecciones visuales realizadas han revelado que las grietas presentan las

siguientes características:

Ø Ubicadas en la parte externa inferior de la tubería (hora 6), en el punto de contacto

entre la madera del soporte H y la tubería. (figura 3).

Ø La mayoría orientadas a lo largo del eje longitudinal de la tubería (figura 4), a

excepción de la grietas ubicadas en las progresivas 15+334 y 23+050.

Ø Presencia de corrosión leve y picaduras en el punto de contacto tubería-listón de

madera.

Ø La evaluación con tintes penetrantes reveló agrietamientos ramificados, en forma de

colonias (una grieta principal con muchas ramificaciones o grietas secundarias)

(figura 5).

Por otro lado, un ensayo metalográfico de las grietas evaluadas, reveló que en todos los

casos el agrietamiento era transgranular (figura 6).

Condiciones Ambientales del Sector



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El sector del Parque Guatopo se caracteriza por tener una topografía accidentada

donde predominan las pendientes acentuadas y ensenadas con condiciones

ambientales de alta humedad, ocurriendo confinamiento permanente de la humedad en

el punto de contacto entre la tubería y el listón de madera de las estructuras H.



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Figura 3. Contacto entre el listón de madera del soporte tipo H y la tubería

Figura 4. Grieta orientada a lo largo del eje longitudinal de la tubería



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Figura 5. Colonia de grietas, se destaca la grieta principal y las secundarias

Figura 6. Detalle de grieta transgranular (X-400)

Grieta



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Análisis Químico

En la tabla 2, se reportan los resultados de la composición química, obtenidos para el

acero del gasoducto Altagracia-Figueroa y los requerimientos para una tubería de línea

fabricada bajo la especificacines API 5L grado X52 con costura. También a manera

comparativa se reporta la composión química obtenida para una tubería del mismo

grado, pero de fabricación reciente. Como puede notarse, los resultados obtenidos,

para ambas tuberías, están dentro de los valores permisibles para un acero de la

especificación API 5L-X52 .

Tabla 2. Composición química del acero API 5L X52

Elemento

% p/p

Norma API 5L Gasoducto Alt-Figueroa

Tubería Fabricación

reciente

C 0,28 max. 0,262 0,145

Si 0,06 max. 0,048 0,0345

Mn 1,25 max. 0,97 1,30

S 0,030 max. 0,019 0,0042

P 0,030 max. 0,014 -

Propiedades Mecánicas

En la tabla 3, se indican los valores del esfuerzo de fluencia, Sy; el esfuerzo máximo,

Su; el porcentaje de elongación y el de reducción de área (%RA) del acero API 5L X52

indicados en la especificación, así como los obtenidos mediante ensayos de tracción

para la tubería del gasoducto y la tubería de fabricación reciente. De estos ensayos se

puede concluir que ambos materiales corresponden a un acero API 5L grado X52.



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Tabla 3. Propiedades mecánicas del acero 5L X52

Muestras Sy [[Ksi]] Su [[Ksi]] % Elongación

% RA

Norma API 5L X52 52 min. 66 min. 20 min. - - Tubería Alt-

Quiripital 61,6 85,3 23,5 60,1

Tubería Fabricación

Reciente

58 79,5 18,5 72

Ensayos Mecánicos a Baja Velocidad de Deformación (Slow Strain Rate-SSR)

Se utilizó la técnica de SSR, que es un método confiable y rápido, utilizado para evaluar

y acelerar los procesos de corrosión bajo tensión en el laboratorio; así como, la

susceptibilidad de materiales al agrietamiento por corrosión bajo tensión en ambientes

corrosivos. Esta técnica, consiste en deformar lentamente bajo tensión (10-5- 10-6 s-1),

una probeta, inmersa en un medio que favorece la corrosión bajo tensión, hasta que

fracture. Una merma de las propiedades mecánica (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. Este

comportamiento se debe corroborar con evidencias de fragilidad, mediante un análisis

de la morfología de la falla (fractografía).

Los ensayos se realizaron con ambos aceros (Gasoducto Altagracia –Figueroa y

tubería de fabricación reciente) a temperatura ambiente y a presión atmosférica,



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representativas de las condiciones reales de servicio encontradas en los gasoductos

superficiales.

Las soluciones utilizadas en los ensayos mecánicos, fueron las suspensiones de

suelo/agua (relación 1/1,2) y extractos de la madera. Los resultados se compararon

con los obtenidos para los medios de referencia , agua destilada y en aire (celda

vacía), a las mismas condiciones que los ensayos con suspensión.

En la tabla 4, se reportan las propiedades mecánicas del material (esfuerzo de fluencia,

Sy, el esfuerzo máximo, Su, la deformación, ε y la deformación al esfuerzo máximo, εSU)

de la tubería Altagracia-Figueroa, en presencia de la suspensión y el extracto de

madera. En todas las condiciones ensayadas, se obtuvo una leve disminución de Sy y

Su; además el porcentaje de deformación %ε y el tiempo de ruptura trup.., se

mantuvieron prácticamente en los mismos valores que los obtenidos con los ensayos

de referencia (agua y aire).

Tabla 4. Propiedades mecánicas del acero 5LX-52 obtenidas a partir de la curva

σσ vs εε

Medio Sy [Ksi (MPa)] Su [Ksi (MPa)] % εε %RA t rup. [h]

Agua 66,8 (461) 80,3 (554) 13 60 33

Suelo2 59,0 (407) 65,8 (454) 11 46 32

Suelo3 54,4 (375) 69,5 (479) 13 49 29

Suelo4 53,4 (368) 72,5 (500) 13 67 33

Madera-1 53,4 (368) 66,8 (461) 14 78 35

Madera-2 51,8 (357) 64,7 (446) 13 66 33



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En las figuras 7a y 7b, se presentan las curvas de esfuerzo en función de la

deformación (σ vs ε), para la tubería del gasoducto y la tubería de fabricación reciente

respectivamente, en presencia de: las suspensiones de suelo y los extractos de

madera.

Como se puede observar en la figura 7a, para el caso de la tubería del gasoducto, las

curvas σ vs ε obtenidas en presencia de los medios evaluados, corresponde al

comportamiento típico de un material dúctil. Además las curvas son comparables entre

sí y su forma es similar a la obtenida para los ensayos de referencia en agua destilada

y aire. Es de hacer notar que en caso de que las especies presentes en el suelo o en el

extracto de la madera, tuviesen un comportamiento promotor de la corrosión bajo

tensión, se esperaría una mayor pérdida de ductilidad, al compararlas con las curvas

obtenidas para los medios de referencias; así como indicios de fractura frágil con

agrietamiento, lo cual no fue evidenciado en las fractografías.

Sin embargo al comparar las curvas σ vs ε obtenidas para el gasoducto, con las

obtenidas para el material de fabricación reciente (figura 7b), se puede notar que el

material del gasoducto presenta menor ductilidad y menor tenacidad (resistencia a la

fractura) dada por el área debajo de la curva.

Figura 7. Ensayos a baja velocidad de deformación. a) tubería Altagracia-Figueroa ( izquierda). b) tubería fabricación reciente (derecha)



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GAS

Deformación [mm/mm]

10

110

210

310

410

510

610

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Esf

uerz

o [M

Pa

]

Resultados Ensayos a baja velocidad de deformación

Tubería Alt-Fig API 5LX-52Curvas σσ vs εε

10

110

210

310

410

510

610

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25Deformación [mm/mm]

Esf

uerz

o [

MP

a]

Tubería .Fab rec. API 5LX-52Curvas σσ vs εε

Las Curvas Corresponden a Diferentes Medios

Ensayos Metalográficos del Material de las Tuberías

En la figura 8a, se muestra la microestructura del material del gasoducto. Se observa

una matriz constituida de granos de ferrita (α) y perlita fina (α + Fe3C), elongados con

un tamaño de grano considerablemente grande y sin orientación.

Al comparar esta microestructura con la encontrada para el acero API 5LX-52 de la

tubería de fabricación reciente, figura 8b, se pudo notar las diferencias

microestructurales existentes, ya que esta última presenta una matriz tambien

constituida de granos de ferrita (α) y perlita fina (α + Fe3C) pero mas uniforme, con

granos más pequeños, equiaxiales y orientados según la dirección de las líneas del

proceso de laminación.



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Es de hacer notar que, adicionalmente, en el acero del gasoducto se encontró un

número importante de inclusiones de MnS de gran tamaño (figura 10a), cuya influencia

en la corrosión localizada ha sido objeto de numerosos estudios, encontrándose que

las mismas aceleran las etapas de iniciación y crecimiento de picaduras.

La diferencia en la microestructura de las dos tuberías, a pesar de estar fabricadas

ambas con acero 5LX-52, se debe a la composición química y proceso de fabricación

diferentes ya que en la tubería de fabricación reciente se controla el nivel de inclusiones

(figura 10b). Para ello se disminuye el contenido de carbono (elemento que aumenta la

fragilidad del material) y se aumenta el de manganeso, con la finalidad de obtener

aceros más limpios, con poco contenido de inclusiones, mejorando así la ductilidad y

resistencia a la fractura de este tipo de acero..

Figura 8. Microestructura de las tuberías: a) Altagracia Figueroa.(izquierda) b)

Fabricación reciente (derecha).



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GAS

X-400 X-400

Resultados Ensayos Metalográficos

Tubería Altagracia-Figueroa Tubería Fabricación Reciente

Figura 9. Microestructura de las tuberías: a) Altagracia Figueroa.(izquierda) b)

Fabricación reciente (derecha).


GAS

Tubería Altagracia-Figueroa Tubería Fabricación Reciente

X-100 X-100

• Inclusiones de FeS y MnS • No se observaron inclusiones

Resultados Ensayos Metalográficos



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Análisis de Flexibilidad

Para este estudio se utilizó el software CAESAR II. El objeto de este análisis es

verificar el cumplimiento de los códigos aplicables con relación a los esfuerzos sobre

tuberías en líneas de transmisión de gas natural, concentrándose dicho análisis entre

las progresivas 16+000 y 17+000 donde se detectaron 3 agrietamientos.

Los resultados obtenidos indicaron (anexo1) que en los 3 puntos donde se presentaron

las grietas, los esfuerzos estan por debajo del 70% del esfuerzo de fluencia (Sy) del

material (52.000 psi) es decir, en ninguno de los casos analizados se excedieron los

límites de esfuerzo, permisibles por el código ASME B 31.8 (0.72 Sy) y las cargas y los

desplazamientos no constituyen problema alguno para el tramo estudiado.

CONCLUSIONES

1. Las grietas se presentaron en los puntos donde el soporte es de tipo H en el punto

de contacto entre la tubería y el listón de madera donde existe confinamiento de la

humedad.

2. La ubicación topográfica de las fallas fue en el punto mínimo y la parte baja de los

valles.

3. Los resultados del análisis de flexibilidad en los 3 puntos donde se presentaron las

grietas, indicaron que en ninguno de los casos analizados se excedieron los límites

de esfuerzo, permisibles por el código ASME B 31.8 (0.72 Sy).

4. Los elementos químicos que componen el listón de madera y el suelo no propician,

ni aceleran el proceso de corrosión bajo tensión ocasionado por el ambiente

húmedo del sector.



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ACCIONES CORRECTIVAS EJECUTADAS A LA FECHA

1. Se eliminaron las grietas mediante el uso de parche insertado lograndose minimizar

el tiempo de parada de la tubería, así como diferir desembolsos.

2. Se aplicó una pintura de poliuretano de alta resistencia en los puntos de contacto

tubo-madera.

3. Se efectuó recientemente la inspección de la tubería con una herramienta de

inspección de flujo transversal para detección de grietas.



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ANEXO 1


AVPG, XIV Convención de Gas, Caracas, Mayo 10 al 12, 2000. Página 21

GASODUCTO ALTAGRACIA QUIRIPITALTRAMO ESTUDIADO: DESDE LA PROGRESIVA 16+000 HASTA LA 17+000SE LISTARAN UNICAMENTE TODOS AQUELLOS NODOS QUE SUPERARON EL 50% DEL ESFUERZO DE FLUENCIA DE L MATERIAL

PROGRESIVA LOCALIZACION TOPOGRAFICA % ESF. FLUENCIA FALLA CONOCIDA COND. AMBIENTALES

CONDICIONES DE OPERACIÓN

Sy: 52000 psi

CASO 1 OPERACIÓN 16+031 64 GRIETA ALTA HUMEDAD/ VEGETACIONT=98 ºF 16+603 61 POCA VEGETACIONP=750 PSI 16+638 62

16+883,22 53 GRIETA ALTA HUMEDAD/ VEGETACIONCASO 2 OPERACIÓN 16+031 63 GRIETA ALTA HUMEDAD/ VEGETACION

T=82 ºF 16+603 61 POCA VEGETACIONP=750 PSI 16+638 62

16+883,22 53 GRIETA ALTA HUMEDAD/ VEGETACIONCASO 3 OPERACIÓN 16+031 63 GRIETA ALTA HUMEDAD/ VEGETACION

T=69 ºF 16+603 61 POCA VEGETACIONP=750 PSI 16+638 62

16+883,22 53 GRIETA ALTA HUMEDAD/ VEGETACION

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