FINAL INFORME

ENERO – DICIEMBRE

2008

PROYECTO SIP: 20080156

Dr. FRANCISCO CALEYO CEREIJO

ESIQIE

RESUMEN

Una de las mayores preocupaciones para la industria petrolera, se deriva

de las fugas de producto y/o pérdidas de las estructuras metálicas que los contienen (tanques, tuberías, etc.). Estas fugas pueden provocar contaminaciones, paros de producción y un sinfín de problemas derivados de su toxicidad o potencial riesgo de incendio o explosión, cuyo costo económico de rehabilitación puede resultar muy alto para los presupuestos generales de funcionamiento.

Si se analizan las redes de tuberías y otras estructuras metálicas en las

situaciones que nos ocupan, se observará fácilmente que existen innumerables factores que pueden inducir y acelerar los procesos de deterioro de las líneas, como lo pueden ser las condiciones ambientales del sistema, la sensibilidad del material a fallar debido a la textura, factores que no siempre se tienen en cuenta, tanto en el diseño como en la implantación de estos elementos constructivos.

La finalidad del proyecto es el de crear una metodología que permita

desarrollar distintos tipos de modelos estadísticos que contribuyan a la predicción de fallas con un alto nivel de confiabilidad, además de la simulación de la textura de recristalización de los materiales usados en ductos de transporte.

INTRODUCCION

La mayoría de los incidentes en tuberías enterradas corresponden a pérdida de hermeticidad por fugas pequeñas,

derivadas de la pérdida de metal

localizada en forma de corrosión por picaduras. La corrosión por picaduras en suelos es un fenómeno complejo, que involucra numerosas variables fisicoquímicas cuya sinergia dificulta su comprensión y análisis mediante el tradicional enfoque electroquímico.

La naturaleza estocástica de la corrosión por picaduras has sido reconocida desde hace 50 años. Una de las suposiciones que puede ser hecha es que el fenómeno de crecimiento de picadura no tiene memoria es decir su estado futuro solo dependen de su estado actual. Esta característica permite categorizar la corrosión por picaduras como un proceso de Markov. La discretización del espacio de profundidad de picadura en un número finito y contable de estados hace al fenómeno de corrosión por picadura un buen candidato a ser modelado mediante cadenas de Markov. En este trabajo las cadenas de Markov son utilizadas para modelar el proceso de corrosión en cupones inmersos en soluciones características de los suelos del sureste mexicano.

Una vez modelado el fenómeno de corrosión por picaduras se procede a determinar los índices de falla en función del tiempo y con esto determinar la confiabilidad de los ductos en función del tiempo.

En el contexto antes mencionado sería posible optimizar los recursos destinados al mantenimiento de tubería enterradas logrando así reducir el riesgo a un menor costo.

Otras causas de falla en los ductos es el agrietamiento inducido por hidrógeno. Esto sucede principalmente en las tuberías que transportan hidrocarburos amargos, lo que es común en México, ya que se produce gran cantidad de estos energéticos que contiene ácido sulfhídrico. Esta molécula bajo ciertas condiciones puede formar hidrogeno monoatómico. El hidrogeno monoatómico viaja a través de los intersticios metálicos del acero provocando grietas y posteriores rupturas.

Por lo mencionado anteriormente es necesario diseñar aceros que sean capaces de tener menos susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrogeno. El presente trabajo plantea la hipótesis de reorientar los granos del acero a utilizar. Se sabe que los granos que presentan menor susceptibilidad son los que tienen orientación <111> y los de mayor susceptibilidad los planos de clivaje con orientación <100>.

Con las metodologías antes mencionadas es posible mejorar la predicción de vida útil de tuberías enterradas así como de determinar el grado de susceptibilidad al agrietamiento en función de la textura cristalografica.

METODOS Y MATERIALES Metodología para la Modelación estocástica del proceso de corrosión por picadura El objetivo central de la experimentación fue el realizar un estudio estadístico del proceso de corrosión por picadura, por lo que fue necesario la inducción del fenómeno a nivel laboratorio. La inducción de las picaduras se realizo mediante la técnica de inmersión, el material de prueba fue un acero grado tubería API5L-X52 y la solución empleada fue definida a partir de los resultados incluidos del análisis de las características fisicoquímicas de los suelos de Tabasco, región sur México. Materiales y preparación La primera parte de la experimentación consto de la selección y corte de las muestras de acero de prueba. El acero empleado fue un API5L-X52, laminado en caliente sin costura, cuya composición química se especifica en la tabla (1). A partir de las secciones de placa se realizaron cortes necesarios para obtener una superficie plata y que correspondiese a la primera capa de metal expuesta después del recubrimiento. Este punto se considero importante, por las características particulares del ducto en su parte superficial, las cuales están relacionadas con el proceso de iniciación de las picaduras

Tabla 1. Composición Química del acero Utilizado (% peso).

C Mn Si Cr Mo S P Ni V Cu Al Sn As Ti Ca N CE 0.09 0.9 0.30 0.06 0.05 0.0013 0.0065 0.050 0.030 0.130 0.024 0.007 0.004 0.017 0.0021 0.0045 0.28

Determinación de condiciones de inmersión Se determinaron 2 características importantes del sistema experimental 1) La elección del acabado superficial de la prueba y 2) La determinación de la composición de la solución para la inducción de picaduras. La picadura en esta etapa fue inducida por una solución de NaCl 0.1M, la cual esta asociada con la inducción de picaduras en suelos tropicales. Las pruebas realizadas mostraron que no existe variación en el número de picaduras presentes en las diferentes superficies. Sin embargo, en la superficie pulida, la diferencia de enfoque entre la superficie y el fondo de las picaduras presentes fue más fácil de distinguir, por lo tanto, se opto por este acabado superficial como el más indicado para la realización de las pruebas de inmersión. Posteriormente a la definición del acabado superficial, se prepararon 60 muestras para el trabajo de determinación de la solución más adecuada para la inducción del proceso de picadura, a partir de la observación del daño causado a distintos tiempos de exposición por las distintas soluciones de prueba.

Metodología para la Simulación de Microestructuras

Para dar cumplimiento al objetivo principal de esta investigación ha sido necesario el planteamiento de una metodología que tome en cuenta la formación de microestructuras aceros a través de un modelo metalúrgico, la proposición de modelos físicos de los mecanismos presentes en la recristalización y su posterior incorporación a un modelo que simule el proceso de recristalización. Así como la validación de los resultados obtenidos por el modelo propuesto con microestructuras reales de aceros recristalizados. Modelo Metalúrgico Debido a que los aceros presentan una estructura compleja por la presencia de los dos tipos de texturas importantes, es necesario simular los mecanismos por los cual las texturas son formadas y desarrolladas en la etapa de recristalización del material. Las microestructuras deformadas de un acero laminado en frío, presentan dos tipos de textura de interés para nuestro estudio. 1) Los granos con orientaciones de la fibra γ están compuestos de celdas alargadas y 2) Los granos de la fibra α están constituidos de granos equiaxiales.

En la Tabla 2 se puede observar los mecanismos de formación de las texturas de recristalización en los aceros, para regiones deformadas con orientaciones de la fibra α y de la fibra γ.

Orientación de deformación Núcleos Orientados Mecanismo

Fibra γ {11}<uvw> Fibra γ

Ampollamiento Fibra α (hhl)<110> <100>//ND Crecimiento de Subgrano

Todas

Todas comúnmente en <100>//ND

Aleatoria

Crecimiento de subgrano: Este mecanismo se presenta preferencialmente en granos deformados con orientación <111>//ND, lo que los hace sitios preferenciales de nucleación. En estos granos se producen núcleos orientados del tipo <111>//ND por un mecanismo similar a la recristalización in situ en el sentido de que el núcleo se origina un subgrano y muchos núcleos pueden formarse simultáneamente en un solo grano deformado. La nucleación ocurre dentro del grano, en el interior del grano, así como en las fronteras del mismo. Ampollamiento: El mecanismo de ampollamiento ocurre cuando la nucleación de un grano con orientación (100) se forma entre las fronteras de los granos con orientación (111) <110> y (100) <001>. La frontera original de los granos deformados del grano (100) crece formando una ampolla dentro del grano (111), produciendo el crecimiento del grano (100). Este mecanismo es un ejemplo de la migración de frontera inducida por esfuerzo.

Algoritmo de Modelación del proceso de recristalización Tomando en cuenta estos mecanismos, se pretende modelar un sistema que contenga las tres etapas del proceso de recristalización estática, es decir, recuperación, nucleación y recristalización. Estas etapas se consideran determinantes para obtener una textura final deseada en un material. El siguiente algoritmo, será el utilizado por el método de Monte Carlo para modelar las etapas de recristalización del material. En este algoritmo, se proponen mecanismos de recuperación y nucleación basados en la dependencia de estos mecanismos con la orientación de la matriz deformada, la microestructura, la energía almacenada y la posición dentro del grano.

RESULTADOS Al determinar las condiciones pata la inducción de la corrosión por picadura se procedió a preparar un total de 20 cupones por tiempo de prueba de inmersión, esto implicó la preparación de un total de 120 probetas individuales. Los tiempos de prueba fueron de 1, 3, 7, 15, 21 y 30 días. La figura (1) muestra las fotografías de la apariencia superficial de los cupones a los distintos tiempos de prueba.

Figura 1. Fotografías de superficies dañadas mediante corrosión por picadura a distintos tiempos de inmersión (a) 1día, (b) 3 días, (c) 7 días, (d) 15 días, (e) 21 días y (f) 30 días.

El área de los cupones fue analizada mediante Microscopía óptica

(NIKON EPIPHOT M156) y el software analizador de imágenes IMAGE-PRO PLUS 4.0. Este análisis proporciono, mediante la diferencia de enfoque, a un aumento de 100X, las profundidades de la población de picaduras, a través del corte transversal se puedo observar la morfología de las picaduras, que muestran una forma semicircular, e inclusive se puede apreciar el fenómeno de coalescencia entre dos picaduras Potencial a circuito abierto Durante las pruebas de inmersión se realizó el seguimiento de la diferencia de potencial registrado entre la superficie de los cupones y la solución de prueba KX1. La figura (2) muestra la tendencia del comportamiento de la diferencia de potencial a través de los distintos periodos de exposición. Es importante señalar que cada punto de la medición de la figura, representa una media aritmética de un total de 20 lecturas de potencial, tomadas en cada uno de los periodos de prueba.

Figura 2. Gráfica del comportamiento de la diferencia de potencial a circuito abierto durante las pruebas de inmersión del acero API 5LX52 en la solución Kx1.

Profundidades de picadura obtenidas a distintos tiempos de inmersión.

Se crearon distintas bases de datos a partir de la recolección de las profundidades de picadura de cada uno de los cupones expuestos a inmersión durante los diferentes periodos de tiempo de prueba. Los datos fueron introducidos al software EasyFit 3.2, el cual selecciona la distribución de probabilidades que mejor ajusta a una base de datos.

Posteriormente se evaluaron formalmente los valores asociados a las picaduras más profundas, es decir, inicialmente se recurrió al el método de máximo del bloque (MB), para el análisis de los resultados de cada uno de los periodos de inmersión.

El análisis efectuado se encamino a la demostración de que los datos de MB se encuentran en el dominio de atracción de la distribución de extremos de Gumbel, el análisis se basó en un método de curvatura que recurre a la misma idea básica de propiedad geométrica usada en el método de graficado en papel probabilístico, el cual esta en escala de Gumbel. La curvatura puede ser medida de diferentes maneras. Por ejemplo, mediante la diferencia o el cociente de las pendientes ente dos puntos, esta prueba fue programada en el software MATHEMATICA versión 4.1.

Los resultados de la prueba formal de curvatura con respecto a la distribución de extremos de Gumbel muestran la conveniencia de representar los valores de máxima profundidad mediante la distribución de extremos de Gumbel.

La Figura (3), muestra los valores de máxima profundidad de picadura experimentales de cada uno de los periodos de exposición y el ajuste a la distribución de Gumbel obtenida para cada caso en particular. La unión de todos los datos y ajustes demuestran que durante la experimentación se obtuvo un buen control sobre las condiciones ya que se aprecia una progresión del valor des profundidad y disminución de velocidad de crecimiento como la teoría lo predice.

Figura 3. Gráfico del los datos experimentales de máxima profundidad de picadura de cada periodo de inmersión y el ajuste correspondiente a la distribución de Gumbel.

Microestructuras simuladas representando la energía almacenada La tercera etapa consiste en la asignación de las orientaciones y de las energías almacenada a cada polígono de Voronoi formado que simulará un grano de una microestructura real. Una vez iniciado el programa, éste asigna la energía indicada en el rango de porcentajes dados al inicio del programa a cada polígono de Voronoi y le asigna un color que va del blanco cuando su energía es mayor al negro cuando su energía es menor dependiendo del rango de la energía asignada a ese grano.

Con este programa se obtiene una gran variedad de microestructuras,

esto es importante ya que estas puedan ser utilizadas después como datos de entrada en la simulación de la recristalización utilizando el método de Monte Carlo.

Microestructuras simuladas representando la orientación cristalográfica Una de las aplicaciones importantes del programa GEA es que puede generar microestructuras con orientación en cada grano de acuerdo de acuerdo a las orientaciones ideales. El programa nos indica qué orientación cristalográfica (hkl)[uvw] presenta cada grano de acuerdo a su color en una tabla en la cual se indica las coordenadas, la orientación del grano y su energía.

En la Figura (4), se muestra una microestructura generada por el programa en el cual se presentan un total de 350 granos equiaxiales. Cada grano tiene una orientación aleatoria la cual es representada por un color.

Fig. 4. Microestructura generada por polígonos de Voronoi, con granos equiaxiales con orientación aleatoria.

En la figura (5), se muestra la microestructura generada por el programa

en el cual se presentan un total de 600 granos alargados, los cuales también presentan una orientación aleatoria.

Fig. 5. Microestructura generada por polígonos de Voronoi, con granos alargados con orientación aleatoria.

La figura (6), se puede observar una microestructura recristalizada por el programa GEA

Fig. 6. Microestructura simulada por el programa GEA ya recristalizada.

IMPACTO Formación de alumnos de Posgrado, así como la elaboración de

artículos científicos internacionales y la asistencia a congresos internacionales.