468 FALLAS DE RECUBRIMIENTOS METÁLICOS EMPLEADOS EN

JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
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FALLAS DE RECUBRIMIENTOS METÁLICOS EMPLEADOS EN
EQUIPOS DE PRODUCCIÓN DE PETRÓLEO
R. Suárez Baldoa, M. Zalazarb , D. Salinas a y J. Bessonea
a
b
INIEC, Depto. de Ing. Química, Univ. Nac. del Sur , Bahía Blanca, Argentina. [email protected]
Depto. Mecánica Aplicada, Fac. de Ingeniería, Univ. Nac. Comahue, Argentina. [email protected]
Los recubrimientos metálicos (níquel químico, cromo duro, cinc, cadmio), tienen amplia utilización en la
industria del gas y del petróleo. Su aplicación sobre sustratos ferrosos mejora la resistencia a la corrosión y/o el
desgaste. La efectiva obtención de estas ventajas en servicio depende, entre otras variables, del acabado
superficial del sustrato, de la porosidad, composición y espesor del recubrimiento, y de su tratamiento posterior.
En este trabajo se presentan casos de falla de recubrimientos de níquel químico y cromo duro en herramientas de
pozo tales como rotores, packers y partes de bombas. En el análisis de los distintos casos se utilizaron curvas de
polarización, microscopía óptica y electrónica, análisis dispersivo en energía, medidas de dureza, etc. En cada
caso particular se identifica el origen de la falla, las cuales pueden agruparse, en general, en deficiencias en el
pretratamiento del sustrato o en la aplicación del recubrimiento.
Palabras claves: corrosión, recubrimientos metálicos, cromo, níquel químico, yacimientos petrolíferos
1. INTRODUCCIÓN
Los recubrimientos metálicos, entre ellos los de níquel
químico, cromo duro, cinc y cadmio, tienen amp lia
utilización en la industria del gas y del petróleo. Su
aplicación sobre sustratos ferrosos mejora la
resistencia a la corrosión y/o el desgaste en los medios
agresivos usuales en dicha industria. Sin embargo, la
efectiva obtención de estas ventajas en servicio
depende, entre otras variables, de una adecuada
selección del recubrimiento, del acabado superficial
del sustrato, de la porosidad, composición y espesor
del depósito, y de su tratamiento posterior. En este
trabajo se presentan casos de falla de recubrimientos
de cromo duro y níquel químico en herramientas de
pozo y se discuten las causas que las motivaron.
de Cr de 50 a 300 µm [1]. En general, se requieren
espesores mayores para partes con geometrías
complejas, a fin de lograr adecuados cubrimientos en
las áreas de baja densidad de corriente. Los valores
normales de dureza del cromado duro con
microfisuras están comprendidos entre 850 y 1100 HV
[1-3].
Caso 1: Rotor de motor hidráulico para perforación.
Material base: acero inoxidable 17-4PH. Medio: lodo
inyectado a presión, con 195 g/L de Cl- en la fase
acuosa, pH = 8,5, T = 60ºC. Espesor del cromado:
450-500 µm en los lóbulos y 75-90 µm en los valles.
Dureza: 767-824 HV10kg . La pieza presentaba zonas
con cromado desprendido y ataque del metal base en
toda su extensión (Figura 1) [4].
2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
2.1Cromo duro
El recubrimiento de cromo duro se utiliza en
equipamiento para la producción de gas y petróleo,
tanto de pozo como de superficie, en aquellos casos
donde se requiere resistencia al desgaste. Los
depósitos de cromo duro tienen normalmente una
estructura con microfisuras, cuya densidad varía entre
15 y 200 fisuras por cm2 [1], dependiendo de la
temperatura y la composición química del baño de
cromado. Estas fisuras constituyen una vía de acceso
por donde los agentes corrosivos pueden alcanzar la
superficie del acero base y producir corrosión
acelerada, teniendo en cuenta que se trata de un
recubrimiento catódico. Por esta razón, para los
recubrimientos de cromo duro que se utilicen en
inmersión directa o en ambientes con cloruros, H2 S o
CO2 , se recomienda depositar una capa interna no
porosa de níquel y/o cobre. Para aplicaciones en
yacimientos petrolíferos se recomienda un espesor de
Figura 1.Desprendimiento de la capa de Cr y ataque
del acero base en lóbulos y valles del rotor.
En la observación microscópica de la sección
transversal del recubrimiento se detectaron fisuras que
atravesaban completamente la capa. No se trataba de
las microfis uras habituales en estos recubrimientos,
las cuales poseen una profundidad no mayor a 10 µm
y un diámetro de 0,1 µm [2]. Las grietas observadas se
originaban en irregularidades del metal base o en
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huecos o poros del mismo cromado (Figuras 2 y 3).
Los poros pueden haberse producido durante la
electrodeposición de Cr por desprendimiento
preferencial de H2 en inclusiones u óxidos que no se
eliminaron previamente de la superficie del acero. El
análisis dispersivo en energía indicó que no existía
una capa metálica intermedia de Cu o Ni entre el acero
y el cromado.
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Se observaron fisuras y cadenas de poros que
atravesaban completamente el recubrimiento (Figura
5). No se verificó la presencia de una capa metálica
intermedia de Cu o Ni entre el acero y el cromado.
Figura 5. Macrofisura en la capa de Cr del vástago
Caso 3: Barril de bomba con cromado interior.
Material base: acero API 5CT C95. Medio: [Cl-] = 4353 g/L; pH = 6,8. Espesor del cromado: 65 µm.
Dureza: 1056-1315 HV100g . Se observaron zonas con
recubrimiento desprendido y corrosión del metal base
a lo largo de toda la pieza (Figuras 6 y 7), incluso con
perforación de la pared en algunos sitios (Figura 8).
Algunas fisuras atravesaban completamente la capa
(Figura 9). Como en los casos anteriores, no existía
una capa metálica intermedia entre el acero y el
cromado.
Figura 2. Macrofisura en la capa de Cr del rotor.
Figura 3. Macrofisura en la capa de Cr del rotor.
Caso 2: Vástago de bombeo cromado. Material base:
acero 4140. Medio: [Cl-] = 47 g/L; pH = 7,0; T =
75ºC. Espesor del cromado: 100 µm. Dureza: 826 997 HV1kg . La pieza presentaba zonas con cromado
desprendido y ataque del metal base (Figura 4).
Figura 6. Desprendimiento de la capa de Cr y ataque
del acero base en la superficie interna de un barril de
bomba.
Figura 7. Corrosión del acero base del barril en la
interfaz acero/cromado.
Figura 4. Zona con cromado desprendido y ataque del
metal base en un vástago de bombeo
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espesor (entre 12 y 25 µm, según el tipo de depósito)
[8,9] , independientemente del pretratamiento [7]. Por
esta razón se recomienda un espesor de 50 a 75 µm en
aplicaciones para prevención de la corrosión en
yacimientos petrolíferos, y de 75 a 125 µm para
resistencia a la erosión o la abrasión [1].
Figura 8. Perforación de la pared del barril.
Figura 9. Macrofisura en la capa de Cr del barril
2.2 Níquel químico
Los recubrimientos de níquel químico (también
denominado "níquel electroless") han sido utilizados
exitosamente en aplicaciones petrolíferas, incluyendo
equipamiento de pozo y de superficie, inmersión
marina y exposición atmosférica. Constituyen una
alternativa económica frente a los materiales de alta
aleación o para disminuir el agregado de inhibidores.
Los más adecuados para servicios corrosivos son los
que poseen un contenido de fósforo superior al 10 %
en peso [5]. Tienen excelente resistencia en medios
que contienen cloruros, CO2 o H2 S. También protegen
contra la erosión y la abrasión.
Dado que es un recubrimiento más noble que los
aceros de baja aleación, las áreas del sustrato
expuestas al medio corrosivo –como la base de los
poros pasante y las zonas con recubrimiento
desprendido o no niqueladas-, sufrirán corrosión
acelerada por la formación de una cupla galvánica.
Tratamientos mecánicos tales como amolados,
esmerilados, arenados y pulidos pueden dejar grietas,
raspaduras, picaduras y poros en la superficie del
sustrato. Estas irregularidades pueden atrapar
partículas de abrasivo, productos químicos del
pretratamiento, productos de corrosión o impurezas
que luego impiden la nucleación del recubrimiento en
esas áreas [6]. Ha sido demostrado que cuanto más
rugosa es la superficie del sustrato, mayor es la
cantidad de poros que se forman en el recubrimiento
[6]. Por lo tanto es fundamental para un buen
desempeño del recubrimiento que las operaciones
previas al niquelado no dejen imperfecciones en la
superficie.
Se ha confirmado asimismo que la porosidad del
depósito disminuye exponencialmente con el espesor
[7]. El cubrimiento completo se logra a partir de cierto
Caso 4: Mandril de empaquetador hidráulico
utilizado para inyección de agua en pozos para
recuperación secundaria. Material base: acero 4140.
Análisis del agua de inyección: [Cl-] = 23,5 g/L;
[HCO3 -] = 4,27 g/L; pH = 7,0; T = 35ºC. La pieza
presentó desprendimiento de la capa de níquel y zonas
corroídas tanto en la superficie interna (Figura 10)
como en la externa (Figura 11). El espesor promedio
del recubrimiento era de 23 µm. Para estos equipos se
recomienda un espesor mínimo de 75 µm [10]. El
contenido de P fue superior a 10% en todos los puntos
analizados. La superficie del acero base presentaba
raspaduras, depresiones y otras irregularidades, y se
observaron poros que atravesaban el recubrimiento
(Figura 12) Dado que la rosca interior del pistón y la
rosca exterior correspondiente del mandril no estaban
niqueladas, se generó un cupla galvánica agravada por
la situación de rendija, que corroyó el acero en la
interfaz sustrato/depósito y produjo la separación del
recubrimiento (Figura 13).
Figura 10. Desprendimiento de la capa de Ni-P y
ataque del acero base en la superficie interna del
mandril.
Figura 11. Detalle de la zona del pistón roscado al
mandril, donde hubo desprendimiento de la capa de
Ni-P y ataque del acero base en la superficie externa
del mandril.
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Figura 16: Irregularidades en la superficie del material
base (965x)
Figura 12. Fisura de la capa de Ni-P en una zona sin
desprendimiento (400x).
3. CONCLUSIONES
§ Los recubrimientos de cromo duro deben poseer una
capa interna no porosa de níquel y/o cobre.
§ Los recubrimientos de níquel químico que se utilicen
en yacimientos de gas o petróleo deben tener un
espesor mínimo de 50 µm.
§ En todos los casos es fundamental una preparación
adecuada de la superficie para obtener un buen
desempeño del recubrimiento.
Figura 13. Detalle de zona indicada en la Figura 11.
4. REFERENCIAS
Caso 2: Mandril de empaquetador hidráulico. La
pieza presentaba perforaciones, zonas corroídas y
desprendimiento de la capa de níquel, tanto en la
superficie interna como en la externa (Figura 14). El
espesor promedio del recubrimiento en las zonas no
atacadas variaba entre 6 y 10 µm. Se observaron
distintas irregularidades en la superficie del material
base (Figuras 15 y16), asociadas en algunos casos a
poros pasantes y desprendimientos de la capa.
Figura 14. Desprendimiento de la capa de Ni-P y
ataque del acero base en la superficie externa del
mandril.
[1] “Plated and Galvanized Coatings for Oilfield
Applications”, Technical Committee Report 1G290,
N.A.C.E., Houston, 1990.
[2] Metal Handbook vol. 13, ASM Intl., Metals Park
(Ohio), 1987, p. 871.
[3] Metal Handbook vol. 5, ASM Intl., Metals Park
(Ohio), 1982, p.183.
[4] E. Cobo, R. Suarez Baldo and J. Bessone., Surface
and Coatings Technology, 122, 1999, pp. 39-.43
[5] “Electroless Nickel Coatings”, Technical
Committee Report 6A287, N.A.C.E., Houston, 1997.
[6] A.H. Nahlé, C. Kerr, B.D. Barker, and F.C Walsh,
Transactions of the Institute of Metal Finishing, 76,
1998, pp. 29-33
[7] C. Kerr, D. Barker, and F.C Walsh, ídem, 74,
1996, pp. 214-220.
[8] G.W. Reade, C. Kerr, B.D. Barker, and F.C Walsh,
ídem, 76, 1998, pp. 149-155.
[9] M. Bayes, B. Jackson and G. Shawhan, ídem, 62,
1985, pp. 145-150.
[10] Metal Handbook vol. 5, ASM Intl., Metals Park
(Ohio), 1982, p. 239.
Figura 15. Irregularidades en la superficie del material
base asociadas a desprendimientos de la capa (400x)
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