análisis de falla de herramienta de perforación petrolera web

CONAMET/SAM-2008
ANÁLISIS DE FALLA DE HERRAMIENTA DE PERFORACIÓN PETROLERA
WEB WILSON
Pablo Cirimello, Juan Bonotti, Fabio Reiss, Juan Castro
[email protected]
INVAP INGENIERIA S.A., San Fernando 311, 8300, Neuquén, Argentina.
Tel.: 54-299-4460433
PALABRAS CLAVES: análisis de falla, perforación, petrolero, fractura, propiedades mecánicas,
metalografía.
RESUMEN
Se realizó un análisis de falla de un perno correspondiente a una herramienta de perforación petrolera de tipo
Web Wilson.
Inicialmente se hizo una inspección visual de la pieza fallada, encontrándose que la superficie de fractura
corresponde a un tipo de falla frágil, por tracción simple.
A fin de caracterizar el material se realizó análisis químico por espectrometría de chispa pudiendo clasificarlo
según un acero SAE - AISI 4140. Los ensayos de dureza arrojaron un valor de 22 HRC. Los ensayos de
Charpy arrojaron un valor de energía absorbida a 0ºC de 4.75J, exhibiendo un comportamiento frágil en todo
el rango de temperaturas ensayado (-20ºC a 20ºC), por lo que a la temperatura de servicio, el comportamiento
del material es frágil. De presentarse en servicio cargas dinámicas (estas serían del orden o mayor a la tensión
de fluencia), el material no podría responder favorablemente dada su nula capacidad de absorción de cargas
de impacto.
Por otro lado se realizó un modelado numérico del estado de tensiones actuantes. El mismo mostró que las
mayores tensiones actuantes son de 3603 kg/cm2, siendo la tensión de fluencia medida en el material de 4762
kg/cm2, por lo que el coeficiente de seguridad es de 1.3. Las tensiones máximas se producen en el anillo
donde se ensambla una media nuez, en la curvatura más cercana al extremo del eje. Esto se debe a que esta
curvatura actúa como concentrador de tensión debido al diseño de los pernos.
En síntesis, los factores determinantes de la falla del perno analizado son: la fragilidad del material, debida
posiblemente a deficiente tratamiento térmico (fragilidad por revenido) y la excesiva concentración de
tensiones en la zona donde se ensambla la media nuez en la curvatura más cercana al extremo de los ejes,
debido a un excesivamente bajo radio de acuerdo.
CONAMET/SAM-2008
1. INTRODUCCIÓN
Se realizó un análisis de falla de un perno
correspondiente a una herramienta de tipo Web
Wilson, la cual se utiliza en los procedimientos
de perforación petrolera.
A este fin se analizó tanto el perno fracturado
como un perno que conservaba su integridad y
había sido sacado de servicio (perno original).
Ambas piezas se muestran en la Figura 1.
El análisis de falla se realizó en este caso a
partir de la pieza fracturada, no pudiéndose
tener acceso a la herramienta completa.
Esta herramienta es utilizada en perforación de
pozos petroleros, siendo sus principales
solicitaciones de tracción de tipo estáticas y
eventualmente dinámicas.
Figura 2: Superficie de fractura de perno fallado
Todo análisis de falla parte de un examen visual
a ojo desnudo, profundizándose luego en la
profundidad de observacióni. En este sentido se
realizó un análisis visual de la superficie de
fractura (fractografía), aumentando luego en
profundidad de observación.
2.1 Inspección Visual
Perno
Original
2. DESARROLLO
Se realizó un examen visual de la superficie de
fractura del perno. Esta superficie se presenta
en la Figura 3. Lateralmente no presenta
contracciones o deformaciones macroscópicas
apreciables. La orientación de la superficie es
aproximadamente
perpendicular al eje
longitudinal del perno, es decir perpendicular a
la dirección de la tensión principal.
La superficie presenta una capa de óxido
posterior a la falla, y una superficie original del
tipo gris granular, con marcas Chevron.
Perno
Fallado
Zona de
Fractura
Figura 1: Pernos de Web Wilson analizados
A fin de caracterizar el material desde el punto
de vista mecánico se realizaron ensayos de
dureza, de tracción y de impacto (Charpy).
También se analizó la composición química
mediante la técnica de espectrometría óptica.
Por último, se realizó un Modelado Numérico a
fin de determinar las tensiones actuantes en la
pieza durante el servicio, y cotejarlas con las
propiedades a la tracción del material.
Figura 3: Superficie de fractura del perno fallado
CONAMET/SAM-2008
En el análisis macroscópico no se encontraron
marcas de playa (beachmarks) o estriaciones
propias de fractura por fatiga.
La tipología de la superficie de fractura se
corresponde, por tanto, con una fractura por
sobrecarga por tensiones, descartándose
fenómenos ambientales como corrosión, de
temperatura (creep) y fatiga.
Si bien la superficie tiene cierta rugosidad que
denota ductilidad, la ausencia de deformación
macroscópica sumado a las marcas Chevron
denotarían una falla de tipo frágil.
2.2 Análisis químico
La composición química de los pernos
analizados se determinó mediante
espectrometría de chispa. Esta técnica analítica
se basa en la espectroscopía de emisión óptica, y
se fundamenta en analizar la luz emitida por una
cantidad muy pequeña del material que se
vaporiza en un arco eléctrico en atmósfera de
argón. El equipo utilizado es un Spectrotest
TXC-01, con autocalibración.
Tabla 1: Composición química del perno fallado
Fe
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
Al
Co
Cu
Nb
Ti
V
W
Pb
Zr
El primer tipo corresponde a un acero al Cromo
– Níquel – Molibdeno y el segundo a un acero
al Cromo-Molibdeno.
La falla no puede ser atribuible en forma directa
a esta diferencia en composición química, ya
que el SAE/AISI 4140 es un acero de
construcción mecánica ampliamente utilizado
en este tipo de aplicaciones.
Por ello se analizó el comportamiento mecánico
a la tracción, realizando ensayos mecánicos
siguiendo la norma ASTM A-370iii.
SAE/AISI
4340
% en peso
Bal.
0.38-0.43
0.15-0.35
0.6-0.8
0.7-0.9
0.2-0.3
1.65-2.00
-
Tabla 2: Composición química del perno original
En las Tablas 1 y 2 se presenta la composición
química de ambos pernos, como así también los
aceros normalizados en los cuales pueden
encuadrarse ambos materiales.
Puede verse que el perno original corresponde a
un SAE/AISI 4340, mientras que el perno
fallado corresponde a un SAE/AISI 4140ii.
Perno original
Web Wilson
% en peso
95.6
0.353
0.240
0.70
0.78
0.227
1.94
0.025
0.021
0.112
0.004
-
Fe
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ni
Al
Co
Cu
Nb
Ti
V
W
Pb
Zr
Perno fallado
Web Wilson
% en peso
97.4
0.403
0.25
0.73
0.96
0.17
0.03
0.006
0.071
0.004
-
2.2 Propiedades Mecánicas
SAE/AISI
4140
% en peso
Bal.
0.38-0.43
0.15-0.35
0.75-1.00
0.8-1.1
0.15-0.25
-
CONAMET/SAM-2008
Se efectuaron mediciones de dureza y ensayos
de tracción, de acuerdo a las recomendaciones
de ASTM A 370.
En la Tabla 3 se presentan los resultados
promedio de tres probetas. Pueden notarse los
siguientes puntos:
La Tensión de Fluencia ( Y) del material del
perno fallado es aproximadamente un 40%
inferior a la del material del perno original. Este
parámetro es de suma importancia por ser el
tomado como referencia para el diseño
mecánico de la pieza.
La Resistencia a la Tracción ( T) del material
del perno fallado es aproximadamente un 19%
menor a la del material del perno original.
Las elongaciones a la rotura (una medida de
ductilidad) son aproximadamente iguales.
Muestra
Temperatura (ºC)
Perno
Fallado
Web
Wilson
Perno
original
Web Wilson
20
0
-20
Energía Absorbida
(J)
6.7
4.75
4
20
0
-20
82.7
65.25
41.3
La energía absorbida de Charpy del perno
fallado es muy baja en el rango de -20 a 20ºC,
comportándose de manera marcadamente frágil,
como lo exhiben las superficies de fractura de
tipo brillante.
En cambio el perno original posee una energía
de impacto de Charpy muy superior
comportándose en forma dúctil prácticamente
en todo el rango, encontrándose en transición
dúctil-frágil únicamente a -20ºC.
Tabla 3: Propiedades mecánicas de ambos pernos
Dureza Rockwell
(HRC)
Tensión de fluencia
(MPa)
Resistencia a la
Tracción (MPa)
Elongación a la
Rotura (%)
Perno Web
Wilson
fallado
22
Perno Web
Wilson
original
34
482
798
766
940
21.4
20.4
De este análisis se desprende que las
propiedades a la tracción son claramente
inferiores en el caso del perno fallado, lo que
posteriormente será contrastado con las
tensiones actuantes en el Modelado Numérico, a
fin de ver como incide esto en la respuesta
mecánica de la pieza.
De la Tabla 4 podemos notar que el perno
fallado presenta valores de energía de impacto
absorbida muy bajas en todo el rango de
temperaturas ensayado (Veáse la Figura 3). Esto
quiere decir que el material exhibe un
comportamiento muy frágil, aún a temperatura
ambiente.
Perno original
Perno fallado
2.2.3 Ensayo de Charpy
Se estudió el comportamiento de ambos
materiales al impacto, realizando ensayos de
impacto tipo Charpy, siguiendo ASTM A 370.
En la Tabla 4 se muestran los resultados de
ensayos de impacto.
Tabla 4: Energía de Impacto (Charpy)
Figura 4: Energía de Impacto Absorbida por ambos
materiales
Esta respuesta puede corroborarse con la
observación de las probetas fracturadas, las
cuales presentan marcada contracción lateral a
20ºC y 0ºC. Las probetas a -20ºC presentan una
superficie de fractura en la que se distingue una
zona frágil (brillante) y una dúctil (fibrosa) que
CONAMET/SAM-2008
denota que a estas temperaturas el material se
encuentra en transición dúctil-frágil.
2.3 Modelado Numérico
extremo de los ejes y en la curvatura que se
ubica en unión del eje y la cara donde se aplicó
la restricción de movimiento. Esto se debe a que
estas curvaturas actúan como concentradores de
tensión debido al diseño de los pernos.
Se realizó un Modelado Numérico por
Elementos Finitos del estado de tensiones
actuantes en servicio en ambas piezas. Para ello
se relevó geométricamente ambas piezas, y se
recabó información sobre la carga aplicada en
forma remota.
En la Figura 4 vemos el mallado realizado con
un software comercial y la Figura 5 y 6 se
muestra los resultados principales del análisis de
tensiones.
Figura 6: Pernos de Web Wilson analizados
En la zona de acople de la media nuez se
observan valores de tensiones de 3550 kg/cm2
en el perno original y de 3600 kg/cm2 en el
perno fallado. Estos valores están tomados en
un corte del eje pasando por el eje longitudinal
del mismo.
Figura 4: Pernos de Web Wilson analizados
Si calculamos el coeficiente de seguridad
mínimo con respecto a la tensión de fluencia
mínima obtenidas en los ensayos de tracción
obtenemos:
Tabla 5: Coeficientes de seguridad de ambos materiales
PERNO ORIGINAL
y = 7984.378
vm = 3555
Zona de
acople de la
media nuez
Figura 5: Pernos de Web Wilson analizados
La intensidad de las tensiones va de menor
(color azul) a mayor (color rojo), medida en
términos de tensión equivalente de Von Mises.
De los valores mostrados en los modelados de
los pernos se observa en ambos que las
máximas tensiones equivalentes de Von Mises
se producen en el anillo donde se ensambla la
media nuez, en la curvatura más cercana al
n=
y
vm
Kg
cm 2
Kg
cm 2
= 2.2
PERNO FALLADO
Kg
cm 2
Kg
vm = 3602 2
cm
y
n=
= 1.3
vm
y = 4762.075
Donde vm son las tensiones de Von Mises
actuantes, Y son las tensiones de fluencia y n
los coeficientes de seguridad.
De estos valores se observa que el perno fallado
trabaja con tensiones máximas, que
corresponden a un 76% de la tensión de fluencia
en los sectores de mayor concentración de
tensiones. Mientras que en el perno original las
tensiones de trabajo máximas, en el mismo
sector, corresponden a un 45% de la tensión de
fluencia; esto se debe a que los radios de
curvatura en las zonas nombradas son menores
en el perno fallado que en el perno original.
CONAMET/SAM-2008
3. SINTESIS DE RESULTADOS
En la Tabla 6 se muestra una síntesis de las
principales diferencias encontradas entre el
perno fallado y el perno original:
Tabla 6: Diferencias encontradas entre ambos pernos
Material
Dureza (HRC)
Tensión de Fluencia
Y (MPa)
Resistencia Mecánica
(MPa)
Tensión máxima de
trabajo (MPa)
Coeficiente de
Seguridad (n)
Energía de Impacto
(J) a 0ºC
Perno
Fallado
SAE/AISI
4140
22
482
Perno
Original
SAE/AISI
4340
34
798
766
940
353
348
1.3
2.2
4.75
65.25
Destacamos como diferencia relevante la muy
baja tenacidad a la entalla encontrada en el
perno fallado en relación al perno original.
4. ANALISIS DE RESULTADOS
A partir del análisis de composición química por
medio de la metodología de espectrometría de
chispa se determinaron los materiales
correspondientes al perno fallado y al perno
original, correspondiendo el primero a un acero
SAE 4140, mientras que el perno original se
corresponde con un SAE 4340.
En cuanto a las propiedades mecánicas se
observa que:
•
La dureza del perno fallado es un 35%
menor a la de perno original.
•
La tensión de fluencia del perno fallado es
un 40% menor a la del perno original.
•
La resistencia a la tracción del perno
fallado es un 18% menor a la del perno
original.
Uno de los resultados relevantes del análisis
realizado es la extrema fragilidad del material
del perno fallado.
Desde el punto de vista de la energía de
impacto, la energía absorbida del perno fallado
es más de 10 veces menor a la del perno
original, exhibiendo un comportamiento frágil
en todo el rango de temperaturas ensayado. Es
decir que a la temperatura de servicio (0ºC20ºC) el material del perno fallado tiene un
comportamiento marcadamente frágil. Por el
contrario, el perno original, tiene un
comportamiento dúctil a las temperaturas de
servicio.
Este comportamiento frágil del perno fallado no
es en principio esperable al punto de los valores
hallados para un acero de tipo SAE 4140iv. El
perno original presenta valores muy superiores a
los del perno fallado de tenacidad a la entalla
(Más de 10 veces mayor). A -20ºC parecería
que comienza a exhibir un comportamiento más
frágil (región de transición) pero su
comportamiento es más dúctil a temperaturas de
servicio (0 a 20ºC).
Estas diferencias no son explicables solo en
términos de diferente composición química.
Una posible explicación puede ser fragilidad de
revenido, el cual se presenta en aceros aleados
que han sido revenidos en el entorno de los
350ºC (fragilidad azul) o en el entorno de los
525ºC (fragilidad por revenido)v.
El revenido se realiza luego del templado con el
objeto de aumentar la tenacidad del acero. La
fragilidad del revenido se presenta en aceros de
baja y media aleación al Mn-Cr-Ni cuando
después del temple permanecen largo tiempo a
una temperatura entre 450ºC-550ºC. Si el
revenido se realiza a una temperatura mayor que
el rango crítico, la fragilidad se produce si la
pieza se enfría lentamente ya que en este caso
puede estar mucho tiempo en la zona de
temperaturas peligrosas. Si el revenido se hace
entre 450º y 550ºC y la permanencia a esa
temperatura es prolongada la fragilidad se
presenta siempre en los aceros sensibles,
independientemente de la velocidad de
enfriamiento
La fragilización por revenido se da por
segregación en bordes de grano de ciertas
impurezas como Antimonio (Sb), Estaño (Sn),
Fósforo (P), entre otros.
Este comportamiento de fragilización puede
presentarse en aceros normalizados, ya que en el
templado al aire puede ocurrir el tipo de
fenómeno descrito anteriormente.
CONAMET/SAM-2008
En cuanto al análisis del Modelado Numérico
se desprende que en el perno fallado, durante el
servicio hay tensiones del orden del 76% de la
tensión de fluencia de material, debido al efecto
concentrador de tensiones, que se provoca por la
geometría de la pieza. El efecto concentrador de
tensiones en el perno original es mucho menor,
siendo las tensiones máximas actuantes del
orden del 45% de la tensión de fluencia del
material.
Por lo que, de presentarse en servicio cargas
dinámicas (estas serían del orden o mayor a la
tensión de fluencia), el material no podría
responder favorablemente dada su nula
capacidad de absorción de cargas de impacto,
como lo demuestra los resultados de los ensayos
de Charpy realizados.
5. CONCLUSIONES
Se realizó un análisis de falla de un perno
correspondiente a una herramienta de tipo Web
Wilson. Este análisis se llevó a cabo mediante
inspección visual, ensayos mecánicos y análisis
químicos. Por un lado se pudo determinar en un
análisis comparativo con un perno original
sacado de servicio que
Los factores determinantes de la falla del perno
son:
•
La fragilidad del material, debida
posiblemente a deficiente tratamiento
térmico.
•
La excesiva concentración de tensiones en
la zona donde se ensambla la media nuez en
la curvatura más cercana al extremo de los
ejes, debido a un excesivamente bajo radio
de acuerdo.
La recomendación es que en futuras
fabricaciones se realice un control de calidad
tanto del material a usar como también de la
etapa de fabricación.
Se deberían certificar mínimas propiedades
mecánicas que garanticen la aptitud ara el
servicio (Resistencia a la Tracción = 940 Mpa,
Fluencia= 798 Mpa, Dureza= 34 HRc y Energía
de Impacto Charpy = 65J (0ºC)) se debería
solicitar al proveedor la certificación de dichas
propiedades para poder garantizar que el mismo
se reúna las condiciones adecuadas en función
de las solicitaciones de operación.
6. REFERENCIAS
i
ASM Handbook, Vol.11, Failure Analysis and
Prevention, ASM International, 1996.
ii
ASM Handbook, Tenth Edition, Vol.1,
Properties and Selection: Irons, Steels, and High
Performance Alloys, ASM International, 1990.
iii
ASTM A 370-97a, Standard Test Methods
and Definitions for Mechanical Testing of Steel
Products, 1997.
iv
ASM Specialty Handbook, Carbon and Alloy
Steels, ASM Internacional, 1996.
v
Aceros, Segundo Nuñez - Carlos Andreone,
PMM/A -114/91, Instituto de Tecnología,
Universidad Nacional de Gral.San Martín,
Comisión Nacional de Energía Atómica, 1996.