fortalezas para la produccion de asfaltos pg

FORTALEZAS PARA LA PRODUCCIÓN DE ASFALTOS PG
EN REFINERÍAS MEXICANAS
Ing. Leonardo Manríquez Olmos
Ing. Edmundo Reyes Tenorio Lara
M en C Enrique Aguilar Rodríguez
Instituto Mexicano del Petróleo
Dr. Miguel A. Leiva y Nuncio
M en C Roberto del Río Soto
PEMEX Refinación
Resumen
La tendencia mundial en la construcción de carpetas flexibles mediante el método Hot-Mix
(HMA) es el empleo de cementos asfálticos clasificados mediante pruebas de funcionalidad
del Strategic Highway Research Program (SHRP); en este sentido Pemex Refinación e
Instituto Mexicano del Petróleo han realizado los estudios analíticos periódicos del asfalto
AC-20 ofrecidos por las Refinerías de Cd. Madero, Salamanca y Cadereyta, concluyéndose
que los asfaltos tienen en promedio la clasificación PG 64-22 y en ocasiones hasta un PG
70-28, que los hace atractivos para su empleo en la mayoría del territorio mexicano (90 %) y
en una gran parte de E.U., sobre todo en el PADD 2 (Petroleum Administrative District
Defence) como se observa en los mapas climatológicos y de carreteras de ambos países
(Fig. 1, 2, 3 y 5).
En este artículo técnico se presenta la caracterización de los asfaltos AC-20 de las refinerías
antes mencionadas y su impacto en el mejoramiento de la red de carreteras, además de las
fortale7.as para su producción a mediano plazo para consumo nacional y exportación ya que
el principal ingrediente para su formulación lo constituirán los residuos pesados obtenidos por
la refinación de los crudos Panuco, Tamaulipas y Maya, principalmente y diluentes de
características predominantemente nafténicas o no parafínicas de bajas temperaturas de
transición vítreas que aseguran una alta funcionalidad de los asfaltos PG formulados con
este tipo de corrientes.
Introducción
En México se utilizan aproximadamente 500,000 ton/año de mezcla de concreto asfáltico del
tipo Hot-Mix (HMA) en la construcción de pavimentas flexibles (carpeta con espesores
inferiores a 5 cm) (7). El asfalto utilizado para la construcción de estas carpetas es el
denominado AC-20, que se produce en las refinerías de Cadereyta, N.L, Cd. Madero Tamps.,
Salamanca, Gto., Salina Cruz, Oax. y Tula, Hgo. y clasificados bajo la especificación de
Pemex 514/95, la cual se basa principalmente en la medición de la viscosidad.
Dado el carácter empírico de esta clasificación no es posible obtener una relación
consistente entre las propiedades del asfalto mediante esta técnica, así como el
comportamiento que se pueda presentar con el tiempo en el camino bajo las condiciones
reales de climatología y de la carga a la que es sometida la carpeta asfáltica. Además carece
de una medida fundamental de las propiedades del asfalto relacionada con el
comportamiento en servicio y en el rango de altas temperaturas mide la viscosidad a 60 °C,
la cual no es adecuada para algunos asfaltos, particularmente los envejecidos;
adicionalmente no contempla ensayos que puedan caracterizar sus propiedades a bajas
temperaturas.
Las actuales normas Superpave desarrolladas por el SHRP (Strategic Highway Research
Program) y avaladas por el método AASHTO MP-1 (American Association of State Highway
Transportation Officials) (4) permiten en la actualidad, clasificar a los asfaltos como del tipo
PG (4), las cuales pueden ser correlacionables con los principales modos de falla de un
pavimento flexible bajo las condiciones ambientales y transito del lugar. Contempla para este
fin ensayos para determinar la temperatura de diseño del pavimento, que se basa en la
temperatura máxima promedio del aire de los 7 días del mes mas calurosos del año y de la
temperatura minima registrada en el lugar durante el año (3, 4), así mismo permite determinar
la deformación permanente tanto en asfaltos vírgenes como envejecidos. Así también
permite conocer la desintegración que se pueda presentar por fatiga y por bajas
temperaturas (2, 4, 5. 6, 8).
La República Mexicana tiene un área territorial de 1,958,201 Km2, con una población
aproximada de 90 millones de habitantes (1) y una longitud de carreteras y caminos de
365,119 KM.(CAPUFE 1999) (147,456 Km. de caminos rurales, 217,663 Km. pavimentados),
de los cuales un 15 % se someten a mantenimiento(l). Como se puede observar la longitud
de los pavimentos construidos es muy pequeña comparada con la densidad de población y el
área territorial existente, por lo que es necesario efectuar la construcción de nuevas rutas de
caminos con carpetas asfálticas flexibles, pero ahora con asfaltos adecuados al transito y
condiciones ambientales de las diferentes regiones, que permitan disminuir el porcentaje de
mantenimiento de los pavimentos. Por tal motivo a diversas muestras de asfaltos AC-20,
elaboradas en tiempos diferentes en las Refinerías de Cadereyta, N.L., Cd. Madero, Tamps.
y Salamanca, Gto., se les efectuaron los ensayos correspondientes para los asfaltos de
grado PG, para conocer su ubicación con respecto a la norma AASHTO MP-1 y además para
efectuar su pronta aplicación en las diferentes regiones de México como se puede observar
en el mapa de las Figuras No. 1, 2, 3 y 4 o su posible exportación a algunas regiones de
E.U.A. (mapa de la Figura No. 5).
Parte experimental y determinación de temperaturas del pavimento
La parte experimental se llevo a cabo con la caracterización de los aceites crudos de cada
una de las refinerías antes mencionadas (Tabla No. 1), los cuales son las bases para obtener
las corrientes (residuos y diluentes) utilizadas en la formulación de los asfaltos AC-20,
(Tablas No. 2 y 3).
Posteriormente las diversas muestras de asfaltos (10 por refinería), fueran sometidas a las
pruebas típicas de grado viscosidad AC-20, encontrándose que todas ellas cumplen
correctamente con las especificaciones establecidas para este producto coma se observa en
las Tablas No. 4, 5 y 6.
A continuación los asfaltos AC-20 se analizaron con los métodos de prueba de funcionalidad,
norma AASHTO MP-l, como se indica en las Tablas No. 7, 8 y 9. Estas pruebas fueron
realizadas en un reómetro de corte dinámico (Dynamic Shear Rheometer) estándar para el
SHRP, que mantiene un torque constante, a una frecuencia de oscilación de 10 rad./s a
diferentes temperaturas, que permite cuantificar la deformación angular al aplicar 10 ciclos y
que fue aplicada tanto al asfalto original como a los envejecidos por los métodos RTFOT y
PAW). El procedimiento del RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test) se utiliza para simular el
envejecimiento a corto plazo del asfalto y el PAV (Pressure Aging Vessel) para simular el
envejecimiento a largo plazo como máximo 10 años (4). Este reómetro permite determinar el
modulo complejo de corte G* y un ángulo de fase φ. Al relacionar el primer parámetro con el
Sen 0 se obtiene una correlación para medir deformaciones permanentes (rutting); en el
asfalto original G*/Sen φ debe ser 1.0 kPa como mínimo, para el envejecido con RTFOT
G*/Sen φ debe adoptar un valor de 2.2 kPa como mínimo, en el caso del asfalto envejecido
por medio del PAV la deformación se determina por la relación G*Sen φ < 5000 kPa, la cual
es una indicación de que el asfalto no presentara problemas de desintegración por cargas
dinámicas a través del tiempo, cuando circulen vehículos a una velocidad de 60 millas/h, con
un peso de 9 ton. y una repetición de ejes duales de 10 millones.
Para determinar la rigidez a la deformación se utilizo un reómetro de flexión (Bending Beam
Rheometer), que indica el comportamiento (resistencia al fisuramiento térmico) del asfalto a
bajas temperaturas, mediante los parámetros S (velocidad de deformación) < 300 MPa y m
(velocidad de deformación) > 0.3 m.
Para asegurar que los asfaltos sean suficientemente fluidos para ser transportados,
bombeados y mezclados, se utiliza la viscosidad Brookfield, que se determina en un
viscosímetro rotacional a 135 °C.
En la determinación de la temperatura máxima del pavimento se utilizo la siguiente formula
del SHRP:
(
)
T20 mm = Tair − 0.00618Lat 2 + 0.2289Lat + 42.2 (0.9545 ) − 17.78
donde:
T20mm = Temperatura máxima del pavimento a una profundidad de 20 mm.
Tair = promedio de la temperaturas mas altas del aire en 7 días.
Lat. = Latitud del lugar
La regla general de los resultados obtenidos de esta ecuación es la de incrementar un grado
de comportamiento del ligante para cargas mas lentas o bien incrementar hasta 6 °C la
temperatura del diseño del pavimento para cargas lentas y tráfico pesado.
Para la temperatura minima, esta fue seleccionada de la temperatura mas baja registrada en
cada lugar como recomienda el SHRP, las cuales fueron tomadas del banco de datos del
Sistema Meteorológico Nacional de 1998. La minima temperatura reportada durante este
año, fue en el estado de Durango con -15 °C.
Discusión de resultados
Las fuentes de las cuales se obtienen las corrientes para formular los asfaltos AC-20 en la
mayoría de las refinerías de Pemex Refinación es la mezcla de los aceites crudos
Istmo/Maya, de naturaleza intermedia (nafténica-parafínica con un valor del factor K de
11.84); siendo diferente únicamente en la Refinería de Cd. Madero, Tamps., en donde se
utiliza la mezcla de aceites crudos Panuco/Tamaulipas de naturaleza nafténica (factor K de
11.57), Tabla No. 1.
Todas las Refinerías utilizan como materia prima principal residuos de la destilación a vacío
de los aceites crudos antes mencionados (Tablas No. 2 y 3), excepto en la Refinería de
Salamanca, Gto., que además de utilizar el residuo de vacío, también utiliza un residuo
derivado del proceso de obtención de lubricantes pesados (desasfaltado) por medio de la
extracción liquido-liquido de un residuo derivado de aceites crudos lubricanteros (Tablas No.
2 y 3). Las propiedades de estos residuales indican que su viscosidad es mayor a la
requerida para obtener asfalto AC-20, por lo que es necesario diluirlos hasta alcanzar [as
especificaciones de este asfalto. Estos diluentes utilizados en la formulación del asfalto AC:20 son obtenidos en diferentes procesos, así tenemos que el gasóleo pesado se obtiene del
proceso de la destilación a vacío de naturaleza nafténica (factor k de 11.52); el extracto
aromático es de naturaleza extremadamente nafténica (factor k de 11.25); que proviene del
proceso de desaromatizado de lubricantes y por ultimo el extracto Pemex de naturaleza
intermedia (factor k de 11.70); que es obtenido en el proceso de extracción liquido-liquido de
residuos de vacío, Tablas No. 2 y 3.
A pesar de que los asfaltos que se producen en estas Refinerías utilizan diluentes diferentes
y como en el caso de Salamanca un residuo adicional (desasfaltado), su calidad es excelente
como AC-20, ya que cumplen correctamente con la especificación establecidas para este
producto, tablas 4, 5 y 6. El análisis Superpave realizados a todas las muestras de asfaltos
AC-20 (10 por refinería) indican que su calidad es adecuada para trabajar como diversos
tipos de grado PG, ya que se puede producir una gran diversidad de ellos, como se puede
observar a continuación:
REFINERÍA
TIPOS DE ASFALTO
Cadereyta
64-28/64-34/70-22/7028
Madero
64-22/64-28/70-28
Salamanca
64-16/64-22
Las propiedades reológicas de la deformación y por esfuerzo de corte que exhiben estos
asfaltos, indican que a las temperaturas de los asfaltos PG mostradas en la tabla anterior, no
se presentarán problemas de deformación permanente ni desintegración por fatiga, al set
utilizados en la elaboración de carpetas flexibles, tablas No. 7, 8 y 9. El buen funcionamiento
de estos tipos de asfaltos dependerá del tipo de material pétreo que se utilice en el lugar de
so aplicación.
Para la elaboración de las figuras correspondientes al diseño del pavimento, estas fueron
realizadas en base a la temperatura máxima del pavimento a 20mm más 6 °C, como se
indica en la hoja anterior y la temperatura minima del lugar durante el año, considerando un
tráfico lento y pesado.
Conclusiones
•
Los asfaltos AC-20 que se producen en Pemex Refinación pueden ser comercializados
como del tipo PG en una gran variedad de ellos que van desde un 64-16 hasta un 70-28,
para set utilizados en la construcción de carpetas flexibles con el método HOT MIX en
casi todo el territorio mexicano (Fig. No. 3). Además su producción puede ser aumentada
sobre todo en las Refinerías de Cadereyta y Salamanca, para un probable exportación a
los EUA, ya que una extensa región de este país (PADD 2) requiere de estas especies
asfálticas en sus carreteras, Fig. No. 5.
•
Los solventes utilizados en la formulación de Ios asfaltos AC-20, son de un carácter
predominantemente nafténico e intermedio, que ayudan a que este producto presente un
excelente comportamiento a bajas temperatura. Dichos solventes contienen muy bajo
contenido de parafinas y en algunos casos como en el extracto aromático, su contenido
es prácticamente nulo (factor K = 11.25 indica un compuesto totalmente aromático).
•
Aunque no se presentan Ios resultados de los asfaltos AC-20 de las Refinerías de Salina
Cruz y Tula, se espera que estos exhiban un comportamiento mínimo de grado PG 6416, ya que utiliza en sus esquemas de refinación la mezcla de crudo Istmo/Maya, que se
emplea en Ia Refinería de Cadereyta.
•
Dada la diversidad de Ios asfaltos PG que se pueden obtener en las diferentes refinerías,
se elaboro un mapa de distribución de estos asfaltos, de donde podemos observar que
en la Republica Mexicana, la Refinería do Salina Cruz puede abastecer algunas regiones
del Pacifico y Golfo; Salamanca y Tula la zona Centro y finalmente, Madero y Cadereyta
la zona Norte y parte del Golfo, Fig. N. 4.
ISTMO/MAYA
PANUCOTAMAULIPAS
OLMECA-ISTMOPOZOLEO
Peso especifico 60/60 °F
0.8808
0.9633
0.8652
Gravedad ºAPI
Viscosidad a 25 °C, cSt
29,16
17.78
15.39
2700.5
32.05
13.68
Azufre total, %peso
2.43
5.50
1.49
Factor de caracterización K
11.84
11.57
11.94
Metales Ni + V, p.p.m.
158.7
306.3
64.2
PROPIEDAD
Tabla No. l. - Características de aceites crudos
REFINERÍA
CORRIENTE:
RESIDUO DE VACÍO
CADEREYTA
MADERO
SALAMANCA
X
X
X
RESIDUO DE DESASFALTADORA
EXTRACTO DEMEX
SALINA
TULA
CRUZ
X
X
X
X
X
X
EXTRACTO AROMÁTICO
X
GASÓLEO PESADO DE VACÍO
X
Tabla No. 2. - Corrientes de la refinación del petróleo que intervienen en la formulación de asfaltos AC-20
CORRIENTE
REFINERÍA
ACEITE CRUDO DE
PROCEDENCIA
NATURALEZA DEL
ACEITE CRUDO
RESIDUO DE VACÍO
CADEREYTA
lSTMO/MAYA
INTERMEDIO
RESIDUO DE VACÍO
MADERO
PANUCO/TAMAULIPAS
NAFTÉNICO
RESIDUO DE VAC10
SALAMANCA
ISTMO/MAYA
INTERMEDIO
RESIDUO DE
DESASFALTADORA
RESIDUO DE VACÍO
SALAMANCA
OLMECA/ISTMO/POZOLEO
SALINA CRUZ
ISTM0/MAYA
INTERMEDIO
(LUBRICANTERO)
INTERMEDIO
RESIDUO DE VACÍO
TULA
ISTMO/MAYA
INTERMEDIO
GASÓLEO PESADO
CADEREYTA, SALINA
CRUZ Y TULA
ISTMO/MAYA
INTERMEDIO
EXTRACTO DEMEX
MADERO
ISTMO/MAYA/ZONA NORTE
INTERMEDIO
SALAMANCA
OLMECA/ISTMO/POZOLEO
INTERMEDIO
(LUBRICANTERO)
EXTRACTO AROMÁTICO
Tabla no. 3. - Fuentes de procedencia de las corrientes utilizadas en la formulación de asfaltos AC-20.
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