Corrosión en Acero API5LX-52: Influencia de Soldaduras

Jornadas SAM - CONAMET – AAS 2001, Septiembre de 2001
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INFLUENCIA DE LOS CORDONES DE SOLDADURA SOBRE LA
RESISTENCIA A LA CORROSIÓN DEL ACERO APIL5LX – 52, EN
AGUA SEDIMENTADA DE CRUDO DE PETRÓLEO.
Dr. Segundo Arístides Távara Aponte.
Ing. José Fernando Barboza Rodríguez.
Universidad Nacional de Trujillo, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas.
Departamento Académico de Física. Trujillo - Perú.
RESUMEN.
Se analizó la susceptibilidad a la corrosión de dos tipos de juntas, empleando la soldadura
manual con electrodos revestidos en multipasadas, en biseles “V” asimétricos (15° - 45°) a
tope, soldados por un solo lado, cumpliendo con las exigencias de calificación de la norma AP
– 1104 y API – 5L; utilizándose los electrodos revestidos AWS E7018 y AWS E6010. La
junta que lleva en todos los pases de soldadura el electrodo AWS E7018 es la que se practica
en la unión de camisas de refuerzo de la tubería del Oleoducto Nor–Peruano, en zonas donde
la tubería presenta daños mecánicos, fisuras y corrosión severa con pérdida del espesor de
pared crítica para soportar las presiones de trabajo y la junta que lleva en el pase de raíz el
electrodo AWS E6010 y en los demás pases el electrodo AWS E7018, es la que resultó tener
las mejores propiedades mecánicas de una serie de juntas evaluadas para optimizar las
propiedades mecánicas de las uniones del encamisetado de refuerzo (1). Para los ensayos de
corrosión de las juntas se siguió las normas ASTM: G1-72 y ASTM: G5-78, también se
prepararon y evaluaron las probetas para la evaluación metalográfica empleando la norma
ASTM: E3-95 y E807-81, también se realizó un análisis del contenido inclusionario por su
influencia en el comportamiento a la corrosión de las juntas (5).
1. INTRODUCCIÓN.
Los cordones de soldadura de oleoductos y gasoductos constituye una de las zonas críticas
más susceptibles donde podría iniciarse la corrosión, esto debido a la presencia de entallas,
defectos superficiales, inclusiones, heterogeneidades estructurales que lleva consigo la unión
soldada y cuando se encuentran presentes en los ductos agua, ácido sulfhídrico, bióxido de
carbono y alta presión de operación, tenemos el cuadro ideal para que se desarrolle el
mecanismo de corrosión y agrietamiento por hidrógeno inducido (2). En general los ductos
estudiados son bastantes tolerantes de defectos en el cuerpo del ducto los puntos más débiles
son las uniones soldadas. Los ductos cumplen la especificación API5LX-52 y presenta alta
tenacidad excepto en algunas soldaduras.
El programa Integral de mantenimiento del Oleoducto Nor – Peruano, afronta problemas de
daños en esta estructura, causado por procesos corrosivos tanto internos como externos,
sumado a daños mecánicos provocado por fenómenos geodinámicos. La rehabilitación de
estos sectores afectados, se realiza mediante la instalación de camisas de refuerzo soldadas,
fabricadas con tubería API5LX–52 igual a la instalada en zonas donde el espesor remanente
del ducto es crítica para soportar las presiones de trabajo del ducto debido a la presencia de
daños mecánicos, fisuras y corrosión severa. Contribuyendo a las técnicas de reforzamiento
en ductos el presente trabajo trata de investigar la susceptibilidad a la corrosión en uniones
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Távara Aponte, Barboza Rodríguez.
soldadas del encamisado de refuerzo de ductos API5LX–52, que están expuestas, en la parte
interna de éstas, al crudo de petróleo en un posible desgaste por corrosión o fisuramiento de la
tubería interna, evaluadas a partir de curvas de polarización en agua sedimentada de crudo de
petróleo, como un problema que influye en la eficiencia para el transporte del crudo de
petróleo de oleoductos.
2. TÉCNICAS EXPERIMENTALES
Los materiales estudiados en este trabajo son:
¾ material base API5LX – 52
Tabla 2.1 Composición química
Grado
%C
%Mn
%P
%S
X52
0.3
1.2
0.04%
0.05%
Tabla 2.2 Propiedades mecánicas
Resistencia
Límite
Alargamien
a la tracción de fluencia
to
50.6
43%
Kg/mm
36.6
2
Kg/mm
2
¾ material de aporte de soldadura:
AWS E7018 y AWS E6010
Norma: AWS/ASME: A5.1 – 91
Tabla 2.3 Tipos de juntas experimentales
Junta
1
2
Pase de raíz (PR)
Pase en Caliente (PC)
Pase relleno (PRE)*
Pase de acabado (PA)
E-6010
E-7018
E-7018
E-7018
E-7018
E-7018
E-7018
E-7018
Tabla 2.4 Parámetros de soldadura utilizados en la elaboración de probetas.
Electrodo
E-6010
E-7018
Diámetro (mm)
Voltaje (V)
Corriente (A)
Veloc. Avance(cm/min)
Calor aportado(KJ/cm)
3.25
25
115
12.3
14
3.25
25
150
13.4
16.8
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¾ Ensayos electroquímicos de corrosión. Las probetas se obtuvieron según la norma AWS
A5.1–78, para el material de aporte puro, juntas soldadas y material base, fueron encapsuladas
en resina epoxy, éste recubrimiento permitió dejar un área expuesta con una superficie
perfectamente determinada de la probeta; se estableció el contacto eléctrico de cada probeta a
través de un alambre de cobre revestido perfectamente unido a la probeta. La superficie
expuesta, de las probetas, se las ensayó lijadas a 2000 mallas y en condiciones tal como
quedaron después de la soldadura, previamente desengrasadas con acetato de etilo, enjuagadas
con alcohol absoluto y secadas con aire caliente, luego fueron montadas en la celda
electroquímica. Para los ensayos electroquímicos se usó una celda electroquímica
convencional, con electrodo de referencia de calomel saturado(SCE) y contralectrodo de
platino en agua sedimentada del crudo de petróleo. Éstos ensayos fueron potenciostáticos,
comenzando a un potencial catódico de 300mV por debajo del potencial de corrosión de cada
probeta a una velocidad de barrido de 10mV/min. Previo a cada medición se permitió a las
probetas alcanzar un potencial de corrosión estable por exposición a la solución durante un
tiempo de 50 minutos [ASTM: G5–78]. Se determinó la densidad de corriente de corrosión
utilizando el método lineal o de intersección de las pendientes de Tafel (3,4), con ésta
velocidad se calculó la velocidad de corrosión[ASTM: G3-74]. La caracterización
microestructural se realizó como se describe en la norma ASTM: E3–95. Para la
identificación de inclusiones se usó el método de microscópico óptico mediante la
comparación con gráficos patrones de la Norma ASTM:E45-84 y con las micrografías del
Atlas M. Handbook vol. 7.
3-RESULTADOS
3.1 Curvas de polarización electroquímica.
A. Electrodos AWS: E7018 y E6010 y material base. Las probetas fueron lijadas a 2000
mallas en papel abrasivo.
Fig. 3.1 Cuadro resumen de las curvas de polarización de los electrodos y material base en
agua sedimentada de crudo de petróleo.
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Távara Aponte, Barboza Rodríguez.
Tabla 3.1 Resultados de las curvas de polarización de la Fig. 3.1.
AWS
E6010
E7018
Vel.
corrosión
2.33
gr/cm2.
año
Vel. Pene- 0.3
tración
mm/año
1.76
gr/cm2.
año
0.22
mm/año
API5LX52
2.44
gr/cm2.
año
0.31
mm/año
B. Junta1, junta 2 y material base API5LX-52.
Fig. 3.2 Cuadro resumen de las curvas de polarización de las juntas y material base
Tabla 3.2 Resultados de las curvas de polarización de la Fig. 3.2.
JUNTA JUNTA API5LX1
2
52
Velc.
2.12
1.78
2.44
Corrosión gr/cm2. gr/cm2. gr/cm2.
Año
año
año
Velc.
0.27
0.23
0.31
Penetración mm/año mm/año mm/año
C. Junta1, junta2 y acero API5LX-52. No lijadas:
Fig. 3.3 Cuadro resumen de las curvas de polarización de las juntas y acero API5LX-52.
Probetas sin lijar.
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Tabla 3.3 Resultados de las curvas de polarización de la Fig. 3.3
JUNTA JUNTA 2 API5L
1
X-52
Velc.
0.77
0.97
1.2
2
2
Corrosión gr/cm . gr/cm .
gr/cm2.
año
año
Año
Velc.
0.098
0.12
0.16
Penetració mm/año mm/año mm/año
n
3.2 Inclusiones no metálicas(5,6):
¾ AWS-E6010:
Fig. 3.4 Inclusiones y/o escoria múltiple de gran tamaño y densidad alta
Tabla 3.4 Características de las inclusiones en el AWS-E6010.
AWS-E6010
Lámina I, Mét. A. ASTM-E45
Inclusiones. Serie
Tamaño Cantidad
Tipo
(grosor o
diámetros)
D
(otros Serie
23
Patrón
*
óxidos)
gruesa
44
45
Távara Aponte, Barboza Rodríguez.
¾ AWS-E7018:
Fig. 3.5 Inclusiones y/o poros o escoria de tamaño pequeño globulares.
Tabla 3.5 Características de las inclusiones en el AWS-E7018.
API5LX-52.
Lámina I, Mét. A. ASTM-E45
Inclusiones Serie
Tamaño Cantidad
.
(grosor o
Tipo
diámetros)
D
(otros Serie
21/2
21/2
*
óxidos)
gruesa
¾ API5LX-52:
Fig. 3.6 inclusiones sulfuros u óxidos D4 y D5 ASTM-E45
Tabla 3.6 Características de las inclusiones en el acero API5LX-52.
API5LX-52.
Lámina III, Mét. D. ASTM-E45
Inclusiones. Serie
Tamaño Cantidad
Tipo
(grosor o
diámetros)
A
Serie
21/2
Grupo
(sulfuros)
gruesa
21/2
D
(otros Serie fina 21/2
Grupo21/
óxidos)*
2
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Probetas corroídas
API5LX-52:
Fig. 3.7 contorno suave y ondulado de una pérdida general de corrosión de metal después de
una limpieza, se observa un ataque severo, profundo en el sentido de laminación y de
inclusiones. Aum. 16X y 50X resp.
AWS E6010:
Fig. 3.8 Nodulos de productos de corrosión y después de la limpieza se observa una corrosión
preferencial en las inclusiones y/o escoria.Aum. 5X y 50X resp.
AWS E7018:
Fig. 3.9 Se observa como han crecido el área de corrosión de la inclusiones. Aum. 5X y 16X
resp.
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Távara Aponte, Barboza Rodríguez.
Microestructura obtenida:
API5LX-52:
Fig. 3.10 Microconstituyentes del material base ferrita y perlita forma del grano alargada en el
sentido de la laminación. 100X y 500X respectivamente. Corte transversal
Junta 1( E6010 + E7018 +E7018):
Fig. 3.11 Zona columnar del último cordón de soldadura bandas anchas de ferrita en borde de
grano, mostrando inclusiones (puntos negros) y ferrita M-A-C(placas laterales blancas de la
primera foto). 500X y 200X.
Junta 2( E7018 + E7018 + E7018):
Fig. 3.12 Lado Izquierdo muestra el pase de raíz donde lleva el material del electrodo E7018.
mostrando el crecimiento dendrítico columnar del grano. Lado derecho ferrita en borde de
grano(claro) y ferrita acicular(blanco en fondo oscuro). 500X y 100X respectivamente.
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4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES
De los resultados, tanto de la Tabla 3.1 y de la Tabla 3.2 se observa que el material de aporte
E6010, tiene una velocidad de corrosión más alta
que la del electrodo E7018 así como la junta que lleva en el pase de raíz el electrodo E6010
también tiene una mayor velocidad de corrosión que la junta que lleva en el pase de raíz el
electrodo E7018, cuando la superficie de las probetas ensayadas fueron lijadas a iguales
condiciones; esto se explica debido a que el electrodo E6010 presentó una mayor densidad y
tamaño de inclusiones no metálicas(Tabla 3.4 y 3.5), éstas inclusiones son los centros activos
para que se inicie la corrosión debido a su gran diferencia química con el acero formando
micropilas galvánicas de gran potencial electroquímico, y debido a su gran disolución química
que presenta estas inclusiones en contacto con iones agresivos(3,5,6) como los cloruros, iones
Fe++, [2], las que presentó el agua sedimentada del crudo de petróleo donde se hicieron los
ensayos respectivos. Por lo contrario cuando las superficie de las juntas son ensayadas tal
como quedaron después de la soldadura la junta 2 que lleva en el pase de raíz el electrodo
E7018 es la que presenta una mayor velocidad de corrosión como muestra la tabla 3.3, a pesar
que la junta #1 lleva en el pase de raíz el electrodo E6010 la cual aporta mayor cantidad de
inclusiones y/o escoria(Fig.3.4 y Tabla3.4) debido a la naturaleza de su revestimiento; pero
creando una superficie continua sin socavadura debido a su gran penetración del electrodo
E6010; por el contrario la junta #2 tiene un problema de baja penetración en el pase de raíz
creando una cavidad susceptible a la formación de pilas de aireación diferencial, entre la
cavidad y el material contiguo (material base)[2,3], y que éstas se convierten en pilas activaspasivas de aquí que cualquier ranura sea un lugar donde existe probabilidad de que se
desarrolle la corrosión. Por lo cual se llega a las siguientes conclusiones:
1. Las probetas de corrosión preparadas con el material de aporte puro en base al electrodo
E7018 resultaron ser las más resistentes a la corrosión que las probetas en base al electrodo
E6010, debido a que presentó una menor densidad y tamaño de inclusiones no metálicas, ya
que éstas inclusiones son los centros activos para que se inicie la corrosión debido a su gran
diferencia en la composición química respecto al acero, formando micropilas galvánicas de
gran potencial electroquímico, y debido a su gran disolución química que presentan éstas
inclusiones en contacto con iones agresivos como los cloruros, iones Fe++, que resultó tener el
agua sedimentada utilizada en ésta investigación.
2. La junta N°1, a pesar que lleva en el pase de raíz el electrodo E6010 presenta un mejor
comportamiento sobre la resistencia a la corrosión como junta soldada, por tener una buena
penetración y fusión de la soldadura y presentarnos una superficie mas uniforme y a pesar que
ésta presenta una mayor cantidad de inclusiones no metálicas que la junta N°2 que lleva en
todos sus pases el electrodo E7018, la cual presenta baja penetración en el pase de raíz
creando un concentrador para la rápida iniciación de la corrosión.
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Távara Aponte, Barboza Rodríguez.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1). SILVA R. (2000) “Análisis y optimización de propiedades mecánicas en las uniones
soldadas del encamisetado de refureza de tuberías de acero al carbono API5LX-52 y API5LS52 del Oleoducto Nor-Peruano” Tesis de grado.
(2) GONZALES F. (1989) “Control de la corrosión: Estudio y medida por técnicas
electroquímicas”. GRAFIPREN, S.A. Madrid, España.
(3). POURBAIX M. (1987) “Lecciones de corrosión electroquímica” CEBELCOR, Bruselas.
(4). MUELLER, H. (1989) “Corrosion” , 45(9), 735.
(5). KIESSLING R. and LANGE N. (1968) “Non-metallic inclusions in steel”. Segunda
edición. Great Britain. London and Bradford .
(6). WELLS R. (1974) “Metallographic techniques in the identification of sulfide in steel”.
International Symposium. American Society for metals New York .
50