The Materials Research Society (MRS) XXII INTERNATIONAL

The Materials Research Society (MRS)

XXII INTERNATIONAL MATERIALS RESEARCH CONGRESS 2013 NACE International Congress-Mexican Section

Sociedad Mexicana de Materiales Cancún, México

J. E. Hernández Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Cd. Universitaria s/n, 66452 Monterrey, México. E-mail: [email protected] I. Guzmán Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Cd. Universitaria s/n, 66452 Monterrey, México. E-mail: [email protected] M.A. Gonzalez Corporación Mexicana de Investigación en Materiales COMIMSA, Valentín G. Rivero 127, Los Treviño Santa Catarina N.L. México 66150 E-mail: [email protected]

D. I. Martínez Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Cd. Universidad s/n, 66452 Monterrey, México. E-mail: [email protected] G. García Tubacero S. de R.L. de C.V., Av. Guerrero 3729 Nte. Col. Del Norte, 64500, Monterrey, N.L. México. E-mail: [email protected] A.Pérez Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Cd. Universitaria s/n, 66452 Monterrey, México. E-mail: [email protected]

XXII International Materials Research Congress 2013 NACE International Congress-Mexican Section

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STUDY OF SUSCEPTIBILITY TO STRESS SULFIDE CRACKING (SSC) OF JOINS PIPELINE STEEL X70 OBTAINED BY SMAW AND MMA WELDING

Resumen Uno de los mayores desafíos que enfrenta la industria del petróleo hoy en día es el problema de la corrosión causada por líquidos agresivos tales como el H2S. En este trabajo se estudió la susceptibilidad a la corrosión bajo esfuerzos en presencia de sulfhídrico (SSC) de dos procesos de soldadura SMAW y MMA utilizando como metal base el acero X-70, sumergido en una solución NACE saturada de H2S. Las muestras utilizadas para los experimentos de SSCC realizados con el método de "Bent Beam" se tomaron de la zona de soldadura de la tubería de acero y los experimentos se llevaron a cabo a temperatura ambiente. Después de la fractura, se observaron las superficies de fractura utilizando un microscopio de barrido electrónico (SEM) y la identificación, la formación de los tipos de fases fueron determinados por difracción de los rayos X. Se encontró que el mecanismo responsable de la propagación de grietas que se atribuye una combinación de dos factores, la disolución del material por el efecto de la corrosión y la fragilización por hidrógeno. La zona de los especímenes afectados por el H2S mostró fractura frágil.

Palabras Clave: Corrosión Bajo Esfuerzos en Presencia de Sulfhídrico (SSC), Soldadura por Electrodo Revestido (SMAW), Soldadura Submarina por Electrodo Revestido (MMA), Fractura Frágil.

Introducción La extracción de petróleo en el mundo cada vez se lleva a cabo en aguas más profundas, lo que trae consigo el desarrollo de nuevas tecnologías, donde el elemento fundamental de del transporte de hidrocarburos reside en las líneas de tubería de acero al carbono. Estas líneas tienen una gran importancia, ya que a través de ellas fluyen grandes cantidades de petróleo, gas y sus derivados. Sin embargo, los aceros tienen una gran desventaja con otros materiales, están sujetos a la corrosión, [1, 2, 3, 4, 5] como el caso de los aceros API 5L que son utilizados ampliamente por razones económicas. La corrosión de las tuberías de acero API 5L se convierte entonces en un problema importante, ya que el deterioro de los segmentos de tubería y sus uniones puede provocar fracturas y fugas. Los ambientes corrosivos incluyen gases ácidos, como el dióxido de carbono (CO2), el sulfuro de hidrógeno (H2S). [6] Al realizar un proceso de reparación por soldadura trae consigo la generación de esfuerzos residuales inherentes del proceso, son atribuidos al método utilizado bajo el cual fue procesado el material para su formado y/o por el ciclo térmico de la soldadura. La magnitud de estos esfuerzos puede promover la falla del material, como el mecanismo de corrosión bajo esfuerzos. [7]


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En la actualidad se tienen diferentes técnicas de medición de la corrosión bajo esfuerzos, sin embargo, se tiene poco conocimiento de la diferencia de los esfuerzos que se generan en los diferentes procesos de soldadura.

Existen diferentes tipos de corrosión [8, 9] la que nos interesa en este estudio es la corrosión bajo esfuerzos,[10] que es generada por ambientes altamente corrosivos a los que están expuestos los aceros al carbono API 5L X-70 y a los esfuerzos a los que está sometido el material susceptible, en esta investigación se consideran en específico dos diferentes procesos de soldadura que son SMAW (Shielded Metal Arc Welding) y MMA (Manual Metal Arc).

El objetivo de este trabajo es determinar la susceptibilidad a la corrosión en ambas soldaduras, mediante dos métodos que son, el ensayo de SSC (Sulfide Stress Corrosion Cracking) [11-14] y HIC (Hydrogen Induced Cracking). [15-17] Las pruebas se llevaron a cabo a temperatura ambiente, en una solución NACE TM-0177-2005 saturada con H2S, posteriormente se evaluaron los cambios en las propiedades mecánicas y microestructurales de las zonas de soldadura.[18]

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

El material utilizado para la realización de esta investigación consta de dos tipos de soldadura (SMAW y MMA) en placas de acero API 5L X-70 de bajo carbono, el cual se utiliza para la fabricación de tubería para la transportación de hidrocarburos. Las dimensiones de las placas son de 10 mm de espesor con una longitud promedio de 25.5 cm y de ancho 20 cm.

Tabla 1. Composición química del metal base API 5L X-70 en %en peso. C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Nb Ti

0.06 0.27 1.56 0.008 <0.002 0.11 0.11 0.02 0.234 0.041 0.012

Tabla 2. Composición química del electrodo en %en peso. C Si Al P S Cr Ni Mo Cu Zr Ti

0.112 0.041 0.019 0.004 0.011 0.069 0.068 0.007 0.043 0.007 0.004

Las placas fueron unidas por el proceso SMAW y MMA, se utilizó electrodo de la marca Broco Underwater AWS E70XX UW-CS-1 de 3 mm de espesor. El proceso de soldadura submarina fue realizado a 5 metros bajo el mar. La fórmula que se utiliza para calcular el calor de entrada en una soldadura es la siguiente:

Wmm/s1342

/3

17523

segmm

AV=Q


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Donde Q es la entrada de calor, v es el voltaje (23 V), I es la corriente (175 A) y S es la velocidad de soldadura (3 mm/seg.).

Ensayo De SSC Método B (Cuatro Puntos) Solución B

Prueba de susceptibilidad a la corrosión bajo esfuerzos en presencia de sulfhídrico (SSC). [11, 19, 20] Los especímenes son colocados en los soportes de cuatro puntos dándoles la deflexión obtenida en el cálculo realizado de acuerdo a la función anterior con el indicador de carátula.

Ensayo De HIC

Prueba de susceptibilidad a la corrosión y resistencia al agrietamiento por inclusión de hidrógeno en presencia de sulfhídrico (HIC). [15, 19] Se revisan los especímenes superficialmente para detectar posibles ampollamientos, en caso de que se presenten se registran y si se requiere se toma una fotografía por la cara de mayor ampollamiento. El tamaño de las grietas se mide de acuerdo a la figura siguiente

Figura 1. Esquema para la evaluación de la probeta de HIC después del ensayo.

a Longitud de la grieta (mm), b Espesor de la grieta (sí es una grieta individual b=0), T Espesor del espécimen (mm), W Ancho del espécimen (mm), S Distancia entre grietas.

Resultados

El perfil microestructural de la unión obtenida mediante los procesos MMA y SMAW (figuras 2 y 3) evidencía una transformación en la zona afectada por el calor de grano refinado y grano grueso de ferrita y zonas ricas de perlita, el metal de soldadura presenta granos columnares de ferrita acicular, ferrita en los límites de grano, además ferrita alotriomorfica y ferrita widmastatten.


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Figura 2. Mapeo de las zonas de soldadura MMA. 50X y 500X.

Figura 3. Mapeo de las zonas de soldadura SMAW. 50X y 500X.

Resultados de los ensayos de SSC

Los ensayos de SSC se realizaron conforme a la norma ISO 7539-2 (Corrosion of Metals and Alloys- Stress Corrosion Testing) los resultados obtenidos se presentan en la tabla 3.


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Tabla 3. Resultados de los ensayos de SSC.

Muestra Probeta Deformación Tiempo(hrs.) Observaciones

MB 1 75% 720 Deformación elástica

2 75% 720 Deformación elástica

MMA 1 75% 356 Fractura 100%

2 75% 419 Fractura 100%

SMAW 1 75% 720 Deformación plástica

2 75% 720 Deformación plástica

MMA 1 50% 576 Fractura 80%

2 50% 720 Fractura 80%

El metal base fue menos afectado por el SSC conservando sus propiedades mecánicas ya que su deformación inicial de 75% nunca sobrepasa el límite de cedencia, el especímen obtenido por SMAW presenta un nivel de susceptibilidad deformación plástica es decir al finalizar el ensayo sobrepasa el límite de cedencia, y la probeta soldada por MMA ensayada al SSC al 75 y 50% fractura en mayor y menor grado respectivamente se considera fue la más susceptible a la corrosión bajo esfuerzo, lo anterior dicho de acuerdo con los resultados de la tabla anterior.

Análisis de la fractura

En la figura 4, a) presenta la superficie sometida a compresión de la probeta MMA ensayada al 75% de deformación, la cual presenta fractura por corrosión bajo esfuerzos en la línea de fusión (ZAC-Soldadura) a 419 horas de haber iniciado el ensayo además presenta corrosión localizada por picadura en la zona de soldadura, b) La superficie sometida a compresión muestra concentración de corrosión sobre la línea de fusión, también se pueden observar grietas que comienzan a propagarse a lo largo de la línea de fusión.

Figura 4. Probeta sometida a tensión y a compresión.


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Análisis de difracción de rayos X

Se recolectaron muestras de los productos de corrosión generados en las superficies de cada especímen (MB, SMAW y MMA) los cuales se analizaron con la técnica de difracción de rayos X, los resultados indican que las reflexiones características (tabla 4) presentes en el espectro corresponden a la fase de de mackinawita, (FeS). [21, 22, 23, 24] Cabe señalar que todas las probetas ensayadas presentan únicamente esta fase.

Tabla 4. Reflexiones características de la mackinawita. 2Theta Intensidad

17.54° 952

29.97° 164

34.65° 61

38.91° 133

49.45° 81

50.43° 113

53.01° 69

54.76° 38

59.02° 45

Figura 5. Espectro de difracción de rayos X, MB al 75%.

Resultados de HIC en soldadura MMA

Después del ensayo de HIC las probetas fueron preparadas para su evaluación metalográfica. Se analizaron las tres zonas de la soldadura MMA, encontrando que la región más susceptible es la interfase de la ZAC y soldadura. El espécimen presenta agrietamiento o fisuración cerca de la superficie, las grietas se encuentra adyacentes a la línea de fusión, como se muestra en las figuras 6 y 7.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

10 20 30 40 50 60

Inte

ns

ida

d

2Ɵ (Theta)

MB al 75% de deformación


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Entre las diversas formas de falla a través de las cuales se pueden manifestar problemas en la soldabilidad de un material debe destacarse el agrietamiento en frío. Esta forma de agrietamiento se presenta en la ZAC y/o soldadura y puede presentarse transversal y/o longitudinalmente. Nótese que en las siguientes figuras la formación de grietas en la zona de la ZAC propaga a una velocidad de crecimiento que está relacionada con la cantidad de microporos, los cuales fragilizan por inclusión hidrógeno atómico para dar paso a la propagación acelerada de la grieta, la cual favorece la falla.

Figuras 6 y 7. Grieta escalonada próxima a la línea de fusión. 100X y 200X

De los resultados de los ensayos de HIC para los especímenes de soldadura MMA, se deduce que la formación de grietas se concentra en la zona de transición ZAC-soldadura. El mecanismo es del tipo escalonado característico de la fragilización por hidrógeno atómico.

Resultados HIC en soldadura SMAW

Después del ensayo de HIC en las zonas de la soldadura SMAW, se observa que las regiones susceptibles. La evidencia de óxidos nodulares gruesos y delgados es más notoria en el metal base y sobre los límites de granos columnares de la soldadura que en la ZAC.

Figuras 8 y 9. Puntos de óxido generados en la soldadura y la ZAC a 200X.


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Microscopia Electrónica de Barrido

Las muestras obtenidas de SSC fueron analizadas en el microscopio electrónico de barrido (MEB) para evaluar el tipo de fractura y el producto de corrosión sobre la superficie de las probetas, adicionalmente se determina que la superficie sometida a tensión durante el ensayo, presenta mayor afectación por corrosión que la superficie expuesta a compresión.

Figura 10. Muestra de SSC con las zonas afectadas por corrosión. (MEB).

Se observa que la superficie que estuvo expuesta a tensión genera corrosión por picadura [25, 26, 27] la cual se generaliza; Una vez generalizada la corrosión por picadura se concentra sobre los puntos más frágiles en este caso la ZAC.

Figura 11. Imagen del SEM corrosión localizada por picadura. (MEB).


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Nótese que el avance de la corrosión por picadura acelerada por la presencia de iones Cl- se ha propagando de forma transgranular al encontrarse con las grietas formadas por los iones de hidrógeno H+. [28, 29, 30]

Figura 12. Mecánica de la fractura MMA. (MEB).

El análisis de la fractura transversal evidencía cerca del 90% del espesor que presenta deterioro por la corrosión bajo esfuerzos, el cual es generado por diferentes productos que afectan la superficie y hacia el interior, que manifiesta la corrosión transgranular por fragilización mientras que la fractura nueva es del tipo dúctil por la evidencia de los microhoyuelos (dimples).

Figura 13. Superficie de fractura MMA. (MEB).


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La figura 14 muestra los acercamientos a cada una de las tres zonas evaluadas de la superficie de fractura las cuales se presentan como, fragilidad por corrosión (a), transición frágil a dúctil donde se observa una mezcla de ambos mecanismos (b) y la última zona completamente dúctil presente en la fractura nueva (c). [31]

Figura 14. Zonas de la fractura MMA. (MEB).

Conclusiones

La anisotropía de la microestructura de la soldadura incluyendo el área de la ZAC y metal base, determinan definitivamente el nivel de susceptibilidad a la corrosión bajo esfuerzos y la fragilidad por inclusión de hidrógeno.

Los niveles de susceptibilidad dependen directamente de la magnitud de los esfuerzos de tensión o compresión, de la textura superficial del espécimen bajo estudio, el metal base-ZAC-soldadura y del proceso de soldadura.

La superficie expuesta al medio corrosivo evidencía la presencia de la fase mackinawita (FeS) sobre la superficie, la cual se presenta en forma de óxidos y sulfuros opacos, metálicos y obscuros, entre otros.

La fragilidad por hidrógeno (HIC) afecta severamente las regiones de soldadura MMA formando microgrietas en la zona afectada por el calor y soldadura, mientras en la probeta del proceso SMAW, solo presenta formación de óxidos nodulares en las tres regiones.


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Referencias

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