44 Formas de agrietamiento

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  24   Ingenierías , Julio-Septiembre 2009, Vol. XII, No. 44 Formas de agrietamiento entuberías de acero microaleadopara servicio amargo Sergio Alonso Serna Barquera A , Arturo Molina Ocampo A ,Álvaro Torres Islas A , Socorro Valdés Rodríguez B ,Bernardo F. Campillo Illanes B,C A CIICAp-FCQeI-UAEMor  B Instituto de Ciencias Físicas, Universidad Nacional Autónoma de México C Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de Méxicoarturo_molina@uaem.mx RESUMEN  Se observaron distintas formas de agrietamiento en dos aceros microaleados,expuestos a medios amargos a temperatura ambiente y a 50 °C. Cada forma deagrietamiento fue relacionada a microestructura bandeada ferrítico-perlítica y ferrítica-acicular. La temperatura fue un factor importante que modificó la forma de agrietamiento, siendo más notorio para el acero con microestructurabandeada ferrítico-perlítica. Esta microestructura fue susceptible a los efectos delhidrógeno a temperatura ambiente, pero presenta un mecanismo diferente a 50°C. La microestructura ferrítica-acicular con carburos en fronteras de grano fuesusceptible al agrietamiento asistido por disolución anódica independientementede la temperatura de prueba. PALABRAS CLAVE Aceros microaleados, servicio amargo, formas de agrietamiento,microestructura. ABSTRACT   Different cracking modes were observed under sour service conditions of twomicroalloyed pipeline steels at room temperature and 50 °C. Each steel showed different cracking modes that were related to their different microstructures.Temperature had an important role on switching the cracking characteristicsbeing remarkable by the banded ferrite-pearlite steel microstructure. Thismicrostructure was susceptible to hydrogen effects at room temperature but  presents a totally different mechanism at the working pipeline temperature(50 °C). While, acicular ferrite microstructure with carbides patches at grainboundaries was susceptible to anodic dissolution assisted cracking no matter the temperature being tested. KEYWORDS Microalloyed steels, sour service, cracking modes, microstructure.  Ingenierías , Julio-Septiembre 2009, Vol. XII, No. 44 25 INTRODUCCIÓN Los tubos elaborados de acero microaleado tienenespecial aplicación en la industria del transportede petróleo y gas amargo. 1,2 De manera general, la producción de dichas tuberías para servicio amargose ha enfocado principalmente en alcanzar la mejor combinación posible entre resistencia y tenacidad através de la optimización del diseño de la aleaciónen conjunto con el procesamiento termomecánico,además de mantener un alto grado de soldabilidaden el acero. 1,3  El término amargo se emplea para indicar queel agua de mar que se utiliza en algunos pozos para facilitar la extracción de gas, contiene ácidosulfhídrico (H 2 S) disuelto, lo que agrava los procesosde corrosión en las tuberías. 10 Bajo estas condicionesse favorece el agrietamiento de las tuberías de acero por efecto del hidrógeno atómico, el cual se produceen su super  fi cie como un subproducto de la reacciónde corrosión entre el H 2 S y el acero expuesto. 3,11,12 Seha reportado que los aceros microaleados de medianaresistencia son susceptibles al AIH dependiendo desu limpieza y nivel de segregación. 3, 13 Los aceros microaleados pueden fallar debido auna severa degradación por el sulfuro de hidrógeno(H 2 S), el cual se encuentra siempre presente en el petróleo crudo y en el gas natural, 4 por lo que entreotras cosas, se debe prestar principal atención altamaño, morfología y distribución de las inclusionesno metálicas de aceros microaleados para tubería demediana resistencia, 4 para evitar el agrietamientoinducido por hidrógeno (AIH). En el caso de estetipo de agrietamiento se ha determinado que lamicroestructura es el factor clave que in fl uye en losdiferentes aceros. 4  El procesamiento termomecánico controlado estambién un aspecto importante en la producción deaceros grado API de alta resistencia, parámetros talescomo la temperatura de recalentamiento, temperaturasde laminación y velocidades de enfriamiento juegan un papel determinante en la obtención dela microestructura y propiedades fi nales del acero. 3  La adición de Nb como elemento microaleante ala composición química del acero en combinacióncon el proceso de laminación controlada, re fi nanconsiderablemente el tamaño de grano, 5 obteniendogeneralmente una microestructura bandeada deferrita y perlita si no se aplica un enfriamientoacelerado posterior a la laminación controlada.El re fi namiento de grano es un mecanismo por el cual se mejora la resistencia del acero, haciendo posible reducir de manera considerable su contenidode carbono, y logrando también optimizar susoldabilidad y tenacidad. 6-8 Por otro lado, los aceros para tubería con adiciones de V, se endurecen principalmente por precipitación y se ajustan las propiedades mecánicas deseadas al someter alos tubos elaborados con este tipo de acero a untratamiento de temple y revenido. Esto representaotra alternativa para la fabricación de tubería parael transporte de gas amargo. La estructura de ferritaacicular obtenida a partir del tratamiento térmico deestos aceros aumenta aún más su tenacidad. 6-9 Actualmente los procesos de fabricación del acerogarantizan bajos niveles de inclusiones, con formaredondeada y baja o nula segregación, previniendola aparición del AIH. Sin embargo, a pesar de estoscontroles en su proceso de fabricación, se hanseguido reportando fallas por agrietamiento en ladirección perpendicular a la laminación de la tuberíade acero grado X52 instalada en México en mediosde gas amargo. 14 De lo anterior se desprende que elmecanismo de agrietamiento de la tuberia de estosgrados está relacionado con el esfuerzo al que se lesomete en presencia de grieta o defecto.El presente trabajo muestra diferenciasmicroestructurales entre dos aceros microaleados paratubería de mediana resistencia instalados en México.Se revela el papel que juegan estas diferencias ensus patrones de agrietamiento en medios amargos bajo esfuerzo, mediante probetas conocidas comoWOL-modi fi cadas bajo carga estática a temperaturaambiente y a 50 °C que corresponde a la temperaturade trabajo de estas tuberías. Procedimiento experimental Se evaluó la susceptibilidad al agrietamientoen la condición de llegada de dos tipos de acerosmicroaleados usados en tubería para el transporte degas amargo grado API 5L X52, designados como M-1 y M-2. Los aceros se fabricaron mediante diferentesrutas de procesamiento. La composición químicadeterminada mediante espectroscopía de chispa enlos aceros se muestra en la tabla I. Puede observarse Formas de agrietamiento en tuberías de acero microaleado para servicio amargo / Sergio Alonso Serna Barquera, et al.  26   Ingenierías , Julio-Septiembre 2009, Vol. XII, No. 44 Las probetas WOL-modi fi cadas por Novak yRolfe 15 para condiciones de carga bajo desplazamientoconstante, fueron maquinadas a partir del material base de los ductos en la dirección T-L (la primeraletra indica la dirección del esfuerzo a aplicar y lasegunda indica la dirección a lo largo de la cual sehabrá de propagar la grieta). Las probetas se cargarona un valor inicial (K  inic ) igual al 95% de la intensidadde esfuerzo crítico (K  Ic ) medido para cada acero deacuerdo a la norma ASTM E399 como se muestra enla tabla II. La con fi guración geométrica, dimensiones,y la dirección de corte de las probetas se muestran enla fi gura 1. Las probetas WOL-modi fi cadas fueron pre-agrietadas por fatiga utilizando una máquinaInstron modelo 4200, con control de la carga para poder generar una grieta de 1.3 mm. Posteriormentelas probetas se cargan mediante un tornillo atemperatura ambiente, utilizando el método conocidocomo técnica de deformación en la cara opuesta 16  hasta el valor de K  Iinic deseado. Este método midey controla la deformación en la cara opuesta de la probeta pegándole una galga de deformación.Las pruebas se realizaron a temperatura ambientey a 50 °C en un sistema sellado de vidrio, del cual previamente se había eliminado el aire con argón.El tiempo de exposición y la longitud de las grietasse monitorearon sistemáticamente hasta que la grietadetuvo su crecimiento de acuerdo a los criteriosestablecidos por la norma NACE TM-0177-90. Formas de agrietamiento en tuberías de acero microaleado para servicio amargo / Sergio Alonso Serna Barquera, et al. Tabla II. Propiedades mecánicas y condiciones de cargadode los aceros microaleados.AceroDureza(RB)RC(MPa)RT(MPa)Elongación(%)KIinic( )M-1913824702643.48M-2873434534239.58 RC = Resistencia a la cedencia, RT = Resistencia a la tensión. Fig. 1. Probeta MWOL modificada, dimensiones y direcciónde corte-maquinado.Tabla I. Composición química de los aceros microaleados,%en peso.AceroM-1M-2C0.060.075Si0.30.334Mn1.050.823P0.0130.013S0.0020.003Al-0.021Cu0.250.126Ni0.020.043Cr0.020.033Mo0.008-V0.050.031Nb0.05-Ti0.020.014Balance FeMIC= %V + %Nb + %Ti, M-1= 0.12 y M-2= 0.045 que son del tipo Fe-Mn-Si con pequeños porcentajesde microaleantes, (MIC). Los contenidos de C yMn están en los límites determinados para servicioamargo. 8 La suma de los elementos microaleantesrequerida de 0.11%, es rebasada por el acero M-1.El acero M-2 es calmado con Al y no contiene Nbni Mo como elementos microaleantes. Se puedenobservar contenidos de S muy bajos y contenidos deP por debajo de los límites recomendados (0.015%en peso). Cabe hacer notar la presencia de loselementos Cu, Ni y Cr. Las propiedades mecánicasde los aceros se muestran en la tabla II, donde seobserva que el acero M-1 se encuentra por arriba dellímite de cedencia requerido de 360 MPa (52 ksi),mientras que el acero M-2 se encuentra por debajode este valor. En general se observó que el acero M-1es más resistente en relación a sus valores más altosde dureza, límite de cedencia y resistencia última ala tensión, pero es mucho menos dúctil y por endecon menor tenacidad que el acero M-2.  Ingenierías , Julio-Septiembre 2009, Vol. XII, No. 44 27 Luego las probetas se limpiaron y pulieron a espejoatacándose con Nital 2% para revelar las trayectoriasde grieta en cada acero. Se empleó microscopíaelectrónica de barrido para estudiar la forma de lasgrietas y las características microestructurales en lasregiones de la punta de las grietas. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La susceptibilidad al agrietamiento de los acerosdepende fundamentalmente de la combinación entreel medio agresivo y el estado de esfuerzo, y demanera implícita de su microestructura.Como puede observarse en la figura 2, lamicroestructura del acero M-1 difieresigni fi cativamente de la del M-2. El proceso defabricación del acero M-1 es el de laminacióncontrolada ( fi gura 2), mostrando granos de ferritaequiaxiada con bandas de perlita, uniformementedistribuida a lo largo de la dirección de laminación. La fi gura 2b, corresponde a la microestructura del aceroM-2, constituída de granos fi nos de ferrita acicular obtenidos por temple y revenido, que producenla combinación deseada de resistencia con unaexcelente tenacidad, aumentando considerablementesu porcentaje de elongación con respecto al aceroM-1, como puede observarse en las propiedadesmecánicas de la tabla II.La disparidad en cuanto a las propiedadesmecánicas observadas en los aceros bajo estudio,a pesar de tener un tamaño de grano similar (aproximadamente de 10 μ m), se debe al procesoespecí fi co por el cual han alcanzado su nivel deresistencia.Para alcanzar su resistencia mecánica, el aceroM-1 suma los siguientes mecanismos metalúrgicosde endurecimiento: por solución sólida (por efectodel Si y el Mn) por re fi nación de grano mediante untratamiento termomecánico (laminación controlada)y por precipitación (principalmente por la adicióndel V). Aunque el acero M-2 se endurece también por solución sólida y precipitación, así como por re fi nación de grano, el efecto de su tratamientotérmico de revenido le imparte una mejor distribuciónde sus precipitados y una reducción de su densidadde dislocaciones, volviéndolo más dúctil que elacero M-1. Sin embargo, el revenido tambiénrelaja tensiones a la vez que reduce la interacción precipitado-dislocación (especialmente los de V(C, N) 3, 17 por lo que consecuentemente baja su resistenciamecánica, como se ilustra en la tabla II.Las diferencias microestructurales, así comolas distintas temperaturas de prueba, propician patrones de agrietamiento diferentes en los aceros bajo estudio. Para el acero M-1 la diferencia ensus patrones de agrietamiento es más marcada alevaluarlo a diferentes temperaturas. En la fi gura 3 seobservan las puntas de grietas de los dos aceros enla solución NACE, a temperatura ambiente ( fi guras3a y 3b), a 50 °C ( fi guras 3c y 3d).Debido a la morfología de las puntas de lasgrietas y productos de corrosión en su interior, el principal mecanismo de crecimiento y propagacióncorresponde al de disolución anódica. Con excepcióndel acero M-1 en la solución NACE a temperaturaambiente (figura 3a), todas las demás grietas presentan un achatamiento en su punta debido auna disolución selectiva de las mismas, como puedeobservarse en las figuras 3b a 3c. Estas figurasmuestran bulbos de disolución aproximadamente a45° con respecto al frente del avance de la grieta. Formas de agrietamiento en tuberías de acero microaleado para servicio amargo / Sergio Alonso Serna Barquera, et al. Fig. 2. Microestructuras de los diferentes acerosmicroaleados de mediana resistencia a 10X microscopioóptico: a) M-1 y b) M-2. La dirección longitudinalconcuerda con la dirección de la cota en las figuras.  28   Ingenierías , Julio-Septiembre 2009, Vol. XII, No. 44 La fi gura 4 muestra un análisis representativorealizado mediante EDX, dentro de los bulbosmostrados en las fi guras 3b, c y d, en donde seobserva la presencia de azufre y de oxígeno, lo que podría indicar la presencia de sulfuros y óxidos como productos de corrosión dentro del avance de la grieta.Estos productos de corrosión pueden romperse ofracturarse conforme va avanzando la grieta comoresultado del efecto de los esfuerzos aplicados,hasta que la grieta se detiene al llegar a un nivel deesfuerzos lo su fi cientemente bajos para ya no seguir  promoviendo el crecimiento de ésta. Lo anterior supone que el mecanismo puede estar asistido por deslizamiento o deslizamiento disolución. Sinembargo, el presente trabajo no produce evidenciaconcluyente para determinar su presencia.La reacción general de corrosión que describe lainteracción del medio amargo y el acero es: 1,18 H 2 S + Fe → FeS + 2HUna fracción del hidrógeno que evoluciona a partir de esta reacción se difunde dentro de las regiones de la punta de la grieta en ambos aceros. Así, el hidrógenoatómico pasa a través de la red cristalina de los acerosy puede atraparse en defectos microestructurales comolas dislocaciones y especies de precipitados presentesen cada acero, así como en menor medida, en suslímites de grano. Sin embargo, como se muestra enla fi gura 3a, la microestructura bandeada ( fi gura 2a)del acero M-1 es la más susceptible a los efectos delhidrógeno a temperatura ambiente.La coalescencia de pequeñas grietas (micro-grietas) trans-granulares enfrente de su punta degrieta, revela el efecto mayoritario del hidrógeno(cavitación) en este acero. La grieta avanza demanera transgranular, sin importar qué fase seencuentre en su camino (ferrita o perlita), como seobserva en la fi gura 3a.Otra característica importante en cuanto a elucidar el mayor efecto del hidrógeno, es que no se observael nivel de disolución anódica, mostrado tanto por elmismo acero ( fi gura 3c) a 50 ºC como por el acero M-2 a las dos temperaturas de prueba ( fi guras 3b y 3d).De esto se deduce que la temperatura, además de lamicroestructura, es también un factor importante paradeterminar el modo o mecanismo de agrietamientoen estos tipos de acero microaleados.La mayor capacidad de deformación plásticadel acero M-2 puede propiciar en mayor medida elachatamiento de la punta de grieta. Y al tener esteefecto, el factor de intensidad de esfuerzo (K) sereduce, disminuyendo el estado de esfuerzo tri-axialen la punta, deteniendo su propagación.Al mismo tiempo, la microestructura del aceroM-2 es más propicia para crear micro-celdaselectroquímicas al encontrar de manera más cercanay continua segundas fases, tales como ferrita acicular y carburos en sus límites de grano. De esta manerase impulsa más la disolución anódica por estamicroestructura. Caso contrario a la microestructuradel acero M-1 en donde dada su naturaleza bandeada,es más difícil que se encuentren en la trayectoria dela punta de la grieta dos fases, tales como: ferritaequiaxiada y la perlita, bajando la probabilidad de que Formas de agrietamiento en tuberías de acero microaleado para servicio amargo / Sergio Alonso Serna Barquera, et al. Fig. 4. Patrón de microanálisis EDX que corresponde alinterior de la punta de la grieta (figuras 3 b, c y d) mostrandoproductos de corrosión, posiblemente de FeSy/o FeO.Fig. 3. Puntas de la grieta del acero M-1 a temperaturaambiente (a) y 50 °C (c). Para el acero M-2 a temperaturaambiente en la solución NACE en condiciones atmosféricas(b) y a 50 °C (d).
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