INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD TICOMAN CIENCIAS DE LA TIERRA

CORROSION EN TUBERIAS Y ESTRUCTURAS METALICAS EN EL MEDIO PETROLERO

CORROSION ING. CORRAL MARES MARTHA JOSEFINA

MARIELA AGUILAR CRUZANA ITZEL SANDOVAL NUÑEZ

RODRIGO DIAZ DE LA VEGA

INTRODUCCION

En la vida diaria con frecuencia consideramos a la corrosión de los metales como algo molesto que debemos prevenir y evitar sopena de tener que desechar nuestras utensilios o bien tener que limpiarlos o pintarlos frecuentemente para que puedan darnos servicio durante un poco mas de tiempo.

Nos preocupamos sobre todo por los objetos expuestos al medio ambiente, principalmente cuando este medio ambiente corresponde a un clima húmedo y cálido.

Sin embargo, hay que aclarar que, la corrosión, no es un hecho trivial, sino que, a nivel mundial, viene a ser uno de los fenómenos más trascendentales en la economía de toda sociedad humana. En términos generales de acuerdo con la Secretaria General De La Organización De Los Estados Americanos (Programa Regional Desarrollo Científico y Tecnológico) los perjuicios causados por la corrosión equivalen del 1.5 al 3.5% del Producto Nacional Bruto en numerosos países

La realidad es que el inicio de la corrosión en las estructuras metálicas es observable con toda claridad y permite tomar medidas oportunas mientras que en las estructuras de concreto el fenómeno permanece encubierto y cuando se descubre el daño, muchas veces, ya es irreparable. Por otro lado se sabe también, que la corrosión bajo tensión en aceros de mucho esfuerzo puede provocar el colapso súbito de las estructuras.

OBJETIVO

El objetivo general del presente trabajo es exponer y analizarlas las etapas de la corrosión en tuberías, determinando el tipo de corrosión que las afecta, para con ello proponer una guía práctica, analizando los recursos para la inspección, los métodos de evaluación y los procedimientos de mantenimiento, en el proceso de la conservación de tuberías petroleras. Con la finalidad de tener un mejor rendimiento en el proceso de obtencion de hidrocarburos (desde perforación hasta refinación), así como una recuperación económica para la empresa.

MARCO TEORICO

Definicion de Corrosión

Proceso en el cual surge una interacción de un metal con el medio que lo rodea, produciendo el consiguiente deterioro en sus propiedades tanto físicas como químicas. La característica fundamental de este fenómeno, es que sólo ocurre en presencia de un electrolito, ocasionando regiones plenamente identificadas, llamadas anódicas y catódicas: una reacción de oxidación es una reacción anódica, en la cual los electrones son liberados dirigiéndose a otras regiones catódicas. En la región anódica se producirá la disolución del metal (corrosión) y, consecuentemente en la región catódica la inmunidad del metal.

Tipos o formas de corrosión

Para evaluar los daños producidos por la corrosión es muy conveniente clasificarlos según la forma como se producen:

Cuando la superficie del metal se corroe en una forma casi uniforme se dice que la corrosión es de tipo "superficial". Es la forma más benigna o menos peligrosa pues el material se va gastando gradualmente extendiéndose en forma homogénea sobre toda la superficie metálica y su penetración media es igual en todos los puntos. Un ataque de este tipo permite evaluar fácilmente y con bastante exactitud la vida de servicio de los materiales expuestos a él.

A veces el ataque se profundiza mas en algunas partes pero sin dejar de presentar el carácter de ataque general constituyendo un caso intermedio entre corrosión uniforma y corrosión localizada, en este caso se dice que se trata de una corrosión "en placas".

Existe otra forma de corrosión, conocida como corrosión "por picadura" que se presenta cuando una superficie metálica que ha sido pasivada se expone a un medio agresivo. Durante el picado, el ataque se localiza en puntos aislados de superficie metálicas pasivas y se propaga hacia el interior del metal formando en ocasiones túneles microscópicos

Se clasifican de acuerdo a la apariencia del metal corroído, las más comunes son:

Corrosión uniforme: donde la corrosión química o electrolítica actúa uniformemente sobre toda la superficie del metal

Corrosión biológica: Generalmente se da en el Acero sumergido, ya que esta condición, propicia el crecimiento de la vida, y actúa en la medida de que, ciertas especies generan ácido sulfúrico, el cual erosiona la superficie del metal. Los microorganismos que se asocian a la corrosión son de dos tipos: aeróbicos y anaeróbicos. Los aeróbicos crecen con facilidad en un ambiente que contenga oxígeno, mientras que los anaeróbicos medran en un ambiente virtualmente desprovisto de oxígeno atmosférico.

Corrosión galvánica: ocurre cuando metales diferentes se encuentran en contacto, ambos metales poseen potenciales eléctricos diferentes lo cual favorece la aparición de un metal como ánodo y otro como cátodo, a mayor diferencia de potencial el material con más activo será el ánodo.

Corrosión por picaduras: aquí se producen hoyos o agujeros por agentes químicos.

Corrosión intergranular: es la que se encuentra localizada en los límites de grano, esto origina perdidas en la resistencia que desintegran los bordes de los granos

Corrosión por esfuerzo: se refiere a las tensiones internas luego de una deformación en frío.

Protección contra la corrosión

Dentro de las medidas utilizadas industrialmente para combatir la corrosión están las siguientes:

Uso de materiales de gran pureza. Presencia de elementos de adición en aleaciones, ejemplo aceros inoxidables. Tratamientos térmicos especiales para homogeneizar soluciones sólidas, como

el alivio de tensiones. Inhibidores que se adicionan a soluciones corrosivas para disminuir sus efectos,

ejemplo los anticongelantes usados en la automoción. Recubrimiento superficial: pinturas, capas de oxido, recubrimientos metálicos Protección catódica.

Protección catódica

La protección catódica es una técnica de control de la corrosión, que esta siendo aplicada con mucho éxito en el mundo entero, en que cada día se hacen necesarias nuevas instalaciones de conductos para transportar petróleo, agua, productos terminados, cables eléctricos y otras instalaciones importantes.

Se puede aplicar protección catódica en metales como: acero, cobre, latón y aluminio. Como condición fundamental las estructuras componentes del objeto a proteger y el elemento de sacrificio, deben mantenerse en contacto eléctrico e inmerso en un electrolítico.

Fundamento de la protección catódica

La protección catódica realiza exactamente lo expuesto forzando la corriente de una fuente externa, sobre toda la superficie de la estructura.

Mientras que la cantidad de corriente que fluye, sea ajustada apropiadamente venciendo la corriente de corrosión y, descargándose desde todas las áreas anódicas, existirá un flujo neto de corriente sobre la superficie, llegando a ser toda la superficie un cátodo.

Para que la corriente sea forzada sobre la estructura, es necesario que la diferencia de potencial del sistema aplicado sea mayor que la diferencia de potencial de las micro celdas de corrosión originales.

La protección catódica funciona gracias a la descarga de corriente desde una cama de ánodos hacia tierra y dichos materiales están sujetos a corrosión, por lo que es deseable que dichos materiales se desgasten (se corroan) a menores velocidades que los materiales que protegemos.

Teóricamente se establece que el mecanismo consiste en polarizar el cátodo, llevándolo mediante el empleo de una corriente externa, más allá del potencial de corrosión, hasta alcanzar por lo menos el potencial del ánodo en un circuito abierto, adquiriendo ambos el mismo potencial eliminándose la corrosión del sitio, por lo que se considera que la protección catódica es una técnica de polarización.

Polarización catódica

La protección catódica no elimina la corrosión, éste remueve la corrosión de la estructura a ser protegida y la concentra en un punto donde se descarga la corriente.

Para su funcionamiento práctico requiere de un electrodo auxiliar (ánodo), una fuente de corriente continua cuyo terminal positivo se conecta al electrodo auxiliar y el terminal negativo a la estructura a proteger, fluyendo la corriente desde el electrodo a través del electrolito llegando a la estructura.

Sistemas de protección catódica

Ánodo galvánico

Se fundamenta en el mismo principio de la corrosión galvánica, en la que un metal más activo es anódico con respecto a otro más noble, corroyéndose el metal anódico.

En la protección catódica con ánodo galvánico, se utilizan metales fuertemente anódicos conectados a la pieza a proteger, dando origen al sacrificio de dichos metales por corrosión, descargando suficiente corriente, para la protección de la pieza.

La diferencia de potencial existente entre el metal anódico y la pieza a proteger, es de bajo valor porque este sistema se usa para pequeños requerimientos de corriente, pequeñas estructuras y en medio de baja resistividad.

LA CORROSIÓN EN EL CAMPO PETROLERO

Efectos

Los efectos de la corrosión sobre instalaciones y equipos industriales produce anualmente pérdidas que llegan a cifras muy importantes: en los países industrializados se ha valorado en el 3% del PBI.Este porcentaje puede tomarse sobre la valoración equivalente de la industria petrolera y del gas para llegar a una cuantificación aproximada de sus efectos económicos.De todas las fallas que ocurren en las operaciones de la industria del gas y del petróleo la más importante es la corrosión con el 33% de los casos como puede verse en las tablas siguientes de un trabajo de Kermany y Harrop de BP0.

Corrosión en la industria petrolera

TIPOS DE FALLAS %Por CO2 28Por H2S 18 18En soldadura 18 18Pitting 12Corrosion erosion 9Galvánica 6Crevice 3Impacto 3Stress Corrosion 3

El CO2 y el H2S son las especies corrosivas más importantes y contra las cuales es necesario actuar utilizando revestimientos que deben entonces resistir a esas especies, a la temperatura, presión y también guardar resistencia a la abrasión y al impacto que en una medida u otra están involucrados en la utilización de tuberías y equipos. El CO2 y el H2S son especies químicas que están en equilibrio con las tres fases petróleo, agua y gas por lo que las cantidades de CO2 y H2S en cada fase están relacionadas pero con concentraciones diferentes dadas por las solubilidades correspondientes a cada fase. La concentración en agua y en petróleo está dada por la fugacidad de la especie en la fase gaseosa que puede tomarse como igual a su presión parcial en el gas. En el caso particular del CO2, las concentraciones en equilibrio en la fase petróleo son mayores a las del agua en una relación 3 a 1. Por efecto del contenido de CO2 el agua se vuelve ácida, dependiendo el pH de la presión parcial y de la concentración de sales disueltas, en particular CO3Ca.

Factores que causan el deterioro del acero (tuberías)

A) Aire y humedad. El aire y la humedad son causantes primariamente de oxidación y posteriormente de corrosión en el acero, especialmente en climas marinos.

B) Gases industriales y de vehículos. Los gases dispersos en la atmósfera, producto de la combustión de diesel particularmente producen el ácido sulfúrico, causando severo deterioro en el acero.

C) Agua marina y fango. Sin protección de los miembros de acero, cada uno de los elementos sumergidos en agua marina y cubiertos de fango, corren el gran riesgo de sufrir serios daños que pueden provocar fallas de la sección de acero.

D) Esfuerzos térmicos o sobrecargas. Cuando el movimiento por dilatación térmica de los miembros, es restringido, o alguno de los miembros es sometido aun sobreesfuerzo, se pueden producir deformaciones o fracturas o el desprendimiento de remaches y pernos.

E) Fatiga y concentración de fuerzas. La mayoría de las fracturas son producto de fatiga o deficiencia de detalles constructivos que se producen de una gran concentración de esfuerzos. Ejemplos de estos son: esquinas agudas, cambios bruscos de espesor y/o ancho de placas, pesadas concentraciones de soldadura, una insuficiente área de soporte en los apoyos, etc.

F) Deshechos animales. Esta es una causa de corrosión y es considerada como un tipo especial de ataque químico que puede llegar a ser muy severo.

SUSTANCIAS ANTICORROSIVAS Y

APLICACIONES DE ESTA EN TUBERIAS

La corrosión de tuberías enterradas y de tuberías expuestas al aire

El fenómeno de la corrosión se produce debido a que los materiales constructivos, especialmente los metales, se obtienen a partir de especies minerales estables en las condiciones naturales. Al ser expuestos éstos a las condiciones ambientales, una vez extraídos, tienden a estabilizarse química y energéticamente.  Por tanto, la corrosión es la destrucción de un metal o metales, a través de la interacción con un ambiente (por ejemplo, suelo o agua) por un proceso electroquímico, es decir, una reacción que envuelve un flujo de corriente eléctrica e intercambio de iones.

La corrosión es un fenómeno inevitable a largo plazo si no se toman las precauciones adecuadas. Puede debilitar la integridad estructural de la tubería y convertirla en un vehículo inseguro para el transporte de cualquier tipo de fluidos.

La corrosión es la principal causa de fallo en las conducciones de fluidos. El fallo de una tubería puede tener múltiples consecuencias como pérdida del fluido; daños en las instalaciones, etc; contaminación e incluso puede llegar a suponer un riesgo para las vidas humanas.

El proceso de corrosión en los metales es un proceso electroquímico, donde se suceden reacciones de oxidación y reducción, estableciéndose un intercambio de electrones, y consecuentemente el paso de una corriente eléctrica de componente continua entre un ánodo y un cátodo, a través de un medio conductor (el electrolito citado), como en una pila galvánica.

La corrosión natural se puede ver favorecida por diversas circunstancias, tales como:

Golpes y deterioros en las conducciones  Deterioros en los revestimientos  Actuaciones de terceros no controlables  Aireación diferencial entre distintas partes de las tuberías enterradas por

utilización de rellenos artificiales no uniformemente distribuidos  Diferencias de pH del entorno circundante de las tuberías sean naturales, o

artificiales por percolación de productos vertidos (ácidos o básicos)  Presencia de corrientes erráticas a partir de puestas a tierra de equipos de alta o

baja tensión, grandes equipos, líneas electrificadas de ferrocarril próximas, etc;   Existencia de pares galvánicos entre los habituales cables desnudos de cobre, o

las picas del mismo material, de los sistemas de puesta a tierra de la equipotencialización del conjunto de la factoría; etc. Téngase en cuenta que frente al cobre, el acero siempre se comporta anódicamente, corroyéndose

Soluciones posibles para problemas de corrosión

Selección y empleo de materiales resistentes a la corrosión tales como acero inoxidable, plásticos y aleaciones especiales que alarguen la vida útil de una tubería. El criterio en la selección de los materiales más convenientes como resistencia a la corrosión es tener en cuenta la protección o conservación donde la tubería se encuentra.  Inhibidores de corrosión. Son sustancias que aplicadas a un medio particular reducen el ataque del ambiente sobre el material, bien sea metal o acero de refuerzo. Los

inhibidores de corrosión extienden la vida de las tuberías, previniendo fallos y evitando escapes involuntarios. 

Evaluar el ambiente en el cual está la tubería o en el sitio donde se ha de colocar. Es muy importante tener en cuenta el ambiente independientemente del método o combinación de métodos que se vayan a emplear.  

Modificar el ambiente en las inmediaciones de la tubería, como por ejemplo reducir la humedad o mejorar el drenaje. 

Para la Protección de tuberías expuestas al aire:

Limpieza superficial y mantenimiento. 

La aplicación de un recubrimiento de pintura.  Protección de tuberías enterradas: No es suficiente el recubrimiento con pintura. Se hace necesario además:

La aplicación de revestimientos que aíslen la tubería del medio en que se encuentra. Los revestimientos pueden ser de polietileno o polipropileno, resina epóxica, brea, epóxica, imprimante, cinta plática adhesiva, etc. El polietileno, prolipropileno y resina epóxica son de aplicación industrial por lo que las tuberías deben enviarse a plantas de revestimiento especializadas en aplicar este tipo de protección a los tubos. La brea y la combinación de imprimantes y cinta plástica se pueden aplicar en el sitio. 

Ningún revestimiento garantiza una protección del cien por cien. La presencia de impurezas en el material o en el proceso de aplicación de la capa protectora, así como golpes o ralladuras en el momento del transporte o de la instalación pueden desmejorar el aislamiento.  Por ello, para garantizar la prolongación de la vida útil de una tubería revestida se recomienda acompañar el revestimiento con un sistema de protección catódica. 

TIPOS DE PROTECCION ANTICORROSIVA

Considerando la variedad de recubrimientos anticorrosivos disponibles en el mercado, es posible señalar tres mecanismos generales de protección anticorrosiva:

- COMO BARRERA IMPERMEABLE.

Dado que las moléculas de resina se unen o enlazan en tres direcciones ocluyendo al pigmento esto da como consecuencia la formación de una barrera que en mayor o menor grado, dependiendo de la calidad del recubrimiento, impide la difusión de los agentes de la corrosión al substrato.

- PASIVACION.

El deposito de recubrimiento sobre el substrato metálico inhibe los procesos anodicos y catódicos de la corrosión, incluso actúa como un material dieléctrico (alta resistencia eléctrica) que impide el flujo de electrones.

- PROTECCION CATODICA.

Cierto tipo de recubrimientos con alto contenido de Zinc como pigmento, actúan anodicamente al ser aplicados sobre el Acero. En este caso el substrato metálico es sujeto a una protección catódica con el Zinc como  nodo de sacrificio y no por la formación de una película impermeableEntre los productos más exitosos para la protección contra la corrosión están los SILOXIRANOS, que actúan como inhibidores de corrosión al proteger completamente a la tubería expuesta a la corrosión

COMPONENTES BASICOS DE UN RECUBRIMIENTONormalmente un recubrimiento considera los siguientes componentes básicos:

PinturaPigmentad

a

Pigmentos

Opacos

Protectores ( rojo oxido, cromado de zinc, minio )

Decorativos ( todos los colores incluyendo el blanco )

Funcionales ( antivegetativo, retardante de fuego )

Transparentes

Extendedores ( para bajar costos de la pintura )

Especialidades ( texturizar, matizar )

Vehículos

No Volátiles

Resina ( dureza y adhesión )

Aceite ( flexibilidad y durabilidad )

Plastificantes ( flexibilizar )

Secantes ( acelerar el secado )

Volátiles

Solventes activos ( reducir viscosidad )

Solventes latentes ( reducir viscosidad y bajar costo )

Diluyentes ( bajar costo )

Agua ( fase continua en emulsiones )

Solvente coalescente ( ayuda a la formación de película en emulsiones )

Soluciones para la reparación de tuberías

¿Qué es Syntho-Glass?

Syntho-Glass es una solución original de fácil y rápida  aplicación en la reparación de tuberías. Cuando se aplica apropiadamente, puede reparar daños por el desgaste diario o cuando emergencias inesperadas se presentan. La mata de fibra de vidrio Syntho Glass está pre impregnada con una resina que se activa con agua salada o dulce. El producto está envuelto herméticamente y está listo para usarse sin que se requiera medir o mezclar.

Cuando el sistema es usado con el parche primario adecuado le permite a usted reparar y reforzar virtualmente cualquier diámetro de tuberías en minutos. Syntho Glass reduce los tiempos muertos ahorrándole a usted miles de pesos en equipos, herramientas  y mano de obra.

Con un tiempo de fraguado de solo 30 minutos a 24°C Syntho Glass es excelente para reparar COBRE, ACERO, ACERO INOXIDABLE, PVC, FRP, ARCILLA, CONCRETO, GOMA Y MAS. Es increíblemente versátil.

Syntho Glass es seguro de usar, no es tóxico, no es combustible y no tiene olor. Este sistema no solamente restaura una tubería a su rango original de presión sino que inclusive incrementa la resistencia del área reparada con respecto a la tubería original.

Aplicaciones del Syntho-Glass

Protección contra la corrosión Reforzamiento de Tubería dañada o corroída Reparación de contornos irregulares Reparación bajo el agua Reparación de Tuberías desde ½” a 54” Líneas de Descarga y Gravedad. Líneas presurizadas hasta 60 PSI Líneas Verticales Reparación de uniones y Tés Reparaciones de emergencia Reparaciones definitivas o temporales. Aprobación de la NSF 61 para aplicaciones de agua potable

El Syntho-Glass es de .acción rápida, para refuerzo y contención. Cumple con los códigos ASME para la reparación de tuberías. Se activa con agua.

Reduce el tiempo muerto, es durable y versátil:

Reforzamiento de tuberías Protección de la corrosión

Daño por corrosión en tubería de 10” Corrosión potencia en líneas de tuberías

Refuerza Protege

Aplicando Syntho Steel Epoxy Envolviendo la cinta de petrolato en el área a proteger

Encintando con Syntho Glass sobre el Epoxy

Encintando con Syntho Glass sobre la banda de petrolato

30 minutos después el trabajo está realizado

En 30 minutos el material está listo para ser enterrado

Fisuras Uniones

Fisura de 2.5 x 0.7 cm en una tubería Fuga en una unión en la línea de 4”

Reparación Reparación

Cubra la fisura con el parche que se incluye

Mezcle la masa Syntho Steel y aplíquela alrededor de la unión

Encinte con Syntho Glass sobre el parche

Encinte con Syntho Glass sobre la masa Syntho Steel

En 30 min la línea regresa a servicio En aproximadamente 30 minutos la reparación está completa

Resistencia química del Syntho-GlassFluido Cambio en la superficie

Todas las muestras fueron probadas por 60 días a temperatura de 23° C

Acido Sulfúrico al 50% NingunoAcido Clorhídrico al 10% Ninguno

Sosa Cáustica al 20% NingunoGasolina Ninguno

Propiedades mecánicas del Syntho-GlassResistencia a la Tensión ASTM D 683 Tipo I-8 PLY 36,448 psiResistencia a la Flexión ASTM D 790 Tipo I-8 PLY 26,100 psiResistencia a la Compresión ASTM D 695 Tipo I-8 PLY 24,846 psiResistencia Dieléctrica, Voltios 16,060 v

Resistencia a la Temperatura Continua / Intermitente en °C 149 / 260

CONCLUSIONES

El proceso de corrosión debe ser visto como un hecho que pone en evidencia el proceso natural de que los metales vuelven a su condición primitiva y que ello conlleva al deterioro del mismo. No obstante es este proceso el que provoca la investigación y el planteamiento de formulas que permitan alargar la vida útil de los materiales sometidos a este proceso.

En la protección catódica entran en juego múltiples factores de los cuales hay que tomar en cuenta al momento del diseño del sistema, inclusive es un acto de investigación de otras disciplinas, como la química y la electrónica.

En el trabajo se confirma que la lucha y control de la corrosión es un arte dentro del mantenimiento y que esta área es bastante amplia, dado al sinnúmero de condiciones que se encuentran sometidos los metales que forman equipos y herramientas.