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Agosto de 2010

Erosin: Su influencia en la Corrosin y su interaccin con el Diseo

Fabin BenedettoTechnical Sales ManagerSouthern Cone

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TenarisUniversity 2Agosto de 2010Fabin Benedetto

Componentes presentes en la produccin de HC

Mecanismos de falla

Erosin-Corrosin

Cavitacin

Erosin en cambios de flujo

Factores a considerar en el diseo o seleccin

Contenido




Mecanismos de falla

Erosin-Corrosin

Cavitacin



Contenido



Componentes presentes

Complejidad de las mezclasGeneralmente los pozos productores entregan una mezcla compuesta por, al menos, tres de los siguiente elementos:

Hidrocarburos lquidos (petrleo, condensado, bitumen)

Hidrocarburos slidos o cuasi-slidos (parafinas, hidratos)

Hidrocarburos gaseosos

Otros gases (CO2, H2S, N2)

Agua con sales disueltas

Arena u otros componentes slidos

La complejidad de estas mezclas hace que, si bien los fenmenos erosivos son una fuente bien reconocida de problemas en la industria del petrleo y el gas, su tratamiento no presente demasiada difusin en la bibliografa.




Complejidad de las formasAdicionalmente, la factibilidad de ocurrencia de estos fenmenos est asociada a las formas de los elementos que componen las instalaciones.

La lista siguiente es una gua bsica de los elementos mas propensos a sufrir fenmenos de erosin o bien erosin-corrosin.

Curvas

Bifurcaciones

Chokes

Cambios de secciones (Restricciones)

Vlvulas

Cordones de soldaduras con protuberancias o intrusiones

T Tubulares ubicados en zona de punzados



Las altas velocidades de flujo obtenidas en lugares de turbulencia

localizada favorecen a la corrosin porque:

Remueven a los productos de corrosin

Favorecen las reacciones que producen corrosin

Complejidad de las formas


Velocidad del flujo en zonas con protuberancias: hasta 300 m/s

Velocidad media del flujo: 2 m/s



Entonces, las partes mas vulnerables de los sistemas sern aquellas

en donde:

1. El Flujo cambia de direccin rpidamente

2. Las velocidades son elevadas debido a caudales

importantes

3. Las velocidades son importantes debido a restricciones

de rea

4. El flujo impacta de manera concentrada en un rea

determinada

Complejidad de las formas





Hay presencia de slidos?La presencia de slidos es la principal preocupacin para definir una estrategia que permita mitigar los fenmenos de erosin-corrosin.

No hay una forma emprica exacta de estimar prdida de espesor debido a erosin por slidos.

Zona preferencial de prdida de espesor




ClasificacinEn sistemas de produccin de gas, agua y petrleo, la erosin se clasifica en estos 4 grupos:

La erosin por lquidos no corrosivos (impacto de gotas de lquido) Erosin debido a fluidos no corrosivo que contiene partculas slidas Erosin-corrosin debido a un medio corrosivo en ausencia de slidos Erosin-corrosin mediante un fluido corrosivo que contiene slidos

Fenmenos erosivos prdida de material en zonas de alta velocidad superficies brillantes (metal expuesto)

Fenmenos corrosivos morfolgicamente mas errticos anlisis de los productos de corrosin.

La erosin-corrosin es la combinacin de ambos efectos. La experiencia indica que, en pozos de gran caudal, para aceros al carbono, el efecto combinado de la erosin y la corrosin es mayor a la sumatoria de cada efecto si este actuara solo por separado.

Fuente: Paper NACE 06592. Corrosin 2006 Design and Operations Guidelines to Avoid Erosion Problems in Oil and Gas Production Systems One Operators Approach




Mecanismos de falla

Erosin-Corrosin

Cavitacin



Contenido



Mecanismos de falla

Mecanismos de defensa de los materialesLos diferentes materiales generan pelculas protectivas con los componentes resultantes de los fenmenos corrosivos (o de precipitacin), as la presencia de carbonato, xidos y sulfatos desaceleren los fenmenos dependiendo de la estabilidad de estas pelculas.

Capa protectiva L80 Capa protectiva 3Cr



Mecanismos de falla

Mecanismos de defensa de los materiales

Vcorr

Vflujo

En presencia de la capa protectora

Sin presencia de la capa protectora

Rotura de la capa

protectora



Mecanismos de falla

Tipo de falla (I)

Remocin de las pelculas protectivas debido a Erosin por partculas slidas

From www.mtc-metlab.com



Mecanismos de falla

Tipo de falla (II)

Remocin de las pelculas protectivas debido a Erosin por gotitas de lquido



Mecanismos de falla

Tipo de falla (III)

Remocin de las pelculas protectivas debido a Cavitacin

From www.answers.com




Mecanismos de falla

Erosin-Corrosin

Cavitacin



Contenido



Erosin-corrosin

GeneralidadesLos fenmenos erosivos por lo general se distinguen morfolgicamente por prdida de material en zonas de alta velocidad.

Los fenmenos corrosivos por lo general son morfolgicamente mas errticos y su confirmacin depende del anlisis de los productos de corrosin.

La erosin-corrosin es la combinacin de ambos efectos. Segn el balance entre las caractersticas del fluido y su velocidad ser la predominancia:

CobreAcero al carbono

From Copper.org



Erosin-corrosin

Generalidades

Fluidos muy corrosivos a baja velocidad: Alta velocidad de corrosin (picado) Formacin de pelculas protectoras Posibilidad de inhibicin

Flujos altamente erosivos de fluidos poco corrosivos: Superficies brillantes Poca contribucin de la corrosin Difciles de inhibir

Condicin intermedia: Difcil predecir la tasa de prdida de espesor



Influencia de fluidos erosivos

La velocidad de flujo acelera los fenmenos corrosivos!!

Erosin-corrosin

From www.maverickinspection.com



Fluidos multi-fsicos

Una regla ya establecida en la Industria del petrleo es la utilizacin de la ecuacin de la API 14E para evitar problemas erosivos.

La ecuacin se utiliza para determinar VelocidadesErosionales lmites para mezcla de gases y lquidos. No considera presencia de slidos.

En la expresin anterior:VE = Velocidad erosional lmite (ft/seg)C = Constante erosional (emprica)

= Densidad de la mezcla (lbs/ft3)

La expresin emprica no considera el efecto de la corrosividad del medio, adems no tiene en cuenta la remocin de productos protectores que a su vez favorecen la corrosin.

C=Ve

Erosin-corrosin




API 14E sugiere algunos valores de la constante C emprica, como se muestra a continuacin:

C = 100 para servicio continuo C = 125 para servicio intermitente C = 150 a 200 para servicio continuo con fluidos no corrosivos C = 250 para servicio intermitente con fluidos no corrosivos

Tambin se recomienda que, si hay prediccin de presencia de slidos, las velocidades del fluido se deberan reducir significativamente.

En su contenido, este documento especifica que otros valores de la constante "C" pueden ser utilizados en aplicaciones especficas que hayan demostrado ser apropiadas.

Erosin-corrosin



Erosin-corrosin


Fuente: Paper NACE 58 Corrosion 98: Erosion and multiphase production of oil and gas Shell Offshore Incorporated



Erosin-corrosin


Fuente: Paper NACE 06592. Corrosin 2006 Design and Operations Guidelines to Avoid Erosion Problems in Oil and Gas Production Systems One Operators Approach. Field Data for low sand content production.



Erosin-corrosin


Fuente: Paper NACE 58 Corrosion 98: Erosion and multiphase production of oil and gas Shell Offshore Incorporated



Erosin-corrosin

Fluidos multi-fsicos en tubos verticales



Erosin-corrosin

Fluidos multi-fsicos en tubos horizontales




Mecanismos de falla

Erosin-Corrosin

Cavitacin



Contenido



Ocurre por lo general cuando un lquido pasa a travs de una restriccin y su presin se reduce por debajo de la presin de vapor.

Las burbujas que all se generan implotan al aumentarse nuevamente la presin generando ondas de impacto que daan al material.

Es comn de encontrar en: Vlvulas con restricciones Rotores de bombas Chokes

Generalidades

Cavitacin

From www.fluidlab.naoe.t.u-tokyo.ac.jp



Cavitacin

La prediccin de ocurrencia usualmente se analiza a travs del nmero K:

En donde:Pmin = Presin mnima en la zona de anlisis (Pa)Pvap = Presin de vapor del lquido (Pa)

= Densidad del fluido (kg/m3)V = Velocidad a travs del rea de anlisis (m/s)

Un valor de K < 1,5 indica que cavitacin puede ocurrir

Generalidades

2

min2

V

PPK

vap




Mecanismos de falla

Erosin-Corrosin

Cavitacin



Contenido



Los codos y las tes son los lugares mas propensos a que se produzcan fenmenos corrosivos asistidos por erosin precisamente por la influencia de los cambios de flujo.

Generalidades

Cambios de flujo

From Erosion in elbows in hydrocarbon production systems: Review document

Prepared by TV NEL Limited for the Health and Safety Executive 2003

RESEARCH REPORT 115



Generalidades

Cambios de flujo

Zona de baja presin en la curva interna del codo

Zona de alta presin en la

curva externa del codo



Presencia de arena o slidos en los separadores es indicacin de potenciales problemas de erosin. Debido a lo complejo del sistema, la mejor manera de evitar roturas es establecer un programa de medicin por US en las zonas propensas tales como codos o cambios de secciones.

Esta tcnica tiene como deficiencia que permite evaluar solo partes limitadas de las instalaciones.

Prediccin

Cambios de flujo

From www.inspeccion.com.mx




Mecanismos de falla

Erosin-Corrosin

Cavitacin



Contenido



El concepto a seguir es determinar los valores de velocidades lmitesmediante las cuales se puede asegurar una prdida de espesor de 0,1 mm/ao o menos debido a erosin.

Para eso se establecen 3 categoras de fluidos:1.Fluidos totalmente libre de slidos:

Es importante certificar que no hay presencia de slidos de ningn tipo antes de otorgar esta clasificacin.

2.Fluidos nominalmente libre de slidos: Menos de 1 lb de slidos cada 1000 barriles de lquido Menos de 0,1 lb de slidos cada 1 MMstdCuft

3.Fluidos con presencia de slidos: Valores en exceso a los anteriormente mencionados

(1) Fuente: Oilfield Corrosion Course, por Bijan Kermani.

Gua de evaluacin para evaluar velocidades lmites (1)

Diseo o seleccin



Entorno no corrosivo:Fluidos de 1 sola fase (lquidos o gas):

No hay velocidades lmites establecidas en las especificaciones.Fluidos multi-fsicos:

No superar la velocidad de acuerdo a los niveles de ruido permitido.

Entorno corrosivo:Fluidos de 1 sola fase (lquidos o gas):

No hay velocidades lmites establecidas en las especificaciones.Fluidos multi-fsicos sin inhibicin:

No superar la velocidad de acuerdo a los niveles de Ruido permitido.Fluidos multi-fsicos con inhibicin:

Utilizar API 14E con C = 200 (lmite 20 m/s).


Fluidos libres de slidos (Erosin < 0,1 mm/ao) (1)

Diseo o seleccin



Por lo general, los valores de constante erosional CE que propone la API 14E son considerados en la industria como muy conservativos.

Basado en la prctica se proponen los siguientes valores (1):Transporte de lquidos, usar API 14E con:

CE = 250 para aceros al carbono CE = 300 para acero con 13% de Cr CE = 400 para Duplex

Transporte de fluidos multifsicos, usar API 14E con: CE = 135 para aceros al carbono CE = 300 para acero con 13% de Cr CE = 350 para Duplex

Transporte de gas, utilizar otro modelo.


Fluidos nominalmente libres de slidos (Erosin < 0,1 mm/ao) (1)

Diseo o seleccin



En los sistemas en donde se produce hidrocarburos acompaados de una cantidad importante de slidos no es posible establecer un criterio de velocidad mnima para garantizar wall loss < 0,1 mm/ao.

V.erosional ~ (energa cintica de las partculas)

En esos casos se recomienda:

1- Medios mecnicos para retener slidos (filtros, gravel pack, etc)

2.- Programa de Monitoreo y conteo de slidos en los fluidos producidos

3.- Frecuencia de inspeccin en lugares mas vulnerables por medio de UT.


Fluidos con presencia de slidos (Erosin < 0,1 mm/ao) (1)

Diseo o seleccin



Fluidos con presencia de slidos

Diseo o seleccin

Por ejemplo los linepipe API 5L Grado B tiene una dureza Brinnel ~120 (dureza Mohs ~3), el xido de hierro tiene una dureza Mohs ~6 y el xido de silicio (arena) ~7.

Si hay arena la capa de xido se destruye y por lo tanto el material queda expuesto al fenmeno de erosin-corrosin.

~7

~3



(1) Fuente: Intalacin en Rumania, Reservorio de areanas no consolidadas


Diseo o seleccin



Fuente: Tenaris REDE AR, Report 2758/08


Diseo o seleccin

String part Depth

(m)

String part Depth

(m)

Liner hanger 101

Casing shoe 105

Damage position 113.5

Slotted liner upper limit 114

Tubing-pump joint 115

Pump end 118

Slotted liner lower limit 120

Liner shoe 125




Diseo o seleccin

Fuente: Tenaris REDE AR, Report 2758/08



Regla del pulgar para considerar Erosin Corrosin (1):

Aceros al carbono = Rate de erosin + 2*Velocidad de corrosin

Aleacin con 13% Cr = Rate de erosin + Velocidad de corrosin (si hay posibilidad de re-pasivacin)

Duplex = Rate de erosin

Como siempre en estos casos, la evidencia experimental de campo es mandatoria.


Influencia de la erosin en el proceso corrosivo

Diseo o seleccin

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