CORROSION BAJO TENSION DEL ACERO API 5L GRADO X52 EN PRESENCIA

DE MUESTRAS DE SUELO

J.J. González, (gonzalezjjj@pdvsa.com); H. Tovar (tovarh@pdvsa.com)

PDVSA INTEVEP - Departamento Tecnología de Materiales

( (58) 2 908 7680, FAX (58) 2 908 7699

+ AP 76343, Caracas 1070 A, Venezuela

A. Bentolila

Universidad Simón Bolívar

Caracas Venezuela

RESUMEN

Desde la década de los 70, se han encontrado fallas asociadas al fenómeno de

corrosión bajo tensión (CBT), en líneas de transmión de gas elaboradas con aceros al

carbono. Estas han ocurrido en Canadá, Estados Unidos, la ex URSS (Gasoducto de

Siberia) y en otros países. Los estudios realizados indican que las fallas por CBT tienen

características no clásica, es decir, ocurren en zonas con pH cercano al neutro, el

agrietamiento es transgranular y ocurre al potencial libre o en sitios con

discontinuidades en el revestimiento donde no se logra la protección catódica.

Con el propósito de determinar la susceptibilidad a la CBT del acero al carbono, se

evaluaron muestras de suelo tomadas en las cercanías de gasoductos de occidente,

centro y oriente del país. Estas fueron caracterizadas mediante análisis físico-químicos

encontrándose una granulometría, composición iónica y pH variables. Se evaluó un

acero de especificación API 5L X-52, el cual es utilizado como tubería de línea en

sistemas de transmisión de gas. El comportamiento a la CBT del acero se determinó

mediante ensayos mecánicos a velocidad de deformación lenta; además, se estudió la

corrosividad de soluciones suelo/agua mediante ensayos de pérdida de peso.

En los ensayos mecánicos, se encontró que el acero presenta una sensible variación

de las propiedades mecánicas (Sy, Su, %ε y %RA); sin embargo, los indicadores de

CBT, el análisis fractográfico y la microestructura en corte longitudinal de las probetas,

no indican evidencias de CBT. La variación de las propiedades se puede asociar a la

formación de picaduras en presencia de los medios evaluados. La velocidad de

corrosión del acero en presencia de las soluciones suelo/agua fue relativamente baja

(0,10 y 0,08 mm/año).

INTRODUCCION

Desde hace algunos años, en líneas de transmisión de gas como el TransCanada

Pipeline en Canadá [1] y el gasoducto de Siberia en Rusia [2], entre otros sistemas, se

han encontrado numerosas fallas asociadas al fenómeno de CBT con agrietamiento

longitudinal presencia de colonias de grietas en tuberías enterradas. Las rupturas en las

líneas, se han presentado en tuberías de acero API 5LX52 con más de 40 años de

servicio, asociándose a la sinergia de varios factores como: falla de recubrimiento

(alquitrán de hulla o cintas de poliolefinas), deficiencia en la protección catódica y

presencia de un suelo con pH neutro [3].

Estudios realizados en laboratorio con aceros de especificación API 5L serie X (grados

X52, X70, X80, etc.) [4], en presencia de suspensiones preparadas con muestras de

suelo y soluciones sintéticas, denominadas serie NS [5], han favorecido la falla de los

materiales por mecanismos de CBT. Las soluciones NS, son electrolitos compuestos

de una carga iónica conocida que está relacionada con la concentración de especies

contenidas en los suelos en donde se ha observado el fenómeno. Los iones que

constituyen estas soluciones son: HCO3-, Cl-2, SO4

-2, K+, Na+, Mg+2 y Ca+2.

En Venezuela, aunque en tuberías enterradas no han sido detectadas fallas por CBT,

se han encontrado rupturas recurrentes en el gasoducto Anaco-Caracas (línea no

enterrada) en el tramo N50-Quiripital, en donde las características del agrietamiento

son comparables a las encontradas en fallas promovidas por este fenómeno [6-8]. Estas

se presentan, predominantemente en sentido longitudinal, aunque también se han

encontrado en sentido transversal o combinado [9]. Tiene lugar en la parte inferior de la

tubería (hora 6), exactamente en los valles y están ubicadas en el punto de contacto con

un soporte de madera que forma parte de una estructura "H" en donde, se presume, se

acumula agua de rocío diariamente.

En un estudio reciente realizado con el acero que constituye este gasoducto [8],

mediante ensayos mecánicos a baja velocidad de deformación en presencia de

muestras de suelo, no se encontró efecto del medio en el comportamiento a la CBT. Sin

embargo, se presume que las fallas encontradas se deban posiblemente al fenómeno

de corrosión en espacios confinados por aireación diferencial. Este mecanismo

favorece la disolución anódica y en presencia de esfuerzos moderados (por tracción,

flexión o esfuerzos internos) puede producir agrietamiento por CBT.

Una evaluación de las secciones en donde se ha encontrado agrietamiento en el

gasoducto Anaco-Caracas [9], indicó que el acero tiene una microestructura diferente a

la encontrada en el acero 5L X-52 con fabricación reciente. La microestructura está

constituida por una matriz ferrítica y colonias de perlita con granos no orientados de

gran tamaño y un alto contenido inclusiones. Además, se encontró ferrita Witmänstatten

de forma acicular, la cual produce un endurecimiento de la matriz, ya que ésta

contribuye a la concentración de esfuerzos. La composición química del acero, contiene

el doble de carbono (0,262%p) y diez veces más de azufre (0,048%p), respecto a los

fabricados en la actualidad. Esta microestructura favorecería la formación de grietas

por ataque preferencial de la ferrita en presencia de esfuerzos.

El objetivo del presente trabajo es estudiar el comportamiento ante la CBT del API 5LX-

52 en presencia de suspensiones preparadas a partir de muestras de suelo tomadas

en diferentes sitios donde se ubican las líneas de transmisión de gas y crudo. Se

pretende, además, conocer el efecto en la CBT de las especies presentes en el suelo.

Las muestra de suelo fueron tomadas superficialmente (a unos 30 cm de la superficie)

en la cercanía del paso de los gasoductos, en tres sistemas de transimisión de gas de

PDVSA denominados: Sistema I (Gasoducto Pto. Caballo-La Paz φ20" y Ule-Amuay

φ16") muestras A, B, C y D; Sistema II (Poliducto SISOR-Anaco φ16") muestras E, F y

G; y sistema III (Gasoducto Anaco-Caracas φ26" tramo N50-Quiripital) muestras H, I y J.

Este último es no está enterrado.

Todas las muestras fueron caracterizadas mediante análisis físico-químico: tipo de

suelo, composición química, pH y análisis constitucional por difracción de rayos X

(mineralogía). A partir de los resultados obtenidos, se seleccionaron muestras

representativas de manera de establecer tendencias en el comportamiento mecánico

del acero en presencia de las suspensiones suelo/agua.

METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Caracterización del acero

El material utilizado en este estudio fue un acero al carbono de especificación API 5L

grado X52, el cual se emplea normalmente en la construcción de líneas de producción

(tubería para el transporte de gas natural, crudo o derivados del petróleo). Las

probetas, para los ensayos mecánicos y pérdida de peso, fueron obtenidas a partir de

cortes longitudinales de una sección de tubería de 16 pulgadas y espesor 0,375" (9,5

mm), tomada de una línea de transmisión de gas de fabricación reciente.

La caracterización del acero incluyó: composición química, propiedades mecánicas y

metalografía. En la Tabla 2, se reportan los resultados de la composición química y

propiedades mecánicas del acero utilizado y la correspondientes a la especificación

del acero API 5L grado X52 [11].

TABLA 1: Composición química y propiedades mecánicas del acero API 5L grado X52

utilizado y la especificación del acero.

Material C Mn P S Si Fe Sy [MPa] Su [MPa] ε [%]

Acero utilizado 0.145 1.30 0.014 0.004 0.345 Bal. 425 588 23.5

API 5L X52 (max.) 0.28 1.25 0.030 0.030 - Bal. 358 455 20

Sy, Su: Esfuerzo de fluencia y esfuerzo máximo

%ε: Porcentaje de deformación

La composición química del acero utilizado está dentro de los valores permisibles para

un acero X52 según la especificación API 5L. Nótese que el contenido de carbono (C) y

azufre (S) es considerablemente inferior. En efecto, en la última década se ha logrado

mejorar las características metalúrgicas de este acero disminuyéndose el contenido de

estos elementos, para obtener aceros con menor tamaño de grano y bajo contenido de

inclusiones.

La metalografía, se realizó en cortes en sentido longitudinal y transversal, los cuales

fueron montados en baquelita. Las muestras fueron desbastadas mecánicamente por

intermedio de papel abrasivo de carburo de silicio (SiC) adherido a un disco giratorio,

desde el grado 80 hasta el 1000. Seguidamente, fueron pulidas con alúmina de

granulometría 1, 0,3 y 0,05 µm, limpiadas con acetona en una cuba con ultrasonido y

finalmente secadas.

Las observaciones de la superficie pulida de las muestras sin ataque en un

microscopio óptico a x100 no indican presencia de inclusiones. La microestructura del

acero fue revelada mediante un ataque químico usando una solución 2% nital.

En la Figura 1 a y b, se presenta la microestructura del acero en corte transversal y

longitudinal, respectivamente. Estas microestructuras son comparables y se

caracterizan por la presencia de granos orientados, producto del proceso de

manufactura (extrucción en caliente). La matriz está constituida de granos de ferrita

(fase ��del sistema Fe-C) bandeada y perlita fina (α + Fe3C) de tamaño relativamente

pequeño y granos equiaxiales. Esta microestructura corresponde a la de un acero al

carbono poco aleado [12].

(a) (b)

Fig. 1. Microestructura del acero 5LX52: (a) corte longitudinal y (b) transversal. x 150.

Los ensayos mecánicos se realizaron en una máquina de tracción MTS utilizándose

probetas que fueron obtenidas a partir de cortes longitunales de la sección de tubería.

Estas fueron fabricadas según la norma NACE TM0177-96 [¿?] y corresponden a las

descritas como especímenes tipo subestándar. Para la determinación de las

propiedades mecánicas, se ensayaron tres probetas y se calculó un promedio de los

valores obtenidos.

En la Tabla 1, se indican los valores del esfuerzo de fluencia, Sy; el esfuerzo máximo,

Su; y el porcentaje de elongación (%ε) del acero API 5LX-52 indicados en la

especificación y los obtenidos mediante ensayos de tracción. Como puede apreciarse,

los valores de Sy, Su y %ε, están dentro del rango permisible para un acero de esta

especificación [11].

La dureza se determinó con un microdurómetro, realizándose un promedio de 10

mediciones en sentido radial, en cortes longitudinales y transversales efectuados en la

tubería, obteniéndose en la escala Rockwell B, un valor promedio de 89 HRB.

Caracterización de muestras de suelo

La caracterización de suelos comprendió: tipo de suelo, análisis semicuantitativo de

roca total por difracción de rayos X (mineralogía), pH y análisis químico (HCO3-2, Cl-,

SO4-2, Mg+2, Ca+2, K+ y Na+).

La solución utilizada en los ensayos mecánicos, consistió en una suspensión

suelo/agua con relación 1/1,2. Para ello se mezcló aproximadamente 400 g de suelo,

previamente tamizada por el tamiz 30 (600µm), con 480 ml de agua destilada. De esta

manera, se obtiene una solución suficientemente fluida como para que pueda ser

vertida en la celda de corrosión, con una concentración de especies iónicas

representativa del suelo. En un estudio de CBT se utilizó la técnica SSR en presencia

de suelos de Siberia [2], con una relación suelo/agua igual a 1:1.

Ensayos a baja velocidad de deformación (Slow Strain Rate-SSR)

Los ensayos de CBT se realizaron en un sistema MTS mediante la técnica de baja

velocidad de deformación o SSR. Esta técnica consiste en deformar lentamente bajo

tensión (10-5 - 10-6 s-1), una probeta inmersa en un medio hasta que fracture. Una merma

de las propiedades mecánicas (esfuerzo de fluencia, Sy, esfuerzo máximo, Su),

reducción de área y tiempo de ruptura t rup, son condiciones necesarias más no

suficientes para establecer la existencia de este mecanismo [13]. Este comportamiento

se debe corroborar con evidencias de fragilidad mediante un análisis de la morfología

de la falla (fractografía) y un estudio metalográfico en corte longitudinal en una zona

cercana a la fractura.

La Fig. 2 muestra la celda utilizada en los ensayos mecánicos SSR. Las pruebas fueron

realizados a temperatura ambiente en aire a la presión atmosférica, siendo

representativa de las condiciones reales de servicio encontradas en los gasoductos. No

obstante, esta es una condición extrema ya que la muestra de suelo está sobresaturada

en agua para así acelerar los procesos corrosivos. Los ensayos de referencia o en

blanco, se realizaron en presencia de agua destilada a las mismas condiciones que los

ensayos con suelo.

Fig. 2. Detalle de la celda de ensayo utilizada en los ensayos SSR

Finalizado el ensayo SSR, las secciones se lavaron con agua destilada, luego se

introdujeron en un Vicker con acetona para limpiarlas mediante ultrasonido y finalmente

fueron secadas y guardadas en un desecador. La superficie externa de las probetas

fracturadas fue observada cuidadosamente a bajo aumento en un stereo-zoom (entre

x2 y x10). Una de las secciones se cortó transversalmente a unos 10 mm de la falla y se

observó en microscopía electrónica de barrido SEM, permitiendo la caracterización

fractográfica. Igualmente, se midió el diámetro final de la probeta en la zona de falla

para determinar el porcentaje de reducción de área.

A partir de los resultados obtenidos en los ensayos a baja velocidad de deformación,

se determinó el índice de CBT (ICBT) y se calcularon otros indicadores: la relación del

tiempo de falla (RTF), la relación de deformación (Rε) y la relación de reducción de área

(RRA). Estos se calcularon mediante el cociente entre los valores de deformación

ε, reducción de área RA y tiempo de ruptura t rup obtenidos en presencia del medio

evaluado con los de la condición de referencia. Cuando los indicadores son próximos a

la unidad, se puede inferir que el medio no tiene influencia en el comportamiento a la

CBT. El ICBT, es una relación entre la deformación y la resistencia a carga máxima del

material en un medio no promotor de CBT y otro medio que presumiblemente si la

favorece [15]. Se calcula mediante la siguiente expresión:

IS

SCBTu

umedio

u

umedio= +

+⋅ −1

11

εε

Ecuación (1)

εu, Su : Deformación y resistencia a carga máxima

del material en un medio inerte a la CBT (ensayo

en blanco).

εumedio, Su

medio: Deformación y resistencia a carga

máxima del material en el medio evaluado.

Un índice ICBT, cercano a la unidad indica alta susceptibilidad al agrietamiento, mientras

que un ICBT, cercano a cero indica poca susceptibilidad al fenómeno. Mediante este

indicador, se puede relacionar una propiedad mecánica (resistencia a carga máxima,

Su), con una medida de la ductilidad del material (deformación a carga máxima, εu).

Aunque la ocurrencia o no de la CBT es determinada sólo con el análisis fractográfico,

el índice en diversos casos ha sido efectivo en la predicción del fenómeno.

Ensayos de velocidad de corrosión

A título de referencia, se determinó mediante la técnica de pérdida de peso la

velocidad de corrosión del acero 5LX-52 en presencia de soluciones suelo/agua con

muestras de suelo H y J. Estos ensayos se realizaron a temperatura ambiente con un

flujo lento de aire a presión atmosférica en autoclaves de vidrio. Se utilizaron cupones

con dimensiones 30x15x3 mm, los cuales fueron preparados y analizados después de

ensayo según la norma ASTM G1 [16]. El daño por corrosión se caracterizó mediante

microscopía electrónica de barrido.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización de las muestras de suelo

En la Tabla 2, se presenta la clasificación de las muestras de suelo que se obtuvo

cualitativamente por el método del Bouyoucos (clase textural), que permite clasificar los

suelos como: arenoso, a (partículas entre 2 mm y 50 µm), franco, F (50 a 2 µm) y

arcilloso, A (< 2 µm); o combinaciones entre estas texturas. Con el porcentaje de

partículas en cada rango de granulometría (arcillosa, arenosa, etc.), se ubican los

valores en un diagrama y se determina el tipo de suelo.

TABLA 2: Distribución de tamaño de partículas de muestras de suelo obtenido por lavado

(tamizado en agua) y tipo de suelo.

Textura Tamaño de partículas

A B C D E F G H I J

Arena Gruesa (1) 4.75 - 2.00 mm 2.24 0.42 1.68 0.48 0.02 0.01 0.53 2.10 3.27 1.15

Arena Media (2) 2.00 - 425 µm 53.41 3.34 15.12 4.28 0.16 0.15 4.49 18.91 27.73 10.72

Arena Fina (3) 425 - 75 µm 27.50 34.39 50.64 27.12 22.17 13.55 50.68 14.08 27.85 14.29

Grava 75 - 5 µm 9.10 13.76 13.64 12.08 13.20 11.00 14.95 4.18 5.60 3.82

Arcilla < 5 µm 7.76 48.09 18.92 56.03 64.45 75.29 29.35 60.73 35.55 70.03

Tipo de suelo a FAa AF F FA FA Fa FA-F Fa A

(1) Pasante tamiz N° 4 y retenido tamiz N° 10

(2) Pasante tamiz N° 10 y retenido tamiz N° 40

(3) Pasante tamiz N° 40 y retenido tamiz N° 200

Las muestras tienen mayoritariamente características franco (intermedio entre la textura

arcillosa y la arenosa); aunque se tienen algunas muestras con una textura única. Las

otras muestras, son una combinación entre dos o más texturas, como por ejemplo:

franco-arcillosa, FA o franco-arenosa, Fa. Este análisis se complementó con el

tamizado de las muestras en húmedo.

El tamaño de partícula de las muestras de suelo realizado en húmedo fue diferente en

cada caso. Se observa que prácticamente todas las muestras están constituidas por

partículas pasantes del tamiz N° 4 (menores a 4,75 mm). El tamaño predominante de

las muestras de suelo A, B, C, G e I fue arenosa (2 mm a 75µm); mientras que las

muestras D y F, son equivalentes a limo (50 a 2 µm). Sólo la muestra J presentó textura

arcillosa (< 2 µm). La distribución granulométrica de una misma muestra de suelo

realizado en seco y vía húmeda fue diferente debido a la formación de aglomerados.

Por la acción del agua, las arcillas compactas se disgregan produciendo un sedimento

fino. En algunos casos, el contenido de arcilla resultó ser mayor al 50%. Aún cuando

algunos autores [4] no vinculan la ocurrencia de CBT con un suelo arcilloso, si advierten

que existe una correlación entre el tipo de arcilla presente y la aparición del fenómeno;

específicamente en el caso de las arcillas expansivas.

Sin embargo, a partir de este análisis, no es posible determinar si constitucionalmente

se trata de una arcilla o simplemente de sílice de textura muy fina; para ello se requiere

de un estudio mineralógico por análisis en difracción de rayos X - DRX para determinar

los compuestos presentes.

pH y análisis químico de las muestras de suelo

En la Tabla 3, se reportan los valores de pH de las mezclas suelo/agua preparadas a

diferentes proporciones de agua: en el extracto de la pasta en saturación pH PS,

relación 1:2, pH (1:2) y la suspensión utilizada en el presente estudio 1:1,2 pH (1:1,2).

El pH de las muestras evaluadas están cercano al pH neutro ± 1; aunque algunas

muestras tienen un pH ligeramente ácido, especialmente las de Anaco. Se constata

igualmente que el pH de las diferentes proporciones suelo/agua no varía de manera

significativa, aunque la concentración de especies químicas en el seno de la solución

es distinta en cada caso.

El porcentaje de saturación de las muestras estuvo comprendido entre 17 y 44 % de

agua. Se encontró que las muestras de suelo con un alto porcentaje de saturación se

caracterizaban por un mayor contenido de arcilla; mientras que cuando la cantidad de

agua absorbido era menor, el suelo tenía mayor contenido de cuarzo (arena).

Tabla 3: Porcentaje de saturación y pH de las mezclas para diferentes relaciones suelo/agua

Sistema Suelo % Saturación pH PS pH (1:2) pH (1:1,2)

A 17 7.9 8.3 7.8

B 24 6.0 6.1 5.9

C 19 8.1 8.9 8.5

I

D 23 5.8 5.9 5.9

E 33 4.5 4.8 5.3

F 35 5.4 5.6 6.1

II

G 18 4.8 5.0 5.4

H 39 5.8 6.2 6.3

I 25 6.6 6.7 6.7

III

J 44 4.3 4.5 4.5

Composición quimica de las muestras de suelo

En la Tabla 4, se reporta la composición iónica del extracto de saturación (HCO3-, Cl-,

SO4-2, Ca+2, Mg+2, K+ y Na+) de las muestras tomadas en los sitios seleccionados. Las

composiciones en letras oscuras, corresponden a las muestras evaluadas en los

ensayos mecánicos. Para comparar la agresividad de la carga iónica de las muestras

de suelo, a título de referencia, se indica la composición química de la solución NS4, en

donde se ha encontrado susceptibilidad a la CBT de acero API 5LX [18]. Las soluciones

NS, son electrolitos que contienen: KCl, NaHCO3, CaCl2•H2O y MgSO4•7H2O, las

cuales son normalmente utilizadas como referencia para simular condiciones que

activan los mecanismos de CBT en estos aceros.

Un estudio realizado por Beavers y Harle [3], indica que cerca de pH neutro, el

mecanismo de SCC ocurre en presencia de soluciones diluidas de ácido carbónico y

está directamente relacionado con el CO2 disuelto en el medio. Se ha encontrado que

soluciones de carbonato-bicarbonato producen CBT del acero X52 por el mecanismo

de disolución anódica [19]. Como se puede apreciar en la Tabla 7, todas las muestras

tienen un contenido de bicarbonato (HCO3-) considerablemente inferior al de la solución

de referencia NS4, con excepción de la muestra 1 que se tomó en la estación Pto.

Caballo. De donde se puede presumir que las soluciones evaluadas no son

suficientemente agresivas como para favorecer la CBT del acero X52.

TABLA 4: Composición química del extracto de saturación de las muestras de suelo y la

solución NS4 (expresado en me/l)

Sistema Suelo HCO3- Cl- SO4

-2 Ca+2 Mg+2 K+ Na+

A 6.5 936 10.0 75.0 187.0 46.2 639.0

B 1.3 39.7 45.3 38.5 29.5 1.85 16.5

C 1.9 381 4.0 14.5 52.0 14.13 305.6

I

D 0.8 1.2 1.1 1.2 1.1 0.19 0.62

E 0.7 1.0 0.4 0.7 0.9 0.08 0.47

F 1.4 57.0 3.0 22.3 18.0 1.03 20.10 II

G 0.8 1.4 0.6 1.0 1.1 0.12 0.63

H 2.5 2.8 0.8 3.1 2.0 0.46 0.54

I 2.2 2.0 1.6 2.4 2.9 0.22 0.35 III

J 0.8 1.3 3.5 3.0 1.7 0.48 0.45

Referencia NS4 5.8 4.0 1.1 2.5 1.1 1.7 5.7

Análisis semicuantitativo de suelos por difracción de rayos X (Mineralogía)

En la Tabla 5, se presenta la composición mineralógica de las muestras de suelo

tomadas en los sitios de interés. Las muestras recolectadas en el sistema I, están

constituidas principalmente de cuarzo con un contenido comprendido entre 60 y 89%,

mientras que el de arcilla está entre 11 y 34%. En el sistema II, el cuarzo está entre 51 y

77% y la arcilla entre 15 y 40%. En el sistema III, las muestras tienen un contenido de

cuarzo comprendido entre 33 y 47%, y el de arcilla está entre 41 y 55%. Otros

compuestos como: feldespato de sodio y potasio, pirita y carbonatos (calcita, dolomita

y siderita), no exceden el 15%.

Aunque los resultados obtenidos mediante esta técnica son semicuantitativos, estos

son de utilidad pues permiten diferenciar las muestras y evaluar tendencias según el

contenido de arcillas presente. Es conocido que la arcilla denominada Esmegtita, tiene

como característica principal la capacidad de retener agua en su estructura cristalina

(carácter expansivo o higroscópico) [17], la cual ha sido encontrada gasoductos que

presentaron fallas por CBT. Además, éstas ejercen esfuerzos tangenciales sobre los

revestimientos.

TABLA 5: Composición mineralógica de las muestras de suelo por difracción de rayos X

Sistema Muestra Cuarzo Arcilla Feldspato Calcite Dolomita Siderita

A 60 33 5 - - -

B 60 32 7 1 - 3

C 89 11 - - - -

I

D 66 34 - - - -

E 53 38 9 - - -

II F 51 40 9 - - -

G 77 15 5 3 - -

H 47 41 9 2 1 -

I 35 48 9 2 1 5

III

J 33 55 8 2 2 -

- No detectado

Ensayos mecánicos a baja velocidad de deformación

En las Figuras 3-5, se presentan las curvas esfuerzo vs deformación (σ vs ε) obtenidas

en los ensayos mecánicos del acero en presencia de las suspensiones preparadas con

muestras de suelo de los diferentes gasoductos: (a) sistema I, (b) sistema II y (c)

sistema III. La curva con trazo oscuro, corresponde al ensayo de referencia (agua

destilada) mediante el cual se hicieron las comparaciones.

En la Tabla 6, se reportan los valores de esfuerzo de fluencia Sy, el esfuerzo máximo

Su, la deformación ε y la deformación al esfuerzo máximo εu, obtenidos a partir de las

curvas (σ vs ε) representadas en las figuras 3-5.

Tabla 6: Propiedades mecánicas del acero 5LX-52 obtenidas a partir de la curva σ vs ε

obtenidas mediante SSR en presencia de las suspensiones suelo/agua

Sistema Suelo Sy [MPa] Su [MPa] ε [%] RA[%] t TTF [h]

- Blanco 425 530 18 73 45

A 370 440 16 75 38

B 360 465 18 81 42

C 360 470 15 73 36 I

D 350 430 12 78 28

E 420 490 14 73 38

F 420 495 16 75 35 II

G 460 530 16 67 43

H 350 440 13 78 35

I 355 460 16 69 57 III

J 360 465 17 80 48

0

100

200

300

400

500

600

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Deformación [mm/mm]

Esf

uerz

o [M

Pa]

B lanco(agua)

M 1

M 3

M 3 *

M 4

M 4 *

M 6 *

Strain [mm/mm]

Blank TestABB∗

CC∗

D

Str

ess

[MP

a]

D e f o r m a c i ó n [[m m / m m ]]

E n s a y o R e f .

Fig. 3. Curvas esfuerzo vs deformación del acero 5LX-52 en presencia de las muestras de suelo recolectadas en el sistema I

Fig. 4. Curvas esfuerzo vs deformación del acero 5LX-52 en presencia de las muestras de suelo recolectadas en el sistema II

Fig. 5. Curvas esfuerzo vs deformación del acero 5LX-52 en presencia de las muestras de suelo recolectadas en el sistema III

0

100

200

300

400

500

600

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Elongación [mm/mm]

Esf

uerz

o [M

Pa]

Blanco (agua)

M1

M2

M3

Strain [mm/mm]

Str

ess

[MP

a]

Blank Test

EF

G

E n s a y o R e f .

D e f o r m a c i ó n [[m m / m m ]]

0

100

200

300

400

500

600

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

Deformación [mm/mm]

Esf

uerz

o [M

Pa]

Blanco(agua)

M2

M4

Blank Test

H

J

Strain [mm/mm]

Str

ess

[MP

a]

D e f o r m a c i ó n [[m m / m m ]]

E n s a y o R e f .

Como se observa en las figuras 3-5, las curvas σ vs ε obtenidas en presencia de los

medios evaluados, son comparables entre sí y su forma es similar a la del ensayo de

referencia (curva azul). Esta corresponde a un comportamiento típico de un material

dúctil. Aunque la tenacidad de los materiales (área debajo de la curva) no es

exactamente la misma, no es posible asociar esta pequeña diferencia al efecto de las

especies presentes en el suelo. En caso de presumirse un comportamiento promotor

de CBT, se esperaría una mayor pérdida de ductilidad, e indicios de fractura frágil con

agrietamiento.

En todas las condiciones ensayadas, se obtuvo una disminución de Sy y Su; sin

embargo, el porcentaje de deformación %ε y, la reducción de área (restricción) RA y el

tiempo de ruptura trup., fueron muy próximos a los encontrados en la condición de

referencia (agua, 25°C, aire). En presencia de las muestras de suelo de los sistemas I y

III, la mayor reducción del esfuerzo de fluencia Sy fue 16%, la cual no es significativa

como para deducir un efecto de las especies en la CBT, además, se esperaría una

menor reducción de área. Es conocido que este factor, asociado a la disminución de

Sy, Su y ductilidad, puede estar directamente vinculado con la presencia de CBT,

siempre y cuando se pueda corroborar el comportamiento mediante un estudio

fractográfico.

A partir de los valores reportados en la Tabla 6, se determinaron los valores de los

indicadores de CBT: índice de susceptibilidad a la CBT (I CBT), la relación del tiempo de

falla (RTF), la relación de deformación (Rε) y de reducción de área (RRA), los cuales se

indican en la Tabla 7.

En todas las condiciones evaluadas, se obtuvo un ICBT próximo a cero y los otros

indicadores, fueron próximos a 1. Esto se puede interpretar como una baja

susceptibilidad a la CBT. En el presente estudio, los índices ICBT obtenidos estuvieron

comprendidos entra 0,01 y 0,31, lo cual se asocia a la no-existencia de CBT.

Tabla 7. Indicadores de CBT para el acero 5LX-52: índice de susceptibilidad ICBT y relaciones

de tiempo de falla (RTF), deformación (Rε), y reducción de área (RRA).

Sistema Suelo I CBT RTF (a) Rε (b) RRA (c)

A 0.18 0.85 0.88 1.03

B 0.17 0.93 1 1.10

C 0.18 0.79 0.84 0.99 I

D 0.31 0.63 0.65 1.06

E 0.12 0.84 0.71 1.00

F 0.10 0.78 0.79 1.03 II

G 0.01 0.96 0.93 0.96

H 0.28 0.78 0.70 1.07

I 0.12 1.27 0.89 0.86 III

J 0.16 1.06 0.93 1.09

(a) RTF = TFmedio / TFref (b) RE = REmedio / REref.

(c) RRA = RRAmedio / RRAref

De todas las muestras evaluadas, las menores relaciones RTF y Rε, se encontraron en

el ensayo con la muestra D; obteniéndose 0,63 y 0,65. No obstante, el RRA es próximo

a 1, lo cual no permite concluir la existencia de CBT. La composición química de la

muestra presenta una concentración de SO4-2 y Mg+2 comparable a la de la solución

NS4; sin embargo, las otras especies (HCO3-, Cl-, Ca+2, K+ y Na+), están contenidas en

menor proporción, de donde es difícil asociar algún efecto de los componentes del

suelo en la CBT. El estudio fractográfico realizado por MEB indica que en todos los

casos la fractura fue dúctil y no se encontraron otras morfologías que se puedan asociar

a CBT.

En la Fig. 6 (a-d), se presentan las microestructuras correspondientes a la superficie de

fractura (fractografía) de las probetas ensayadas en presencia de las soluciones

suelo/agua del sistema I. La Fig. 6-a, sirve como referencia y corresponde a la fractura

de la probeta en presencia de agua. Las microfotografías de las probetas ensayadas

en presencia de los suelos, se presentan en las Figs. 6 b-e. Se observó que la fractura

fue dúctil del tipo copa-cono. En todos los casos, se observa la presencia de dimples y

hoyuelos típicos de fractura tipo dúctil, esta morfología no es una evidencia de CBT.

El detalle de la Fig. 6-f (suelo D), tomado a bajo aumento, parece indicar la presencia

de una banda o marca de playa que delimita diferentes morfologías. Este tipo de

microestructuras suele encontrarse en fallas con transición ductil-fragil. La Fig. 6-e,

corresponde al lugar por donde comenzó la fractura. Se observan algunas facetas

planas que los autores han llamado lenguas, que ocasionalmente se encuentran en

fracturas frágiles; sin embargo, su presencia es puntual. Esto no permite generalizar el

comportamiento ante la CBT y en base a los resultados no se puede afirmar la

presencia de este mecanismo.

Microestructuras similares fueron observadas en la superficie de factura de las

probetas ensayadas en presencia de las soluciones suelo/agua de los sistemas II y III.

Estas se muestran en la fig. 7 a-f. Las del sistema II: (a) suelo E, (b) suelo F y (c) suelo

G; y las del sistema III: (d) suelo H, (e) suelo I y (f) suelo J. Las morfologías de la

superficie de las probetas ensayadas, no indican evidencias contundentes de CBT,

tales como clivage, estructuras escalonadas, superficies lisas, grietas secundarias, etc.

Las probetas ensayadas en presencia de estos suelos, presentaron fractura modo

dúctil con formación de cuello tipo copa cono.

En el estudio metalográfico efectuado en cortes longitudinales (Fig. 8 a-f), de la sección

de prueba de las probetas facturadas no se encontró ninguna evidencia de

agrietamiento (fisuras, grietas superficiales o secundarias). En algunas probetas se

encontró corrosión localizada con pocos productos de corrosión. Estas picaduras

pueden actuar como concentradores de esfuerzos favoreciendo el agrietamiento del

material, pero este tipo de falla no puede atribuirse a algún mecanismo de CBT. La

profundidad de las picaduras fue del orden de los 50 µm.

Fig. 6. Morfología de la superficie de fractura de las probetas de acero 5L X52 ensayadas mediante la técnica SSR en presencia de suspensiones suelo/agua del sistema I: (a) ensayo en blanco (agua destilada, N2), (b) suelo A, (c) suelo B, (d) suelo C, (e) suelo D y (f) detalle de

(e) a bajo aumento.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig. 7. Morfología de la superficie de fractura de las probetas de acero 5L X52 ensayadas mediante la técnica SSR en presencia de soluciones suelo/agua del sistema II: (a) suelo E,

(b) suelo F, (c) suelo G y sistema III: (d) suelo H, (e) suelo I y (f) suelo J.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Fig. 8. Metalografía en corte longitudinal de las probetas ensayadas presencia de las soluciones suelo/agua de los sistemas: (a) I-suelo C, (b) I-suelo D, (c) detalle a bajo aumento

de II-suelo F, (d) II-suelo F, (e) III-suelo H y (f) III-suelo I.

(c) (d)

(e) (f)

(a) (b)

X300X40

X80X80

X80X80

Velocidad de corrosión

En la Tabla 8 se indica la velocidad de corrosión del acero 5LX-52 en presencia de las

muestras de suelo H y J provenientes del sistema III.

Tabla 8. Velocidad de corrosión del acero 5L-X52 en presencia las muestras de suelos H y J.

Muestra pH V corr [mpy]

H 6,8 3,9

J 5,7 3,0

La velocidad de corrosión obtenida en los cupones de acero X52 en presencia de las

suspensiones suelo/agua estuvo comprendida entre 3-4 mpy. La morfología de la

superficie de los cupones, antes y después del decapado fue observada a bajo

aumento y en MEB. En la Fig. 9, se muestra la superficie de los cupones que fueron

ensayados en presencia de las muestras H y J. Se observa que todos presentan una

película anaranjada con delgado espesor, característica de los procesos corrosivos del

hierro en presencia de un medio acuoso oxigenado. Dado el aspecto y la apariencia de

los productos de corrosión, se presume la presencia de óxido de hierro (Fe2O3) e

hidróxido de hierro Fe(OH)3.

Como la microestructura del acero presenta un tamaño de grano pequeño, se tiene una

alta energía superficial en condiciones favorable a los procesos de corrosión (estado

más estable); mientras que la continuidad de las fases, promueve la coalescencia de

picaduras.

Se establece un equilibrio dinámico en las reacciones de óxido-reducción en donde la

reacción anódica es la oxidación del hierro: Fe à Fe++ + 2e-; y las catódicas

corresponden a la de reducción del hidrógeno y el oxígeno: 2H+ + 2e- à H2 y O2 + 4H+ +

4e- à 2H2O. Por deshidratación del hidróxido o herrumbre, se produce óxido de hierro,

según:

2Fe(OH)3 ó Fe2O3 + 3H2O

(a) (b)

Fig. 9. Aspecto de los cupones de acero 5LX-52 en presencia de las soluciones con: (a) suelo H y (b) suelo J

En la Fig. 10 a-b, se muestra la morfología de la superficie de los cupones de acero

evaluados, después del decapado observadas en MEB. Se constata la presencia

corrosión uniforme leve con picaduras de diámetro del orden de 30 µm.

(a) (b)

Fig. 10. Morfología de la superficie de los cupones del acero 5LX-52, luego de 944 horas de exposición en las soluciones con suelo H y J

CONCLUSIONES

1. La microestructura del acero API 5L grado X52 está constituida de una matriz de

ferrita con colonias de perlita. El tamaño de grano es relativamente pequeño y se

presenta orientado en el sentido de laminación con una morfología bandeada. El

material presentó un bajo contenido de inclusiones.

2. Las muestras de suelo evaluadas, aún cuando presentan algunas características

similares a los suelos donde ha ocurrido el fenómeno de CBT, no están en el

intervalo de composición del electrolito de la serie NS. La concentración de iones

en el seno de la suspensión no es suficientemente alta (agresiva) como para

favorecer los mecanismos de CBT del acero.

3. El acero API 5LX grado 52, no es susceptible a la CBT en presencia de las

suspensiones suelo/agua preparadas a partir de muestras de suelo tomadas en

zonas adyacentes a la trayectoria de los sistemas de transmisión de gas y crudo

evaluadas para este estudio. La ubicación de las fallas encontradas en el sistema III

(Gasoducto Anaco-Caracas), sugiere que el mecanismo de CBT puede ser más

complejo que el reportado en la literatura.

4. La velocidad de corrosión obtenida en los cupones de acero X52 en presencia de

las suspensiones suelo/agua estuvo comprendida entre 3-4 mpy. Se encontró

corrosión localizada con picaduras de diámetro hasta 50 µm.

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