XXVIII Jornadas Técnicas 2013 Asociación de Ingenieros Petroleros de México, A. C. Presentan. 25 de Octubre de /8/2013 1

Transcripción

1 XXVIII Jornadas Técnicas 2013 Asociación de Ingenieros Petroleros de México, A. C. Potencial aplicación de tubería de acero al carbono con revestimiento de aleación resistente a la corrosión con unión metalúrgica Clad Pipe para el transporte de hidrocarburos en condiciones extremas y fluidos altamente corrosivos Predicción de la resistencia de la unión metalúrgica. Presentan Dr. Pedro Hernández Hernández Coord. Explotación de Campos de Aguas Profundas Instituto Mexicano del Petróleo Correo: phernand@imp.mx Teléfono de oficina: Teléfono Micro: * M. En C. Liborio García Merino Ingeniería de Proyecto Instituto Mexicano del Petróleo Correo: lgarciam@imp.mx Teléfono de oficina: Teléfono Micro: * de Octubre de /8/2013 1

2 Resumen La creciente demanda de energía ha generado la necesidad de explotar yacimientos cada vez más distantes y más profundos tanto en tierra como costafuera. Bajo estas circunstancias el uso de tubería convencional de acero al carbono puede resultar no viable por el riesgo de falla prematura debido a las características propias de los fluidos y las condiciones de operación de presión y de temperatura. En este trabajo se describen aspectos a considerar por el uso de tubería Clad Pipe (TCP) definida por API 5LD como tubería bimetálica compuesta de acero al carbono como material de respaldo con un revestimientos Cladding de aleación resistente a la corrosión unidos por fusión metalúrgica por laminado en caliente. Este tipo de tubería Clad Pipe ha sido instalada en varios proyectos alrededor del mundo, pero no así en el Golfo de México, en aguas pertenecientes a los Estados Unidos por cuestiones de tipo comerciales, y del lado Mexicano porque hasta ahora no ha sido requerido por las características propias de sus yacimientos que se ubican en aguas someras (profundidades menores a 100 m). 25/8/2013 2

3 Antecedentes Hoy en día existe un cierto número de combinaciones de materiales disponibles para uso en ambientes hostiles en la industria del petróleo. El material de respaldo, especificación de materiales API 5L PSL2, deben satisfacer los requerimientos de resistencia mecánica requeridos por diseño. Los materiales de revestimiento, especificación API 5LC, proporcionan la resistencia a la corrosión, como son aceros dúplex, superduplex y aleaciones base níquel, seleccionadas de acuerdo a las condiciones de operación y severidad del medio anticipado. De acuerdo a API 5LD, los espesores del revestimiento deben de ser 2mm (+3mm, - 0mm), aunque en la industria se maneja un espesor nominal de 3mm. Unión metalúrgica Un aspecto en discusión está relacionado con la resistencia de la unión bimetálica, la probabilidad de desprendimiento o colapso por presión negativa y daño mecánico durante las operaciones de limpieza/inspección por corrida de diablo. En API 5LD se establece una resistencia de unión metalúrgica entre el material de respaldo y el revestimiento debe ser mínimo 20,000 psi (1,406 kg/cm²) lo cual es evaluado siguiendo ASTM 265 pero no se especifica alguna combinación de materiales. 25/8/2013 3

4 Aplicación Sistemas de ductos para colección y transporte de hidrocarburos con altos contenidos de H 2 S y/o CO 2. Sistema de ductos para la explotación de campos en aguas profundas. Proceso petroquímicos, químicos, etc. 25/8/2013 4

5 Proceso de fabricación de Clad Plate Referencia: JFE Cat.No.C1E , 25/8/2013 5

6 Estadísticas de producción de Clad Pipe 100,000 90,000 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10,000 0 Volumen de venta (Ton) Longitud de venta (m) Valores estimados Fabricante Registros Longitud total (km) Suma de Peso (Ton) Butting 55 14,986 Cladtek 4 2 Eisenbau Krämer ,050 Gieminox 3 Japan Steel Works ,327 ProClad 36 Total ,363 25/8/2013 6

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8 Materiales Material de Soporte (Backing Materials) Valores estimados Longitud (km) Peso (Ton) API 5L B 0.4 1,758 API 5L X ,019 API 5L X API 5L X ,591 API 5L X ,871 ASTM A515 Gr DNV SAWL ,295 DNV SAWL ,496 Total ,347 Material de Revestimiento (Cladding Materials) Valores estimados Longitud (km) Peso (Ton) SAE ,155 SAE 316L ,436 SAE 317L 538 SAE 904L 377 UNS N ,784 UNS N ,382 UNS N ,692 Total ,363 25/8/2013 8

9 Mapa de selección de materiales en base a la presión parcial de Gases ácidos (H 2 S y CO 2 ) Cortesía de SUMITOMO Metal Industries Ltd. 25/8/2013 9

10 Metodología para determinación de resistencia al corte de la unión metalúrgica 25/8/

11 Resultados de ensayos de pruebas mecánicas

12 MEF: Cuerpo Geométrico Modelo geométrico con malla. Áreas de contacto Condiciones de frontera

13 Análisis MEF

14 Esfuerzos de Von Mises Lineal No linealidad en materiales

15 Observaciones y Conclusiones La utilización de tubería Clad Pipe en la industria del petróleo a nivel mundial se ha venido incrementado en los años recientes, es una tecnología madura y probada. La selección de materiales para el material de respaldo y del revestimiento de aleación resistente a la corrosión se realiza en función de límites bien establecidos en función de las presiones parciales de los gases ácidos H 2 S y CO 2 aprobados por la industria del petróleo. La resistencia al corte de la unión metalúrgica de tubería Clad Pipe excede por la resistencia mínima requerida por API 5LD de acuerdo a los resultados de pruebas mecánicas de tensión a tipo de probeta diseñado y a los resultados de simulación por el modelo de elementos finitos propuesto. La disponibilidad de adquisición es limitada por la creciente demanda mundial, tiempos de fabricación y al número reducido de fabricantes. La adquisición de este tipo de tubería se debe realizar con 6 meses a 2 años de anticipación. 25/8/

16 Cont., Los costos de inversión (CAPEX) y los de operación (OPEX) podrían variar de acuerdo a los siguientes parámetros críticos: Aumento en el precio de metales y aleaciones. Prolongados tiempos de fabricación y de entrega. Requerimientos de construcción (disponibilidad de embarcación, soldadura, inspección y reparación). Instalaciones remotas. Envió de la producción a grandes distancias mediante ducto. Vida de producción del yacimiento. Otros factores que han limitado la utilización de este tipo de tubería en México ha sido la falta de experiencia en los procedimientos de instalación, inspección y reparación, los cuales serán abordados en trabajos futuros. 25/8/

17 Agradecimientos Los autores agradecen a las compañías Sumitomo Metals Ltd., y Japan Steel Work Co las facilidades otorgadas. A los Ing. Angel A. Espinoza Tiburcio, M en I Rogelio Cruz Avila y Ing. Carlos Cortes Salas por sus contribuciones al presente trabajo. 25/8/