FALLAS EN RECUBRIMIENTOS DE CROMO DURO EN BARRILES DE BOMBAS DE EXTRACCION DE PETROLEO: CARACTERISTICAS Y ORIGENES

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1 FALLAS EN RECUBRIMIENTOS DE CROMO DURO EN BARRILES DE BOMBAS DE EXTRACCION DE PETROLEO: CARACTERISTICAS Y ORIGENES Arturo L. Burkart (1) (1) Comisión nacional de Energía Atómica, U.A.Materiales, Av del Libertador 8250, Buenos Aires, ARGENTINA, burkart@cnea.gov.ar RESUMEN La producción petrolera en los yacimientos argentinos se realiza en condiciones cada vez más exigentes para los materiales de tubos y equipos. Para darle mayor resistencia a la corrosión y al desgaste, los barriles de las bombas mecánicas llevan un recubrimiento interno de cromo duro aplicado por vía electrolítica. El incremento en la frecuencia de fallas de este tipo de recubrimientos, llevó a estudiar los diversos modos de falla para establecer las causas y las posibles soluciones. Se evaluaron los recubrimientos en cuanto a su espesor, a la calidad de la interfase acero cromo, la dureza y la red de microfisura de origen. En las distintas piezas analizadas se observó, además de las perforaciones y la reducción de espesor por desgaste, la presencia de fisuras en el recubrimiento de cromo y la formación de ampollas alineadas. La presencia de fisuras presupone la existencia de tensiones que superan la resistencia del material. Se analizó el posible origen de dichas tensiones y su modo de acción. Palabras Claves: corrosión, cromo duro, 1. INTRODUCCIÓN La producción petrolera en los yacimientos argentinos se lleva a cabo en medios cada vez más agresivos para los materiales de los equipos utilizados. Con el fin de otorgarle una adecuada resistencia a la corrosión y el desgaste, los barriles de las bombas mecánicas de extracción de petróleo, construidas en acero tipo SAE 1040, llevan un recubrimiento interno de cromo duro electrolítico. La calidad de los recubrimientos se logra mediante una película homogénea de 80 a 90 μm con buena adherencia al material base y una interfase sin heterogeneidades o poros. Durante la fabricación, se genera una red densa de microfisuras que, si tienen un tamaño no superior al 10% del espesor de la película y están homogéneamente distribuidas le otorgan la ductilidad y la dureza adecuadas. La experiencia indica que la dureza debe estar entre 850 Y 1050 Hv100 (1) o mayor de 67 HRc (2). Si bien el cromo es menos noble que el acero, está cubierto por una delgada película de óxido pasivo que le otorga muy buena resistencia a la corrosión en medios de producción petrolera. Este recubrimiento se aplica en un baño electrolítico de CrO 3 con H 2 SO 4 como catalizador sobre las piezas de acero y se le da una terminación superficial homogénea mediante un pulido rotatorio bidireccional. Las fallas de los recubrimientos de cromo duro producen rápidamente la corrosión del acero subyacente en el medio corrosivo de fondo de pozo y la perforación de la pared del barril (Fig. 1). Debido a eso la vida útil de estas piezas depende marcadamente del comportamiento del recubrimiento de cromo duro. Un relevamiento de gran número de casos (2) plantea que los procesos de deterioro principales son el desprendimiento localizado (flake off) y en menor medida el desgaste (wear out). En este trabajo se analizaron las características de distinto tipo de fallas por corrosión y desgaste que fueron halladas en barriles usados con el objeto de establecer el origen y los factores que influyen como desencadenantes en cada uno de ellos que comienzan necesariamente con un debilitamiento y/o en la ruptura localizada de la película de cromo.

2 2. DESARROLLO DEL TRABAJO Los análisis de las piezas falladas consistieron en la observación en los microscopios óptico y electrónico de barrido de la superficie y de cortes transversales de las partes en los sitios con indicios de falla. Se revelaron las microfisuras superficiales con solución alcalina de ferricianuro de potasio (80 g/l de K 3 {Fe(CN) 6 } + 80 g/l de NaOH) durante 30 minutos y a C. Para la observación en corte se atacó el cromo con NaOH 10% durante 4 segundos de 4 volts de tensión. En algunos casos se reveló la microestructura del acero base con Nital al 4%. En todos los casos las piezas estuvieron en operación en contacto con medios multifásicos de hidrocarburos, soluciones acuosas con más de ppm de cloruros y sales incrustantes de calcio y bario. La presión de servicio fue entre 5 y 6 MPa y la fase gaseosa tiene alto contenido de CO 2. La temperatura media en fondo de pozo fue de 60 C. Estos fluidos arrastran normalmente arena fina y sales precipitadas duras que actúan como agentes de fricción y desgaste. que presenta este recubrimiento. Se hallaron ampollas alineadas en sentido longitudinal, producto de la a b Figura 2. Recubrimiento de cromo duro a) sin uso y b) luego de un año de servicio Figura 1. Perforación pasante a partir de falla en el recubrimiento de cromo duro El primer caso fue un barril perforado en el cual, alrededor de la falla pasante, Fig. 1, se hallaron otros sitios con fallas incipientes en el recubrimiento, precursoras de picaduras como la primera. Este barril sufrió un importante desgaste por fricción con partículas sólidas. La Fig. 2 muestra la superficie del cromo duro de un recubrimiento nuevo (a) y de uno usado (b). En éste último desaparecieron las rayas de pulido bidireccional a 45 de origen por el desgaste con sólidos y se ven las rayas longitudinales de diverso espesor provocadas por la fricción con partículas, fundamentalmente de arena, arrastradas por el émbolo. En ambas imágenes se ve la red de microfisuras del cromo duro que perdura a pesar del desgaste en la pieza usada. La medición en corte de la pérdida de espesor de la pieza usada indicó una reducción de hasta 70% del espesor original. En las Figs. 3 y 4 se muestran las diversas formas de falla corrosión del acero base y de la acumulación de óxido en la interfase. La alineación en sentido longitudinal de las ampollas indica que se iniciaron en sitios localizados de falla que son generados por el desplazamiento del émbolo y el arrastre de partículas duras de sólidos. Las ampollas de algunos milímetros Figura 3. Poros y fisuras en un recubrimiento de cromo duro con un año de uso.

3 de tamaño, corresponden a un proceso de corrosión avanzado. La Fig. 4 muestra otros tipos de falla incipientes que se hallaron en esta pieza. Estos son: largas fisuras, de varios milímetros de extensión, orientadas longitudinalmente como las rayas de desgaste de la Fig. 2b y un agrupamiento de pequeños Figura 4. Ampollas alineadas poros alrededor de uno mas grande. Este tipo de poros o desprendimientos localizados están distribuidos en toda la superficie del barril. En el centro se aprecia un usado. Estos poros, de algunos micrones de diámetro, son producto del desprendimiento de pequeños trozos de cromo superficial y están en algunos casos asociados a las rayas de desgaste y en otros a las fisuras longitudinales (ver flechas). Las fisuras se hallaron primero en una zona de ampollas alineadas, Fig. 3, pero luego se vieron también en sitios alejados de las mismas, Fig. 4. Se hicieron cortes transversales de la pared del barril usado en varios puntos para corroborar las observaciones superficiales. La Fig. 5 muestra la película nueva (a) de cromo duro de unos 100 μm de espesor con la red de microfisuras de origen. La pieza usada no sólo perdió espesor sino que presenta la rayadura provocada por la fricción. En el borde de la misma se formó una fisura pasante (flecha izquierda) que dio lugar al inicio de la corrosión del acero al carbono en la interfase. La imagen muestra también otras fisuras pasantes (flecha derecha) fuera del valle de la rayadura que dan lugar a corrosión, indicando que la deformación por fricción de partículas duras no es la única causa de formación de fisuras pasantes. El recubrimiento sufrió, también, formación de fisuras paralelas a la superficie, precursoras de los desprendimientos localizados como se marca con la flecha en la Fig. 6 a Figura 6. Recubrimiento de cromo duro con fisura b Se realizó un corte sobre una de las ampollas que muestra la Fig. 3 y se observó al SEM. La Fig. 7 muestra el recubrimiento de cromo que está separado del acero base, cuya microestructura ferrítico perlítica aparece revelada con Nital 4%, por la acumulación de productos de corrosión del acero (flecha). Se trata de Fig. 5. Recubrimientos de cromo duro nuevo (a) y usado (b)

4 Fig. 7. Corte de una ampolla (200x). óxido de hierro, determinado por EDAX. En el centro de la ampolla se aprecia la fisura que dio origen a la falla y se ven fisuras pasantes a los costados, producto de las tensiones generadas por el crecimiento del óxido. En un segundo caso estudiado, un barril presenta fallas localizadas en el recubrimiento de cromo duro que derivaron en picaduras y corrosión del cromo en zona adyacente. La Fig. 8 muestra el aspecto de estos sitios los cuales tienen aspecto de corrosión en rendijas o bajo depósitos y que están orientados en sentido circunferencial. El cromo es resistente a la corrosión en los fluidos de fondo de pozo. Se requieren condiciones de acidificación con ph< 5 para que se produzca corrosión significativa del cromo. En condiciones de rendija, la corrosión del acero aporta iones Fe 2+ que por hidrólisis producen H + que acidifica el medio. La condición de rendija es fundamental para que la cinética de formación de H +. sea más rápida que los procesos de difusión de estos iones a la solución y se produzca acidificación localizada. La morfología de ataque coincide con la forma de corrosión del cromo en solución diluida de ácido clorhídrico como se puede ver en las Figuras 9 a y b. Los sitios de inicio de corrosión están asociados con las microfisuras del cromo duro y con las rayaduras de desgaste en el caso del barril usado. El área de cromo corroída está orientada en sentido circunferencial y no longitudinal como sería de esperar en un barril que estuvo en posición vertical. Esto que avala la hipótesis que es producto de la formación de un depósito o una rendija entre el barril y el vástago de la bomba y que se produjo durante un período con el pozo fuera de producción. En otros sitios, las fallas fueron únicamente por desprendimiento de trozos de recubrimiento como se ve en la Fig. 10. Este barril no mostró signos de desgaste por fricción, ya que el recubrimiento de cromo duro conservó los 100 μm de espesor en las distintas muestras tomadas y la dureza estuvo alrededor de 67 HRc. Sin embargo la observación en corte y el revelado de las microfisuras, permitió a b Figura 9. Corrosión del cromo en medio acido. a) corrosión rendija en un recubrimiento de cromo duro. b) corrosión de cromo en HCl 0,1 M Figura 8. Picadura con corrosión extendida del cromo

5 Figura 10. Desprendimiento del recubrimiento de cromo detectar fisuras cuyo largo casi alcanza el espesor del recubrimiento. La Fig. 11 muestra dichas fisuras al microscopio óptico y en la Fig. 12 se ve, en detalle con 2000x de aumento, que las fisuras son producto del colapso y encadenamiento de múltiples microfisuras de origen. Este tipo de figuración no está asociada con procesos de fricción y desgaste ni, aparentemente, con fenómenos de corrosión. Figura 12. Fisura observada al SEM (2000x) microporos observados en la Fig. 4. un factor desencadenante es la presión hidrostática del sistema que, como se esquematiza en un croquis de un barril en la Fig. 13, genera tensiones de tracción sobre las microfisuras. La tensión en el fondo de dichas microfisuras es función de la tensión σ y esta de la presión total P. En conjunción con este fenómeno, se presenta el fenómeno de corrosión - desgaste (wearcorrosión) (3) que es indicativo de que, junto con el desgaste por fricción de la película de cromo, se produce un proceso de corrosión del cromo. La existencia simultánea de medio corrosivo y tensiones, σ P Figura 11. Fisuras pasantes (200x) detectar fisuras cuyo largo casi alcanza el espesor del recubrimiento. La Fig. 11 muestra dichas fisuras al microscopio óptico y en la Fig. 12 se ve, en detalle con 2000x de aumento, que las fisuras son producto del colapso y encadenamiento de múltiples microfisuras de origen. Este tipo de figuración no está asociada con procesos de fricción y desgaste ni, aparentemente, con fenómenos de corrosión. Deben actuar otros factores para desencadenar el crecimiento de las microfisuras que lleve al colapso de las mismas y generen fisuras de tamaño suficiente como para producir desprendimientos localizados en el recubrimiento de cromo duro que de lugar a los Figura 13. Croquis del corte transversal del barril permite suponer el desarrollo de procesos de corrosión bajo tensiones en caso que el medio corrosivo ingrese dentro de las microfisuras. Cálculos simples de fractomecánica permiten estimar las tensiones críticas para el crecimiento estable de fisuras. Ese proceso se acelera marcadamente si el avance de una microfisura lleva al contacto con otra preexistente y permite el encadenamiento de las mismas. Se planea llevar a

6 cabo futuros trabajos experimentales para explorar esta hipótesis. 3. CONCLUSIONES 1. Los procesos de falla en recubrimientos de cromo duro de barriles de bombas de extracción de petróleo que operan en yacimientos argentinos son, predominantemente, el desgaste (wear off) y el desprendimiento localizado (flake off). 2. Situaciones de salida de producción dejan las bombas en contacto con fluidos corrosivos el tiempo suficiente para que se desarrollen procesos de corrosión localizada del cromo, por mecanismos de acidificación localizada típicos de corrosión en rendijas o bajo depósito, que deterioran el recubrimiento de cromo duro y dan lugar a corrosión del acero subyacente. 3. Las fallas pasantes se inician en el desprendimiento localizado en la película de cromo duro. Estos desprendimientos están asociados, en algunos casos, con rayaduras provocadas por fricción. 4. Se hallaron fisuras de un largo similar al espesor de la película de cromo que no están asociadas con procesos de fricción con partículas duras. Estas fisuras pueden crecer por efecto de la presión hidrostática del sistema, cuya componente tangencial en presencia de un medio corrosivo puede dar lugar a fenómenos de corrosión bajo tensiones. El colapso de una microfisura en crecimiento con otra similar cercana, produce una marcada aceleración del avance de la fisura que llega más rápidamente hasta el acero al carbono. 4. REFERENCIAS 1. ASM Handbook, Vol. 13, pág SPE Image Library, 1995, SPE Inc. SPE 30640, B.J. Williams, Particulate Problems for Rod Pumped Wells 3. L. Fedrizzi et al, Wear 253(11-12), 1173(2002)