¿Qué es una tubería de acero resistente a la corrosión por hidrógeno sulfuroso?

En la industria petroquímica, la corrosión por hidrógeno sulfuroso (H2S) es prevalente y altamente peligrosa. Al analizar el mecanismo de la corrosión por H2S, este artículo introduce las formas de corrosión causadas por H2S húmedo, incluyendo la formación de burbujas de hidrógeno, fisuras inducidas por hidrógeno (HIC), fisuras por corrosión de estrés sulfurosa (SSCC) y fisuras inducidas por estrés asistido por hidrógeno. Se destaca la relación entre la concentración de H2S en fase líquida, el pH, la temperatura y otros factores con los fenómenos de corrosión mencionados. A través de estudios de casos prácticos, se analizan los requisitos básicos para seleccionar materiales de tuberías desde una perspectiva de diseño, discutiendo los criterios de selección para diferentes situaciones. Investigar materiales de tuberías resistentes a la corrosión por H2S es crucial para prolongar la vida útil de las tuberías, prevenir accidentes y mejorar la eficiencia económica.

El petróleo y el gas natural, como fuentes energéticas esenciales para el desarrollo económico nacional, son cada vez más reconocidos a nivel mundial. Actualmente, el transporte de recursos de petróleo y gas natural en China depende principalmente de tuberías, que son típicamente tuberías soldadas en espiral de acero. Debido a la compleja topografía cruzada por las tuberías, el entorno varía tanto espacial como temporalmente, lo que lleva a la erosión por diversos medios. En particular, los medios ácidos causan una corrosión severa a las tuberías. Las normas adoptadas incluyen GB/T 4157-2006, NACE TM0177-2005, ASTM G39-1999, ISO 7539-2-1989 y GB/T 15970.2-2000. Los métodos de prueba incluyen:

Método A: Prueba de tracción estándar
Método B: Prueba de curvatura
Método C: Prueba de anillo
Método D: Prueba de viga cantiléver (método de flexión de 4 puntos)

Los resultados de la evaluación se centran en el cumplimiento (presencia de fisuras EC, si se rompe).

Petróleo y Gas Natural como Fuentes Energéticas Clave

El petróleo y el gas natural son fuentes energéticas críticas para el desarrollo económico nacional y son ampliamente reconocidas a nivel mundial. Actualmente, el transporte de recursos de petróleo y gas natural en China depende principalmente de tuberías, que son típicamente tuberías soldadas en espiral de acero. Debido a la compleja topografía cruzada por las tuberías, el entorno varía tanto espacial como temporalmente, lo que lleva a la erosión por diversos medios. En particular, los medios ácidos causan una corrosión severa a las tuberías.

El hidrógeno sulfuroso (H2S) es uno de los medios más corrosivos. La concentración de H2S en los productos de petróleo y gas natural en China es relativamente alta, lo que causa una corrosión significativa por H2S. Esto requiere un mayor nivel de resistencia a la corrosión por H2S en las tuberías. Con el desarrollo a gran escala de campos de gas con alto contenido de azufre como el campo de gas Luojiazhai, es imperativo investigar materiales de tuberías resistentes a la corrosión por H2S.

Investigar materiales de tuberías resistentes a la corrosión por H2S es crucial para prolongar la vida útil de las tuberías, prevenir accidentes y mejorar la eficiencia económica.

Principios para Seleccionar Materiales de Tuberías Resistentes a la Corrosión por H2S

Para tuberías de petróleo y gas con contenido de azufre, la corrosión de pérdida de metal, fisuras inducidas por hidrógeno (HIC) y fisuras por corrosión de estrés sulfurosa (SSCC) deben ser consideradas durante la selección de materiales. Expertos rusos creen que el mayor peligro en tuberías expuestas al H2S no es la corrosión general (corrosión de pérdida de metal) sino las fisuras asociadas con la permeación de hidrógeno (SSCC). Por lo tanto, el rendimiento de resistencia a la corrosión por estrés de los materiales de tuberías es especialmente importante en tuberías que contienen H2S. Para prevenir la corrosión por estrés inducido por H2S, la norma «NACE MR-0175» recomienda que el límite de dureza de las tuberías en ambientes ácidos no debe exceder 248 HV500 o 22 HRC. Reducir el contenido de impurezas como el oxígeno y el azufre en el acero puede aumentar su resistencia a la corrosión por estrés sulfuroso.

En Canadá, el sistema de tuberías de Grizzly Valley, que abarca más de 1,770 km, utiliza tres diámetros y espesores de pared: Ø273 mm × 5.2 mm, Ø508 mm × 9.5 mm y Ø610 mm × 11.4 mm. Todas las tuberías cumplen con la norma CSA-Z245.1 Grado 52 (359) y especifican requisitos claros para la composición química del acero utilizado para transportar gas seco rico en azufre. El equivalente de carbono (CE) no debe exceder el 0.45%, determinado por la siguiente fórmula:

Además, la dureza máxima Rockwell (HRC) del acero de la tubería se establece en 20 HRC y la dureza máxima Vickers (HV) es 238.

Texas tiene regulaciones estrictas para tuberías que transportan gas natural con concentraciones de H2S superiores al 0.01%. Para garantizar las características anti-fisuración del material, se requieren pruebas de impacto Charpy V-notch para todas las soldaduras y se deben eliminar los residuos de estrés. Dos normas internacionales se utilizan comúnmente para evaluar el rendimiento de resistencia a la corrosión por estrés de los materiales de tuberías: la norma estadounidense NACE y la norma británica BP.

Tipos de Materiales de Tuberías Resistentes a la Corrosión por H2S

Desde la perspectiva de la tendencia de desarrollo de las tuberías de gas natural, los siguientes dos tipos de tuberías muestran un potencial prometedor: aceros aleados especiales de bajo costo, resistentes a la corrosión y con alta dureza y buena soldabilidad, y tuberías sintéticas de fibra de vidrio.

Aceros Aleados Especiales

Acero Inoxidable Duplex HDR

HDR es un acero inoxidable de ultra-bajo carbono, alto cromo (H), dúplex (D), resistente a la corrosión (R), consistiendo aproximadamente en un 50% de austenita y un 50% de ferrita. Combina la resistencia al impacto del acero inoxidable austenítico con la resistencia a la corrosión por estrés del acero inoxidable ferrítico, ofreciendo propiedades mecánicas altas, buena soldabilidad y resistencia a la corrosión adecuada para ambientes ácidos. La superficie de HDR forma una película protectora densa rica en cromo, níquel, molibdeno y nitrógeno, que previene eficazmente la corrosión por iones.

Acero Inoxidable Tipo 18-8

El acero inoxidable tipo 18-8, como el AISI 304, es susceptible a la fisuración intergranular y al pitting cerca de la soldadura debido a la precipitación de compuestos de cromo. Para mitigar esto, se recomienda el recocido en solución sólida, limitar el contenido de carbono y usar varillas de soldadura apropiadas. Agregar elementos traza como titanio y niobio puede mejorar la resistencia a la corrosión, por ejemplo, 1Cr18Ni9Ti, ampliamente utilizado en campos de gas.

Tuberías Sintéticas de Fibra de Vidrio

Tuberías de PE

Las tuberías de PE se fabrican a partir de resina de polietileno con aditivos necesarios y se extruyen continuamente. Son resistentes a varios medios químicos excepto oxidantes fuertes y tienen una larga vida útil, baja fricción y conexiones confiables. Estas características las hacen adecuadas para el transporte de petróleo y gas con contenido de azufre.

Tuberías de Compuesto Reforzado con Fibra de Vidrio

Estas tuberías combinan la alta resistencia a la presión de revestimientos de PVC resistentes al calor y a la corrosión con la fuerza y rigidez de la fibra de vidrio y la resistencia al impacto y a la vejez de la polietilena de alta densidad exterior. Son ligeras, resistentes a la corrosión y fáciles de instalar, lo que las hace ideales para aplicaciones de petróleo y gas.

Tuberías Compuestas Reforzadas con Acero y Plástico

Estas tuberías se refuerzan con diferentes materiales y procesos, como malla de alambre de acero, malla de placa de acero y alambre de acero tejido.

Tuberías Compuestas Reforzadas con Malla de Alambre de Acero: Consisten en una estructura de malla de alambre de acero soldada y polietileno de alta densidad. Ofrecen alta resistencia, baja expansión térmica y resistencia a los rayos UV.
Tuberías Compuestas Reforzadas con Malla de Placa de Acero: Utilizan cinta de acero perforada como refuerzo, combinada con polietileno de alta densidad. Tienen propiedades similares a las tuberías reforzadas con malla de alambre de acero.
Tuberías Compuestas Reforzadas con Alambre de Acero Tejido: Utilizan alambre de acero tejido como refuerzo, proporcionando buena unión con las capas interna y externa. La presión de trabajo depende del número de capas, típicamente alrededor de 1.6 MPa, con ventajas de costo para tuberías de gran diámetro.

En general, los aceros aleados presentan buen rendimiento y se usan ampliamente pero actualmente no cumplen los requisitos de escala industrial. Las tuberías sintéticas de fibra de vidrio tienen mayores perspectivas debido a su alta resistencia, buena flexibilidad, resistencia a la corrosión y bajo costo.

Conclusión

Para tuberías de petróleo y gas con contenido de azufre, la presencia de H2S conduce a la corrosión y degradación de las propiedades físicas, químicas y mecánicas del material, resultando en fisuras por corrosión de estrés y fisuras inducidas por hidrógeno, comprometiendo la seguridad y la vida útil de las tuberías. Por lo tanto, al seleccionar materiales, el rendimiento de resistencia a la corrosión por estrés de los materiales de tuberías debe ser priorizado, aprendiendo de países desarrollados y adheriéndose a normas internacionales. China debería fortalecer la investigación y pruebas de materiales resistentes a la corrosión por H2S para desarrollar nuevos materiales aplicables para tuberías resistentes a la corrosión por H2S.

Las tuberías de acero antiazufre son adecuadas para ambientes de gas natural ácido que contienen H2S (hasta 30 g/m³). Los materiales de fabricación previenen la fisuración sulfurosa y la fisuración inducida por hidrógeno. Según «NACE MR0175», el límite de dureza del material bruto no debe exceder 22 HRC, con un contenido de níquel no superior al 1%. Después de laminación caliente, recocido, normalización y temple, los materiales pueden ser seleccionados. Para el material A105, la dureza después del tratamiento térmico no debe exceder 187 HBW, y para el material A234, no debe exceder 197 HBW. El acero doméstico 20# corresponde a la norma A234 de los Estados Unidos y cumple con los requisitos antiazufre después del tratamiento térmico.

Tubería de Casing Resistentes a la Corrosión por H2S

La tubería de casing resistente a la corrosión por H2S se utiliza en ambientes con corrosión ácida de H2S y asegura un sellado hermético durante la producción de petróleo y gas. El material del cuerpo de la tubería es un acero de cromo-molibdeno único con alta endurecibilidad y estabilidad al temple, capaz de obtener una sorbita fina y uniforme a ciertas temperaturas. A través de ajustes microscópicos de la composición y tratamientos térmicos específicos para diferentes grados de acero, la dureza y la resistencia cumplen los requisitos de los grados correspondientes mientras demuestran una excelente resistencia a la SSCC. Los conectores de las tuberías de casing utilizan hilos personalizados sellados al gas adecuados para diversas condiciones complejas y duras. La tubería de casing especial resistente a la corrosión por estrés de H2S de la compañía ha pasado evaluaciones rigurosas por instituciones autorizadas nacionales y se usa ampliamente en los principales campos petroleros. La tubería de casing C110 grado CBS3 ha cumplido con los rigurosos requisitos de evaluación del estándar ISO 13679.

Grados Comunes de Resistencia a la Corrosión por Estrés de H2S:

CB80S, CB80SS, C90, CB90S, CB90SS, T95, CB95S, CB95SS, C110, CB110S, CB110SS
«S» indica resistencia general al azufre; «SS» indica alta resistencia al azufre

Tipos de Conectores de Casing de Petróleo:

CBS1: Hilo especial sellado al gas (tubería y casing)
CBS2: Hilo especial sellado al gas (tubería y casing)
CBS3: Hilo especial sellado al gas (tubería y casing)
CBSJ: Hilo especial sellado al gas económico (tubería y casing)
CB-NUFJ: Hilo especial sellado al gas de conexión directa (tubería y casing)
EU-HT/BC-HT: Hilo especial sellado al gas de alta torsión (tubería y casing)

Normas (Parciales):

API Spec 5CT: Especificación de tubería y casing
ANSI/NACE MR0175/ISO 15156: Materiales para producción de petróleo y gas en ambientes de H2S
ANSI/NACE TM0177: Evaluación de laboratorio de la resistencia del metal a la fisuración por corrosión de estrés sulfuroso y fisuración por estrés en ambientes de H2S
API Spec 5B: Especificación de hilos, medición y inspección de tubería, casing y tubería de línea
ISO 13679/GB/T 21267: Prueba de conexión de hilos de tubería y casing en la industria del petróleo y el gas natural

Propiedades Físicas y Químicas:

Grado	Nombre	Resistencia al Fluido (MPa)	Resistencia a la Tensión (MPa)	Alargamiento (%)	Resistencia al Impacto	Dureza
80	CB80S	552	655	655	Calculada según fórmula API 5CT	23
	CB80SS
90	C90	621	724	689	Según requisito API 5CT C90	25.4
	CB90S
	CB90SS
95	T95	655	758	724	Según requisito API 5CT T95	25.4
	CB95S
	CB95SS
110	CB110S	758	862	793	Según requisito API 5CT C110	30
	CB110SS/C110

Rendimiento de Corrosión:

Grado	Requisito de Resistencia a la Corrosión
C90	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
T95	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
CB110S	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
CB80S	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
CB90S	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
CB95S	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
C110	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
CB80SS	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
CB90SS	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
CB95SS	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
C90	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)
T95	Prueba de corrosión por estrés H2S (SSC)

Rendimiento de los Conectores:

Tipo de Conector	Resistencia a la Presión Interna	Eficiencia de Tracción	Eficiencia de Compresión	Condiciones de Pozo Aplicables
CBS1	Igual al cuerpo de la tubería	100% del cuerpo de la tubería	60% del cuerpo de la tubería	Condiciones menos exigentes, pozos poco profundos y medios
CBS2		100% del cuerpo de la tubería	60% del cuerpo de la tubería	Condiciones exigentes, pozos medios y profundos
CBS3		100% del cuerpo de la tubería	60% del cuerpo de la tubería	Condiciones más exigentes, pozos profundos y ultraprofundos, pozos horizontales
CBS3C		100% del cuerpo de la tubería	100% del cuerpo de la tubería
CBSJ		100% del cuerpo de la tubería	60% del cuerpo de la tubería	Sellado de gas de baja presión, pozos horizontales ordinarios, pozos de gran desplazamiento
CB-NUFJ		45%~66% del cuerpo de la tubería	45%~66% del cuerpo de la tubería	Pozos de reparación, tubos de cola
EU-HT/BC-HT	Igual al rendimiento API EU/BC	Pozos de petróleo ordinarios

Especificaciones del Producto:

Diámetro Exterior: Φ60.32 mm ~ Φ219.08 mm
Espesor de Pared: 4.83 mm ~ 22.2 mm