Estudios electroquímicos y de erosión por impacto de arena seca en acero al carbono

Informes científicos volumen 5, Número de artículo: 16583 (2015) Citar este artículo

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Este estudio investigó la erosión seca y acuosa del acero dulce utilizando técnicas electroquímicas y de impacto de arena seca. En experimentos de impacto con arena seca, el acero dulce se erosionó con partículas de arena de 45 μm y 150 μm. Se utilizaron microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDX) y técnicas de microdureza para elaborar la morfología de la superficie de las muestras erosionadas. Los resultados revelaron un cambio significativo en la morfología de las muestras erosionadas. Un análisis en profundidad mostró que, aunque la erosión del metal debida a partículas más grandes era significativamente mayor, los finos también dañaban notablemente la superficie del metal. Los daños superficiales se redujeron apreciablemente con la disminución del ángulo de impacto de las partículas aceleradas. Los daños máximos se observaron en un ángulo de impacto de 90°. La dureza de las muestras tratadas con arena de 45 μm y 150 μm se mantuvo en el rango de 88.34 a 102.31 VHN y 87.7 a 97.55 VHN, respectivamente. En experimentos electroquímicos, se agregó una sonda de electrodo triple al proceso de tratamiento de metales. Las mediciones de la resistencia a la polarización lineal (LPR) se realizaron en lodos que tenían un 5% (en peso) de partículas de arena. La LPR de las muestras tratadas con lechadas de arena de 45 μm y 150 μm se calculó en aproximadamente 949 Ω.cm2 y 809 Ω.cm2, respectivamente.

La erosión se define generalmente como la pérdida de material de la superficie metálica que es impactada por un fluido que fluye y transporta pequeñas partículas sólidas con una secuencia de acciones mecánicas1,2. La relación entre las diferentes definiciones de la erosión en realidad se refiere a la erosión de los metales por varios mecanismos dañinos. Hay muchos casos en los que ocurren accidentes con fugas debido a la erosión de los metales causada por la arena gruesa y los finos en las industrias del petróleo y el gas2,3. Algunos casos resultan fatales debido a fugas de gas natural altamente presurizado de las líneas de flujo de producción, lo que puede causar explosiones como se ilustra en la Fig. 1.

Falla causada por erosión por impacto de arena del acero dulce.

El petróleo y el gas extraídos del pozo están inevitablemente contaminados con arena y otras partículas sólidas. Los desechos no deseados son la principal fuente de una serie de problemas de seguro de flujo en la industria del petróleo y el gas. El daño de los accesorios y tuberías también es una consecuencia de la erosión por impacto de arena. Si la erosión no se predice, monitorea y controla adecuadamente, puede obstaculizar todo el proceso de producción. En algunos casos, puede provocar la parada del proceso durante un período de tiempo prolongado. Por lo tanto, es importante comprender y predecir la erosión por impacto de arena para una protección adecuada de las tuberías y los equipos contra sus peligros potenciales3.

El proceso de erosión se clasifica además en erosión de prueba y erosión acuosa. Este estudio se ocupa de los procesos de erosión tanto secos como acuosos. La erosión acuosa involucra la remoción del material ya sea por colapso de burbujas o impacto de partículas sólidas/líquidas. En el presente caso, la erosión del acero dulce en un ambiente de impacto de arena seca y lechada de arena al 5% en peso se realizó con dos tamaños de partículas. Es importante mencionar que la erosión suele ser extrema en presencia de la arena en el fluido. La erosión de lodos o acuosa también es un problema importante en las turbinas hidráulicas y otras máquinas de fluidos donde las partículas sólidas erosionadas arrastradas en el fluido chocan contra la superficie del metal para causar su degradación3,4.

Una reacción electroquímica deteriora la superficie del material por erosión y corrosión, mientras que la fuerza mecánica de las partículas sólidas daña la superficie por erosión. En un medio acuoso o lodo, la velocidad de la reacción electroquímica del material pasivo es relativamente más baja que el flujo de la corriente que transporta las partículas sólidas5. Los fluidos que fluyen pueden deteriorar las capas pasivas total o parcialmente. Sin embargo, la erosión de la superficie depende esencialmente de la velocidad de las partículas sólidas, el ángulo de impacto, la resistencia mecánica y la nitidez de las partículas involucradas en el proceso. La ruptura de las películas pasivas provoca la despasivación de la superficie, por lo que la velocidad de la reacción electroquímica aumenta debido a la repasivación y la disolución metálica. Sin embargo, períodos de impacto muy cortos y deformaciones muy localizadas pueden dar lugar a un fenómeno de impacto complicado3,4,5.

Este artículo trata sobre la erosión seca y acuosa del acero dulce utilizando técnicas electroquímicas y de bombardeo con arena. La motivación para realizar este trabajo fue principalmente el interés en cuantificar el efecto del tamaño de las partículas de arena en la erosión del acero dulce utilizando dos técnicas diferentes. Rara vez se vio en informes anteriores que los investigadores usaran ambas técnicas al mismo tiempo para estudiar la erosión por impacto de arena en las líneas de flujo de producción. El trabajo dado fue un esfuerzo para llenar el vacío de investigación existente. Las pruebas electroquímicas se realizaron utilizando el mecanismo de erosión de la olla de lodo, mientras que las pruebas de erosión seca se realizaron acelerando y bombardeando las partículas de arena en las muestras de acero en una cámara seca. El objetivo del trabajo fue investigar cómo la arena erosiona las líneas de flujo. Hay varios parámetros que pueden afectar la erosión de la superficie metálica, como la velocidad del aire, el caudal de arena, el ángulo de impacto, el % del peso de la arena en la lechada y la distancia de la superficie objetivo a la boquilla. En este documento, se investigó el efecto del tamaño de las partículas de arena, el ángulo de impacto, el % en peso y la distancia de la boquilla sobre la erosión del acero dulce mediante mediciones SEM, EDX, LPR y pruebas de microdureza.

Se utilizó el método de tamizado en seco para clasificar el tamaño de las partículas de arena. Estos análisis se realizaron utilizando un conjunto de tamices con tamaño de pantalla gradualmente decreciente. El esquema de la disposición de los tamices utilizados para el tamizado de arena seca se muestra en la Fig. 2. La arena seca se pasó a través de un conjunto apilado de tamices de los siguientes tamaños de malla: 1,18 mm, 600 μm, 425 μm, 300 μm, 212 micras, 150 micras, 63 micras y 45 micras. La muestra de formación se colocó en la parte superior de la serie de mallas y se filtró a través de las mallas hasta que quedó frente a la malla con aberturas más pequeñas que el tamaño del grano. Se aplicaron vibraciones mecánicas para ayudar a que los granos de arena se filtraran a través de las diversas mallas. Este método se utilizó para obtener muestras de arena gruesa y fina con un tamaño promedio de 45 μm y 150 μm, respectivamente.

Esquema de la disposición de los tamices utilizados para el tamizado de arena seca.

El tipo de arena era arenisca, que es una roca sedimentaria clástica de partículas del tamaño de la arena. Se utilizó como agente de erosión para la erosión de líneas de flujo. Las placas de acero dulce de 5 mm de espesor se bombardearon con partículas de arena fina y gruesa. Estas placas representaban la superficie interna de la línea de flujo de producción. La composición química del acero al carbono S45C fue 0,42 %–0,48 % de carbono, 0,15 %–0,35 % de silicio, 0,6 %–0,9 % de manganeso, 0,030 % de fósforo máximo y 0,035 % de azufre máximo. El esquema de la configuración experimental para la erosión por impacto de arena seca se muestra en la Fig. 3. Se diseñó y fabricó un equipo de prueba de impacto de arena seca para realizar los experimentos en el aire en condiciones de temperatura ambiente (24 °C) y presión atmosférica (1 atm). La sección de prueba del equipo era una caja de acrílico transparente. Las muestras de acero dulce se montaron a la salida de la boquilla diseñada de acuerdo con la guía ASTM. La mezcla de aire y arena se aceleró a través de una boquilla a la velocidad requerida. El soplador de aire era capaz de suministrar aire a una tasa de flujo máxima de 120 m3/h. La velocidad del flujo de aire se fijó en 20 m/s y las placas de acero se bombardearon con arena en ángulos de impacto de 30°, 45°, 60°, 75° y 90°. El caudal de arena se fijó en 1 kg/h durante el curso de la experimentación actual. La distancia entre la placa de acero y la boquilla se fijó en 10 cm. La morfología superficial y la composición de las muestras tratadas con arena seca y sin tratar se elaboraron utilizando SEM, EDX y número de dureza Vicker (VHN).

Esquema del banco de pruebas de erosión construido internamente.

Las pruebas electroquímicas sobre la erosión-corrosión por impacto de arena del acero dulce se realizaron utilizando un mecanismo de erosión tipo slurry pot. Se utilizó una técnica de CC basada en mediciones de resistencia a la polarización para evaluar el daño superficial del acero dulce en las mezclas de agua del grifo y arena con cloruro de sodio (NaCl) al 1% en peso. El contenido de arena en la suspensión se fijó en un 5% en peso. La técnica de medición LPR fue una configuración experimental típica compuesta por una celda con tres electrodos. La ruta de medición de la resistencia a la polarización se resume en la Fig. 4. Las mediciones de LPR se utilizaron para obtener resultados de erosión-corrosión in situ. Se conformó un sistema de triple electrodo formado por una probeta como electrodo de trabajo, un contraelectrodo y un electrodo de referencia y el potenciostato conectado a una computadora para la captura de datos. El electrodo de muestra se polarizó y se registró la corriente correspondiente que pasaba entre el contraelectrodo y el electrodo de trabajo.

Resumen del gráfico de medidas electroquímicas posibles.

La polarización de la muestra fue controlada por el potenciostato que suministraba electrones al electrodo de trabajo o al contraelectrodo. La neutralidad eléctrica de los electrodos y electrolitos se mantuvo a través de la respuesta de los iones a la polarización del electrodo. Las especies activas electroquímicas también se trasladaron al contador y reaccionaron con los electrones suministrados por el potenciostato. Aquí, la polarización de CC de la muestra se basó en un cambio en el potencial del electrodo de trabajo y la medición de las respectivas corrientes producidas en función del potencial. Las curvas de polarización correspondientes se obtuvieron en el rango potencial de -20 a +20 mV con una velocidad de exploración de 1 mV/min. Con estos datos, se realizaron mediciones de LPR en acero dulce en lodos de partículas de arena de 45 μm y 150 μm. De manera similar a las pruebas de erosión por impacto con arena seca, los experimentos electroquímicos también se realizaron durante un período de tiempo fijo de 1 hora.

A lo largo de los años, se creía que los finos en el rango de 50 a 75 μm no erosionaban significativamente el metal debido a los tamaños de partículas más pequeños y al débil impacto en la superficie del objetivo. Sin embargo, se ha observado que las partículas finas pueden escapar a través de la mayoría de los filtros de arena, lo que las hace casi inevitables en la producción de petróleo y gas. Estos finos pueden dañar gravemente las instalaciones en lugares donde la arena gruesa no puede llegar en situaciones normales4,5. Las evidencias de la industria del petróleo y el gas demostraron que la arena es una de las principales causas de la erosión de los oleoductos. En el trabajo dado, se investigó la erosión por arena seca y acuosa del acero dulce para comprender mejor la erosión por arena en las líneas de flujo de producción.

Las partículas de arena erosionada se recolectaron en la ciudad de Bandar Seri Iskandar, ubicada en el estado de Perak, en la península de Malasia. La composición de las muestras de arena se midió mediante análisis EDX. La Figura 5 muestra el escaneo EDX y el espectro de una muestra de arena rugosa, que se refinó aún más para clasificar los tamaños de grano. El análisis EDX confirmó la presencia de aluminio, silicio, fósforo y carbono en la muestra de arena erosionada. Se creyó la existencia de nitrógeno, oxígeno y flúor en la muestra debido al aire circundante6,7.

Escaneo EDX y espectro de la arena de la mina.

Las investigaciones de erosión abrasiva en acero dulce realizadas con el método de impacto de arena seca en condiciones de temperatura ambiente y presión atmosférica se muestran en las figuras 6 y 7. Es más probable que se trate de un fenómeno físico que de un proceso químico. La figura 6 muestra los espectros EDX de cupones de acero dulce sin tratar y tratados utilizados como muestra de metal en estos experimentos. La Figura 6a revela que la muestra sin tratar solo estaba compuesta de carbono, hierro y nitrógeno. La Figura 6b muestra el espectro EDX de la placa de metal después del experimento de erosión. La composición de la placa erosionada cambió significativamente en estas investigaciones. Revela que algunas de las partículas erosionadas se difundieron en la superficie del metal durante el impacto de la arena. La composición del metal post-tratamiento se cambió a carbono, silicio, hierro, aluminio y fósforo. Se vio que la erosión por impacto de arena también cambia la composición de las muestras de metal8,9,10.

EDX del acero dulce (6a) sin tratar y (6b) tratado.

Imágenes SEM del acero dulce erosionado con (7a) partículas de 150 μm en un ángulo de impacto de 90°, (7b) partículas de 45 μm en un ángulo de impacto de 90°, (7c) partículas de 150 μm en un ángulo de impacto de 45° y (7d) Partículas de 45 μm con un ángulo de impacto de 45°.

Los estudios anteriores informaron que el tamaño de las partículas influye significativamente en la erosión de la superficie del metal al determinar la cantidad de partículas que impactan en la superficie sólida7,8,9,10. Las partículas de menos de 10 micras se transportan con el medio líquido y rara vez golpean la pared; sin embargo, es probable que las partículas más grandes viajen en línea recta y reboten en las paredes. Las partículas más grandes con tamaños superiores a 1 mm se mueven lentamente y normalmente se asientan fuera del fluido, por lo que no dañaron significativamente la superficie. También hay pocas evidencias de que las partículas con bordes afilados hagan más daño que las de formas redondeadas9,10,11. Sin embargo, sería difícil concluir sobre el efecto de la variabilidad del filo y la dureza de la arena sobre la tasa de erosión en diferentes pozos y campos de producción9,10. Debido a las superficies afiladas, las partículas de arena utilizadas en el trabajo dado pueden ser más letales para las tuberías de producción.

Las micrografías SEM de muestras de acero dulce bombardeadas durante 1 hora con partículas de arena de 45 μm y 150 μm en diferentes ángulos de impacto se muestran en la Fig. 7. Las muestras sin tratar eran cupones pulidos y casi libres de rayones y zonas ásperas, como se muestra en el recuadro de la Fig. 6a. Después de los experimentos de erosión, las regiones seleccionadas de las muestras se convirtieron en círculos oscuros que revelaban la gran rugosidad de la superficie. El grado de rugosidad de la superficie dependía en gran medida del tamaño de partícula y del ángulo de impacto. Se encontró una fuerte relación entre el tamaño de partícula y el tamaño de la cicatriz de daño en la superficie del metal9,10. La arena gruesa erosionó el metal de manera más adversa en comparación con las partículas finas.

Se ha notado que la eficiencia de la colisión disminuye con la disminución del tamaño de las partículas10,11,12. Cuantitativamente, la disminución en la eficiencia de la colisión y, en consecuencia, la erosión se pueden atribuir a la menor inercia de las partículas más pequeñas que no están obligadas a seguir el movimiento del aire alrededor de un cuerpo en su camino. Por lo tanto, las partículas más grandes tendrán mayor inercia y momento para impactar la superficie del metal causando una erosión significativa. Sin embargo, los resultados presentados demuestran que las partículas finas también pueden causar una erosión significativa de la superficie del metal, incluso si la masa de los finos es menor en comparación con la arena gruesa. Por lo tanto, los daños en la superficie debido a las partículas finas pueden ser significativamente mayores en las áreas donde la arena gruesa no puede llegar en situaciones normales.

Las imágenes SEM en la Fig. 7 también revelan el efecto del ángulo de impacto en los daños superficiales. La mayor erosión del metal se observó en el ángulo de impacto de 90°, que se redujo gradualmente al disminuir el ángulo de impacto a 30° en pasos de 15°. A 90°, las partículas aceleradas no mostraban ningún deslizamiento angular e impartían la máxima energía a la superficie del metal. Sin embargo, a ángulos de impacto más pequeños, las partículas de arena exhibieron un deslizamiento angular debido a la trayectoria tangencial creada por la superficie metálica inclinada. La fuerza de impacto de las partículas se dividió en componentes axiales y radiales. Aquí, solo el componente axial contribuía a la transferencia de energía de las partículas de arena a la superficie del metal. Como resultado de esto, se redujo el impacto de arena y consecuentemente la erosión superficial.

La microdureza de las muestras de acero tratadas en función del ángulo de impacto se muestra en la Fig. 8. La dureza del acero dulce mostró una tendencia creciente con el ángulo de impacto. La dureza general de las muestras tratadas con muestras de arena de 150 μm y 45 μm se encontró en el rango de 87,7 a 97,55 VHN y 88,34 a 102,31 VHN, respectivamente. Revela que la dureza y la densidad de las partículas de arena que impactaron en la superficie del metal fueron lo suficientemente altas como para inducir la deformación plástica y la evolución de las microestructuras en la superficie de la muestra. El aumento de la dureza de las muestras tratadas con 45 μm muestra que el impacto de las partículas más pequeñas en la superficie estaba formando los granos finos, los sitios de marta y la tensión residual que posteriormente aumentó la microdureza del subsuelo13.

Microdureza de las muestras de acero erosionadas a diferentes ángulos de impacto.

Además de la erosión de arena seca, también se investigó la erosión acuosa del acero dulce utilizando una técnica electroquímica. El monitoreo LPR es una técnica electroquímica efectiva, que se utiliza para evaluar la erosión-corrosión de los metales. Implica el seguimiento de una relación entre la corriente debida a los electrones y el potencial electroquímico. Las curvas LPR correspondientes se utilizan para medir las tasas de corrosión. En esta relación, la resistencia de polarización varía inversamente con la velocidad de corrosión. En este estudio, se agregó una sonda de electrodo triple al proceso de erosión del acero dulce. Los electrodos se aislaron eléctricamente entre sí y de la línea de proceso3. Se aplicó un pequeño potencial (en el rango de 20 mV) entre los electrodos sin afectar el proceso de corrosión. La corriente correspondiente fue monitoreada y medida. LPR, que es la relación entre el potencial aplicado y la corriente entre los electrodos, se midió para muestras de acero dulce en lodos que tenían un 5% en peso de partículas de arena de 45 μm y 150 μm.

La Figura 9 muestra las curvas LPR del acero dulce corroído en lodos de partículas de arena de 45 μm y 150 μm. El comportamiento de polarización del acero dulce en lechadas de arena de 45 μm y 150 μm fue de aproximadamente 0,29 y 0,34 mm/año, respectivamente. Estos hallazgos predijeron grandes daños en la superficie debido a partículas más grandes, que se esperaban en estos experimentos. La corrosión de las muestras de acero dulce se explicó en términos de resistencia a la polarización (Ω.cm2) de las curvas de densidad de corriente-potencial. Aquí, la resistencia a la polarización de las muestras se calculó utilizando la ecuación3,14:

Curvas de polarización de acero dulce tratado con lechadas de arena de 45 μm y 150 μm.

A partir de esta ecuación, la resistencia a la polarización de las muestras en lechadas de arena de 45 μm y 150 μm se calculó en aproximadamente 949 Ω.cm2 y 809 Ω.cm2, respectivamente. Una disminución en LPR de las muestras generalmente sugiere una disminución en la resistencia a la polarización en presencia de partículas más grandes en la suspensión. Esta tendencia revela que el metal sufriría con tasas de corrosión más altas en los fluidos que transportan las partículas sólidas más grandes. La tendencia observada de la resistencia a la polarización se puede aclarar en términos de estabilidad de la capa de producto de corrosión formada externamente. El LPR permanecerá más o menos constante, si la capa de producto es estable y no se puede separar de la superficie del metal. Sin embargo, el valor de LPR fluctuará si la capa de producto no es estable. En este caso, la capa se forma y se desprende nuevamente de la superficie metálica14.

Este estudio concluye que la densidad y nitidez de las partículas de arena utilizadas en este estudio fueron lo suficientemente altas como para inducir la deformación y evolución de las microestructuras en la superficie del acero. Las líneas de flujo sufrirán índices de corrosión más altos en presencia de partículas mecánicamente más duras y más grandes en la corriente de fluido en comparación con las partículas relativamente más blandas y más pequeñas. La erosión acuosa general del acero dulce debido a la reacción electroquímica permanece relativamente más baja que el flujo de la corriente que transporta las partículas sólidas.

El flujo de arena puede deteriorar la superficie del metal total o parcialmente dependiendo de la velocidad, el ángulo de impacto, la resistencia mecánica y la nitidez de las partículas sólidas involucradas en el proceso de erosión. Por lo tanto, en ausencia de un sistema de monitoreo preciso o un modelo predictivo, se requeriría el monitoreo de rutina del espesor de la línea de flujo para advertir sobre los daños por erosión o la pérdida inminente de las contenciones. Los cupones de sacrificio también se pueden utilizar para este propósito.

Aunque la erosión del metal anticipada debido a las partículas más grandes fue mayor, las partículas finas también pueden dañar notablemente la superficie del metal. La dureza de las muestras tratadas con partículas más pequeñas coincidió estrechamente con las tratadas con partículas más grandes. Sin embargo, este acuerdo puede terminar con un aumento en el tiempo de exposición al revelar grandes daños en la superficie debido a partículas más grandes. Sin embargo, los daños superficiales pueden reducirse apreciablemente cambiando el ángulo de impacto de las partículas erosionadas con la superficie metálica15,16,17.

Cómo citar este artículo: Naz, MY et al. Estudios electroquímicos y de erosión por impacto de arena seca en acero al carbono. ciencia Rep. 5, 16583; doi: 10.1038/srep16583 (2015).

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Este proyecto de investigación está financiado por Short Term Internal Research Funding (STIRF) de la Universiti Teknologi PETRONAS, Malasia. Los autores también desean agradecer al Ministerio de Educación Superior de Malasia por proporcionar algunas de las instalaciones de investigación en el marco del Plan de subvenciones de investigación a largo plazo (LRGS) No. 15-8200-137-4-3.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica PETRONAS, Bandar Seri Iskandar, Perak, 32610, Malasia

MY Naz & SA Sulaimán

Departamento de Ingeniería Petrolera, Universidad Tecnológica PETRONAS, Seri Iskandar, Perak, 32610, Malasia

NI Ismail

Departamento de Ciencias Fundamentales y Aplicadas, Universidad Tecnológica PETRONAS, Seri Iskandar, Perak, 32610, Malasia

S. Shukrullah

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MYN realizó experimentos con arena seca y escribió el texto principal del manuscrito. NII diseñó y fabricó la plataforma experimental utilizada en el estudio dado. Ella también obtuvo la subvención de investigación para este proyecto y pagará la tarifa de publicación de la subvención aprobada a su nombre. Este proyecto se llevó a cabo bajo la supervisión de SAS. Él creó el diseño de los procedimientos experimentales involucrados y otorgó permiso para usar algunas de las instalaciones de investigación en Fluid Flow Lab. SS realizó los experimentos electroquímicos y preparó las Figuras 8 y 9. Todos los autores revisaron el manuscrito antes de enviarlo a 'Scientific Reports'.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Naz, M., Ismail, N., Sulaiman, S. et al. Estudios electroquímicos y de erosión por impacto de arena seca en acero al carbono. Informe científico 5, 16583 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16583

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Recibido: 10 Agosto 2015

Aceptado: 16 de octubre de 2015

Publicado: 12 noviembre 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16583

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