ES2230119T3 - Utilizacion de un acero inoxidable para umbilicales dentro de aguas marinas. - Google Patents

Abstract

Utilización de una aleación ferrítica austenítica de acero, con una composición en máximo de 0, 05% de C, un máximo de 0, 8% de Si, 0, 30-1, 5% de Mn, 28, 0-30, 0% de Cr, Ni 5, 80-7, 40% de Ni, 2, 00-2, 50% de Mo, 0, 30-0, 40% de N, máximo de 1, 0% de Cu, máximo de 2, 0% de W, máximo de 0, 010% de S, siendo el resto Fe e impurezas inevitables, que contienen un 30-70% de ferrita, siendo el resto austenita, para la fabricación de tuberías recocidas a una temperatura de 1040- 1080ºC tras laminado en frío, siendo dichas tuberías aptas para ser llenadas de fluido hidráulico, como tuberías de transporte aptas para soluciones para inyección química, u otro uso en umbilicales, en la industria no costera.

Description

Utilización de un acero inoxidable para umbilicales dentro de aguas marinas.

El presente invento se refiere a la utilización de una aleación de acero inoxidable, más concretamente una aleación ferrítica austenítica de acero, para su utilización bajo la forma de tuberías, destinadas a tenderse en el fondo del mar, más concretamente en la explotación de depósitos de petróleo y gas en el mar. El material, para esta aplicación en tuberías, tiene que tener, por lo tanto, buenas propiedades frente a la corrosión en medios de cloro agresivos, buenas propiedades mecánicas y físicas, buenas propiedades frente a la fatiga, así como buena compatibilidad frente al tipo de fluidos hidráulicos que han de ser transportados en las tuberías. Las tuberías para esta aplicación están destinadas a ser fabricadas como tuberías extrudidas en caliente sin costuras.

Para la extracción de petróleo en el fondo del mar, se perforan agujeros desde el fondo del mar hasta el depósito de petróleo. En el fondo del mar, se instala una unidad para el control del flujo y para el transporte continuo del crudo hacia aquellas unidades en las que el crudo se trata y se refina, hasta convertirlo en productos terminados o semi-terminados. En la unidad del fondo del mar hay, entre otros, válvulas, que controlan extracción / presión / caudal, etc., y acoplamientos a tuberías que ofrecen la posibilidad de inyectar agentes químicos en el pozo de petróleo. A menudo, se emplea alcohol metílico para la inyección, con el propósito de evitar que el crudo se coagule y cause obstrucciones no deseadas en la tubería de producción.

Las válvulas y los acoplamientos en la unidad del fondo del mar se controlan hidráulica o eléctricamente desde una plataforma, un barco de producción u otra unidad, en superficie o en tierra. Un denominado umbilical (cordón umbilical) conecta la unidad de control con las unidades en el fondo del mar. La parte del umbilical que yace en el fondo del mar, por ejemplo entre dos unidades submarinas en diferentes lugares de extracción, se denomina umbilical estático, ya que éstas se encuentran afectadas por los movimientos del mar tan sólo a una escala relativamente insignificante. La parte del umbilical que está situada entre el fondo del mar y la superficie se denomina umbilical dinámico, y está afectada en gran medida por los movimientos en el agua y en la superficie. Ejemplos de dichos movimientos son corrientes, movimientos de la plataforma / barco de producción y movimientos ondulatorios.

La Figura 1 muestra una tubería umbilical convencional 1 tendida en el fondo del mar, que viene desde una plataforma 2 que está anclada en la superficie 3. En este umbilical, están reunidas varias tuberías 4 para el control hidráulico y eléctrico, junto con una tubería central para la inyección de agentes químicos, como alcohol metílico, en un haz de tuberías. El umbilical podría tener diferentes configuraciones, dependiendo de las exigencias de servicio de las unidades del fondo del mar, pero, normalmente, hay una tubería de diámetro mayor en el centro, para la inyección de alcohol metílico, con tuberías de menor diámetro retorcidas alrededor de ella. A menudo, se emplea una cubierta 6 de plástico, para juntar las tuberías umbilicales y hacer que el conjunto sea manejable para su tendido e instalación.

Las exigencias impuestas sobre las tuberías 4, 5 en tuberías umbilicales, están relacionadas, principalmente, con que han de ser resistentes ante la corrosión y con sus propiedades mecánicas. El material de la tubería ha de ser resistente a la corrosión en agua marina, la cual rodea la superficie exterior de las tuberías; siendo esta propiedad la que se considera más importante, ya que el agua marina podría ser muy corrosiva para el acero inoxidable. Además, el material ha de tener una elevada resistencia a la corrosión frente a las posibles soluciones corrosivas que deben inyectarse en el yacimiento de petróleo. El material tiene que ser compatible con los fluidos hidráulicos, los cuales se emplean para el control hidráulico, sin contaminar el fluido. Impurezas inevitables podrían influenciar muy negativamente sobre la función de servicio en la unidad de control del fondo del mar.

Las propiedades mecánicas del material empleado para las tuberías son muy importantes para la tubería de aplicación umbilical. Dado que la profundidad podría ser considerable en la zona de extracción del petróleo, la parte dinámica del umbilical es, generalmente, larga y, por tanto, pesada. Este peso ha de ser soportado por la plataforma o por el barco flotante de producción, y si el umbilical se hace más ligero, el empuje neto disponible podría utilizarse para otros propósitos, que no sean levantar el umbilical. En la práctica, hay dos modos diferentes de reducir el peso de un umbilical con una configuración determinada. Se podría elegir un material más ligero, o un material con la misma densidad, pero con mayor límite elástico y mayor resistencia a la tracción. Escogiendo un material con mayor resistencia, se podrían utilizar paredes más delgadas y, por tanto, la masa total del umbilical puede reducirse. Cuanto más profundo sea el mar en la zona de extracción, más importante se hace el peso total por metro del material del umbilical.

Además de buenas propiedades ante la corrosión y elevada resistencia, son necesarias buenas propiedades de resistencia a la fatiga. Esto concierne, en especial, a la parte dinámica del umbilical, la cual estará afectada en gran medida por los movimientos del agua y de la unidad flotante.

Los requisitos generales de un umbilical se pueden resumir en los siguientes:

	Contenido de Fe	35-55%
	PRE (Cr + 3,3 Mo + 16N)	mínimo 40
	Límite elástico en tensión	Rp 0,2 min = 650 MPa
	Resistencia a la tracción	Rm = 800-1000 MPa

	Alargamiento	A5 min 25%
	Temperatura de ensayo según ASTM	G48A min 50ºC
	Temperatura de ensayo según ASTM	G48B min 35ºC
	Soldabilidad
	Buena resistencia a la fatiga

El material más frecuentemente empleado hasta ahora en umbilicales ha sido un acero inoxidable ferrítico austenítico, que se comercializa bajo el nombre de Sandvik SAF 2507, y que está normalizado bajo el nombre UNS S32750. Hasta ahora, este material ha probado cumplir bien los requisitos impuestos de resistencia a la corrosión y de resistencia. Esta aleación de acero se describe con más detalle en la Patente Europea EP-A-220141. El documento US-A-5582656 revela el uso de un conocido acero dúplex apto para ser utilizado en tubos de transporte de urea a alta presión. El documento EP-A-534864 describe un acero dúplex recocido, con elevado contenido de Mo que tiene una resistencia mejorada al agua del mar, y una resistencia al impacto también mejorada. Se ha revelado, sorprendentemente, que se podría conseguir un material para tuberías con un límite elástico en tensión más elevado, y una resistencia a la tracción más alta, manteniendo al tiempo una buena ductilidad y buenas propiedades ante corrosión por picaduras, incrementando el contenido de los elementos importantes en la aleación, Cr, N y, también, con un adecuado contenido en Mo, para conseguir una aleación dúplex súper, la cual, tras la extrusión en caliente para formar tuberías sin costuras, se laminará después en frío hasta la dimensión final requerida y, tras esto, será finalmente recocida a un nivel de temperatura seleccionado con precisión.

Este tipo de material para aplicaciones en tuberías umbilicales, como se define en la reivindicación 1, y sus ensayos comparativos, se describirán en detalle a continuación.

Ejemplo 1

El material ensayado se fabricó colando tochos de 170 Kg, los cuales se forjaron en caliente hasta conseguir barras redondas con un diámetro de 126 mm, y se extruyeron en caliente para formar tuberías sin costuras con una dimensión de 48 x 5 mm, y también se laminaron en frío hasta una dimensión de 31 x 3 mm. El recocido final se llevó a cabo a 1040ºC, con un tiempo de residencia de 5 minutos, seguido por enfriamiento brusco con agua. La composición aparece en la Tabla 1. Estas aleaciones se han tenido en cuenta a modo de ejemplo comparativo, lo que indica que materiales como estos, que además se conocen de la patente norteamericana 5582656, no satisfacen, en general, los requisitos de la aplicación en cuestión, pero existe una variante necesaria con demandas específicas en la fabricación, para conseguir los requisitos de esta aplicación, que se describieron anteriormente en la descripción.

TABLA 1 Composición del material ensayado, peso - %

1

Los materiales se ensayaron frente a la corrosión con picaduras en FeCl al 6% según la norma ASTM G48C, con una temperatura de inicio de 40ºC con incrementos de 5ºC, hasta que se obtuvieron ataques de corrosión por picaduras. La temperatura a la que ocurre esto por primera vez se le denomina Temperatura Crítica de Corrosión por Picaduras (CPT).

El ensayo de alargamiento se realizó también a temperatura ambiente. Los resultados del ensayo se muestran en la Tabla 2.

TABLA 2 Resultado del ensayo de corrosión de acuerdo con la norma ASTM G48C, y también del ensayo de tracción de tuberías sin costuras de dimensiones 31 x 3 mm. Media de dos ensayos por carga

3

Ejemplo 2

El material fue fabricado en convertidor AOD, con extrusión en caliente, laminado en caliente para conformar barras redondas con un diámetro de 126 mm, extrusión de tuberías sin costuras de una dimensión de 33,2 x 3,5 mm, y, también, laminación en frío hasta una dimensión de 15,2 x 1,2 mm. El recocido se llevó a cabo a dos temperaturas diferentes, 1020ºC y 1060ºC, tiempo de residencia de 2 minutos, seguido de enfriamiento brusco con agua.

La composición del material figura en la Tabla 3. La composición del material se encuentra en el campo de la presente solicitud de patente.

TABLA 3 Composición del material ensayado, en % en peso

5

El material se examinó en relación con la corrosión por picaduras parcialmente en agua marina artificial, a elevado potencial (véase tabla 4), parcialmente en FeCl al 6% (véase tabla 5), lo que se utiliza a menudo como ensayo de aceptación para materiales de acero inoxidable altamente aleados, y que se especifica en la norma ASTM G48. En esos ensayos, el material se examinó en su forma final, es decir, laminado en un tren laminador a "paso de peregrino" y recocido, con la superficie rectificada tras el recocido. Antes de los ensayos, no se llevó a cabo más rectificado de la superficie interna ni de la externa. Los resultados muestran que el material con esta forma tiene propiedades frente a la corrosión por picaduras seguramente de acuerdo con las del SAF 2507.

TABLA 4 Temperatura crítica de corrosión por picaduras (CPT) de tuberías umbilicales de acuerdo con el invento, en agua marina artificial a +600 mV SCE de material con diferentes temperaturas finales de recocido (1020ºC y 1060ºC).

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TABLA 5 Temperatura crítica de corrosión por picaduras (CPT) de tuberías umbilicales en FeCl_{3} al 6% (ensayo de ASTM G48) de material con diferentes temperaturas finales de recocido (1020ºC y 1060ºC).

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Normalmente, en un umbilical se utilizan tuberías con dimensiones de entre 10 y 20 mm de diámetro interior. Para la calidad de acero SAF 2507 para estas dimensiones, se utilizan valores de límite elástico en tensión de 650 MPa y de resistencia a la tracción de 850 MPa, como valores que se pueden garantizar y, en consecuencia, son los valores que se emplean para el cálculo del diseño del umbilical. Las tuberías que se fabrican con el método correspondiente en la calidad de acero al que este invento hace referencia, con dimensiones correspondientes, parecen tener, sorprendentemente, un límite elástico en tensión por encima de los 850 MPa y una resistencia a la tracción por encima de los 1000 MPa, con ductilidad retenida A min 25% (véase Tabla 4).

Para satisfacer el requisito mínimo de alargamiento se precisa una temperatura de recocido final de 1060ºC, mientras que una temperatura de recocido final de 1020ºC implica que el requisito mínimo de alargamiento ciertamente no obedece a los requerimientos. Esos resultados indican que la pared de la tubería puede reducirse en casi un 20-25%, en comparación con una tubería con SAF 2507 para la misma aplicación. Para un umbilical de 2 km con, por ejemplo, 12 tuberías en la configuración, dicha reducción en el espesor de la pared puede implicar una reducción total de peso muy considerable.

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA 6 Valores para la resistencia de tuberías umbilicales con una dimensión de 15,1x1,2 mm, a temperatura ambiente, y dos temperaturas diferentes de recocido (1020ºC y 1060ºC)

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Es obvio que una temperatura de recocido de 1060ºC es más favorable que una temperatura de recocido de 1020ºC. La resistencia crítica a la corrosión por picaduras es más elevada para un material recocido a 1060ºC, y la media de alargamiento en ensayo de tensión es, también, la más alta para un material recocido a 1060ºC. Se puede observar especialmente que un material recocido a 1020ºC cumple con el requisito de un alargamiento de, al menos, el 25%, que es el requerimiento para el presente material umbilical. Una temperatura de recocido adecuada para el material está alrededor de 1060ºC, preferiblemente en el rango entre 1040 - 1080ºC.

El material de la tubería se soldó a tope con la ayuda de una varilla TIG de 0,8 mm con una composición similar a la del material base. Se empleó Ar+3%N_{2} como gas protector en la soldadura. La composición del material de aportación aparece en la Tabla 7.

TABLA 7 Composición de la varilla TIG empleada en el ensayo de soldadura

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El material se sometió a un ensayo de tracción de acuerdo con la norma ASTM G48C, con una temperatura de inicio de 40ºC, e incrementos de 5ºC. Los resultados aparecen en la Tabla 8.

TABLA 8 Resultado del ensayo de tracción y del ensayo de corrosión por picadura (temperatura crítica de corrosión por picadura de acuerdo con la norma ASTM G48C) de tuberías soldadas a tope, con dos temperaturas de recocido diferentes del material de la tubería

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Se estudiaron las propiedades de fatiga con control de deformación para el material y se compararon con las de otros aceros inoxidables altamente aleados. Los ensayos se llevaron a cabo como ensayos con control de la deformación con carga variable según una forma de onda sinusoidal y una tasa media de alargamiento de 5x10^{-3} S^{-1}.

Los resultados aparecen en la Figura 2.

Resultó evidente que el material más apropiado para el antes mencionado recocido final y bien optimizado en cuanto al resto, para la tubería de aplicación umbilical, debe tener una composición limitada a un contenido de C máximo del 0,05%, un máximo de Si del 0,8%, 0,30-1,5% de Mn, 28,0-30,0% de Cr, 5,80-7,40% de Ni, 0,30-0,40% de N, máximo de 1,0% de Cu, máximo de 2,0% de W, máximo de 0,010% de S, siendo el resto Fe e impurezas normalmente presentes, de las cuales el contenido de ferrita constituye el 30-70%, y siendo el resto, austenita. Tras el laminado final en frío, las tuberías se someten a un recocido final a 1040-1080ºC durante un tiempo de 3-10 minutos, seguido por un enfriamiento brusco en agua.

Resultó que el acero del presente invento tiene propiedades de fatiga del mismo orden que el SAF 2507. Las propiedades de fatiga con control de deformación indican en qué medida y cuántas veces un material puede ser sometido a extensión antes de que aparezca en el material fatiga por deformación. Como las tuberías umbilicales se sueldan entre sí para formar grandes tramos, no es raro que se dé un número de ciclos de trabajo en los que ocurra una cierta deformación plástica antes de que se utilice el umbilical. Los datos recogidos, para la fatiga por deformación, subrayan que el riesgo de rotura a consecuencia de la fatiga por deformación en una tubería umbilical es prácticamente inexistente.

El acero según el análisis mencionado anteriormente tiene propiedades que le hacen ser excelente para su aplicación en tuberías umbilicales. El material tiene una alta resistencia a la corrosión en agua marina gracias a su alto número PRE, y es compatible con la mayoría de los fluidos actualmente, que se transportan en las diferentes tuberías del umbilical. La elevada resistencia del material hace que el espesor de la pared pueda reducirse considerablemente, en comparación con el material más comúnmente empleado actualmente para esta aplicación, el SAF 2507. El ahorro en peso del umbilical es de extrema importancia en la minería de petróleo en grandes profundidades del océano, lo cual es cada vez más usual.

La unión por soldadura de las tuberías funciona satisfactoriamente, lo cual es un requisito para que se puedan realizar los umbilicales. Las propiedades frente a la fatiga muestran que el riesgo de rotura por deformación reducida en fatiga es casi inexistente.

Claims (5)

1. Utilización de una aleación ferrítica austenítica de acero, con una composición en máximo de 0,05% de C, un máximo de 0,8% de Si, 0,30-1,5% de Mn, 28,0-30,0% de Cr, Ni 5,80-7,40% de Ni, 2,00-2,50% de Mo, 0,30-0,40% de N, máximo de 1,0% de Cu, máximo de 2,0% de W, máximo de 0,010% de S, siendo el resto Fe e impurezas inevitables, que contienen un 30-70% de ferrita, siendo el resto austenita, para la fabricación de tuberías recocidas a una temperatura de 1040-1080ºC tras laminado en frío, siendo dichas tuberías aptas para ser llenadas de fluido hidráulico, como tuberías de transporte aptas para soluciones para inyección química, u otro uso en umbilicales, en la industria no costera.

2. Utilización de una aleación según la reivindicación 1, que muestra un límite elástico en tensión en tuberías sin costuras de, al menos, 750 MPa, y, al mismo tiempo, un alargamiento de, al menos, el 25%.

3. Utilización de una aleación según la reivindicación 1, que muestra un límite elástico en tensión en tuberías sin costuras de, al menos, 850 MPa, y, al mismo tiempo, un alargamiento de, al menos, el 25%.

4. Utilización de una aleación según las reivindicaciones 1-3, en forma de tuberías de acero, que se sueldan a tope unas con otras, y se enrollan en un cilindro.

5. Utilización de una aleación según las reivindicaciones 1-4, en que el material se utiliza en forma de tubería sin costuras extrudida en caliente, la cual, tras el laminado en frío, se somete a un recocido a una temperatura de 1040-1080ºC, con un tiempo de residencia de 3-10 minutos, seguido por enfriamiento brusco en agua.