MXPA01013329A - Uso de un acero anoxidable para cables de servicio en agua de mar. - Google Patents
Uso de un acero anoxidable para cables de servicio en agua de mar.Info
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Abstract
La invencion se relaciona con el uso de una aleacion de ferrita-austenitica con una composicion definida respecto a C nominal a 0.05%, Si nominal a 0.8%, Mn 0.30-1.5%, Cr 28.0-30.0%, Ni 5.80-7.40%, Mo 2.00-2.50%, N 0.30-0.40%, Cu nominal a 1.0%, W nominal a 2.0%, S nominal a 0.010%, 30-70% de ferrita y el resto de austenita para tubos llenados con fluido hidraulico, como tubos de transporte para soluciones para inyeccion quimica, u otro uso en aplicacion de cables de servicio.
Description
USO DE UN ACERO INOXIDABLE PARA CABLES DE SERVICIO EN AGUA DE MAR
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención se relaciona con el uso de una aleación de acero inoxidable, determinada más cercanamente como una aleación de acero ferrítica-austenitica para uso en la formación de tubos diseñados para colocar en el fondo del mar, determinada más cercanamente en el aprovechamiento de depósitos de petróleo y gas en el mar. El material en este tubo de aplicación por lo tanto tiene buenas propiedades contra la corrosión en ambientes agresivos de cloruro, buenas propiedades mecánicas y físicas, buenas propiedades de fatiga asi como buena compatibilidad en comparación con los de tipo de fluidos hidráulicos, los cuales deben ser transportados en los tubos. Los tubos para esta aplicación están diseñados para ser fabricados como tubos extruidos en caliente sin costura. Bajo la extracción de petróleo en el fondo de los orificios del mar se taladra hacia abajo desde el fondo del mar hacia el depósito de petróleo. En el fondo del mar, una unidad para el control del flujo y el transporte continuo del petróleo crudo a aquellas unidades en donde se manejará y refinará el petróleo crudo para elaborar productos utilizables o productos semiterminados, se instalará.
iH_A.fc-i. ~¡ -^aijt,,-,*.^ En la unidad en el fondo del mar se encuentran, por ejemplo, válvulas, las cuales controlarán la captación/presión/régimen, etcétera y acoplamientos a los tubos los cuales proporcionan la posibilidad de inyectar sustancias químicas hacia abajo al pozo de petróleo. Con frecuencia se utiliza alcohol metílico para inyección con el propósito de evitar que el petróleo crudo coagule y provoque detenciones no deseadas en el tubo de producción. Las válvulas y los acoplamientos en la unidad del fondo del mar se dirigen hidráulicamente o de manera eléctrica desde una plataforma, una plataforma de producción u otra unidad a nivel del mar o en tierra. Lo que se denomina un cable de servicio (cordón de comunicación) conecta a la unidad de dirección con las unidades en el fondo del mar. Aquella parte del cable de servicio que se encuentra sobre el fondo del mar, por ejemplo entre dos unidades submarinas en lugares de extracción diferentes, se denomina cable de servicio estático debido a que está justo en una escala relativamente insignificante que se lleva a cabo de los movimientos del mar. Esa parte del cable de servicio, la cual se coloca entre el fondo del mar y el nivel del mar se denomina cable de servicio dinámica y en gran medida es afectada por los movimientos del agua y del nivel del mar. Los ejemplos de tales movimientos en el agua son las corrientes de agua, los movimientos de la plataforma/nave de producción y los movimientos ondúlate "ios .
"j-"-tf?ü-f?t -*- - La figura 1 muestra un tubo 1 de cable de servicio convencional tendido en el fondo del mar hacia afuera de una plataforma 2 la cual se encuentra anclada al nivel del mar 3. En este cable de servicio se albergan juntos un número de tubos 4 para el control hidráulico y eléctrico junto con un tubo central para inyección de sustancias químicas y alcohol metílico a un conjunto de tubos. El cable de servicio puede tener configuraciones diferentes dependientes de las demandas de servicio para las unidades en el fondo del mar, pero habitualmente existe un tubo más grande en el centro para inyección de alcohol metílico con tubos más delgados torcidos alrededor de éste. Con frecuencia se utiliza una cubierta 6 de plástico para cubrir los tubos de cable de servicio y volver a la totalidad manejable para estratificado e instalación. Las demandas en los tubos 4,5 en los tubos de cable de servicio son los más resistentes contra la corrosión y propiedades mecánicas. El material del tubo debe ser resistente contra la corrosión en agua de mar, la cual rodea la superficie exterior de los tubos, esta propiedad es aquella la cual se considera como la más importante dado que el agua de mar puede ser muy corrosiva contra el acero inoxidable. Además, el material debe tener una alta resistencia a la corrosión contra posibles soluciones corrosivas, las cuales se pueden inyectar en la fuente de petróleo. El material debe ser compatible con los fluidos hidráulicos los cuales se utilizan para el control hidráulico sin
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contaminar el fluido. Impurezas inevitables pueden alterar la función de servicio en la unidad de control en el fondo del mar de manera muy negativa. Las propiedades mecánicas del material de tubo utilizados son muy importantes para la aplicación del tubo de cable se servicio. Dado que la profundidad puede ser considerable en el lugar de la extracción de petróleo, la parte dinámica del cable de servicio se vuelve generalmente larga y por lo tanto pesada. Este peso debe ser soportado por la plataforma y si el cable de servicio se elabora más l_gero, la sustentación neta disponible se puede utilizar para otros propósitos en vez de elevar el cable de servicio. En la práctica existen dos maneras diferentes de reducir el peso de un cable de servicio con una configuración determinada. Se puede elegir un material más ligero o un material con la misma densidad pero con un punto de deformación más alto y resistencia a la tensión. Al elegir un material con mayor resistencia se pueden utilizar tubos con paredes más delgadas, y por lo tanto se puede reducir la masa total del cable de servicio. Cuanto más profundo sea el mar en el punto de extracción, más importante se vuelve el peso total por metro de cable de servicio del material. Además de buenas propiedades a la corrosión y la alta resistencia y propiedades de resistencia a la fatiga. Esto se relaciona especialmente para la parte dinámica del cable de
l-*»J -hit,j-Jt«-««-•*.... MM-a-A-u» -._ > ».-,.«.,. <,-». ,, . . t .. r,» ,,, .A »i«.~.afa¿.ntt^i]|fi.¡.¡[[fi _^_jg^»g^a_^^tj^ servicio, el cual en gran medida será afectado por los movimientos del agua y de la unidad flotante. Los requerimientos generales para un cable de servicio se pueden resumir en lo siguiente:
Contenido de Fe: 35-55% PRE (Cr+3.3Mo+16N) : mínimo 40 Punto de deformación en tensión Rp0.2min=650MPa. Resistencia a la tracción Rm=800-1000 MPa. Elongación A5 min 25% Prueba de temperatura de acuerdo con ASTM G48A min 50°C Prueba de temperatura de acuerdo con ASTM G48B min 35°C Soldabilidad Resistencia buena a la fatiga
El material utilizado con mayor frecuencia hasta ahora para cables de servicio ha sido acero inoxidable ferritico-austenitico que se vende bajo el nombre comercial Sandvik SAF 2507 y el cual se estandariza bajo el nombre UNS S32750. Hasta ahora, este material ha demostrado cumplir a cabalidad con los requerimientos establecidos respecto a resistencia a la corrosión y tenacidad. Esta aleación de acero es más cercana a la descrita en la Patente Europea EP-A-220141.
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Ha aparecido sorprendentemente que uno puede obtener un material de tubo el cual incrementa el punto de deformación en tensión e incrementa la resistencia a la tracción y al mismo tiempo mantiene una buena ductibilidad y buena corrosión ante las picaduras como propiedades al incrementar el contenido de los elementos de aleación importantes Cr, N y también un contenido adecuado de Mo para obtener una aleación super dúplex, la cual después tanto de extrusión en caliente a tubos sin costura posteriormente puede ser lámina de enfrio hasta la dimensión final requerida y posteriormente finalmente se recoce a un nivel de temperatura seleccionada con precisión. Este tipo de material para aplicaciones como tubos umbilicales y pruebas comparativas se proporcionará con detalle en lo siguiente.
Ejemplo 1
El material de prueba se fabricó por vaciado de tochos de 170 kg, los cuales se forjan en caliente a barras redondas con un diámetro de 126 mm y se extruyen en calienta hasta tubos sin costura con una dimensión de 48 x 5 mm y tamoién se laminan en frió hasta una dimensión de 31 x 3 mm. El recocido final se lleva a cabo a 1040°C, un tiempo de retención de 5 minutos seguido por enfriamiento con agua. La composición aparece de la tabla 1. Estas aleaciones se han tomado en consideración como un ejemplo
comparativo, el cual indica que los materiales como estos, los cuales además son conocidos a partir de la Patente de E.U.A. 5582656, generalmente no cumplen con los requerimientos de la solicitud en cuestión, sino que más bien es una variante optimizada necesaria con demandas especificas respecto a la manufactura para obtener los requerimientos de esta solicitud que fueron mencionados anteriormente en la descripción.
Tabla 1. Composición del material de prueba, % en peso
tl- .A^->-A-aj-J--.-,-...--at- - ... ,.. „.. . ;--.— -~^_^_. -a, ., <?¿*ks& , Los materiales se prueban para determinar la corrosión al picado en FeCl 6%, de acuerdo con ASTM G48C, pero con una temperatura inicial de 40°C e incrementos de 5°C hasta que se obtienen ataques de corrosión con picaduras. La temperatura, cuando estos sucede por primera vez, se denomina la temperatura de corrosión de picado critica (CPT) . La prueba de elongación también se realiza a temperatura ambiente. Los resultados de la prueba aparecen de la tabla 2.
Tabla 2. Resultado de la prueba de corrosión de acuerdo con ASTM G48C y también pruebas de tensión de los tubos sin costura de dimensión 31 x 3 mm. Promedio de dos pruebas por carga.
I <*.»-.,,, é faA-i- ..... -i*-» ¿ ¡??.ká
Ejemplo 2
El material se fabrica por manufactura AOD, extrusión en caliente, laminado en caliente a barras redondeadas con un diámetro de 126 mm, extrusión de tubos sin costura hasta una dimensión de 33.2 x 3.5 mm y también laminado en frió a una dimensión de 15.2 x 1.2 mm. El recocido se lleva a cabo a 2 temperatura diferentes, 1020°C y 1060°C, tiempo de retención de 20 minutos, seguido por enfriamiento con agua. La composición del material aparece de la tabla 3. La composición del material se encuentra adentro del intervalo de la presente solicitud de patente.
Tabla 3. Composición del material probado, en % en peso
El material se examina considerando la corrosión por picado parcialmente en agua de mar artificial a un potencial aumentado (véase la tabla 4), parcialmente en FeCl3 6% (véase la tabla 5) , lo cual con frecuencia se utiliza para prueba de aceptación para materiales de acero inoxidable con alta aleación y el cual se especifica en el estándar ASTM G48. En estas pruebas, el material se examina en su forma final, es decir, laminado en un molino de laminado de etapa pilgpm y recocido, con la superficie pulida en tiras después del recocido. No se lleva a cabo un pulido adicional en la superficie interior y exterior antes de la prueba. Los resultados muestran que el material en esta forma tiene propiedades de corrosión al picado aseguradas con el cumplimiento para SAF 2507.
Tabla 4. Temperatura de corrosión de picado critica de tubos de cable de servicio, de acuerdo con la invención en agua de mar artificial a +600mV SCE de materiales con diferentes temperaturas de recocido final (1020°C y 1060°C) .
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Tabla 5. Temperatura de corrosión de picado critica (CPT) de tubos de cable de servicio en FeCl3 6% (prueba ASTM G48) de material con diferentes temperaturas de recocido finales (1020°C y 1060°C) .
Los tubos con dimensiones alrededor de 10-20 mm de diámetro interior habitualmente se utilizan en un cable de servicio. Para acero grado SAF °507 para estas dimensiones, se utilizan un punto de deformación en tensión de 650 MPa y una resistencia a la tracción de 850 MPa como los valores los cuales
é-jü. fc, =. -.Jj t &e i s - A i se pueden garantizar y de esta manera se pueden utilizar para diseñar cálculos respecto al cable de servicio. Los tubos los cuales se fabrican con un método correspondiente en acero grado de manera que la presente invención se relaciona, con dimensiones correspondientes las cuales, sorprendentemente, parecen tener un punto de deformación en tensión superior a 850 MPa y una resistencia a la tracción superior a 1000 MPa con una ductilidad retenida A min 25% (véase la tabla 5) . Para satisfacer la demanda minima de elongación a una temperatura de recocido final de 1060°C, mientras que una temperatura de recocido final de 1020°C implica que la solicitud minima para elongación ciertamente no puede cumplir con los requerimientos. Estos resultados indican que la pared del tubo se puede reducir en casi 20-25% en comparación con un tubo SAF 2507 para la misma aplicación. Para un cable de servicio de 2 km, con por ejemplo 12 tubos en configuración, tal reducción en el espesor de pared puede implicar una reducción en peso total muy considerable.
Tabla 6. Valores para la resistencia de tubos de cable de servicio de una dimensión de 15.1 x 1.2 mm a temperatura ambiente y dos temperatura de recocido diferentes (1020°C y 1060°C) .
. _,-,, Á-^s.fc .i
Es evidente que una temperatura de recocido de 1060°C es más favorable que una temperatura de recocido de 1020°C. La resistencia de corrosión al picado critico es mayor para el material recocido a 1060 " y el promedio para la elongación en la prueba de tensión también es más alto para el material recocido a 1060°C. Esto se puede observa especialmente en aquel material, recocido a 1020°C que pasa la demanda de por lo menos 25% de elongación, lo cual es el requisito para el material de cable de servicio actual. Una temperatura de recocido adecuada para el material es de aproximadamente 1060°C, preferiblemente en el intervalo de 1040-1080°C. El material del tubo se suelda a tope con la ayuda de un cable TIG de 0.8 mm con una composición similar como el material básico. Como un gas protector bajo la soldadura, se utiliza Ar+N23%. La composición para el material de relleno aparece en la tabla 7.
Tabla 7. Composición del alambre TIG utilizado en la prueba de soldadura.
El material se expone a una prueba de tensión de acuerdo con ASTM G48C con una temperatura inicial de 40°C y etapas de 5°C. Los resultados aparecen en la tabla 8.
Tabla 8. Resultado de la prueba de tensión y prueba de corrosión al picado (temperatura de corrosión de picado critica de acuerdo con ASTM G48C) de tubos soldados a tope con dos temperaturas de recocido diferentes para el material del tubo.
Se estudiaron y compararon las propiedades de fatiga de control de tensión para el material con las de otros aceros inoxidables de alta aleación. Las pruebas se realizan como tensión controlada con carga cambiante con forma de onda sinusoidal y una velocidad promedio de elongación de 5 x 10"3S"1. Los resultados aparecen en la figura 2. Al parecer hay un material, el cual es el más adecuado para el recocido final mencionado antes y para el apoyo bien optimizado para la aplicación de un tubo de cable de servicio, el
i«--At*« -tt »A»^q.toJfafcfc. - ^^ ^&jH&^A^&^¿^^ g£^¡ cual debe presentar una composición limitada a un máximo de C de 0.05%, máximo de Si de 0.8%, Mn de 0.30-1.5%, Cr de 28.0-30.0%, Ni de 5.80-7.40%, N 0.30-0.40%, Cu máximo de 1.0%, W máximo de 2.0%, S máximo de 0.010% y el resto de Fe y de impurezas que se presentan normalmente, en las cuales el contenido de Fe constituye 30-70% y el resto de austenita. Después de el laminado en frió final los tubos se someten a un recocido final a 1040- 1080°C durante un tiempo de 3-10 minutos, seguido por enfriamiento con agua. Parece que el acero de la presente invención tiene propiedades de fatiga en el mismo intervalo que SAF 2507. Las propiedades de fatiga de control de tensión indican cuánto y cuántas veces un material se puede someter para extensión antes de que surja la fatiga por tensión en el material. Dado que los tubos de cable de servicio se soldarán juntos por longitudes largas, laminados en tambores antes de que se tuerzan en el cable de servicio, no es raro que se realicen muchos ciclos de trabajo en donde se produzca cierta deformación plástica, antes de que se utilice el cable de servicio. Los datos para la fatiga de tensión, los cuales se toman, subrayan el riesgo de ruptura en consecuencia de la fatiga de tensión en un tubo de cable de servicio es casi inexistente. El acero de acuerdo con el análisis mencionado antes contiene propiedades, las cuales coinciden de manera excelente con la aplicación como tubos de cable de servicio. El material
tiene una elevada resistencia a la corrosión en agua de mar, debido a su elevado número PRE y es compatible con los fluidos más utilizados actualmente, los cuales se transportan en los diferentes tubos del cable de servicio. La alta resistencia del material hace que los espesores de pared se reduzcan considerablemente en comparación con el material más común para esta aplicación actualmente, SAF 2507. El peso ahorrado en el cable de servicio es de importancia extrema para la minería de petróleo en grandes profundidades oceánicas, las cuales se vuelven cada vez más habituales. La soldadura de unión de los tubos trabaja satisfactoriamente, lo cual es una demanda para que se produzcan cables de servicio. Las propiedades de fatiga muestran que el riesgo por ruptura por fatiga reducida por tensión es casi inexistente.
Claims (5)
1. Uso de una aleación ferritica-austenitica con una composición definida a un máximo de C de 0.05%, un máximo de Si de 0.8%, Mn en 0.30-1,5%, Cr en 28.0-30.0%, Ni en 5.80-7.40%, Mo en 2.00-2.50%, N en 0.30-0.40%, máximo de Cu de 1.0%, máximo de W de 2.0%, máximo de S de 0.010%, y 30-70% de ferrita y el resto de austenita para tubos llenados con fluido hidráulico, como tubos de transporte para soluciones para inyección química, u otro uso en cables de servicio de aplicación.
2. El uso de una aleación, de acuerdo con la reivindicación 1, la cual muestra un punto de deformación en tensión en tubos sin costura de por lo menos 750 MPa y al mismo tiempo una elongación de por lo menos 25%.
3. El uso de una aleación, de acuerdo con la reivindicación 1, la cual muestra un punto de deformación en tensión para tubos sin costura de por lo menos 850 MPa y al mismo tiempo una elongación de por lo menos 25%.
4. El uso de una aleación, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en forma de tubos de acero, los cuales se sueldan a tope entre si y se enrollan en un cilindro.
5. El uso de una aleación, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, por lo que el material se utiliza en forma de un tubo sin costura extruido en caliente el cual, después de laminado en frió, se somete a un recocido a una temperatura de 1040-1080°C bajo un tiempo de retención de 3-10 minutos seguido por enfriamiento con agua. ^-v&^i&S ?tes Á..
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