Gong Guixian, Han Rongdong, Sun Yiqiang
(Instituto de Investigación de la Corporación del Conjunto de Hierro y Acero de Wuhan, Wuhan, Hubei 430080)
Resumen: La microscopía metalográfica y la microscopía electrónica de barrido se utilizaron para analizar la causa de una falla por estallido que ocurrió en una Unión giratoria en un camión fracturador durante una operación de fractura en un campo petrolífero. Los resultados muestran que la falla por explosión del Unión giratoria durante la operación de fractura fue una grieta por corrosión por tensión (stress corrosion). Debido a que el material contenía inclusiones severas de sulfuro de manganeso, se iniciaron grietas corrosivas en las inclusiones de sulfuro de manganeso bajo la acción combinada de tensiones de tracción y medio corrosivo de cloruro, que luego se propagaron más y provocaron la ruptura del Unión giratoria.
Durante una operación de perforación en un campo petrolífero, un Unión giratoria de 3 pulgadas (76,2 mm), 105 MPa, estilo 50 utilizado en un camión de fracturación, explotó repentinamente durante la operación de fracturación.
La Unión giratoria estaba fabricado con 20CrNiMo y llevaba en servicio solo alrededor de un año. La reinspección mostró que su composición química cumplía con los requisitos estándar. El proceso de producción consistía en forja, normalización, mecanizado en bruto, carburización y temple, temple a baja temperatura y mecanizado final. Antes de la entrega, se realizó una prueba de resistencia corporal a 158 MPa conforme al Procedimiento de Prueba de Fábrica para Productos de Control de Flujo a Alta Presión, y el resultado de la prueba cumplió los requisitos.
Durante la operación de fracturación, el medio en contacto con el Unión giratoria era un fluido acidificante (20% HCl + 1,5% HF + adhesivo). En un pozo, el medio ácido inyectado durante la fracturación ácida era de 400 m3 a 1.000 m3, y la presión de fracturación estaba entre 50 MPa y 90 MPa. Para determinar la causa de la falla de la explosión, se tomaron muestras de la tubería con fuga para su análisis. Este artículo presenta el proceso de análisis y los resultados.
1. Resultados de la inspección
1.1 Examen macroscópico
La Figura 1 muestra la fotografía macroscópica reensamblada del codo roto. La superficie de fractura estaba severamente corroída, pero las características frágiles de fractura seguían siendo muy evidentes. La Figura 2 muestra la superficie transversal de fractura del codo, que era la principal superficie de fractura. Se puede observar que la fractura ocurrió en el hombro de sellado, con tres orígenes evidentes de fractura ubicados en las posiciones A, B y C, como indican las flechas de la Figura 2.
Figura 1. Fotografía macroscópica del codo fracturado
Figura 2. Coincidencia con las características de la superficie de fractura del codo fracturado
Área A: una grieta longitudinal atravesó el grosor de la pared. La superficie longitudinal de fractura estaba cubierta por una capa severa de productos de corrosión. Tras la limpieza con solución acuosa caliente de ácido clorhídrico, la morfología de la fractura se muestra en la Figura 3. La superficie longitudinal de fractura podría dividirse en dos regiones evidentes. El lado cercano a la pared interior era relativamente plano, con patrones radiales que se extendían desde la superficie de la pared interior hacia el grosor de la pared, lo que indica que la grieta se originó en la pared interior. El lado cerca del muro exterior era rugoso y fibroso; Esta región era la zona final de desgarramiento. Al mismo tiempo, se encontraron muchas microgrietas longitudinales en la superficie de la pared interior, lo que muestra que la formación de la grieta longitudinal estaba relacionada con microgrietas en la superficie de la pared interior.
Figura 3. Morfología de fractura de la grieta longitudinal en el Área A
Área B: las características eran generalmente las mismas que las del Área A.
Área C: esta zona representaba aproximadamente una quinta parte de toda la superficie de fractura. Había varios andenes pequeños en capas en el tramo, con franjas radiales evidentes en los andenes. Las franjas convergían en la parte inferior del hombro exterior de sellado, donde el grosor de la pared era relativamente fino.
Basándose en las características anteriores, la secuencia de desarrollo de fracturas puede observarse de la siguiente manera: microgrietas en las superficies de las paredes internas de las Áreas A y B propagadas tanto en direcciones longitudinales como transversales. Tras alcanzar cierto grado de propagación, se formó una grieta transversal en la parte inferior del hombro de sellado en el Área C y finalmente causó una fractura transversal.
1.2 Examen Metalográfico
El examen macroscópico encontró numerosas microgrietas longitudinales en las superficies de las paredes internas en las Áreas A y B, mostradas en la Figura 2. Tras el pulido de la superficie de la pared interior, se observaron fosas de corrosión en y cerca de las grietas. Estas fosas de corrosión suelen iniciarse en inclusiones de sulfuro (véase la Figura 4). Una muestra metalográfica transversal tomada a través del fondo de un pozo de corrosión mostró que la grieta se propagaba en forma de zigzag a lo largo de la dirección de grosor de pared del codo. Había productos de corrosión presentes dentro de la grieta, y a menudo se podían observar inclusiones de sulfuro en la cola de la grieta.
Un espécimen metalográfico longitudinal mostró muchas inclusiones de sulfuro en forma de tira fina (véase la Figura 5), clasificadas como Grado A3 según GB/T 10561-2005.
La medición mostró que la profundidad de la capa carburada en las paredes interior y exterior del espécimen era de 1,2-1,4 mm, cumpliendo los requisitos técnicos pertinentes.
La microestructura superficial de las paredes interior y exterior del espécimen era martensita templada gruesa más austenita retenida. El tamaño del grano de la austenita previa era de grado 8. Las grietas se propagaban a lo largo de los bordes de los granos de austenita (véase la Figura 6) y se detenían dentro de la capa carburada. El núcleo era una estructura templada de martensita y bainita.
Figura 4. Inclusiones de sulfuro y fosas de corrosión en la superficie de la pared interior
Figura 5. Inclusiones de sulfuro en la muestra seccional
Figura 6. Propagación de grietas a lo largo de los límites de grano de austenita
1.3 Observación con microscopio electrónico de barrido
La superficie principal de fractura mostrada en la Figura 2 y las superficies longitudinales de fractura en las Áreas A y B fueron analizadas con un microscopio electrónico de barrido. La superficie de fractura estaba cubierta con productos de corrosión, en los que el cloro se enriqueció (w(Cl) = 17,11%), como se muestra en la Figura 7.
Tras la eliminación de los productos de corrosión en la superficie principal de fractura con solución de acetona, la observación mostró que las capas superficiales de las paredes interna y externa del codo, a una profundidad de aproximadamente 0,84 mm, estaban dominadas por fractura intergranular. Había grietas intergranulares secundarias locales, que muestran un patrón evidente de caramelo de roca, como se muestra en la Figura 8. Las áreas restantes mostraron características de cuasi-clivage más clivagen y un pequeño número de grietas secundarias finas.
Las muestras metalográficas se analizaron con el espectrómetro de dispersión de energía del microscopio electrónico de barrido. En los pozos de corrosión en la superficie de la pared interior, además de los óxidos de Fe y Si, se enriquecieron el cloro y una pequeña cantidad de azufre (Figura 9). La cola de grieta era ramificada y también enriquecida con cloro (Figura 10). El sulfuro en la cola de la grieta era sulfuro de manganeso, y también se enriqueció cloro en la inclusión (Figura 11).
Figura 7. Análisis EDS de productos de corrosión en la superficie de fractura
Figura 8. Características de fractura intergranular y grieta secundaria en la capa superficial de la pared exterior
Figura 9. Morfología y análisis EDS de los pozos de corrosión en la superficie de la pared interior del tramo
Figura 10. Análisis EDS de productos de corrosión dentro de la grieta
Figura 11. Inclusión de sulfuros en la cola de grieta y análisis EDS
2. Análisis de resultados
Según los resultados de la inspección anterior, la falla por explosión del Unión giratoria del camión de fracturación en este campo petrolífero durante la operación de fracturación puede identificarse como grieta por corrosión por tensión (stress corrosion).
La grieta por corrosión bajo tensión es un modo de fallo de componentes metálicos causado por la acción combinada de la tensión a la tracción, ya sea la tensión aplicada o la tensión residual, y un medio corrosivo. Los factores que causan el fallo de la explosión se analizan de la siguiente manera.
1) El análisis SEM-EDS muestra que el cloro se enriqueció en los pozos de corrosión en la pared interna del codo, dentro de las grietas y en las inclusiones de sulfuro de manganeso. La falla intergranular es una característica de la falla por corrosión por tensión (stress corrosion). Esto indica que el medio que causaba la corrosión por tensión en el codo era el cloruro, un medio fuerte de corrosión por tensión. La Unión giratoria se había utilizado solo durante aproximadamente un año y estuvo expuesto a un fluido acidificante (20% HCl + 1,5% HF + adhesivo), lo que demuestra que el cloruro se originó a partir de HCl en el fluido acidificante.
2) Para un pozo, el medio ácido inyectado durante la fracturación ácida fue de 400 m3 a 1.000 m3, y la presión de fracturación estuvo entre 50 MPa y 90 MPa. Por lo tanto, el Unión giratoria soportaba una gran tensión de tracción durante la operación, proporcionando la condición de tensión para la corrosión bajo tensión.
3) La Unión giratoria estaba hecho de 20CrNiMo, y su composición química y propiedades mecánicas cumplían con los requisitos estándar correspondientes. El examen metalográfico mostró numerosas inclusiones de sulfuro de manganeso en el material, clasificadas como Grado A3 según la norma GB/T 10561-2005. Esto indica una mala limpieza del acero. Una gran cantidad de inclusiones reduce significativamente la resistencia a la corrosión por tensión del acero. El examen metalográfico encontró que se formaron fosas de corrosión en inclusiones de sulfuro de manganeso y que se iniciaron grietas en el fondo de las fosas de corrosión. Por lo tanto, las severas inclusiones de sulfuro de manganeso en el material Unión giratoria fueron puntos de inicio para grietas por corrosión por tensión y fueron uno de los factores que favorecían la falla por corrosión por tensión por tensión y fallo.
3. Conclusión
La falla por explosión del Unión giratoria en el camión de fracturación en este campo petrolífero durante la operación de fracturación fue una grieta por corrosión por tensión (stress corrosion). Debido a que el material contenía inclusiones severas de sulfuro de manganeso, se iniciaron grietas corrosivas en las inclusiones de sulfuro de manganeso bajo la acción combinada de tensiones de tracción y medio corrosivo de cloruro, que luego se propagaron más y provocaron la ruptura del Unión giratoria.
