ANÁLISIS DE FALLA A LOS PERNOS PERTENECIENTES A DOS MOTOCOMPRESORES DE UNA PLANTA COMPRESORA DE GAS PARA POZOS

INYECTORES

A. González1*, Y. Peña2, Y. Y. Santana1

1Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, Caracas 1042-A, Venezuela.

2Gerencia de Materiales y Confiabilidad Operacional de PDVSA-INTEVEP*airamgonzalezr@hotmail.com

La confiabilidad operacional de los equipos usados en la industria petrolera nacional es de gran importancia, por lo que es vital realizar estudios que permitan mejorar el rendimiento de los equipos usados y la vida útil de sus componentes. Los motocompresores de una planta compresora de gas han manifestado una alta frecuencia de fallas prematuras asociadas a los pernos, causando problemas en las cuotas de entrega de gas de inyección establecidas; por esto se ha planteado realizar el análisis de falla a los pernos pertenecientes a dos motocompresores de una planta compresora de gas para pozos inyectores.La caracterización del análisis de falla de los pernos perteneciente a los motocompresores se realizó sobre 12 pernos. Inicialmente se realizó la inspección visual mediante toma de fotografías, posteriormente se realizó el análisis químico de las muestras por medio de las técnicas de espectrometría de fluorescencia por dispersión en la energía de rayos X y por espectroscopía por dispersión en la energía de rayos X (EDS) acoplado al microscopio electrónico de barrido (MEB). Para el estudio de la morfología de las superficies de fractura fueron tomadas macrografías a través de una lupa estereoscópica y el detalle fue observado mediante MEB. Adicionalmente, se realizó la caracterización microestructural sobre las secciones transversales de los pernos, la preparación metalográfica se llevó a cabo, sobre las muestras previamente cortadas y embutidas, mediante un desbaste con papel abrasivo de carburo de silicio de mallas # 120, 240, 320, 400 y 600 y pulido con suspensiones abrasivas de alúmina de tamaño aproximado de 1μm; 0,3 μm y 0,05 μm. Se obtuvieron fotomicrografías por microscopía óptica (MO) de las superficies preparadas metalográficamente sin ataque para caracterizar las inclusiones y posteriormente con un ataque metalográfico para revelar la microestructura. La caracterización por MEB también se realizó sobre las muestras previamente atacadas. La determinación de la dureza de los pernos fue realizada mediante ensayos de indentación Rockwell C. Los resultados del análisis de falla de los pernos evidenciaron que algunos de ellos fracturaron mediante un proceso de fatiga (Fig. 1). La fatiga es uno de los más comunes modos de falla en los sujetadores roscados [1]. Algunos de los pernos recibidos tienen diferentes marcajes en sus cabezas y los restantes no presentan ningún tipo de identificación. Entre los resultados se encuentra la información obtenida a partir del perno 1 (acero de grado “B6”), éste presentó diferencias microestructurales con respecto a lo indicado por la norma ASTM A193/A193M, donde se señala que el material debe presentar una microestructura de martensita revenida en matriz ferrítica [2], la microestructura obtenida fue de partículas posiblemente de carburos de cromo en una matriz de ferrita, lo cual podría indicar que el tratamiento térmico no fue adecuado, esta microestructura es proveniente de un mal proceso de fabricación, ya que para obtener esta microestructura se deben alcanzar temperaturas superiores a las alcanzadas durante el servicio del perno; los pernos restantes presentaron un microestructura de martensita revenida típica de los aceros usados para este tipo de equipos. No obstante, el acabado superficial de los pernos no es el adecuado, ya que presentaron marcas de deformación que pueden ser producto de su proceso de fabricación o de su instalación, como es el caso del perno 1, el cual presentó algunas hendiduras (surcos) en su superficie, estos surcos también pueden actuar como concentradores de esfuerzos promoviendo el crecimiento de una grieta a partir de este . A través del análisis químico se obtuvo que los aceros de los pernos usados en los motocompresores no tienen la misma composición química (Tabla 1), tener un sistema de concordancia es muy significativo en términos de seguridad. Si una tuerca grado 2 se utiliza con un perno grado 8, la resistencia de la conexión es la de su eslabón más débil, grado 2. La tuerca fallará ya que no puede soportar las cargas que se esperan que pueda soportar el perno [3].

Por último, se puede concluir que el mecanismo de falla de los pernos pertenecientes a los dos motocompresores está relacionado con el inicio de defectos (grietas) desde la superficie de cada perno, que se generaron por cargas cíclicas durante el servicio de los motocompresores. Las cargas cíclicas de tensión, compresión y/o flexión que actúan en el sistema produjeron el crecimiento de estas grietas, este fenómeno se conoce como fatiga, y éstas se propagaron en la dirección transversal de los pernos ocasionando su fractura; la condición superficial (concentradores de esfuerzos) de los pernos promueve el crecimiento de grietas en su superficie; y se puede decir que primero fallaron los pernos con microestructura inadecuada por un proceso de fatiga y posteriormente fallaron los pernos restantes por sobre-carga.

Fig. 1: Superficie de fractura de los pernos: a y h, perno 1 y 8, respectivamente, observado con MEB b, c, d, e, f, g, i, j y k; perno 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9, 10 y 11, respectivamente, observado con lupa estereoscópica.

Fig. 2: Fotomicrografía por MEB del perno 1, microanálisis químico general (E.D.S.), izquierda) sobre los precipitados; derecha) sobre la matriz.

Tabla 1. Resultados del análisis químico de elementos (EDS) de los aceros de los pernos

Elemento Perno 1

Perno 3

Perno 4

Perno 5

Perno 6

Perno 7

Perno 8

Perno 9

Perno 11

Perno 12

Fe 86,49 97,79 86,72 87,08 98,53 97,42 97,62 98,52 98,37 86,62Cr 12,35 1,02 13,55 11,54   1,45 1,2 0,66 0,96 12,28

Mn 0,76 1,19   0,25 1,18 1,13 1,18 0,82 0,68 0,16Si 0,4       0,29          

Otros       0,36           0,25

REFERENCIAS

[1] “Metallurgical consultans: Fastener falures”, www.materialsengineer.com [2] ASTM A193/A193M. “Standard Specification for Alloy-Steel and Stainless Steel Bolting for High Temperatureor High Pressure Service and Other Special Purpose Applications”, 2012.[3] Avellon G. “The Bolt Doctor” de qué es esta referencia???