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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
ESTUDIO DE COMPATIBILIDAD DE ELASTÓMEROS EMPLEADOS EN BOMBAS DE CAVIDADES
PROGRESIVAS CON CRUDO.
Realizado por:
Solórzano Belandria Carlos Adrian
INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN
Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título
de Ingeniero de Materiales
Sartenejas, 13 de Octubre del año 2010.
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
ESTUDIO DE COMPATIBILIDAD DE ELASTÓMEROS EMPLEADOS EN BOMBAS DE CAVIDADES
PROGRESIVAS CON CRUDO.
Pasantía Realizada en:
PDVSA-Intevep
Bajo la tutoría de:
Prof. Rosestela Perera
PhD. Carlos Fernández
Jurado evaluador:
Prof. Mariselis Trujillo
Sartenejas, 13 de Octubre del año 2010.
ESTUDIO DE COMPATIBILIDAD DE ELASTÓMEROS EMPLEADOS EN BOMBAS DE CAVIDADES
PROGRESIVAS CON CRUDO
Realizado por:
Carlos Adrian Solórzano Belandria
RESUMEN
Las cuantiosas cantidades de hidrocarburos contenidas en la Faja Petrolífera del Orinoco (FPO) hacen necesario el desarrollo de sistemas de explotación de crudo capaces de devengar la máxima rentabilidad. Las características de los pozos allí presentes requieren el implemento de sistemas de levantamiento artificial como las bombas de cavidades progresivas (BCP). En Venezuela, las fallas de las BCP ocurren en su mayoría por el pobre desempeño del componente elastomérico de la bomba, ocasionado por las severas condiciones de pozo en las que operan. Se ha demostrado que el origen de estas fallas está asociado al efecto de la presión, el contenido de gases agresivos como el CO2 y H2S, la temperatura y la composición del crudo, en particular de los aromáticos contenidos en la fracción liviana de éste y los monoaromáticos y tiofenos aromáticos presentes en la pesada. En el presente estudio se evaluó la compatibilidad de siete formulaciones de elastómero (seis de caucho nitrilo NBR y una de caucho fluorado tipo FKM) en las condiciones presentes en siete pozos pertenecientes a la FPO. Para ello se caracterizó cada formulación de elastómero mediante espectroscopía infrarroja (IR) y análisis termogravimétricos (TGA). Luego se realizaron ensayos de dureza, resistencia tensil y deformación remanente para determinar el valor de cada una de estas propiedades en el estado inicial. Posteriormente, se procedió a determinar el contenido de especies hinchantes en cada crudo por cromatografía de gases, cromatografía líquida de alta presión y espectroscopía híbrida de masas. Una vez caracterizados los crudos, fueron utilizados para envejecer en autoclaves durante siete días a 800 psi y 65 °C una serie pertinente de probetas de cada formulación para posteriormente evaluar la dureza, la resistencia tensil, la deformación remanente y el hinchamiento volumétrico. Estableciendo criterios de aceptación que contemplan una variación no mayor al ±20% de las propiedades tensiles, de ±10 puntos de dureza Shore A, un valor no superior al 35% de deformación permanente y un hinchamiento volumétrico no mayor al 8% después del envejecimiento se logró determinar las formulaciones convenientes para utilizar en cada condición. Se comprobó además que a medida que una formulación contiene mayor contenido de plastificante es más susceptible a rigidizarse en presencia de crudo. Adicionalmente, el elastómero FKM se rigidiza ante crudos que contienen aromáticos de bajo peso molecular opuesto a lo que ocurre con el NBR. A medida que la concentración conjunta de CO2 y de aromáticos con poder hinchante fue mayor también lo fue el hinchamiento generado en los elastómeros evidenciándose un efecto combinado cuya tendencia se ajusta a un comportamiento lineal. A medida que el contenido de acrilonitrilo es mayor en el NBR menor resultó el hinchamiento generado por la acción del crudo y CO2. El FKM es menos susceptible a hincharse que el NBR, y presentó valores de hinchamiento menores al 3% en todas las condiciones. También se evaluó la superficie de fractura de los elastómeros mediante microscopía electrónica de barrido (MEB) demostrándose la existencia de defectos en la matriz que precipitan la falla del material, generando una fractura frágil en las zonas circundantes a estos; de igual manera se observó que la fractura del FKM es más frágil que la de los distintos NBR, inclusive sin ser sometido a envejecimiento.
A mis padres y hermanos….
A mi abuelita Amanda….
gracias por hacerme el hombre que soy
AGRADECIMIENTOS
A Dios en primer lograr por haberme dado una familia hermosa que ha sabido llenarme de amor
a cada instante, este logro es de ustedes.
A mi madre cuyo espíritu de lucha ha sabido llevarme de la mano hacia este gran logro, sin ti
esto no hubiese sido posible.
A mi abuela Amanda quien ha sido el pilar sobre el que hemos construido un bello hogar, no
tengo suficientes palabras para agradecerte.
A la abuelita Eduviges que, aunque ya no está entre nosotros, nos sigue acompañando día a día.
A mi hermana Yosby por su infinito apoyo e interés, gracias por compartir conmigo tantas
sonrisas.
A mis hermanitos Ronald, Zugeyl y Fabian por haberse convertido en una motivación más. A mi coroncon Marietta Pérez, por ser quien eres y enamorarme día a día, tu apoyo ha sido
invaluable. Eres maravillosa.
A todos mis compañeros de Universidad Simón Bolívar sin ustedes este largo camino no hubiese
sido tan maravilloso. Rubén, Ricardo, Ney, Gabo, Hele, Patty, Adry, gracias por los momentos.
A mi eterna compañera de laboratorio Mariangel Berroterán, por sus numerosos trasnochos a
mi lado, eres lo máximo partner.
A mis tutores Carlos Fernández y Rosestela Perera por tanto apoyo y conocimiento ofrecido
para esta causa.
ÍNDICE GENERAL
Resumen
Dedicatoria
Agradecimientos
Lista de tablas
Lista de Figuras
Lista de Abreviaturas
CAPÍTULO I.-INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO II.-OBJETIVOS
CAPÍTULO III.-MARCO TEÓRICO
3.1 GENERALIDADES DE LAS BOMBAS DE CAVIDADES PROGRESIVAS (BCP)
3.2 ELASTÓMEROS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE ESTATORES DE BCP
3.2.1 Caucho Nitrilo (NBR)
3.2.2 Caucho nitrilo hidrogenado (HNBR)
3.2.3 Caucho nitrilo carboxilado (XNBR)
3.2.4 Fluoroelastómeros
3.3 EFECTO DE LA PRESIÓN Y EL CO2 EN LOS ELASTÓMEROS
3.4 Efecto de la temperatura en los elastómeros.
3.5 Efecto del Crudo en los Elastómeros
CAPÍTULO IV.-PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4.1 Materiales
4.2 Caracterización de los elastómeros.
4.3 Evaluación de las propiedades iniciales.
4.3.1 Dureza
4.3.2 Deformación remanente por compresión
4.3.3 Propiedades Tensiles
4.4 Caracterización de los crudos
4.5 Envejecimiento en condiciones de pozo
4.6 Evaluación de propiedades posterior al envejecimiento
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4.7 Análisis de la superficie de fractura
CAPÍTULO V.-RESULTADOS Y DISCUSIONES
5.1 Caracterización de los elastómeros
5.2 Caracterización de los crudos
5.3 Envejecimiento a condiciones de pozo.
5.3.1 Hinchamiento Volumétrico
5.3.2 Efecto en la dureza
5.3.3 Efecto en Propiedades Tensiles
5.3.4 Efecto en la deformación remanente por compresión
5.4 Análisis de la superficie de fractura
5.5 Selección de materiales
CAPÍTULO VI.-CONCLUSIONES Y RECOMENCACIONES
6.1 Conclusiones
6.2 Recomendaciones
CAPÍTULO VII.-BIBLIOGRAFÍA
APÉNDICES
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LISTA DE TABLAS
Tabla 3.1 Efectos del contenido de ACN en el NBR.
Tabla 3.2 Monómeros utilizados en la síntesis de fluoroelastómeros.
Tabla 3.3. Energías de disociación (Ea) de enlaces típicos en elastómeros.
Tabla 4.1. Elastómeros en estudio y su fabricante.
Tabla 4.2 Componentes típicos de una formulación y sus temperaturas de
volatilización.
Tabla 4.3. Condiciones de envejecimiento.
Tabla 5.1 Señales características del NBR en un espectro infrarrojo.
Tabla 5.2 Contenido estimado de acrilonitrilo (ACN) para los NBR en estudio.
Tabla 5.3 Señales características de una elastómero fluorado.
Tabla 5.4 Contenido de especies hinchantes y gravedad API de los crudos en cada
condición.
Tabla 5.5 Índices de hinchamiento para cada condición.
Tabla 5.6 Propiedades mecánicas iniciales de los elastómeros en estudio.
Tabla 5.7 Contenido de cargas y plastificantes de los elastómeros en estudio.
Tabla 5.8 Deformación permanente en materiales sin envejecer.
Tabla 5.9 Posibilidades de aplicación para los materiales en estudio en cada
condición.
Tabla D.1 Fracciones livianas y pesadas.
Tabla D.2 Porcentaje en peso de especies aromáticas hinchantes en cada condición.
Tabla F.1 Variación de resistencia a la ruptura respecto a material virgen.
Tabla F.2 Variación de elongación a la ruptura respecto a material virgen.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 Configuración BCP: vista longitudinal y transversal
Figura 3.2 Secuencia de rotación del rotor en el estator
Figura 3.3 Geometrías BCP multilobulares
Figura 3.4 Efecto de la interferencia en la eficiencia de las BCP
Figura 3.5 Caudales en una BCP
Figura 3.6 Efectos de la longitud de la BCP en el caudal
Figura 3.7 Estructura molecular del NBR
Figura 3.8 Obtención del HNBR
Figura 3.9 Resistencia a la abrasión (Akron) de diferentes materiales
Figura 3.10 Obtención y estructura del XNBR
Figura 3.11 Estructura del Viton GF
Figura 4.1 Equipo TGA empleado en el estudio
Figura 4.2 (a) durómetro Shore 716 y (b) probetas para determinar dureza.
Figura 4.3 (a) Equipo para aplicar una deformación constante, (b) probetas para
determinar deformación remante por compresión
Figura 4.4 (a) Máquina de ensayos universales, (b) probetas para determinar las
propiedades tensiles.
Figura 4.5. Esquema de caracterización de los crudos.
Figura 4.6. Probetas utilizadas para calcular el hinchamiento volumétrico.
Figura 4.7. Autoclave utilizado para el envejecimiento.
Figura 5.1 Espectro Infrarrojo correspondiente al elastómero F
Figura 5.2 Espectro Infrarrojo correspondiente al elastómero G
Figura 5.3 Hinchamiento volumétrico en las condiciones de estudio
Figura 5.4 Hinchamiento volumétrico en función del índice de hinchamiento en cada
material
Figura 5.5 Variación de dureza de los materiales en las condiciones de estudio.
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Figura 5.6 Variación porcentual en el esfuerzo a la ruptura en las condiciones de
estudio
Figura 5.7 Variación porcentual en la elongación a la ruptura en las condiciones de
estudio
Figura 5.8 Deformación remanente de cada material después del envejecimiento en
las condición de estudio
Figura 5.9 Superficie de fractura del elastómero C en: (a) condición 1, (b) estado
virgen y (c) fragilizado en nitrógeno líquido
Figura 5.10 Micrografías del elastómero D de: (a) Superficie fractura estado virgen, (b)
detalle señalado en a y (c) Superficie fractura condición 6.
Figura 5.11 Superficie de fractura del elastómero D en: (a) condición 7, (b) ampliación
detalle señalad en (a)
Figura 5.12 Superficie de fractura del elastómero G
Figura A.1 Espectro IR del elastómero A
Figura A.2 Espectro IR del elastómero B
Figura A.3 Espectro IR del elastómero C
Figura A.4 Espectro IR del elastómero D
Figura A.5 Espectro IR del elastómero E
Figura B.1 Comparación de espectro IR del elastómero A
Figura C.1 Espectro IR de un Viton GF curado con DIAK 7
Figura E.1 Termograma de elastómeros en estudio
Figura G.1 Resultados EDAX elastómero G
56-57
60-61
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81
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LISTA DE ABREVIATURAS
ACN
API
ASTM
BCP
CO2
CSM
ECO
EDAX
FPO
FKM
HNBR
H2S
IR
min
mm
mm2
MPa
NBR
N2
Psi
SEM
TBP
Tg
TGA
Acrilonitrilo.
American Institute of Petroleum.
American Society of Testing and Materials
Bomba de Cavidades Progresivas.
Dióxido de Carbono.
Monómero de sitio de curado.
Elastómero de epiclorhidrina.
Espectroscopía de energía dispersiva de rayos x.
Faja Petrolífera del Orinoco.
Fluoroelastómero (Vinilideno/Hexafluorpropileno/Tetrafluoretileno).
Caucho nitrilo hidrogenado.
Sulfuro de Hidrógeno.
Espectrofotometría Infrarroja.
Minutos.
Milímetros.
Milímetros cuadrados.
Mega Pascales.
Caucho Nitrilo.
Nitrógeno.
Libras por pulgada cuadrada.
Microscopía Electrónica de Barrido.
Destilación por Punto de Ebullición.
Temperatura de Transición Vítrea.
Análisis de Termogravimetría
1
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
La industria petrolera es el pilar fundamental de la economía venezolana y por lo tanto
siempre se encuentra en procura del incremento de sus utilidades, de allí la importancia que
cobra el desarrollo de nuevas técnicas de explotación y procesamiento del crudo, así como la
optimización de las ya establecidas.
En tal sentido, la extensa y muy valiosa cantidad de recursos hidrocarburos contenidos en la
Faja Petrolífera del Orinoco (FPO) estimulan la ejecución de importantes inversiones en cuanto
a investigación y desarrollo de los sistemas de extracción en los campos allí ubicados. Los crudos
contenidos en estos campos son esencialmente pesados (<16° API) y se encuentran en
yacimientos someros de bajas temperaturas y presiones, lo que hace necesario el uso de
técnicas de levantamiento artificial como el levantamiento por gas, por bombeo mecánico o
hidráulico y el levantamiento mediante bombas electro-sumergibles o de cavidades progresivas.
Las bombas de cavidades progresivas son un método de levantamiento artificial en constante
desarrollo. Para el año 2008 representaba un 7% del total de sistemas de levantamiento
utilizados en Venezuela, incluyendo aquellos yacimientos en donde la extracción ocurre
mediante flujo natural. Hasta la fecha este número ha superado el 9% y la tendencia continúa
en aumento.
Las bombas de cavidades progresivas (BCP) son bombas de desplazamiento rotativo
compuestas por dos piezas longitudinales con forma de hélice. Una de ellas, el rotor, gira en el
interior de la otra, el estator, manteniéndose siempre en contacto entre sí formando un
engranaje helicoidal[1]. El mecanismo de operación de estas bombas es sencillo y se basa en la
geometría formada por el conjunto rotor-estator. La configuración de estos es tal que se forman
cavidades idénticas y separadas entre sí un valor igual al del paso del rotor. A medida que el
rotor gira de manera excéntrica en el interior del estator las cavidades se
2
desplazan de manera axial generándose un diferencial de presión entre cavidades adyacentes.
Este diferencial moviliza el crudo desde el fondo del pozo hasta la tubería de producción. La
interferencia entre el estator y el rotor evita el retorno del crudo por escurrimiento entre la
unión de estos, por lo tanto el bombeo es de desplazamiento positivo[1].
El sistema de BCP tiene la capacidad de operar en condiciones más exigentes que los demás
mecanismos de levantamiento artificial como el de bombas electro-sumergibles, el bombeo
mecánico o por gas. Las BCP son totalmente funcionales al momento de bombear crudos de alta
viscosidad; además, debido a la naturaleza elastomérica del estator permiten el bombeo de
altos contenidos (cortes) de arena y en yacimientos con una alta relación gas/crudo. Las BCP son
ideales para la obtención de un flujo constante de crudo bajo la combinación de las condiciones
anteriores.[2]
Además de las prestancias operacionales previamente descritas existen otras ventajas de
especial interés como su fácil y más económica instalación en comparación con la de los
balancines mecánicos, sencillez en el diseño con ausencia de partes reciprocantes que
comprometan la vida útil, bajos costos de inversión y de consumo de energía, equipos
superficiales de pequeñas dimensiones y de bajo ruido los cual facilita su uso en campos
cercanos a zonas urbanas [3].
Como se mencionó previamente, las bombas de cavidades progresivas están conformadas
por dos elementos, el rotor metálico que gira de manera excéntrica dentro y en permanente
contacto del estator, este último es conformado de material elastomérico y es el componente
responsable de la eficiencia y el tiempo de vida útil de la bomba. Se ha reportado que cerca del
90% de las salidas de operación de las BCP en campos venezolanos se deben a fallas ocurridas
en el estator[4], por lo tanto es de vital importancia la correcta selección del tipo de elastómero
a utilizar en la fabricación del mismo.
Los elastómeros comúnmente utilizados en la fabricación de estatores para BCP son el
caucho nitrilo con contenidos de acrilonitrilo de medio a alto, caucho nitrilo hidrogenado,
caucho nitrilo carboxilado y elastómeros fluorados. Estos materiales también son utilizados en
la industria petrolera para la fabricación de sellos, o-rings, diafragmas, empacaduras y
mangueras. Todos estos materiales, según la norma ASTM D2000, son resistentes a aceites
3
derivados del petróleo; sin embargo, cada uno de ellos se ve afectado por las condiciones de
trabajo de diferentes maneras.
En las BCP la naturaleza del elastómero es fundamental para resistir el estado de esfuerzos al
cual se ve sometido el estator. Durante la operación, éste se encuentra bajo esfuerzos de corte
y compresión elevados. Además el contenido de sólidos del fluido así como la interferencia con
el rotor crean la necesidad de seleccionar un material con resistencia a la abrasión adecuada. El
bombeo continuo de crudo genera también fatiga en el estator debido a los esfuerzos cíclicos.
Además de los aspectos mecánicos que deben considerarse, es de gran importancia conocer
el efecto de las condiciones de operación de la BCP en el elastómero, es decir, la compatibilidad
de éste con los gases y presiones presentes en el pozo así como con la naturaleza del crudo. Se
han realizado numerosos estudios acerca de los efectos de gases agresivos como dióxido de
carbono (CO2) y sulfuro de hidrógeno (H2S) a temperatura ambiente[5-6], así como el efecto de
estos gases combinados con la presencia de crudo[7]. También se ha comparado el
comportamiento de este tipo de elastómeros en crudo liviano y pesado[8] así como el efecto de
la temperatura y diferentes combinaciones de gases agresivos en el comportamiento del caucho
nitrilo[9]; sin embargo, no se ha realizado un estudio de compatibilidad a condiciones exactas de
operación para campos pertenecientes al reciente plan de explotación de la Faja Petrolífera del
Orinoco.
Las BCP en Venezuela han presentado fallas principalmente producidas por el pobre
desempeño del componente elastomérico, los cuales han presentado tiempos de vida útil
variables que van desde semanas hasta años, sin un patrón determinado. En tal sentido es de
especial interés para Petróleos de Venezuela S.A (PDVSA) el presente estudio realizado a través
de su filial Intevep S.A, el cual tiene como objetivo estudiar la compatibilidad de siete materiales
elastoméricos de uso petrolero con las condiciones de presión, concentración de CO2,
temperatura y crudo presentes en siete diferentes yacimientos de la FPO, todo esto con la
finalidad de garantizar una extracción continua y segura que permita obtener la máxima
rentabilidad.
4
CAPÍTULO II
OBJETIVOS
Caracterizar los elastómeros proporcionados para la evaluación utilizando la técnica de
espectroscopía infrarroja (IR) y análisis termogravimétrico (TGA).
Estudiar el efecto de las siete diferentes condiciones de pozo en estudio (conformadas
por el tipo de crudo, temperatura y concentración de dióxido de carbono (CO2)) sobre las
propiedades de cada uno de los elastómeros.
Establecer una relación entre el porcentaje de CO2 presente en el pozo, la cantidad de
especies hinchantes en el crudo y el porcentaje de hinchamiento volumétrico registrado
en los elastómeros luego de envejecer.
Recomendar el uso de determinados elastómeros para cada pozo basándose en la
compatibilidad de estos con las condiciones allí presentes.
5
CAPÍTULO III
MARCO TEÓRICO
En el presente capítulo se muestran las herramientas teóricas necesarias para el desarrollo
y comprensión del estudio realizado. Se exponen los principios teóricos del funcionamiento de
una bomba de cavidades progresivas así como sus aplicaciones, los materiales utilizados para su
fabricación, los efectos de las condiciones operacionales en los elastómeros de las BCP, las
principales fallas ocurridas en las BCP y las generalidades de los ensayos realizados en el
estudio.
3.3 Generalidades de las bombas de cavidades progresivas (BCP)
Las bombas de cavidades progresivas son bombas de desplazamiento rotativo y
representan el sistema de levantamiento artificial con más auge en la industria petrolera.
Las BCP están constituidas básicamente por dos elementos longitudinales; un rotor en
forma de hélice o tornillo helicoidal de uno o más filetes introducido en un estator
elastomérico los cuales se mantienen en contacto entre sí formando un sello convirtiendo
el sistema en un engranaje helicoidal como se muestra en la figura 3.1.
Figura 3.1 Configuración BCP: vista longitudinal (izq.) y transversal (der.)[1]
6
La configuración geométrica del conjunto rotor-estator es la base del funcionamiento de
las BCP. El rotor se ubica en el interior del estator de manera tal que se forman cavidades
idénticas y adyacentes. A medida que éste gira excéntricamente las cavidades se desplazan
de manera axial mientras la interferencia entre el rotor y el estator genera la diferencia de
presión que produce el avance del crudo a través de éstas desde el fondo del pozo hasta la
tubería de producción. Este es el mecanismo mediante el cual ocurre el bombeo por
cavidades progresivas y se muestra en la figura 3.2. La unión sellante entre el estator y el
rotor evita el flujo del crudo en la dirección opuesta al avance de las cavidades, por lo tanto
el bombeo es de desplazamiento positivo.[1]
Vista Longitudinal Vista Transversal Descripción del rotor
Eje en el tope de la cavidad
Giró 90°, eje colineal con estator
Giró 180°, eje fondo cavidad
Giró 270°, eje colineal con estator.
Giró 360°, en posición inicial.
Figura 3.2 Secuencia de rotación del rotor en el estator [1]
7
Existen dos tipos de bombas de cavidades progresivas definidas fundamentalmente por
la relación de hélices entre rotor y estator, la cual debe obedecer un par de condiciones
indispensables para que se formen las cavidades cerradas y progresivas: que el rotor tenga
una hélice menos que el estator y que el conjunto rotor-estator constituyan
longitudinalmente dos engranajes. En una sección transversal, tanto el rotor como el
estator están definidos externamente como curvas onduladas en permanente contacto,
donde cada hélice del rotor forma una geometría lobular. Las bombas multi-lobulares son
elaboradas con un rotor con Lr hélices insertado dentro de un estator con Ls = Lr+ 1
hélices[10].
La nomenclatura de las bombas está definida por la relación de hélices rotor: estator;
por lo tanto, una bomba con rotor externamente helicoidal simple y estator internamente
helicoidal doble se conoce como bomba de relación 1:2 (mono lobular). Siguiendo la
condición fundamental de que el estator debe tener una hélice más que el rotor, se
encuentran distintas geometrías cuya nomenclatura variará dependiendo de la cantidad de
lóbulos[10]. Este tipo de geometrías son denominadas multilobulares y se pueden observar
en la figura 3.3
Geometría 1:2 Geometría 2:3 Geometría 3:4
Figura 3.3 Geometrías BCP multilobulares[10]
El desplazamiento del fluido en una bomba de cavidades progresivas es función de tres
factores: el diámetro del rotor, la excentricidad de éste y el paso del estator, todos ellos
buscan intervenir en la capacidad de la bomba para generar la diferencia de presión entre
cavidades necesaria para el transporte del fluido, la cual es producto de la interferencia
rotor-estator que separa a las cavidades de alta presión (llenas de fluido) de las de baja
8
presión, permitiendo así el transporte del fluido mediante el giro del rotor[11]. Esta
interferencia funciona como una línea de sello entre cavidades el cual es el responsable de
impedir el escurrimiento del fluido en la dirección opuesta a la descarga y por lo tanto
define el desplazamiento positivo y la eficiencia de la bomba (ver figura 3.4). La
interferencia entre el rotor y el estator es esencialmente responsabilidad de este último, ya
que es el más susceptible a encontrar comprometidas sus propiedades elásticas y
características dimensionales debido a las condiciones operacionales del pozo [12].
Figura 3.4 Efecto de la interferencia en la eficiencia de las BCP[1]
Se tiene entonces la existencia de dos caudales en el interior de la bomba como se
observa en la figura 3.5, los cuales son controlados por la diferencia de presión entre
cavidades generada por el efecto sellante de la interferencia rotor: estator a lo largo de
cada cavidad. A medida que longitud de la bomba es mayor, el rango de presiones a lo largo
de la bomba es más amplio, pudiéndose alcanzar caudales de descarga mayores como se
observa en la figura 3.6.
Además de ser el responsable de la eficiencia de la bomba, el estator elastomérico le
confiere a las BCP la capacidad de bombear fluidos altamente viscosos y con alta presencia
de gas ya que no hay tolerancias entre éste y el rotor, evitándose la cavitación. De igual
Efic
ienc
ia v
olum
étric
a
Caída de Presión [Psi]
9
manera otorga resistencia a la abrasión, ya que su comportamiento elástico le permite
deformarse para facilitar el paso de partículas sólidas haciendo posible el uso de BCP en
yacimientos con importantes cortes de arena[13].
Figura 3.5 Caudales en una BCP[1]
Figura 3.6 Efectos de la longitud de la BCP en el caudal[11]
Alta presión
Baja presión
Escurrimiento
Caudal de succión Caudal de descarga
Caudal de escurrimiento
10
Además de las ventajas nombradas previamente, las bombas de cavidades progresivas
ofrecen[14]:
Amplio rango de uso, desde crudos livianos hasta extra pesados, así como
aquellos con altos contenido de arena y gas.
Posibilidad de transporte de crudos con alto contenido de agua, bien sea en fases
separadas o en emulsión.
Facilidad de controlar el rango de producción gracias a su desplazamiento
positivo.
Procedimientos de operación y mantenimiento simples y seguros; los equipos de
superficie son sencillos y compactos (menos de 1m2) y de bajo impacto
ambiental, permitiendo su uso en zonas urbanas.
Inversiones más económicas que otros sistemas de recuperación artificial con
30% de ahorro energético; además, la eficiencia puede aumentar entre 10 % y
20%, manteniendo en producción continua.
En definitiva, el estator juega un papel fundamental en la eficiencia operacional de las
bombas de cavidades progresivas, especialmente bajo condiciones térmicas exigentes. Sin
embargo, éste se ve afectado por los efectos mecánicos y químicos producto de las
condiciones del yacimiento y el funcionamiento mecánico en sí. Es por ello que es de vital
importancia la selección del elastómero, ya que éste define el tiempo de vida útil y por
ende el costo de la inversión.[14]
3.4 Elastómeros utilizados en la fabricación de estatores de BCP
Un elastómero es un material macromolecular el cual es capaz de recuperar en gran
parte sus dimensiones y forma iniciales, una vez deformado por la acción de un esfuerzo
pequeño y ser liberado de él[15]. Este comportamiento elástico, aunado a la amplia gama de
estructuras moleculares disponibles las cuales definen la resistencia del material ante
ciertas situaciones como por ejemplo temperaturas extremas o presencia de sustancias
químicas agresivas, hacen de los elastómeros un elemento importante de estudio y de
amplia demanda en la industria petrolera.
11
Las condiciones de operación en la industria cada vez más severas contemplan elevadas
temperaturas, presencia de fluidos agresivos como combustibles con contenidos
importantes de alcoholes y aromáticos, aceites derivados de petróleo así como otras que
comprometerían la integridad de materiales convencionales. En consecuencia se requiere el
implemento de materiales de alto desempeño ingenieril que otorguen seguridad durante
cada etapa del proceso. En tal sentido, los elastómeros han venido siendo utilizados en la
industria petrolera como componentes de sistemas de combustible, o-ring y sellos, juntas y
empacaduras, mangueras, diafragmas y con especial auge en los estatores de las bombas
de cavidades progresivas. Todos estos componentes se encuentran en contacto con
diferentes tipos de crudo, inhibidores de corrosión, gases, surfactantes y antiespumantes y
soluciones tanto ácidas como básicas[16].
Además de las condiciones mencionadas previamente, los estatores de las BCP se
encuentran sometidos a importantes esfuerzos dinámicos, requiriéndose de un importante
desempeño a nivel de propiedades mecánicas de los elastómeros a utilizar, el cual debe
mantenerse al operar bajo condiciones extremas de temperatura y con presencia de
agentes agresivos propios del crudo. En resumen, en los elastómeros utilizados en las BCP
se debe considerar: la resistencia tensil y la elongación a la ruptura, dureza, resistencia a la
abrasión y a la fatiga, la deformación remanente por compresión no sólo del material
original sino también ante la presencia de agentes químicos (aromáticos, alcoholes,
inhibidores de corrosión, gases agresivos) y físicos (cortes de arena y agua) que pueden
desmejorar los valores de estas propiedades[17].
Al considerar las premisas anteriores se ha encontrado que los materiales con mayores
prestancias para la fabricación de estatores para BCP son el caucho nitrilo (NBR) con sus
variantes en cuanto al contenido de acrilonitrilo, el caucho nitrilo hidrogenado (HNBR), el
caucho nitrilo carboxilado (XNBR) y los fluoroelastómeros (FKMy FFKM).
12
3.2.5 Caucho Nitrilo (NBR)
El caucho nitrilo es un copolímero de 1,3 butadieno y acrilonitrilo sintetizado
principalmente por un proceso de emulsión en frío el cual permite obtener copolímeros con
contenidos de entre 18% y 55% de acrilonitrilo (ACN) y con una estructura molecular como
la que se observa en la figura 3.7[18]
1,3 butadieno + acrilonitrilo caucho nitrilo (NBR)
Figura 3.7 Estructura molecular del NBR
El NBR es un caucho sintético de uso especial. Según la norma ASTM D2000 se clasifica
como un elastómero de tipo y clase BF, BG, BH, BK. El tipo de elastómero se refiere a la
resistencia que éste tiene ante el envejecimiento térmico y se identifica con la primera letra
de la denominación anterior, mientras que la segunda es la clase, la cual se basa en la
resistencia a aceites derivados del petróleo y se mide mediante el hinchamiento
volumétrico; su variación obedece principalmente al contenido de acrilonitrilo.[19]
Como se observa en la figura 3.7 la presencia de una insaturación en la estructura del
NBR permite la vulcanización por azufre; no obstante, este no es del todo compatible con la
matriz del NBR, lo cual requiere que en los sistemas vulcanizantes se use una porción
reducida de este compuesto que debe ser compensada con una mayor cantidad de agentes
acelerantes. Además, el proceso de mezclado debe ser tal que permita la incorporación
temprana del azufre el cual en el resto de los elastómeros, por lo general, se introduce en la
formulación al final de éste [20].
En la estructura molecular se observan dos segmentos claramente definidos, cada uno
correspondiente a un monómero en particular. El segmento alifático perteneciente a la
estructura del butadieno además de permitir la vulcanización con azufre, es el responsable
del comportamiento elástico del material. También es la zona más susceptible a la
oxidación y al ataque por ozono debido, nuevamente, a la presencia de la insaturación. Por
otro lado, el segmento correspondiente al acrilonitrilo contiene al grupo nitrilo (CΞN), el
13
cuál es de una alta polaridad, proporcionándole al material una importante resistencia a
solventes no polares como los aceites derivados del petróleo y fluidos hidrocarbonados. De
allí su amplia aplicación en la industria petrolera[21].
Se ha demostrado que la resistencia a compuestos hidrocarbonados aumenta
sustancialmente a mayores contenidos de acrilonitrilo; sin embargo, la poca movilidad de
este grupo le otorga una rigidez a la molécula que tiene como resultado un aumento en
temperatura de transición vítrea (Tg). Este hecho puede comprometer la aplicación de
ciertos grados de NBR a bajas temperaturas donde pueden verse fragilizado
significativamente. Por otro lado, a mayor contenido de acrilonitrilo, el material tiende a
responder de manera similar a un termoplástico, lo cual facilita su procesabilidad; además,
la polaridad del ACN lo hace menos permeable a gases como el CO2 [22]. A manera de
resumen se puede observar la tabla 3.1, la cual muestra los efectos del contenido de
acrilonitrilo en las propiedades finales del material
Tabla 3.1 Efectos del contenido de ACN en el NBR[6]
Propiedad Mayor % de acrilonitrilo
Resistencia a aceites Aumenta
Resistencia a hidrocarburos Aumenta
Resistencia ténsil Aumenta
Dureza Aumenta
Resistencia ala abrasión Aumenta
Permeabilidad a los gases Aumenta
Resistencia a altas temperaturas Aumenta
Resistencia a bajas temperaturas Disminuye
Resiliencia Disminuye
Compatibilidad con plastificantes Disminuye
Deformación remanente por compresión Aumenta
14
Una formulación estándar de NBR presenta los siguientes aditivos[23]:
Agente de vulcanización: azufre, óxido de zinc o peróxidos
Sistema de acelerantes: tiazoles o sulfenamidas como acelerantes primarios y
tiurams y ditiocarbamatos como secundarios.
Activador: Ácido orgánico (esteárico, oléico) combinado con un óxido metálico
(óxido de zinc).
Carga reforzante: negro de humo o sílice.
Cargas inertes o de relleno
Plastificantes: principalmente tipo éster (por ejemplo ftalato de dibutilo)
Aditivos anti envejecimiento: antioxidantes y antiozonantes
La formulación también juega un rol fundamental en el balance existente entre la
resistencia a fluidos hidrocarbonados y las propiedades elásticas a bajas temperaturas. Por
ejemplo, se ha demostrado que las cargas inertes reducen el hinchamiento volumétrico
ante estos fluidos de manera más importante que las cargas reforzantes. Las cargas
reforzantes tienden a absorber aceite y combustible, lo cual limita su uso a fracciones
mucho más pequeñas que las inertes en formulaciones para la industria petrolera[22].
Otro elemento de importancia en la formulación del NBR es el tipo y composición de
plastificante. Los plastificantes mejoran significativamente las propiedades a bajas
temperaturas del producto final gracias a una disminución en la Tg del elastómero; sin
embargo, a medida de que estos otorgan mayor flexibilidad a bajas temperaturas también
son más volátiles y sencillos de extraer por aceites y combustibles lo cual empobrece el
desempeño del material a altas temperaturas. Análogamente ocurre al comparar dos
formulaciones con el mismo plastificante pero en distintas proporciones[22].
3.2.6 Caucho nitrilo hidrogenado (HNBR)
Esta es la modificación química más importante del NBR: consiste en someter el caucho
nitrilo a un proceso de hidrogenación catalítica, el cual reduce sustancialmente la
concentración de insaturaciones presentes en la molécula del elastómero. Es importante
mencionar en este punto que además de la estructura del NBR mostrada en la figura 3.7, en
15
la cual la adición del butadieno durante la polimerización ocurre en las posiciones 1,4, es
posible también que esta ocurra en la posición 1,2, siempre en proporciones menores. El
proceso de obtención del HNBR se puede observar en la figura 3.8, donde se consideran las
dos adiciones.
Acrilonitrilo Adición 1,4 butadieno Adición 1,2 butadieno
Catálisis metálica, alta presión
Acrilonitrilo Etileno Insaturación residual para vulcanización Propileno
Figura 3.8 Obtención del HNBR
Como se observa en la figura anterior, la hidrogenación del NBR resulta en un
terpolímero acrilonitrilo, etileno, propileno y butadieno[24]. Es importante recordar que la
cantidad de butadieno que realmente se mantiene en la estructura es sustancialmente
menor que la presente en el NBR estándar, inclusive en algunos casos se recomienda la
utilización de sistemas de curado sin azufre, del tipo peróxidos[25].
Como se describió en la sección anterior, el NBR posee una excelente relación entre
resistencia a fluidos hidrocarbonados y propiedades mecánicas; sin embargo, éste es
sensible a oxidación y al ataque por azufre debido al alto contenido de insaturaciones. El
HNBR encuentra un nicho en el mercado gracias a que aporta las mismas cualidades
mecánicas que el caucho nitrilo e inclusive se ha demostrado que poseen una mayor
resistencia a la abrasión como se muestra en la figura 3.9. Además poseen una mayor
resistencia térmica y química debido a la menor concentración de insaturaciones.
Las distintas concentraciones de acrilonitrilo en el HNBR influyen de la misma manera
que en el NBR, sólo que en este caso se tienen elastómeros tipo C y D, lo cual demuestra su
mayor estabilidad térmica en comparación al NBR, y clases que van desde la F hasta la J[24].
16
Figura 3.9 Resistencia a la abrasión (Akron) de diferentes materiales[24]
3.2.7 Caucho nitrilo carboxilado (XNBR)
El caucho nitrilo carboxilado se obtiene mediante la adición de un grupo carboxílico a la
cadena del NBR durante la polimerización, como se muestra en la figura 3.10. Esto le otorga
al elastómero una gran mejora en cuanto a resistencia a la abrasión y al desgarre. Estas
propiedades son de gran consideración al momento de diseñar estatores para BCP en
contacto con crudos de alto contenido de arena y partículas sólidas.
Butadieno Acrilonitrilo Ac. Carboxílico
Figura 3.10 Obtención y estructura del XNBR[22]
La resistencia a la abrasión, al desgarre y la ductilidad aumentan con el contenido de
grupos carboxílicos en la cadena; sin embargo, la presencia de estos grupos puede
disminuir significativamente el tiempo scorch. Por lo tanto, se debe ser minucioso al
momento de escoger los iniciadores del sistema de acelerantes para la vulcanización[22].
0
50
100
150
200
45% ACN HNBR
45% ACN NBR
ECO FKM ACM
Resi
sten
cia
rela
tiva
a la
abr
asió
n
Material
17
3.2.8 Fluoroelastómeros
Los fluoroelastómeros son materiales de alto desempeño que presentan en su
estructura molecular una gran cantidad de enlaces carbono-flúor (C-F). Estos son muy
estables química y térmicamente, lo que le confiere a estos elastómeros una sobresaliente
resistencia química y a elevadas temperaturas. La estabilidad química y térmica de los
fluoroelastómeros es proporcional al contenido de flúor[23].
Estos materiales son utilizados cuando el ambiente de operación es tan agresivo que
ningún otro elastómero puede mantener su integridad en él. La estabilidad térmica y
química de los fluoroelastómeros son sus principales prestancias: estos materiales tienen
una temperatura máxima de trabajo continuo de hasta 205°C y una temperatura máxima
de exposición de 300°C.
Las carencias de los elastómeros fluorados se encuentran en sus pobres propiedades
mecánicas en comparación con otros elastómeros de uso petrolero como el NBR. Sin
embargo, poseen una sobresaliente resistencia a la deformación remanente por
compresión a elevadas temperaturas y una excelente flexibilidad a bajas temperaturas[23].
Los elastómeros fluorados se obtienen a partir de la copolimerización de monómeros
fluorados (que se muestran en la tabla 3.2). La combinación de éstos, más la adición de
otros de diferente naturaleza, combinado con los diferentes mecanismos de control de
peso molecular y la incorporación de diferentes aditivos, crean un amplio mercado que
supera los 70 tipos de elastómeros fluorados. De ellos, los de mayor comercialización son
los copolímeros de fluoruro de vinilideno y hexafluoruro de propileno y los terpolímeros
que contienen además de los anteriores tetrafluoruro de etileno [26]. Este tipo de
elastómeros son denominados FKM y son calificados por la norma ASTM D200 como
elastómeros HK en cuanto a tipo y clase, respectivamente[19].
18
Tabla 3.2 Monómeros utilizados en la síntesis de fluoroelastómeros[26]
Tipo de Monómero Estructura
Alquenos no sustituidos
Etileno
Propileno
퐶퐻 = 퐶퐻
퐶퐻 = 퐶퐻퐶퐻
Parcialmente sustituidos
Fluoruro de vinilideno (VF2)
퐶퐻 = 퐶퐹
Totalmente sustituidos
Trifluoruro de cloroetileno (CTFE)
Tetrafluoruro de etileno (TFE)
Hexafluoruro de propileno (HFP)
Perfluoruro de metil vinil éter (PMVE)
퐶퐹퐶푙 = 퐶퐹
퐶퐹 = 퐶퐹
퐶퐹 = 퐶퐹퐶퐹
퐶퐹 = 퐶퐹푂퐶퐹
De sitio de curado (CSM por siglas en inglés de
Cure Site Monomer)
푅 − 푋
푋 = 퐵푟, 퐼
De los elastómeros FKM, el de mayor demanda para la fabricación de cavidades
progresivas es el terpolímero de fluoruro de vinilideno-hexafluoruropropileno-tetrafluoruro
de etileno (VF2/HFP/TFE, por siglas en inglés) comercialmente conocido como Viton™. Éste
material, fabricado por DuPont, presenta diferentes grados según la resistencia térmica o
química que determinado caso requiera. Una formulación que destaca para el uso de
cavidades progresivas es el Viton GF a la cual se le agrega un monómero portador de
posición de curado (CSM) generando una estructura como la que se observa en la figura
3.11. El uso de este monómero adicional permite un mejor curado con peróxidos
resultando en un material con, además de una sobresaliente resistencia química y térmica,
una importante resistencia a la abrasión y mayor flexibilidad a bajas temperaturas[27].
El costo de estos materiales supera con creces los de cualquier tipo de NBR, hecho que
limita la aplicación de éstos a condiciones agresivas donde el NBR sea incapaz de mantener
su integridad.
19
Figura 3.11 Estructura del Viton GF[28]
3.6 Efecto de la presión y el CO2 en los elastómeros
La interacción entre un factor externo cualquiera que sea y el elastómero es conducida
por las características intrínsecas de cada uno. La presencia de estructuras susceptibles a
ciertos agentes en la molécula del elastómero facilitará la interacción entre ambos. Por
ejemplo: la facilidad de ataque del oxígeno y el ozono en las insaturaciones de ciertos
materiales como el caucho natural (NR) o el nitrilo (NBR), la afinidad por razones de
polaridad entre los plastificantes del elastómero y el crudo o la capacidad de eflorescencia
de las parafinas en ciertos elastómeros que le protegen de ambientes oxidantes.
Estas interacciones pueden ser favorables o agresivas para el elastómero. Un agente es
agresivo cuando es capaz de alterar estructuralmente al material, bien sea por acciones
físicas o químicas, comprometiendo algunas de sus propiedades necesarias para su
operación[6]. Este comportamiento está influenciado por la temperatura del medio, la
densidad de entrecruzamiento del elastómero y las fuerzas de interacción agente externo-
elastómero, elastómero-aditivo, agente externo-aditivo[23].
El dióxido de carbono CO2 es un gas polar que se encuentra con bastante frecuencia en
los yacimientos petrolíferos venezolanos. El efecto de éste sobre los elastómeros en estudio
(NBR y sus variantes, FKM) tiene orígenes principalmente físicos y está influenciado por
factores como la humedad, la temperatura y la densidad de entrecruzamiento del
elastómero[29].
Este gas es capaz de difundir en la matriz del elastómero la cual posee una gran cantidad
de micro espacios vacíos entre las cadenas. Estos espacios colaboran con la gran movilidad
de las cadenas elastoméricas. Esta permeación aumenta el volumen del elastómero y crea
un efecto de solvatación entre las cadenas que resulta en un importante pérdida de
propiedades mecánicas.
20
La difusión del CO2 en la matriz elastomérica se ve favorecida por la polaridad de este, es
decir, en el caucho nitrilo, a medida que el contenido de acrilonitrilo es mayor habrá más
afinidad entre el gas y el elastómero (esto a nivel superficial). Una vez que el gas penetra en
la matriz, la permeabilidad de este medio se ve disminuida al aumentar la concentración de
acrilonitrilo[30]. Se tiene entonces un balance entre dos efectos que se contraponen: la
solubilidad superficial y la difusión interna. Se ha demostrado que a partir de
concentraciones superiores al 30% de CO2, el efecto de hinchamiento es mayor en cauchos
nitrilo de menor contenido de acrilonitrilo; por lo tanto, se puede afirmar que la difusión
predomina en esta situación[31]. Sin embargo a concentraciones menores se han encontrado
resultados totalmente opuestos, donde la solubilidad del CO2 en el elastómero parece
haber privado sobre la difusión, alcanzándose mayores valores de hinchamiento en
aquellos materiales con mayor concentración de acrilonitrilo[30].
La interacción de este gas con la matriz elastomérica puede generar otro efecto
importante asociado a la alta permeabilidad del material ante el CO2. Éste fenómeno es
conocido como descompresión explosiva. La descompresión explosiva ocurre con
frecuencia en las BCP cuando operan en yacimientos con altos contenidos de gas libre, los
cuales son capaces de absorberse en la matriz elastomérica hasta saturarla. Si en algún
momento ocurre una caída de presión súbita generada por ejemplo por una salida de
operación o por mantenimiento, el gas si no es capaz de abandonar la matriz lo
suficientemente rápido, se expandirá dentro de ésta ocasionando desgarres y grietas
internas y ampollando la superficie. Cuando esto ocurre el estator no puede continuar en
operación.[9]
El efecto del CO2 en los elastómeros está ampliamente relacionado con la presión total
del sistema: a medida que esta es mayor, la velocidad de absorción del gas aumenta ya que
el gas penetra los espacios vacios de la matriz hasta igualar la presión interna a la del
ambiente y alcanzar el equilibrio del sistema. Sin embargo, cuando la presión alcanza
valores cercanos a los 2500 psi, las moléculas del elastómero se compactan disminuyendo
los espacios disponibles para la absorción del gas. Además, a medida que la presión del
sistema es mayor, el diferencial de presión entre ésta y la de las cavidades internas de la
21
matriz del elastómero es también mayor, lo cual favorece la formación de grietas y
ampollamiento por descompresión explosiva[32]
3.7 Efecto de la temperatura en los elastómeros.
La temperatura juega un papel primordial en todo proceso físico o químico y siempre es
una variable fundamental a considerar en todo momento. Las características viscoelásticas
de los elastómeros, así como su estructura molecular y la gran cantidad de aditivos
presentes en sus formulaciones, requieren de especial atención de la temperatura de
operación del mismo, ya que ésta puede afectar drásticamente el desempeño del material.
La temperatura es una fuente de energía para cualquier sistema. En el caso de los
elastómeros, esta energía puede desencadenar la ocurrencia de ciertas reacciones que
pudieran comprometer la integridad del material además de aumentar la susceptibilidad de
estos ante agentes agresivos externos.
Por ejemplo, a mayores temperaturas, la susceptibilidad de las insaturaciones en las
cadenas poliméricas se hace mayor facilitando la ocurrencia de reacciones termo-oxidativas
en estos puntos. Estas reacciones aumentan de manera descontrolada la densidad de
entrecruzamiento ocasionando un endurecimiento excesivo del material, lo cual devenga
en un comportamiento frágil del mismo.[33]
La temperatura puede también otorgar la energía suficiente para la disociación de
enlaces presentes en el material (Ver tabla 3.3) o para facilitar la extracción de grupos
lábiles de la estructura molecular. En ambos casos, se genera una escisión de cadena y con
ella la formación de radicales libres, los cuales son altamente activos y conllevan a la
propagación de reacciones de depolimerización o de degradación oxidativa[6, 9].
La interacción de agentes externos con el elastómero se ve influenciada fuertemente por
la temperatura. Por ejemplo, se ha demostrado que la velocidad de absorción de un gas en
la matriz elastomérica crece de manera exponencial, tipo ley de Arrhenius, con la
temperatura[33]. De igual manera los procesos de envejecimiento y degradación por oxígeno
y ozono, así como la susceptibilidad a la luz UV se ven favorecidos con el incremento de la
temperatura, generando fallas precipitadas en el material[6].
22
Tabla 3.3. Energías de disociación (Ea) de enlaces típicos
en elastómeros[25]
Tipo de enlace Ea[KJ.mol-1]
푆 − 푆 270
퐶 − 푆 272
퐶 − 퐶 347
퐶 − 퐻 414
퐶 − 퐹 439
퐶 = 퐶 611
퐶 ≡ 푁 891
Los efectos de extracción de aditivos, así como el hinchamiento del elastómero, son
procesos de difusión molecular, los cuales también se ven favorecidos por la energía
adicional que aporta la temperatura, pues se facilita el movimiento de moléculas al interior
o al exterior de la matriz elastomérica[6].
Por lo expuesto anteriormente, se tiene entonces que la resistencia térmica de un
elastómero es función de:
La energía de disociación de los enlaces que conforman la estructura molecular,
principalmente aquellos de la cadena principal. Por lo tanto, al observar la tabla
3.3, no sorprende la muy superior resistencia térmica del FKM sobre el NBR
Presencia de estructuras susceptibles como insaturaciones, que son propensas al
ataque por oxígeno, ozono y luz uv.
Temperatura de volatilización de aditivos como plastificantes y/o ayudantes de
procesamiento[25].
En los yacimientos venezolanos, generalmente la temperatura del crudo oscila entre los
25°C y los 90°C, por lo tanto la temperatura de trabajo de las BCP se encuentra por debajo
del límite máximo de operación tanto para el NBR (100°C) como del FKM (300°C). Sin
embargo, a medida que el pozo va perdiendo su capacidad natural de producción es
necesario, la implementación de mecanismos de estimulación como la inyección de vapor,
lo cual puede aumentar la temperatura del pozo hasta los 250°C. Además, si en el
23
yacimiento existe una cantidad alta de gases libres las condiciones son aún más hostiles
para la integridad de los elastómeros. En este sentido, es de vital importancia el
reconocimiento de las prestancias que ofrece cada tipo de elastómero en cuanto a
resistencia térmica para evitar fallas que comprometan la producción.
3.8 Efecto del Crudo en los Elastómeros
Cuando un elastómero entra en contacto con un fluido, estos son capaces de interactuar
conformando un sistema con manifestaciones tanto físicas como químicas. La acción de un
líquido sobre un caucho resulta en la absorción de éste por el elastómero, y algunas veces
en la extracción de componentes de la formulación del caucho solubles en el fluido. La
absorción del fluido por el caucho es más común que la extracción de compuestos solubles;
sin embargo, este último hecho puede llegar a tener consecuencias más perjudiciales para
el material ya que devenga en la disminución de alguna propiedad. Se puede decir entonces
que una pérdida en peso o en volumen genera daños de mayor magnitud que un aumento
de estos[34].
La absorción de un fluido en un elastómero involucra dos procesos físico-químicos. En un
principio el fluido se disuelve en la superficie del elastómero: este proceso se conoce como
adsorción, para posteriormente penetrar en la matriz del elastómero por difusión. La
afinidad entre determinado elastómero con un fluido está dominada por factores
termodinámicos. La absorción de un fluido en un elastómero ocurrirá si esto genera un
cambio negativo en la energía libre, lo cual está gobernado por la entalpía y la entropía del
sistema. Los cambios en la entalpía están influenciados por el parámetro de solubilidad (δ)
entre el elastómero y el fluido, el cual a su vez depende de la energía de cohesión molecular
de cada uno. Por ejemplo, si se tiene un parámetro de solubilidad entre 4.10 y 6.15 MPa0.5,
el fluido será absorbido fácilmente por el elastómero, mientras que si se tiene un fluido con
mayor cohesión molecular, es decir, más viscoso, la absorción se verá impedida de cierta
manera. Otros factores estructurales concernientes al elastómero como la densidad de
entrecruzamiento, la temperatura de transición vítrea (Tg) e inclusive el contenido de carga
24
pueden afectar la absorción del fluido. Esto se debe a cambios en la contribución de la
entropía en la ecuación de la energía libre[35].
Cuando un elastómero entra en contacto con un fluido hidrocarbonado pueden ocurrir
tres fenómenos. El más evidente es el aumento en las dimensiones del elastómero, el cual
está asociado a la absorción de ciertas sustancias afines con la matriz elastomérica; la
extracción de aditivos de la formulación del caucho por parte del crudo y el deterioro de las
propiedades físicas de este son también posibles[36].
En el caso de los crudos se ha demostrado que son las especies aromáticas presentes en
estos las principales responsables del hinchamiento de los elastómeros, siendo los
monoaromáticos y los tiofenos aromáticos de bajo peso molecular, compuestos presentes
en la nafta de los crudos, los de mayor poder hinchante debido a su afinidad por la matriz
elastomérica y la posibilidad de difusión a través de ésta. En base a esto, se ha establecido
el criterio que afirma que a medida que la fracción liviana del crudo es mayor también lo
será el hinchamiento que provocará en un material elastomérico como el NBR o los cauchos
fluorados. De igual manera, se ha estudiado la extracción de componentes pertenecientes a
la formulación del elastómero como plastificantes y ayudantes de procesamiento
evidenciándose la afinidad de este tipo de compuestos con las fracciones parafínicas del
crudo[7-8, 37-38].
25
CAPÍTULO IV
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En el presente capítulo se exponen los procedimientos experimentales llevados a cabo para
satisfacer los objetivos planteados así como los materiales y equipos empleados en cada uno de
ellos. Dichos procedimientos se organizan en seis grupos los cuales contemplan: la
caracterización del elastómero, la evaluación de las propiedades iniciales de cada uno, la
caracterización de los crudos empleados en cada condición, el envejecimiento de los
elastómeros en las condiciones de pozo, la evaluación de propiedades mecánicas posterior al
envejecimiento y el estudio de la superficie de fractura por microscopía electrónica de barrido
(MEB) del elastómero en las condiciones de envejecimiento más agresivas.
4.8 Materiales
El objetivo del estudio fue evaluar la compatibilidad de siete formulaciones de
elastómeros comerciales utilizados para la fabricación de bombas de cavidades progresivas
(BCP) con las condiciones presentes en siete pozos de la Faja Petrolífera del Orinoco (FPO).
Los materiales utilizados para ello fueron las muestras de las formulaciones, el crudo
procedente de cada pozo y dióxido de carbono (CO2).
Los elastómeros fueron proporcionados por dos fabricantes diferentes de BCP y
denominados como se muestra en la tabla 4.1. A excepción del elastómero A, los
elastómeros fueron recibidos con las geometrías necesarias para realizar los ensayos que
posteriormente se describen, mientras que el A fue recibido en forma de láminas cuadradas
de 2 mm y 6 mm de espesor, las cuales posteriormente debieron ser troqueladas para
obtener las geometrías necesarias.
Además del dióxido de carbono, se requirió de nitrógeno (N2) tanto líquido como
gaseoso para los ensayos en los autoclaves y microscopía electrónica, respectivamente.
26
Tabla 4.1. Elastómeros en estudio y su fabricante
Elastómero Fabricante
A 1
B 2
C 2
D 2
E 2
F 2
G 2
H 2
A continuación se exponen los procedimientos llevados a cabo y los equipos utilizados para
satisfacer los objetivos planteados.
4.9 Caracterización de los elastómeros
La estructura molecular de todo material define sus propiedades, por lo tanto es de
interés conocer la naturaleza de los elastómeros a evaluar con la finalidad de establecer
relaciones entre ésta y la compatibilidad de cada uno con las condiciones del estudio.
La identificación de los elastómeros se realizó utilizando la técnica de espectroscopía
infrarroja (IR) y análisis termogravimétrico (TGA). La espectroscopía infrarroja se basa en la
capacidad de absorción de luz infrarroja, con determinada longitud de onda, que tienen los
enlaces presentes en los diferentes grupos que integran la molécula. El resultado de esta
técnica es un espectro donde se muestra el porcentaje de transmitancia (o absorbancia) de
luz infrarroja en función de la longitud de onda (nm) o en el número de estas por
centímetro (cm-1)[39], pudiéndose determinar de esta manera los tipos de enlaces, y por
ende los grupos, presentes en la molécula del material.
Los ensayos de espectroscopía infrarroja fueron realizados siguiendo los procedimientos
establecidos en la norma ASTM D3677, empleando el proceso de pirolisis por llama de gas.
El condensado se introdujo en el espectrofotómetro sobre una pastilla de bromuro de
potasio (KBr).[40]
27
El desempeño de un material elastomérico depende, además de la estructura molecular
del polímero, de la naturaleza y proporción de los aditivos utilizados en la formulación, en
particular de aquellos que influyen directamente en las propiedades mecánicas de éste,
como lo son las cargas reforzantes (principalmente negro de humo) y los plastificantes[18].
En tal sentido, se realizaron ensayos de termogravimetría a las siete formulaciones en
estudio, utilizando para ello un analizador termogravimétrico Perkin Elmer Pyris 6 TGA
como el que se muestra en la figura 4.1. Los barridos de temperatura contemplaron
isotermas que permitieron observar las temperaturas y los porcentajes de pérdida de masa
que ocurrieron en las muestras. Con los termogramas obtenidos y considerando las
temperaturas características de volatilización de los aditivos comúnmente utilizados en una
formulación elastomérica que se muestran en la tabla 4.2, se pudo determinar el contenido
de plastificante y/o ayudantes de procesamiento y de cargas utilizadas en cada formulación.
Figura 4.1 Equipo TGA empleado en el estudio.
Tabla 4.2 Componentes típicos de una formulación y sus temperaturas de volatilización[38]
Componente Temperatura (°C)
Plastificante 100-300
Ayudante de Procesamiento 300-550
Polímero 350-550
Negro de humo 550-750
Cargas inertes >750
28
4.10 Evaluación de las propiedades iniciales.
La compatibilidad de los elastómeros con las condiciones de pozo se define según la
variación de sus propiedades mecánicas una vez sometidas a envejecimiento respecto a los
valores de éstas en estado virgen. Las propiedades a considerar fueron la dureza, la
deformación remanente por compresión, así como las propiedades tensiles de resistencia y
elongación a la ruptura. A continuación se describen los procedimientos realizados para
determinar cada una de ellas.
4.3.1 Dureza
Los ensayos de dureza se realizaron con un durómetro marca Shore modelo 716 (figura
4.2a) siguiendo el procedimiento descrito en la norma ASTM D2240[41]. Las probetas
utilizadas se muestran en la figura 4.2b. En la superficie de cada una de éstas se tomaron
aleatoriamente diez mediciones de dureza en escala Shore A para posteriormente obtener
un valor promedio con su respectiva incertidumbre.
a.
b.
Figura 4.2 (a) durómetro Shore 716 y (b) probetas para determinar dureza.
29
4.3.2 Deformación remanente por compresión
Mediante este ensayo se determinó el porcentaje de deformación remanente en una
probeta, en función de su espesor inicial, luego de ser sometida a una carga estática capaz
de deformarla en un 75% de manera axial. Para ello se utilizó el procedimiento B descrito
en la norma ASTM D395 durante 72 horas. Se utilizaron cinco probetas por cada
formulación con la finalidad de obtener un porcentaje de deformación remanente
promedio con su respectiva incertidumbre. Tanto el equipo utilizado, así como la geometría
de las probetas cilíndricas de 6mm de espesor, se pueden apreciar en la figura 4.3a y 4.3b,
respectivamente.
a.
b.
Figura 4.3 (a) Equipo para aplicar una deformación constante, (b) probetas para determinar
deformación remante por compresión.
4.3.3 Propiedades Tensiles
Para determinar la resistencia y la elongación a la ruptura de las formulaciones en
estudio se realizaron ensayos de tracción a temperatura ambiente en una máquina de
ensayos universales marca Instron modelo 4204, esto siguiendo el método de ensayo A
descrito en la norma ASTM D412 con una velocidad de separación de mordazas de 500
mm/min. La máquina y las probetas utilizadas se pueden apreciar en la figura 4.4a y 4.4b,
respectivamente [42]
30
a.
b.
Figura 4.4 (a) Máquina de ensayos universales, (b) probetas para determinar las propiedades
tensiles.
4.11 Caracterización de los crudos
La compatibilidad de los diferentes elastómeros con cada uno de los crudos en estudio
está definida por la composición de estos últimos, principalmente, por la cantidad y
naturaleza de las especies aromáticas presentes en ellos. En procura de establecer una
relación entre la composición de cada crudo y la influencia de estos en el desempeño de los
elastómeros en estudio, se realizaron los ensayos que a continuación se exponen y que
permitieron determinar la cantidad de especies aromáticas presentes.
En primer lugar, se determinó el porcentaje de agua contenido en cada crudo mediante
destilación. Aquellos crudos con una cantidad de agua superior al 1% fueron sometidos a un
proceso de deshidratación con recuperación de las especies volátiles livianas.
Una vez normalizado el contenido de agua en los crudos que así lo requerían, se
procedió a realizar una destilación simulada para cada crudo, esto con la finalidad de
conocer el contenido de nafta disponible para extraer mediante destilación, ya que es en
ésta donde se encuentra la totalidad de especies aromáticas de bajo peso molecular, las
cuales poseen la mayor capacidad de hinchamiento entre las contenidas en el crudo.
Según procedimientos establecidos por PDVSA-Intevep, un crudo tiene una cantidad de
nafta suficiente para poder ser extraída si en los cortes teóricos de la destilación simulada
se observa un 3% o más en peso de especies volátiles por debajo de los 220°C (IBP 220- ).
31
Los crudos que cumplieron con tal premisa fueron sometidos a una separación o topeo por
destilación de componentes obteniéndose dos fracciones de éstos: la liviana, compuesta
por especies volátiles por debajo de los 220°C (IBP 220- ) y la pesada, compuesta por las
especies no volátiles a 220°C (IBP 220+ ).
Una vez extraída la fracción liviana de los crudos donde fue posible, se procedió a
realizarle un ensayo de caracterización molecular por cromatografía de gases para
determinar el tipo y fracción en peso de los compuestos tipo parafinas, olefinas, naftenos y
aromáticos (PONA), mientras que a la fracción pesada de éstos, se le procedió a realizar un
ensayo para determinar la concentración de especies saturadas, aromáticas, resinas y
asfaltenos (SARA) por cromatografía líquida de alta presión (HPLC) por sus siglas en inglés.
Por otro lado, los crudos más pesados sin fracción liviana suficiente para extraer nafta,
fueron separados por destilación con un corte teórico de 487°C. La fracción volátil por
debajo de dicha temperatura (IBP 487- ) conocida como VGO por “Vacuum Gas Oil”, la cual
posee especies aromáticas pero de un peso molecular mayor que las de la nafta, fue
sometida a un ensayo de espectroscopía de masas híbrida conocida como ROBINSON para
determinar la fracción y naturaleza de las especies aromáticas y saturadas presentes. La
fracción no volátil por encima de 487°C carece de importancia para el presente estudio por
contener solamente especies de elevado peso molecular incapaces de interactuar con el
elastómero. Un esquema del proceso de caracterización de los crudos se puede apreciar en
la figura 4.5 que a continuación se muestra.
32
Figura 4.5. Esquema de caracterización de los crudos.
Una vez obtenido el porcentaje en peso absoluto de las fracciones aromáticas
livianas(AL) y pesadas (AP), se procedió a definir el índice de hinchamiento (I.H), el cual es la
suma de estas fracciones más el porcentaje en peso de CO2 en cada condición como se
muestra en la ecuación 4.1, donde i identifica una condición específica de las siete en
estudio:
퐼.퐻 =퐴퐿 + 퐴푃 + %퐶푂
100 Ecuación (4.1)
El índice de hinchamiento agrupa las distintas variables de cada condición capaces de
influir en el hinchamiento volumétrico del elastómero: a medida que este es mayor se
espera un mayor hinchamiento del elastómero. En este caso se calcularon siete valores de
índice de hinchamiento correspondientes a las condiciones de pozo en estudio los cuales se
correlacionaron con los valores de hinchamiento registrados en busca de una tendencia.
33
4.12 Envejecimiento en condiciones de pozo
Para estudiar el efecto de las condiciones de pozo en los elastómeros utilizados para la
construcción de bombas de cavidades progresivas, se sometieron a envejecimiento durante
siete días, equivalentes a 168 horas, una serie de probetas de dureza, deformación
remanente, ensayos de tracción y de hinchamiento volumétrico. Estas últimas fueron
rectángulos de 50 mm x25 mm con un espesor de 2 mm como las mostradas en la figura
4.6. Las probetas de hinchamiento fueron pesadas al aire y suspendidas en agua siguiendo
el principio de Arquímedes, esto con la finalidad de calcular su volumen y estudiar el
hinchamiento según lo expuesto en la norma ASTM D 471[43].
Figura 4.6. Probetas utilizadas para calcular el hinchamiento volumétrico.
El envejecimiento se llevó a cabo en unos autoclaves de acero como los mostrados en la
figura 4.7, los cuales fueron llenados con el crudo correspondiente a cada condición y
llevados a una temperatura de 65 °C. La presión total de los autoclaves en todas las
condiciones fue de 800 psi a temperatura ambiente, conformada por una presión parcial de
dióxido de carbono (CO2) variable para cada condición como se muestra en la tabla 4.3,
mientras que el restante se completó con nitrógeno, un gas inerte que no interfiere en los
ensayos más allá de la presión que ejerce en el interior del autoclave.
34
Tabla 4.3. Condiciones de envejecimiento.
Condición Presión CO2[Psi] (% Ensayo*) Crudo
1 97 (12,1) 1
2 80 (10,0) 2
3 70 (8,6) 3
4 64 (8,0) 4
5 51 (6,4) 5
6 85 (10,6) 6
7 67 (8,4) 7
Figura 4.7. Autoclave utilizado para el envejecimiento.
Pasado el tiempo establecido para el envejecimiento, se procedió a la despresurización
de los autoclaves. Esta se realizó lentamente a un flujo constante durante 24 horas para
evitar la ocurrencia del fenómeno de descompresión explosiva, el cual comprometería las
futuras mediciones necesarias para el estudio. Una vez alcanzada la presión atmosférica se
procedió a la apertura de los autoclaves y recuperación de las probetas.
*Porcentaje de CO2 en la atmósfera del autoclave
35
4.13 Evaluación de propiedades posterior al envejecimiento.
Una vez recuperadas las probetas de los autoclaves se procedió a evaluarlas siguiendo
los mismos parámetros que los mencionados previamente en este capítulo en la sección
4.3. Además, se determinó el hinchamiento volumétrico generado por las condiciones de
pozo en los elastómeros evaluados, esto siguiendo el procedimiento descrito para el cálculo
de variaciones en volumen en la norma ASTM D 471[43].
4.14 Análisis de la superficie de fractura
Con la finalidad de estudiar el comportamiento del elastómero durante la fractura se
realizaron ensayos de microscopia electrónica de barrido en las superficies de fractura de
las probetas sometidas a tracción que resultaron más afectadas por el envejecimiento. Las
micrografías obtenidas permitieron distinguir entre un comportamiento dúctil o frágil de la
fractura al compararlas con una totalmente frágil obtenida en una probeta rigidizada en
nitrógeno líquido de la misma formulación del elastómero en estudio.
Además de la microscopía, se realizaron ensayos de espectroscopía de rayos x por
energía dispersiva (EDAX por sus siglas en inglés) para verificar la composición de la matriz y
de especies de interés como cargas y anomalías presentes en zonas de defecto.
36
CAPÍTULO V
RESULTADOS Y DISCUSIONES
A continuación se presentan los resultados que definirán la selección de los elastómeros a
emplear para la conformación de los estatores de las BCP. En primer lugar se exponen los
resultados correspondientes a la caracterización de los elastómeros y de los crudos utilizados en
cada condición. Posteriormente, se encuentran los obtenidos durante los estudios de las
propiedades mecánicas, dureza e hinchamiento volumétrico de cada material, así como el
correspondiente análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM) para ciertas condiciones
de interés.
5.1 Caracterización de los elastómeros
En el capítulo anterior se describieron los distintos procedimientos experimentales
llevados a cabo para cada material. En la presente sección se describe la naturaleza de cada
uno de esos elastómeros.
Previamente se mencionó el predominio de los elastómeros pertenecientes a la familia
de los copolímeros de butadieno-acrilonitrilo y a la de los fluorados en el moldeo de los
estatores de las BCP. En efecto, haciendo uso de la técnica de espectroscopía infrarroja se
determinó que seis de los siete elastómeros estudiados corresponden a copolímeros de
butadieno-acrilonitrilo, comúnmente conocido como caucho nitrilo o NBR por sus siglas en
inglés. Este hecho se confirmó mediante dos protocolos diferentes; primero se observó la
presencia de las bandas de absorción características del NBR [40] en cada uno de los
espectros obtenidos las cuales se muestran en la tabla 5.1.
37
La presencia de una banda bien definida y de una intensidad importante alrededor de un
número de onda de 2238 cm-1 es una condición determinante, considerando el campo de
aplicación del presente estudio, para afirmar que el elastómero es en efecto NBR. Esta
banda corresponde al estiramiento del triple enlace del grupo nitrilo (-CΞN) presente en el
acrilonitrilo[44]. De hecho, la transmitancia de esta señal puede ser utilizada para calcular el
contenido de acrilonitrilo de la muestra en estudio[45]. En la figura 5.1 se puede observar la
banda previamente mencionada y el resto de las indicadas en la tabla 5.1; las bandas
consecutivas en 2930 cm-1 y 2859 cm-1 corresponden a los estiramientos del enlace (C-H) en
los grupos metil (-CH2) de la zona alifática del elastómero, mientras que la deformación de
este mismo enlace genera la aparición de la banda de fuerte intensidad a los 1456 cm-1. De
igual manera, se puede observar la banda correspondiente al estiramiento en el plano del
enlace (C=C) presente en el butadieno a un número de onda alrededor de los 1640 cm-1.
Esta banda se complementa con la que se puede apreciar cerca de los 916 cm-1
característica del estiramiento fuera del plano del mismo enlace insaturado del
butadieno[46].
El resto de los espectros infrarrojos pueden observarse en el apéndice A. Además de la
identificación teórica de las bandas, la comparación de los espectros obtenidos con los de la
librería construida a partir de ensayos previos realizados por PDVSA-Intevep (Ver apéndice
B) ratificó la identificación de los elastómeros inicialmente seleccionados como copolímeros
de butadieno-acrilonitrilo. Adicionalmente, siguiendo procedimientos previamente
utilizados[45], se logró establecer un ordenamiento en cuanto al mayor o menor contenido
de acrilonitrilo de cada material el cual se expone en la tabla 5.2. Es importante señalar que
Número de onda(cm-1) Intensidad Tipo de Enlace
2930 y 2859 Fuerte C-H
2238 Mediana-Fuerte CΞN
1640 Fuerte C=C
1456 Fuerte C-H
916 Mediana C=C
Tabla 5.1 Señales características del NBR en un espectro infrarrojo
38
este resultado es cualitativo y no necesariamente preciso ya que esta información se
obtuvo extrapolando un resultado obtenido con ciertas condiciones y equipos que no
necesariamente son iguales a los del presente estudio. Variables como el espesor de la
película, el proceso de pirolisis utilizado para obtenerla, el sustrato empleado en el equipo
afectan los resultados; y como bien lo índica la norma ASTM D3677, no se puede asegurar
un cálculo que cumpla con parámetros confiables de precisión y reproducibilidad. Sin
embargo, los fundamentos teóricos que sustentan el ensayo permiten hacer uso de la
herramienta de manera comparativa.
Figura 5.1 Espectro Infrarrojo correspondiente al elastómero F
Tabla 5.2 Contenido estimado de acrilonitrilo (ACN) para los NBR en estudio
Mayor Contenido Acrilonitrilo Menor Contenido Acrilonitrilo
Material D B C A E F
En la figura 5.2 se puede observar el espectro infrarrojo obtenido para el elastómero
denominado G, mientras que las bandas características de un elastómero tipo FKM se
39
encuentran en la tabla 5.3 donde resaltan las ubicadas en 885 cm-1 y 1394 cm-1
correspondientes al estiramiento del enlace (-CF). Las dos bandas previamente mencionadas
son evidentes en la figura 5.2. Además de éstas, se aprecia una de fuerte intensidad a los
1754 cm-1, zona correspondiente a las vibraciones de enlaces carbonilos[46] y otra de interés
ubicada a los 1210 cm-1,zona correspondiente a la vibración de estiramiento del enlace (C-O)
propia de enlaces tipo éter comunes en los elastómeros fluorados, producto de la
vulcanización usando peróxidos y co-agentes tipo éster[47]. También se aprecia una banda
involucrada nuevamente con la presencia de un grupo trifluor (CF3) a 736 cm-1; esta zona es
característica de vibraciones en grupos CF-CF3[48].
Aunque la estructura molecular en sí no contiene segmentos hidrocarbonados aparece
una banda de baja intensidad correspondiente a las vibraciones de este tipo de enlace.
Estos segmentos, aunque son comunes en los copolímeros y terpolímeros fluorados de
naturaleza elastomérica, representan una porción pequeña en la molécula [27] y tienen su
origen en la adición de un monómero con pequeños segmentos alifáticos (de 2 a 4
carbonos) durante la polimerización para facilitar el posterior curado mediante peróxidos,
ya que estos poseen terminaciones activas con yodo o bromo.
Figura 5.2 Espectro Infrarrojo correspondiente al elastómero G
40
La presencia de las bandas características mencionadas en la tabla 5.3 en el espectro del
elastómero G permite afirmar que éste es un elastómeros fluorado. Además, es probable
que se trate específicamente de un elastómero fluorado tipo FKM ya que se evidencia una
similitud al compararlo con un espectro encontrado en la literatura[49] (ver apéndice C), el
cual corresponde a un elastómero perteneciente a la familia de los terpolímeros de fluoruro
de vinilideno-hexafluoruropropileno-tetrafluoruro de etileno (VF2/HFP/TFE, por siglas en
inglés) comercialmente conocido como Viton GF, elastómeros fluorados tipo FKM. El
espectro de referencia además reporta que el proceso de curado se realizó utilizando un
sistema de peróxidos con un co-agente de entrecruzamiento de trialil-isocianurato (TAIC
por siglas en inglés) comercialmente conocido como Diak 7 el cual posee en su estructura
tres grupos carbonilos por molécula [49], explicándose de esta manera la aparición en el
espectro de una banda de absorción correspondiente a los mencionados grupos en ambos
espectros. Al utilizar este tipo de co-agente se logra una alta densidad de
entrecruzamientos y por lo tanto mejoras en las propiedades mecánicas y de resistencia
química en el producto final.[28] El uso de sistemas de curado basado en este tipo de
compuestos da como resultado materiales resistentes al envejecimiento térmico
principalmente en agua. Sin embargo, para aplicaciones con fluidos hidrocarbonados como
el aceite mineral o el aceite ASTM 3, no ha resultado ser el sistema más resistente [50].
Tabla 5.3 Señales características de una elastómero fluorado.
Número de onda(cm-1) Intensidad Tipo de Enlace
2979 Débil CH2
885 y 1394 Media-Fuerte -CF
1210 Ancha Fuerte C-O
931 Mediana -CF
736 Fuerte CF-CF3
41
5.2 Caracterización de los crudos
Es importante para la selección del elastómero para la BCP el estudio del ambiente de
operación de la misma. Como se mencionó previamente, las especies con mayor capacidad
de interacción con el elastómero son las especies aromáticas, principalmente aquellas que
se encuentran en la fracción liviana del crudo, y las monoaromáticas y tiofenos aromáticos
presentes en las fracciones pesadas. Estas especies generan hinchamiento en el caucho
pudiendo causar fallas en la bomba. De igual manera, la mezcla de gases presentes en el
pozo influye en el comportamiento del elastómero, pudiendo rigidizarlo o causar
hinchamiento, como se expuso previamente.
En la tabla 5.4 se aprecia el contenido de especies capaces de causar hinchamiento en
los crudos de cada pozo en estudio, así como la correspondiente gravedad API. Los cálculos
utilizados para la construcción de la misma se encuentran en el apéndice D.
Condición Aromáticos Livianos [%] Aromáticos Pesados[%] Gravedad [°API] Parafinas[%]
1 N/A 17,40 12,8 ± 0,4 19,88
2 N/A 18,33 17,4 ± 0,4 30,06
3 N/A 23,25 14,9 ± 0,4 16,17
4 2,58 19,58* 19,0 ± 0,4 33,43
5 N/A 17,43 16,1 ± 0,4 23,63
6 N/A 18,56 17,8 ± 0,4 26,24
7 N/A 18,99 16,7 ± 0,4 29,16
Como se puede observar en la tabla anterior, de los crudos analizados solamente el
perteneciente a la condición 4 presenta reporte de especies aromáticas livianas. Esto se
debe a que al momento de realizar la destilación simulada se determinó que únicamente
éste posee una fracción liviana (IBP 220-) suficiente para realizar la destilación TBP y el
posterior análisis P.O.N.A. El resto de los crudos no presenta fracción liviana detectable
para proceder a la caracterización. Este resultado es congruente debido a la naturaleza
Tabla 5.4 Contenido de especies hinchantes y gravedad API de los crudos en cada condición
*Topeo entre 220°C y 487°C
42
pesada de los crudos. Sin embargo de haber presencia de fracciones livianas en alguno de
los crudos, se espera que sea en aquel menos pesado, es decir, el de mayor gravedad API,
que para el caso en estudio es efectivamente el crudo de la condición 4.
5.3 Envejecimiento a condiciones de pozo.
Las condiciones de trabajo de las BCP van a regir el comportamiento y por ende la vida
útil de la misma, especialmente del componente elastomérico que conforma el estator de
la bomba. En el presente estudio existen dos variables a considerar para cada material las
cuales conforman las condiciones de pozo: la naturaleza del crudo con su contenido de
especies hinchantes y el tipo y concentración de gases presentes[4]. A continuación se
exponen los resultados obtenidos en cuanto a hinchamiento, variación en la dureza, en las
propiedades tensiles y en la deformación permanente de los materiales en estudio una vez
envejecidas siguiendo el procedimiento mencionado en el capítulo anterior y bajo las
condiciones mencionadas en la tabla 4.3.
5.3.5 Hinchamiento Volumétrico
La influencia en el elastómero de las condiciones de trabajo; tanto la composición del
crudo, la temperatura y los gases presentes, se manifiesta en diferentes escenarios. Uno de
ellos es en la capacidad de los elastómeros de mantener sus dimensiones iniciales. Esta
capacidad se mide mediante el porcentaje de variación del volumen de la probeta
envejecida respecto al volumen original, y es conocido como porcentaje de hinchamiento
volumétrico.
Este fenómeno ocurre de manera unánime, en mayor o menor grado, en los estatores de
las BCP. Este aumento del volumen del material incrementa la interferencia rotor-estator,
lo cual ocasiona un aumento en el torque necesario para el proceso de bombeo,
aumentando así las posibilidades de falla por histéresis[12, 51].
En diversos estudios se ha analizado la influencia de diferentes tipos de crudo en el
hinchamiento de elastómeros, demostrándose que las fracciones pesadas y livianas de éste
influyen en la magnitud del hinchamiento, siendo las especies de naturaleza aromática de la
43
fracción liviana y los monoaromáticos y tiofenos aromáticos presentes en la fracción pesada
las principales responsables del hinchamiento en elastómeros de uso petrolero.[4-5, 8-9].
a b
c d
e f
Figura 5.3 Hinchamiento volumétrico en (a) condición 1, (b) condición 2, (c) condición 3, (d)
condición 4, (e) condición 5, (f) condición 6 y (g) condición 7.
0
2
4
6
8
10
A B C D E F G
Hin
cham
ient
o (%
)
Material
0
2
4
6
8
A B C D E F G
Hin
cham
ient
o (%
)
Material
0
2
4
6
8
A B C D E F G
Hin
cham
ient
o (%
)
Material
0
2
4
6
8
10
12
14
A B C D E F G
Hin
cham
ient
o (%
)
Material
0
2
4
6
8
A B C D E F G
Hin
cham
ient
o (%
)
Material
0
2
4
6
8
10
A B C D E F G
Hin
cham
ient
o (%
)
Material
44
g
Figura 5.3 (continuación) Hinchamiento volumétrico en (a) condición 1, (b) condición 2, (c)
condición 3, (d) condición 4, (e) condición 5, (f) condición 6 y (g) condición 7.
En las figuras 5.3a y 5.3e se muestra el hinchamiento para las condiciones 1 y 5
respectivamente. Los crudos utilizados en las mencionadas condiciones presentan una
composición similar de aromáticos pesados (Ver tabla 5.4). El hinchamiento registrado en
los elastómeros sigue el mismo patrón en ambas condiciones, lo cual concuerda con el
contenido de aromáticos pesados en cada condición; sin embargo, los valores de
hinchamiento alcanzados en la condición 1 son superiores en todos los materiales en
estudio. Esto puede explicarse al observar la tabla 4.3 la cual muestra el porcentaje de
dióxido de carbono presente en cada condición, siendo este superior en más de 6% en la
condición 1. De esta manera se evidencia la contribución de este gas en el hinchamiento de
los materiales.
En el mismo orden de ideas se puede observar la similitud, tanto en el patrón de
hinchamiento de los materiales como en la magnitud de estos, entre las condiciones 2 y 6
(Figuras 5.3b y 5.3f). En dichas condiciones se utilizaron crudos con composiciones
prácticamente iguales como se puede ver en la tabla 5.4 y cantidades de CO2 que sólo
varían en un 0,6 %, demostrándose que los valores de hinchamiento están condicionados
por la acción en conjunto de estas sustancias.
Al observar los valores de hinchamiento alcanzados en las condiciones 4 y 7 (figura 5.7d
y 5.7g respectivamente) es evidente como en la primera el efecto de las condiciones en el
hinchamiento fue más intenso, aún cuando en ambas condiciones se manejaron
0
2
4
6
8
A B C D E F GH
inch
amie
nto
(%)
Material
45
concentraciones de CO2 similares (8,2% y 8,4%) la composición de aromáticos pesados varió
en apenas 0,59%. Sin embargo, en la condición se encontraba el único crudo que además
de los aromáticos pesados contaba con especies aromáticas de bajo peso molecular, hecho
que explica su mayor capacidad hinchante.
Ha quedado en evidencia como el contenido de aromáticos, tanto livianos como
pesados, y el porcentaje de CO2 son los responsables del hinchamiento del material. De
hecho se pudo profundizar aún más acerca de la diferencia en la capacidad de
hinchamiento entre los aromáticos livianos y los de mayor peso molecular.
Al examinar las diferencias entre los valores de hinchamiento entre las condiciones 3 y 7
y las existentes entre esta última y las condición 4, se observa como en las dos primeras el
hinchamiento en cada material fue, dentro del error experimental, el mismo. Esto ocurrió
aún cuando en la condición 3 se tenía un crudo con 4,26% más de aromáticos pesados que
en la 7. Por otro lado en la condición 4 se alcanzaron valores superiores de hinchamiento
respecto a la condición 7en todos los materiales, siendo la única diferencia resaltante entre
estas condiciones la presencia de 2,58% de aromáticos livianos en la condición 4. De esta
manera se evidencia como una diferencia de 4,26% de aromáticos pesados no se ve
reflejada en un mayor hinchamiento mientras que una cantidad menor (2,58%) de
aromáticos livianos si es capaz de elevar considerablemente los valores de hinchamiento.
Esto hecho muestra la mayor capacidad hinchante de las especies aromáticas de bajo peso
molecular.
En búsqueda de un mejor análisis y considerando las múltiples variantes en cuanto a la
composición de los crudos empleados en cada condición, así como las diferentes
concentraciones de CO2, se propuso un índice de hinchamiento (I.H) para cada condición en
estudio. Este índice contempla tanto la capacidad hinchante del crudo como la del CO2,
permitiendo un análisis de los resultados obtenidos que contemple ambas variables de
manera unificada.
El índice de hinchamiento es la suma de las fracciones en peso absoluto de los
componentes hinchantes del crudo, es decir, los aromáticos de la fracción liviana y los
monoaromáticos y tiofenos aromáticos de la fracción pesada más la fracción de CO2 en el
46
ensayo. Los índices de hinchamiento para cada condición se encuentran en la tabla 5.5. En
ella se puede apreciar que la condición con mayor capacidad para probar hinchamiento en
los elastómeros es la 4, y la menos agresiva en este sentido es la condición 5.
Condición I.H 1 0,30 2 0,30 3 0,26 4 0,33 5 0,25 6 0,30 7 0,27
Material A
Material B
Material C
Material D
Figura 5.4 Hinchamiento volumétrico en función del índice de hinchamiento en cada material.
R² = 0,8999
3
5
7
0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34
% H
inch
amie
nto
I.H
R² = 0,8937
3
4
5
6
7
8
0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34
% H
inch
amie
nto
I.H
R² = 0,9385
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34
% H
inch
amie
nto
I.H
R² = 0,894
1
2
3
4
0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34
% H
inch
amie
nto
I.H
Tabla 5.5 Índices de hinchamiento para cada condición.
47
Material E
Material F
Material G
Figura 5.4 (continuación) Hinchamiento volumétrico en función del índice de hinchamiento en cada
material.
Al analizar la figura 5.4 se encuentra que los valores promedio de hinchamiento exhiben
una relación creciente en función del índice de hinchamiento. Aún cuando el ajuste lineal
no es óptimo, la tendencia creciente del hinchamiento en función del índice es evidente a
primera instancia. Sin embargo, los errores experimentales no permiten esclarecer del todo
la tendencia entre los índices de hinchamiento más bajos donde la diferencia no es lo
suficientemente alta como para asegurar un comportamiento, aún así se evidencia una
mayor tendencia al hinchamiento en todos los materiales en la condición 4 (I.H=0,34) que
en el resto de las condiciones. Por lo tanto, se comprueba que las especies que van a
dominar el hinchamiento del elastómero en cada condición son las especies aromáticas del
crudo y la concentración de CO2. Se observa además que los valores de hinchamiento en la
mencionada condición son más bajos para los elastómeros D y G. El primero de estos
resultó ser el NBR con mayor contenido estimado de acrilonitrilo, lo cual es una base sólida
R² = 0,8124
6
8
10
12
14
0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34
% H
inch
amie
nto
I.H
R² = 0,926
0
2
4
6
0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34
% H
inch
amie
nto
I.H
R² = 0,9239
0
2
4
0,24 0,26 0,28 0,3 0,32 0,34
% H
inch
amie
nto
I.H
48
para justificar este resultado y el segundo, como se mencionó previamente, resultó ser un
elastómero tipo FKM. La presencia de átomos de flúor en la estructura molecular de este
tipo de materiales le otorga una sobresaliente resistencia a los fluidos hidrocarbonados,
incluso aún mayor que la de los nitrilos[28].
Finalmente es objetivo del presente estudio recomendar el uso de los elastómeros en
una u otra condición. Para ello es necesario establecer un criterio de aceptación mediante
el cual se pueda descartar el uso de un material en determinada condición; en tal sentido
PDVSA-Intevep ha reportado en numerosas publicaciones[4-5, 8, 37] como requisito de
aceptación para emplear un material en la construcción de BCP un hinchamiento
volumétrico menor al 8%. Pudiéndose usar un rotor de diseño estándar si el hinchamiento
es menor al 3% y requiriéndose uno subdimensionado para valores entre 3% y 8% [37]. A
valores superiores del 8% el elastómero no es apto para ser utilizado, además de las
complicaciones en el diseño, se ha demostrado que al alcanzarse este porcentaje la
integridad del material está comprometida.
5.3.6 Efecto en la dureza
Es conocida la importancia que tiene entre los fabricantes de productos elastoméricos la
dureza como medida de control de calidad, principalmente en cuanto a propiedades
mecánicas. La extrapolación de esta propiedad al comportamiento mecánico durante el
servicio ha sido refutada en numerosas ocasiones. Sin embargo, debido a la facilidad de
obtención de la medida continúa siendo de gran importancia.
En el campo de las bombas de cavidades progresivas, la dureza del elastómero juega un
papel fundamental durante la operación de la misma. Materiales con una baja dureza no
son capaces de alcanzar una óptima interferencia con el estator que permita crear el sello
requerido para el bombeo, mientras que los elastómeros con una excesiva dureza impiden
la deformación necesaria del estator para permitir el bombeo de partículas sólidas (arena).
El rango de dureza requerido para elastómeros destinados a la fabricación de BCP es de 50
a 70 puntos Shore A[5]. Como se observa en la tabla 5.6, los valores de dureza de los
49
materiales en condiciones originales se encuentran en el rango aceptado para la
mencionada aplicación.
Tabla 5.6 Propiedades mecánicas iniciales de los elastómeros en estudio.
Material Esfuerzo Ruptura (MPa)
Deform. Ruptura (%) Módulo 200%(MPa) Dureza (Shore A)
A 13,7 ± 0,2 415 ± 8 6,1 ± 0,1 59 ± 1 B 15,1 ± 0,6 379 ± 16 8,6 ± 0,2 61 ± 2 C 17,1 ± 0,1 467 ± 9 8,1 ± 0,3 67 ± 1 D 16,7 ± 0,7 495 ± 16 7,7 ± 0,3 68 ± 1 E 20,5 ± 0,7 484 ± 16 8,1 ± 0,5 66 ± 1 F 20,2 ± 0,5 497 ± 17 7,8 ± 0,3 67 ± 1 G 13,5 ± 0,7 309 ± 19 8,3 ± 0,3 63 ± 1
Además de las propiedades mecánicas previamente mencionadas se logró estimar vía
análisis termogravimétrico (TGA), el contenido de ayudantes de procesamiento y/o
plastificante así como el de cargas reforzantes o inertes utilizados en cada formulación
conociendo las regiones de volatilización típicas de estos componentes[52]. Los resultados se
exponen en la tabla 5.7 mientras que los termogramas obtenidos se pueden encontrar en el
apéndice E.
Materiales Plastificantes (%) Cargas (%)
A 15,6 44,0
B 8,8 45,0
C 10,4 48,3
D 9,5 49,0
E 9,7 38,1
F 10,8 38,4
G N/A* 15,5
En la tabla 5.6 se pueden observar detalles de los materiales en estudio. El elastómero D
presenta valores de deformación a la ruptura y dureza entre los más altos respecto a los
demás NBR lo cual concuerda con su mayor contenido de acrilonitrilo; sin embargo, el
Tabla 5.7 Contenido de cargas y plastificantes de los elastómeros en estudio.
*No apreciable en el termograma
50
esfuerzo a la ruptura de este material no es el más alto entre sus semejantes. Este hecho
pudiera explicarse al observar la tabla 5.7 en la cual se muestra el contenido de cargas y
plastificantes de cada formulación. En ella se puede observar como el elastómero D posee
más de 10% de contenido de carga que sus similares de la formulación E y F, esta cantidad
superior de carga pudiera estar por encima del valor óptimo para que una carga actúe
como refuerzo, por encima de este valor la densidad de carga es tan alta que se crea un
efecto de dilución del elastómero dentro de esta, lo cual genera pérdidas en las
propiedades mecánicas. Además, la dispersión de la carga durante el procesamiento es
fundamental para la ocurrencia del refuerzo, este proceso se complica al aumentar la
cantidad de las cargas las cuales pudieran funcionar como concentradores de esfuerzo[53].
Como se observa en la tabla 5.6 el elastómero B presenta un valor de elongación a la
ruptura inferior que el resto de sus similares. Esto pudiera explicarse por el hecho de ser el
material, como se observa en la tabla 5.7, que posee la menor cantidad de plastificantes lo
cual aumenta su rigidez. Por otro lado esto pudiera ser también atribuible a un déficit de
curado durante el moldeo.
Las propiedades mecánicas del elastómero A se encuentran entre los valores más bajos
de los materiales en estudio. En la tabla 5.7 se puede observar como este material es el que
mayor contenido de plastificantes tiene lo cual puede explicar sus menores prestancias
mecánicas. Al observar el apéndice E se puede apreciar como esta formulación contiene un
sistema de plastificante que, junto al de la formulación B, distinto al resto de los NBR. Los
plastificantes utilizados en estas formulaciones se volatilizaron en dos etapas la primera de
ellas cercana a los 220°C, mientras que en el resto de los materiales de esta especie la
volatilización de plastificantes no ocurrió de manera importante hasta haber superado los
300°C. Este hecho indica que en las formulaciones A y B se utilizó una porción de
plastificantes de menor peso molecular, esto disminuye sustancialmente las propiedades
mecánicas del material final. Particularmente entre las formulaciones A y B al observar los
termogramas del análisis TGA (apéndice E), se evidencia que el elastómero A contenía una
cantidad superior de este tipo de plastificantes de menor peso molecular hecho que puede
51
explicar el menor valor de módulo a 200%; además, puede contribuir a que sea el
elastómero con la menor dureza de los evaluados.
En cuanto al material G se observa como sus propiedades tensiles son menores que el
resto de los elastómeros. Es importante recordar que este elastómero es de naturaleza
fluorada, como se ha reportado en la literatura las propiedades mecánicas de este tipo de
materiales son en general inferiores que las del NBR[26]
Las variaciones de dureza de los elastómeros envejecidos respecto al material virgen se
muestran en las figura 5.6a-g. Siguiendo el patrón de análisis se utilizó como factor
discriminatorio el criterio reportado en publicaciones previas de Intevep, S.A[37], el cual
establece una variación máxima permisible de diez puntos Shore A del valor original.
-10
-5
0
5
10
A B C D E F G
Var
iaci
ón D
urez
a (P
tos.
Sho
re A
)
Material
Figura 5.5 Variación de dureza de los materiales en (a) condición 1, (b) condición 2, (c) condición 3, (d)
condición 4, (e) condición 5, (f) condición 6 y (g) condición 7.
a
52
b
c
d
e
f
g
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A B C D E F G
Var
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Material
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A B C D E F G
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Material
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Material
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A B C D E F G
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Material
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A B C D E F G
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)
Material
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0
5
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A B C D E F G
Var
iaci
ón D
urez
a (P
tos.
Sho
re A
)
Material
Figura 5.5 (continuación) Variación de dureza de los materiales en (a) condición 1, (b) condición 2, (c)
condición 3, (d) condición 4, (e) condición 5, (f) condición 6 y (g) condición 7.
53
La dureza es un indicativo de la rigidez del material y su variación está relacionada
directamente con el hinchamiento volumétrico generado en el material por la acción
conjunta de los aromáticos y del CO2. Un aumento en el volumen del elastómero disminuye
la compactación de matriz generando un reblandecimiento lo cual se traduce en un pérdida
de dureza. Las variables que pueden alterar los valores de dureza del elastómero son las
mismas que ocasionan hinchamiento en este: la presencia de CO2 y la influencia del crudo
sobre el material, ambas estimuladas por la temperatura de ensayo.
Es de esperar entonces que la ocurrencia de cierto porcentaje de hinchamiento
volumétrico se traduzca en una disminución proporcional de la dureza. Al comparar la
figura 5.5, correspondiente al hinchamiento volumétrico, con la figura 5.6 se observa como
en efecto esta premisa se cumple de manera general a excepción de dos casos en
particular.
El elastómero A aumentó en dureza al ser envejecido en todas las condiciones. Este
efecto puede explicarse al considerar que los diferentes crudos poseen una fracción
parafínica mínimo de 16,17% en peso (ver tabla 5.4). Esta porción es capaz de extraer
aditivos de naturaleza parafínica como los plastificantes debido a la afinidad entre éstos.
Los plastificantes son compuestos que aumentan la componente viscosa del elastómero
haciéndolo más blando[54],como se aprecia en la tabla 5.7 el elastómero A es el que mayor
cantidad de éste tipo de aditivos presenta, por lo tanto es el más susceptible a ser
endurecido por la extracción de ellos. La gran cantidad de plastificantes disponibles para la
extracción hacen que este fenómeno se manifieste por encima del reblandecimiento
generado por el hinchamiento. Los cambios en dureza evidenciados en los materiales A y B,
este último es el material con la menor cantidad de plastificantes, en la condición 4 le
otorgan peso a esta hipótesis. La mencionada condición es la que presenta el mayor poder
hinchante y además la que contiene la mayor cantidad de parafinas. Suponiendo que en
ambos materiales ocurriera sólo la extracción de plastificantes, descartando por un
momento el hinchamiento, se esperaría un incremento en los valores de dureza el cual al
considerar el efecto reblandecedor del hinchamiento debería disminuir inclusive hasta
traducirse en pérdida de dureza. Para asegurar que el resultado evidenciado en la variación
54
de dureza del elastómero A es producto de la supremacía del efecto del plastificante sobre
el hinchamiento volumétrico entonces el elastómero B debe sufrir un hinchamiento
volumétrico superior al A, hecho que se corrobora al observar la figura 5.3.
Al observar los cambios de dureza en la condición con mayor capacidad hinchante
(condición 4) se tiene que además del elastómero A, cuyo fenómeno ya fue analizado, los
elastómeros E y F también sufrieron una rigidización. En el primer caso este resultado es
incongruente con el hecho de que en la mencionada condición el elastómero F se hinchara
en 12% aproximadamente lo cual en definitiva origina un reblandecimiento. Por lo tanto es
posible que en este material hayan ocurrido, por efectos de la temperatura, reacciones de
entrecruzamiento cuyo efecto de rigidización supere el del reblandecimiento por
hinchamiento. Por otro lado el endurecimiento del elastómero F pudiera explicarse con el
mismo fenómeno que el del elastómero A. La formulación F resultó tener una cantidad de
plastificante de 10,8% y valores de hinchamiento inferiores al 3% en todas las condiciones,
a excepción de en la condición 4 donde llegó hasta alrededor de 5% y en este caso el
cambio de dureza es mínimo. Por lo tanto se aprecia nuevamente como el efecto de
rigidización por la extracción de plastificante privó sobre el reblandecimiento generado por
el hinchamiento, de igual manera, efectos de postcurado no son descartables. El material C
a pesar de tener una cantidad de plastificante similar no presentó aumentos de dureza en
ninguna condición, este además presentó un contenido de cargas muy superior los
presentes en las formulaciones E y F. La mayor cantidad de cargas pudieran promover la
absorción de fluidos haciendo más importante el efecto de reblandecimiento en este caso.
Además de lo mencionado previamente, la temperatura favorece la cinética de
reacciones de entrecruzamiento las cuales generalmente ocurren en presencia de algún
agente externo como oxígeno, ozono o radiación UV, provocando el conocido post o
sobrecurado, el cual ocurre con frecuencia en el caucho nitrilo[55]. El oxígeno puede
encontrarse en la matriz del elastómero debido al intenso proceso de mezclado de la
formulación previo a su moldeo, el cual puede dejar porciones de aire atrapado. El oxígeno
presente en éste es un elemento crítico que desencadena reacciones oxidativas[9].
55
En el resto de los casos se evidenciaron pérdidas en dureza en la mayoría de las
condiciones. Éstas pueden asociarse a la gran capacidad del CO2 de difundir en la matriz del
elastómero solvatando las cadenas poliméricas como se expuso en el capítulo anterior, y
generando un reblandecimiento a nivel macro en el material.
Las características no homogéneas de las condiciones en estudio implican la ocurrencia
de los mecanismos previamente expuestos de una manera irregular, por lo cual, no es
extraño que un material se endurezca bajo alguna condición y pierda dureza en otra,
mientras que un material de distinta naturaleza pueda comportarse de la manera opuesta.
5.3.7 Efecto en Propiedades Tensiles
La interacción del elastómero con el crudo, el CO2 y la temperatura genera variaciones
en sus propiedades mecánicas que pudieran devengar en la falla del material. En tal sentido
es de especial interés conocer la influencia de estas condiciones en las propiedades tensiles
como lo son la resistencia y la elongación a la ruptura, evaluando de esta manera la
integridad mecánica del elastómero sometido al envejecimiento.
A continuación se encuentran las figuras que muestran las variaciones respecto al
material en estado inicial en la resistencia tensil y en la elongación a la ruptura de los
materiales envejecidos en cada una de las condiciones de pozo (ver tabla de datos en
apéndice F). Es necesario establecer un criterio de aceptación mediante el cual se pueda
descartar el uso de un material en determinada condición; en tal sentido PDVSA-Intevep ha
reportado en numerosas publicaciones[4-5, 8, 37] como requisito de aceptación una variación
máxima de ± 20 % respecto a las propiedades originales tanto en esfuerzo a la ruptura
como en elongación a la ruptura, todo esto siguiendo parámetros normalizados[19].
56
a
b
c
d
e
f
Figura 5.6 Variación porcentual en el esfuerzo a la ruptura en (a) condición 1, (b) condición 2, (c) condición 3, (d)
condición 4, (e) condición 5, (f) condición 5 y (g) condición 7.
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A B C D E F G
Var
iaci
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Var
iaci
ón E
sfue
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Rup
tura
(%)
57
g
Figura 5.6 (continuación) Variación porcentual en el esfuerzo a la ruptura en (a) condición 1, (b)
condición 2, (c) condición 3, (d) condición 4, (e) condición 5, (f) condición 5 y (g) condición 7.
En la figura anterior se observa un comportamiento variante entre disminución y
aumento de la resistencia a la ruptura de los materiales en función de las condiciones de
ensayo. Un aumento en la resistencia a la ruptura está asociado a rigidización del
material[56]. Este fenómeno en los elastómeros sometidos a las condiciones en estudio
puede ser generado por la ocurrencia de dos factores: la extracción de plastificantes o
ayudantes de procesamiento utilizados en la formulación del elastómero por extracción
debido a la afinidad con la porción parafínica del crudo y a las reacciones de postcurado[8].
Un aumento en la resistencia a la ruptura puede estar asociado a este tipo de reacciones
cuya cinética se ve beneficiada por la temperatura. Al aumentar la densidad de
entrecruzamiento, sin sobrepasar el punto óptimo, se mejoran las propiedades
mecánicas.[57] Si las reacciones de postcurado superan el punto óptimo de densidad de
entrecruzamiento entonces se observará una efecto conocido como regresión el cual se
traduce en pérdida de propiedades mecánicas y fragilización.
Como se puede observar en la figura 5.6, el elastómero A aumentó la resistencia a la
rigidización durante el envejecimiento en cada una de las condiciones en estudio. Al
considerar que este caucho es, como se observa en la tabla 5.7, el que posee el mayor
-20
-10
0
10
20
A B C D E F G
Var
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sfue
rzo
a la
Rup
tura
(%)
58
contenido de plastificantes que son esencialmente parafínicos y por ende afines con la
fracción de esta naturaleza presente en los crudos, se presume entonces que es también el
más susceptible a sufrir rigidización generada principalmente por la extracción de este tipo
de compuestos más que por su volatilización, ya que la temperatura de ebullición de estos
compuestos en general está alrededor de los 240°C[6].
Un hecho que permite aseverar que a mayores contenidos de plastificante se obtiene un
material más susceptible a la rigidización que al reblandecimiento por hinchamiento ante
fluidos hidrocarbonados se encuentra al comparar los elastómeros A y B. Estos, como ya se
mencionó, son los materiales con mayor y menor contenido de plastificantes. El elastómero
A al ser sometido a envejecimiento en la condición 4, cuya composición es la que más
hinchamiento es capaz de generar, alcanzó un aumento en volumen de aproximadamente
3%. Por otro lado el elastómero B se hinchó en la misma condición en 6%. Al no considerar
la extracción de plastificantes se esperaría un resultado en el cual ambas formulaciones
disminuyera su resistencia a la ruptura en valores proporcionales al hinchamiento, sin
embargo, el elastómero A la aumenta en un 10% mientras que el B pierde cerca del 12% de
esta propiedad. De manera análoga a lo que ocurre con la dureza.
La disminución del esfuerzo a la ruptura puede también tener su origen en el llamado
sobrecurado: una vez que la densidad de entrecruzamiento supera el límite óptimo, el
elastómero pierde sus características elásticas al endurecerse alcanzando un estado mucho
más frágil. Esto es debido a que la densa red de entrecruzamiento ve disminuida su
movilidad[57].
Las reacciones de entrecruzamiento responsables del sobrecurado pueden deberse a
errores de formulación que involucren excesos de agentes de vulcanización, bien sea en
sistemas de azufre o peróxidos, los cuales continúan reaccionando favorecidos por el
aumento de la temperatura. Sin embargo, éste no es el factor por el que generalmente
ocurre el mencionado fenómeno.
El sobrecurado ocurre principalmente debido a reacciones oxidativas o de sustancias
como las aminas o el H2S capaces de interactuar químicamente con el elastómero. En este
estudio sólo se puede considerar el primer caso, ya que se ha demostrado que el CO2 no es
59
capaz de iniciar reacciones de entrecruzamiento. El oxígeno necesario para las reacciones
oxidativas puede encontrarse en el elastómero debido al importante proceso de mezclado
al que es sometido previo al moldeo[9].
El elastómero G por su parte aumentó el esfuerzo de ruptura en todas las condiciones,
alcanzando la mayor variación en la condición 4. Este hecho evidencia una interacción
mayor del elastómero con las especies aromáticas de menor peso molecular en
concordancia con lo reportado en la literatura[26]. Esta interacción se ve conducida por la
alta densidad de electrones presentes en la molécula producto de la alta concentración de
átomos de flúor. El FKM requiere ser sometido durante su procesamiento a un proceso de
postcurado a temperaturas entre 120°C y 200°C. Aún cuando estas temperaturas están
lejos de la temperatura de trabajo las reacciones de curado se ven también favorecidas
aunque en menor grado, lo cual pudiera también explicar el aumento en la resistencia a la
ruptura
Los resultados expuestos previamente descartan la aplicación del elastómero A en las
condiciones 6 y 7 y del elastómero G en la condición 4.
60
a
b
c
d
e
f
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A B C D E F G
Var
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ón E
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(%)
Material
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A B C D E F G
Var
iaci
ón E
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. a la
Rup
tura
(%)
Material
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A B C D E F G
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Rup
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(%)
Material
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A B C D E F G
Var
iaci
ón E
long
. a la
Rup
tra
(%)
Material
Figura 5.7 Variación porcentual en la elongación a la ruptura en (a) condición 1, (b) condición 2, (c)
condición 3, (d) condición 4, (e) condición 5, (f) condición 6 y (g) condición 7.
61
g
Figura 5.7 (continuación) Variación porcentual en la elongación a la ruptura en (a) condición 1,
(b) condición 2, (c) condición 3, (d) condición 4, (e) condición 5, (f) condición 6 y (g) condición 7.
Al observar la figura 5.7, la cual muestra la variación de la deformación a la ruptura en
cada condición respecto a la propiedad del material virgen, se encuentra de nuevo un
comportamiento similar al del esfuerzo a la ruptura: el elastómero con mayor cantidad de
plastificante disminuyó la elongación a la ruptura en todos los casos. Este hecho es otro
indicio de la rigidización posiblemente generada por la extracción de plastificantes. Sobre
este tópico se presentan mayores detalles a continuación en el presente capítulo. De igual
manera, en la figura anterior se aprecia una respuesta combinada en el resto de los
materiales, pudiéndose descartar el implemento del material C en las primeras cuatro
condiciones. Este elastómero presentó rigidización en las primeras cuatro condiciones, no
logrando alcanzar una deformación del 100%. Esta particularidad se esclarecerá en el
presente capítulo mediante el estudio de la superficie de fractura.
El elastómero fluorado (elastómero G) presentó un aumento de la elongación a la
ruptura en todas las condiciones. Un aumento en esta propiedad es característico cuando
ocurre un aumento en la densidad de entrecruzamiento. Como ya se mencionó
previamente el Viton requiere ser postcurado para alcanzar sus propiedades óptimas; por lo
tanto, es posible que estas reacciones estén ocurriendo dentro del autoclave gracias a la
acción de la temperatura. El aumento de esta propiedad en el elastómero G es en todas las
-70
-50
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A B C D E F G
Var
iaci
ón E
long
ació
n a
la R
uptr
a (%
)
Material
62
condiciones excepto en la 6 es superior al 30%, esta variación tan importante le da peso a la
hipótesis de la ocurrencia de reacciones de postcurado. En la condición 6 se reportó una
pérdida superior al 50% de esta propiedad, este hecho no concuerda con lo ocurrido en el
resto de las condiciones. Una pérdida de tal magnitud en esta propiedad es atribuible a un
muy alto porcentaje de hinchamiento, a reacciones degradativas o a imperfecciones en las
probetas, el primer caso es el único que se puede descartar.
Un hecho similar ocurrió en el elastómero B, al inició del capítulo se mencionó como este
poseía una baja elongación a la ruptura en condiciones virgen respecto a sus semejantes, y
en su momento se mencionó que era atribuible a un déficit de curado. Este material
aumentó el valor de la elongación a la ruptura respecto al inicial en todas las condiciones,
por lo tanto la hipótesis de la ocurrencia de reacciones de curado durante el envejecimiento
es aún más probable.
Continuando con la selección se tiene que el elastómero B no debe utilizarse en las
condiciones 5 y 6, el E en las condiciones 4 y 5 y el F en la condición cuatro 4. Además, se
descarta el uso del elastómero fluorado (material G) en cualquiera de las condiciones en
estudio.
5.3.8 Efecto en la deformación remanente por compresión
La capacidad de recuperación elástica de un elastómero puede ser medida mediante la
deformación remanente (también llamada permanente) resultante posterior a un esfuerzo
de compresión. Si el material es completamente elástico es capaz de recuperar sus
dimensiones originales una vez retirado el esfuerzo previamente aplicado. Mediante este
ensayo se puede obtener información acerca de la energía disipada durante la deformación
(histéresis)[58], la cual está relacionada con fallas comunes en las BCP generadas a partir de
la pérdida de interferencia entre el estator y el rotor y del sobrecalentamiento en las zonas
de mayor deformación del estator.[17]
La interpretación mecánica del funcionamiento de una bomba de cavidades progresivas
contempla deformaciones provocadas por esfuerzos de compresión y torsión generados
sobre el estator por parte del rotor debido a la interferencia necesaria entre éstos para
63
generar un diferencial de presión óptimo entre cavidades, el cual se traduzca en eficiencia
durante el bombeo[59].
Con el fin de mantener la interferencia necesaria para el bombeo continuo del crudo, el
estator debe ser capaz de mantener su elasticidad durante el funcionamiento de la
bomba[1]. Considerando que las deformaciones de compresión y torsión durante este
proceso pudieran ser variables, bien sea por cambios en las propiedades mecánicas
dinámicas propias de materiales viscoelásticos como los elastómeros o bien por
alteraciones de las condiciones de operación, como por ejemplo aumento del torque por
hinchamiento del estator o presencia de sólidos[60], es necesario establecer un criterio de
selección para materiales elastoméricos empleados en la construcción de BCP que
considere este hecho. En tal sentido PDVSA-Intevep ha publicado un sistema de evaluación
y confiabilidad de materiales referente a esta operación[37], donde se establece que los
elastómeros utilizados en estatores de BCP deben presentar una deformación remanente
por compresión inferior a 35%, aún después de ser sometidos a ensayos de envejecimiento
en presencia de gases y crudo.
En la tabla 5.7 se presentan los valores de la deformación permanente por compresión
de los materiales en estudio en su estado original. Se observa un comportamiento acorde a
la premisa reportada que establece una mayor deformación remanente por compresión a
medida que aumenta el contenido de acrilonitrilo, ya que el elastómero D (ver contenidos
de acrilonitrilo en la tabla 5.2) es el que presenta el mayor valor de deformación promedio
mientras el F el menor. Sin embargo, en puntos intermedios, no es posible establecer una
tendencia entre estas variables, ya que se desconoce si además del contenido de
acrilonitrilo existen otras diferencias entre las formulaciones, como el tipo y contenido de
negro de humo, sustancia que se ha demostrado influye en esta propiedad[53].
64
Material Def. Permanente (%)
A 17 ± 1 B 17 ± 2 C 16 ± 1 D 19 ± 1 E 11 ± 1 F 11 ± 1 G 18 ± 1
La deformación permanente en los elastómeros posterior al envejecimiento se reporta
en las figuras 5.8a-g, observándose que aunque existen variaciones entre los valores
iniciales y los obtenidos posteriores al envejecimiento, estos últimos no superan en ningún
caso el 35% establecido como límite máximo de aceptación. Es natural encontrar un
aumento en la deformación permanente durante el envejecimiento en crudo[5] debido a la
acción reblandecedora de éste y el efecto de solvatación del CO2. Sin embargo, la pérdida
de deformación permanente en alguna condición puede estar relacionada con efectos de
postcurado y a la extracción de componentes cuyo comportamiento tienda a ser más
viscoso que elástico como lo son los ayudantes de procesamiento o plastificantes.[61].
Tabla 5.8 Deformación permanente en materiales sin envejecer.
65
a
b
c
d
e
f
g
0
10
20
30
A B C D E F G
Def
orm
ació
n Re
man
ente
(%
)
Material
0
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20
30
A B C D E F G
Def
orm
ació
n Re
man
ente
(%
)
Material
0
10
20
30
A B C D E F G
Def
orm
ació
n Re
man
ente
(%
)
Material
0
10
20
30
A B C D E F G
Def
orm
ació
n Re
man
ente
(%
)
Material
0
10
20
30
A B C D E F G
Def
orm
ació
n Re
man
ente
(%
)
Material
0
10
20
30
A B C D E F G
Def
orm
ació
n Re
man
ente
(%
)
Material
0
10
20
30
A B C D E F G
Def
orm
ació
n Re
man
ente
(%
)
MaterialFigura 5.8 Deformación remanente en (a) condición 1, (b) condición 2, (c) condición 3, (d) condición 4,
(e) condición 5, (f) condición 6 y (g) condición 7.
66
5.4 Análisis superficie de fractura
La morfología de la superficie de fractura arroja información acerca del comportamiento
del elastómero al momento de la falla. De esta manera se puede conocer a mayor
profundidad el efecto de las condiciones de operación en la integridad del elastómero.
En la sección 5.3.1 se mencionó la particularidad manifestada en el elastómero C al ser
sometido a ensayos tensiles luego de ser envejecido en las primeras cuatro condiciones. En
la figura 5.9 se observa la superficie de fractura de este material en estado virgen y
envejecido en la condición 1. Además, se puede observar también la superficie del mismo
material fracturado luego de ser rigidizado en nitrógeno líquido, el cual, a presión
atmosférica, se encuentra a una temperatura de -195,8°C, esto con la finalidad de obtener
referencia de una fractura totalmente frágil.
Como se observa en la figura 5.9c la superficie de fractura del material completamente
rigidizado es esencialmente plana. Se observan además las llamadas marcas de río, las
cuales convergen de manera radial hacia una zona lisa donde se presume se encuentra el
origen de la falla. Esta morfología es característica de un comportamiento frágil y aparece
de nuevo en la figura 5.9a aunque sin las marcas de río. Además, en esta misma figura en la
zona inferior derecha, se puede observar una zona más irregular con cierta formación de
hojuelas. Esto indica un crecimiento más lento y aleatorio de la grieta. La combinación de
estas zonas es un indicativo de una transición frágil a un comportamiento menos frágil, es
decir, el material al ser envejecido en la condición 1, presentó fragilización con mayor
intensidad en unas zonas que en otras, resultando entonces una morfología diferente a la
presentada en la superficie de fractura del material virgen la cual se observa en la figura
5.9b. En ésta se aprecia una abundante formación de hojuelas, las cuales son características
de un comportamiento dúctil. Esta interpretación concuerda con la pérdida de gran
magnitud en la elongación a la ruptura evidenciada en el material C al ser envejecido en la
primera condición. La fragilización puede atribuirse a la acción del crudo más que a la
presencia de algún defecto en la matriz del elastómero[28].
67
A diferencia del caso expuesto anteriormente, el elastómero D ofreció, después de ser
envejecido, un comportamiento mecánico similar al presentado en estado virgen. En la
figura 5.10 se observa la superficie de fractura del material en estado virgen y la
correspondiente al material envejecido en la condición 6 la cual resultó ser la más agresiva
para este material en cuanto a las propiedades mecánicas. La morfología en ambas no
guarda mayores diferencias, apreciándose un claro domino de comportamiento dúctil. En la
micrografía correspondiente al material virgen se observan líneas radiales que convergen al
detalle señalado en el círculo. La zona circundante a este defecto presenta una morfología
plana indicativa de fragilidad.
a b
c
Figura 5.9 Superficie de fractura del elastómero C en: (a) condición 1, (b) estado virgen y (c) fragilizado
en nitrógeno líquido.
68
Figura 5.10 Micrografías del elastómero D de: (a) Superficie fractura estado virgen, (b)
detalle señalado en a y (c) Superficie fractura condición 6.
En la figura 5.10b se muestra el detalle señalado en la superficie de fractura del
elastómero D en condiciones iniciales (figura 5.10a). Se observa una morfología granular
característica de zonas donde se pierde la integridad de la matriz. Esto puede ocurrir por
déficit de curado, pobre interacción con las cargas o por la inclusión de agentes externos
dentro de la matriz[62]. Considerando la ubicación del defecto es poco probable que se deba
a un déficit en el curado, ya que es en la zona externa donde se alcanza más rápido y
durante mayor tiempo la temperatura de vulcanización establecida. Por el contrario, la
presencia de un gas capaz de difundir con facilidad en la matriz elastomérica le otorga peso
a la tercera hipótesis, ya que éste es capaz de saturar la matriz y al ocurrir una pérdida de
presión puede abandonarla bruscamente ocasionando desgarres en el material. Este
fenómeno, como ya se mencionó, es conocido como descompresión explosiva. Otro
ejemplo de este hecho se encuentra en la figura 5.11; una micrografía a mayor aumento del
a
c
b
69
defecto señalado muestra la generación de grietas que devengaron en un comportamiento
frágil en la zona circundante.
Como se señaló previamente, el elastómero G es de una naturaleza diferente a la del
resto de materiales en estudio. Este corresponde a la familia de los elastómeros fluorados,
los cuales poseen inferiores propiedades mecánicas respectos a los nitrilos[28]. En
concordancia con esto, la figura 5.12 muestra la superficie de fractura del material en
estado virgen. En ella se observa una morfología tipo hojuelas menos densa que en los
casos anteriores y con una topografía más lisa aparentemente no generada por defectos.
Esto indica que el elastómero G presenta un comportamiento menos dúctil que los
anteriores, justificando así sus menores prestancias en cuanto a propiedades mecánicas,
principalmente en la elongación a la ruptura.
Figura 5.12 Superficie de fractura del elastómero G.
a b
Figura 5.11 Superficie de fractura del elastómero D en: (a) condición 7, (b) ampliación
detalle señalad en (a).
70
Además, a este elastómero se le realizó un análisis espectroscopía de rayos x por energía
dispersiva (EDAX), comprobándose la presencia de átomos de carbono y flúor en gran
cantidad, lo cual concuerda con lo expuesto previamente acerca de su estructura
molecular, así como de calcio y oxígeno posiblemente correspondientes a la composición
de las cargas utilizadas típicamente con este tipo de elastómeros (ver apéndice G).
5.5 Selección de materiales
A partir de los resultados de los ensayos expuestos en las secciones anteriores se logró
determinar cuáles elastómeros cumplen con los requerimientos de PDVSA-Intevep S.A y por
ende son aptos para la aplicación bajo las condiciones de estudio. En la tabla 5.9 se resume
esta información, clasificando cada material como apto con rotor estándar (√), apto con
rotor subdimensionado (√*) y no apto (N)
Tabla 5.9 Posibilidades de aplicación para los materiales en estudio en cada condición.
Material Condición A B C D E F G
1 √* √* N √ N √ N 2 √ √* N √ N √ N 3 √ √* N √ N √ N 4 √ √* N √* N N N 5 √ N √* √ N √ N 6 N √* N √ N √ N 7 N √* √* √ √ √ N
La tabla 5.9 muestra cómo el elastómero G es incompatible con la totalidad de los crudos
en estudio, aún cuando obtuvo bajos valores de hinchamiento en cada una de las
condiciones. Sin embargo, como se observa en la sección 5.3.3, el elastómero G no
conserva sus propiedades mecánicas. Por el contrario, se observa cómo el elastómero D es
apto para ser utilizado en todas las condiciones, siendo éste también al que se le estimó un
contenido mayor de acrilonitrilo. Sin embargo, no puede asegurarse que sea este hecho el
71
factor determinante en las diferencias observadas entre los distintos elastómeros y
condiciones, ya que se desconocen los detalles de cada una de las formulaciones.
72
CAPÍTULO VI
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En el presente capítulo se exponen las conclusiones que se extraen a partir de los
resultados obtenidos, así como una serie de recomendaciones que se pueden considerar al
momento de realizar próximos estudios.
6.3 Conclusiones
El contenido de aromáticos de bajo peso molecular será mayor a medida que la
gravedad API del crudo es mayor.
A medida que una formulación contiene mayor contenido de plastificante será más
susceptible a rigidizarse en presencia de crudo debido a que éstos son afines con la
fracción parafínica de los crudos.
El elastómero A es rigidizado por las condiciones 6 y 7 hasta el punto de superar en 20%
su resistencia inicial a la ruptura.
El Viton (elastómero G) se rigidiza ante crudos que contienen aromáticos de bajo peso
molecular, comportamiento opuesto al NBR que tiende a reblandecerse.
Los elastómeros B, C y D disminuyen la deformación remanente por compresión en
todas las condiciones de estudio posiblemente debido a la extracción de compuestos
como plastificantes o ayudantes de procesamiento.
73
El elastómero B se rigidiza hasta alcanzar valores no permitidos de variación en la
elongación a la ruptura en las condiciones 5 y 6. El E, por su parte, se reblandece
aumentando su elongación a la ruptura más del 20% aceptado en las condiciones 4 y 5
mientras que al F le ocurre lo propio en la condición 4.
El elastómero G evidencia incompatibilidad con todas las condiciones en estudio ya que
los cambios que sufre en la elongación a la ruptura están fuera de la normativa de
PDVSA.
Las condiciones del estudio no generan cambios en dureza que comprometan la
aplicación de algún elastómero.
Los compuestos aromáticos de bajo peso molecular y los monoaromáticos y tiofenos
aromáticos de mayor peso molecular son las especies responsables del hinchamiento de
los elastómeros. El CO2 también provoca hinchamiento.
Los aromáticos de menor peso molecular generan más hinchamiento que los más
pesados.
A medida que la concentración en conjunto de CO2 y de aromáticos con poder hinchante
es mayor, mayor será el hinchamiento generado en los elastómeros. Se evidencia un
efecto combinado cuya tendencia pareciera ajustarse a un comportamiento lineal.
A medida que el contenido de acrilonitrilo es mayor en el NBR, menor será el
hinchamiento generado por la acción conjunta de crudo y CO2.
El Viton es menos susceptible a hincharse que el NBR, pues presenta valores de
hinchamiento menores al 3% en todas las condiciones.
El elastómero C se comporta frágilmente al ser envejecido en la condición 1.
74
La fractura de los elastómeros en ensayos de tracción se origina en defectos de la matriz,
los cuales precipitan la falla del material generando una fractura frágil en las zonas
circundantes al defecto.
La fractura del Viton es más frágil que la de los distintos NBR, inclusive en condiciones
vírgenes.
6.2 Recomendaciones
Evaluar el desempeño de los elastómeros en distintas concentraciones de CO2 y en
crudos con diferente contenido de aromáticos hinchantes de manera separada, para
determinar cuál factor influye más en el hinchamiento de éstos.
Evaluar el efecto del CO2 a diferentes concentraciones y presiones en cauchos nitrilos
con diferentes concentraciones de acrilonitrilo. De esta manera se podrá evaluar el
efecto del acrilonitrilo en el hinchamiento y determinar a qué concentración se da la
transición entre facilitar e impedir la difusión del CO2.
Realizar ensayos de abrasión y fatiga a las formulaciones del presente estudio. Los
resultados permitirían hacer una mejor selección de éstas en cada condición.
Realizar ensayos de TGA y cromatografía de gases a los elastómeros una vez envejecidos
para evidenciar cambios tanto físicos como químicos que afecten el desempeño del
elastómero.
75
CAPÍTULO VII
BIBLIOGRAFÍA
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80
APÉNDICES
Apéndice A: Espectros IR obtenidos de los elastómeros en estudio
Figura A.1 Espectro IR del elastómero A
Figura A.2 Espectro IR del elastómero B
81
Figura A.3 Espectro IR del elastómero C
Figura A.4 Espectro IR del elastómero D
82
Figura A.5 Espectro IR del elastómero E
Apéndice B: Comparación espectro IR del elastómero A con librería interna de Intevep.
Figura B.1 Comparación de espectro IR del elastómero A
83
Apéndice C: Espectro de un Viton GF curado con un co-agente Diak 7
Apéndice D: Datos utilizados para el cálculo del porcentaje de especies hinchantes
Tabla D.1 Fracciones livianas y pesadas
Condición %Liviana (IBP220-) %Pesada (IBP 487-) 1 < 0,1 45,07 2 < 0,1 57,94 3 < 0,1 49,95 4 7,3 50,54 * 5 < 0,1 54,11 6 < 0,1 59,15 7 < 0,1 58,94
* Topeo entre 220°C y 487°C
Tabla D.2 Porcentaje en peso de especies aromáticas hinchantes en cada condición % Aromáticos Livianos % Aromáticos Pesados*
Condición Relativo Absoluto Relativo Absoluto 1 N/A N/A 38,6 17,4 2 N/A N/A 33,8 19,6 3 N/A N/A 34,9 17,4 4 35,4 2,6 46,0 23,3 5 N/A N/A 34,3 18,6 6 N/A N/A 32,1 19,0 7 N/A N/A 31,1 18,3
* monoaromáticos y tiofenos aromáticos
Figura C.1 Espectro IR de un Viton GF curado con DIAK 7
% T
rans
mit
anci
a
84
Apéndice E: Termogramas obtenidos para los elastómeros en estudio.
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500
% P
eso
Temperatura °C
15,6%
39,4%
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500
% P
eso
Temperatura °C
8,8%
46,2%
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500
% P
eso
Temperatura °C
10,4%
41,3%
40
60
80
100
0 100 200 300 400 500
% P
eso
Temperatura °C
9,5%
41,5%
35
55
75
95
0 100 200 300 400 500
% P
eso
Temperatura °C
9,7%
52,2%
35
55
75
95
0 100 200 300 400 500
% P
eso
Temperatura °C
10,8%
50,8%
10
30
50
70
90
0 100 200 300 400 500
% P
eso
Temperatura °C
84,5%
Figura E.1 Termograma de elastómeros en estudio
Elastómero A Elastómero B
Elastómero D Elastómero C
Elastómero F
Elastómero G
Elastómero E
85
Apéndice F: Variación propiedades mecánicas de los elastómeros (EL) en estudio para
cada condición.
Tabla F.1 Variación de resistencia a la ruptura respecto a material virgen
Condiciones
EL 1 2 3 4 5 6 7
A 9 ± 2 12,4 ± 0,8 13,9 ± 0,6 10,9 ± 0,7 16 ± 1 9 ± 1 20 ± 1
B -2,0 ± 0,2 -6,0 ± 0,6 -2,0 ± 0,2 -12 ± 1 -1,3 ± 0,1 -6,6 ± 0,5 -5,3 ± 0,2
C -4,1 ± 0,5 6,7 ± 0,6 6,4 ± 0,5 4,8 ± 0,3 -0,3 ± 0,1 -0,29 ± 0,01 -12,0 ± 0,7
D -3,0 ± 0,2 0,60 ± 0,05 -2,4 ± 0,2 -1,8 ± 0,1 -4,2 ± 0,3 -4,8 ± 0,3 -6,0 ± 0,5
E -5,4 ± 0,3 -1,46 ± 0,08 2,0 ± 0,2 -2,0 ± 0,2 -2,4 ± 0,2 -2,9 ± 0,2 7,3 ± 0,6
F -16,1 ± 0,9 -9,5 ± 0,4 -9,5 ± 0,4 -14,1 ± 0,8 1,8 ± 0,1 -5,5 ± 0,2 -7,5 ± 0,4
G 10 ± 1 5,2 ± 0,6 5,2 ± 0,6 25 ± 3 10,4 ± 0,9 4,4 ± 0,4 5,9 ± 0,4
Tabla F.2 Variación de elongación a la ruptura respecto a material virgen
Condiciones
EL 1 2 3 4 5 6 7
A -13 ± 3 -0,24 ± 0,01 -0,96 ± 0,03 -3,4 ± 0,2 -10,8 ± 0,6 -13,0 ± 0,8 -
3,6 ± 0,2 B 15 ± 2 13 ± 2 19 ± 3 17 ± 2 19 ± 2 34 ± 5 12 ± 1 C -59 ± 3 -56 ± 3 -58 ± 3 -58 ± 7 7,3 ± 0,3 9 ± 1 -3 ± 0,5
D -2,4 ± 0,2 -1,4 ± 0,1 -2,6 ± 0,2 -1,8 ± 0,1 -6,9 ± 0,5 -3,8 ± 0,3 -
9,5 ± 0,7
E -12,8 ± 0,6 -14,5 ± 0,7 -2,1 ± 0,1 -21,3 ± 0,8 -20 ± 1 -19,0 ± 0,9 -
7,9 ± 0,6 F -13,8 ± 0,8 -18 ± 1 -18 ± 1 -24 ± 1 -16 ± 1 -11 ± 1 -18 ± 1 G 41 ± 6 38 ± 7 38 ± 7 44 ± 5 46 ± 6 -56 ± 6 37 ± 4
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Apéndice G: Resultados de la espectroscopía de rayos x por energía dispersiva realizada
al elastómero G.
Figura G.1 Resultados EDAX elastómero G
