integridad estructural de tubulares de erfv

VII CAIQ 2013 y 2das JASP

AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE TUBULARES DE ERFV

Pablo E. Montemartini*, Pablo Fayó y Guillermina Capiel

Grupo de Materiales Compuestos de Matriz Polimérica

INTEMA [UNMdP-CONICET]

Departamento de Ingeniería Química – Facultad de Ingeniería – UNMdP

Juan B. Justo 4302 – 7600 Mar del Plata – Argentina

E-mail: [email protected]

Resumen. Se presenta un resumen de los principales motivos de falla de

tubulares de matriz epoxi reforzados con fibra de vidrio (ERFV) en servicio

en la industria petrolera y los resultados de estudios de envejecimiento

acelerado en condiciones de servicio simuladas en laboratorio. Los

resultados han permitido generar una metodología para determinar el estado

de una instalación de ERFV en servicio. La aplicación de esta metodología

ha generado muy buenos resultados en la determinación de los motivos de

falla, la planificación del reemplazo de líneas y la determinación de la

extensión de la vida útil.

Palabras clave: Tubulares, ERFV, Integridad estructural.

1. Introducción

Los tubulares de material compuesto reforzado con fibra de vidrio (PRFV) utilizan

mayoritariamente sistema poliéster o redes epoxi (ERFV) como matriz. En el mundo,

este tipo de tubulares ocupan una importante porción del mercado en diferentes sectores

de la economía como: obras de infraestructura de servicios públicos, instalaciones en

* A quien debe enviarse toda la correspondencia


AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ

ambientes marinos, plantas desalinizadoras, en el transporte de agua en diversos

sectores industriales (servicios auxiliares, producción energética) y en la producción de

petróleo entre otros. En la industria petrolera, los tubulares de ERFV se utilizan

principalmente en sistemas de inyección y líneas de pozo; en menor medida, también se

utilizan en perforación (tubing y casing).

En general los tubulares de ERFV se distinguen comercialmente por no ser afectados

por procesos corrosivos. Esta característica ha sido el principal argumento de

comercialización para introducir estos materiales en el mercado. De este modo en una

parte importante de las aplicaciones mencionadas, las instalaciones de ERFV han

reemplazado el uso de aceros en condiciones de servicio en las cuales la presencia de

agua, el pH y el contenido de iones de las corrientes transportadas generan condiciones

propicias para el desarrollo de los distintos mecanismos de corrosión.

Si bien los materiales compuestos de matriz polimérica no se ven afectados por los

mecanismos clásicos de corrosión electroquímica [Parashar 2013, Rafiee 2013], existen

distintos procesos de degradación que los afectan en condiciones de servicio. La

composición del fluido transportado, el pH, la temperatura de operación, las tensiones y

las condiciones ambientales resultan críticas para la especificación de tubulares de

ERFV que permitan alcanzar la vida útil esperada (20 años). La selección de la resina y

el refuerzo, como así también la selección de una modificación para el refuerzo que

permita obtener una interfase adecuada para las condiciones de servicio, son el primer

requisito al momento de una correcta selección del material a instalar. En general,

dentro de los productos identificados como ERFV se pueden identificar tubulares con

diferente composición química de la matriz y fibras con distintos tratamientos

superficiales. En el mercado se comercializan productos de acuerdo a la temperatura de

operación: hasta 65 °C, tubulares estándar, o de alta temperatura, aquellos que permiten

operar hasta 95 °C.

En la industria del petróleo, uno de los principales mercados para los tubulares de

ERFV lo representan las líneas de inyección de agua y las líneas de pozo en yacimientos

maduros. En ambos casos la presencia de agua con alto contenido de sales en solución

caracteriza las corrientes de yacimientos que se encuentran en producción secundaria o

terciaria. En estas condiciones los tubulares de ERFV presentan, de acuerdo con el tipo



de material utilizado, distintos mecanismos de degradación que pueden conducir a la

falla catastrófica de la instalación [Price, 2002].

En la Argentina se presentan condiciones tecnológicas y comerciales que generan un

mercado de tubulares de ERFV con ciertas particularidades que pueden orientarse para

lograr el desarrollo de un sector con impacto en mercados externos. Desde el punto de

vista de la demanda, nuestro país cuenta con un porcentaje de yacimientos maduros los

cuales dan sustento a una parte importante de la producción local de petróleo. Por otra

parte, en el campo existe una experiencia de 20 años en la utilización de ERFV para

líneas de conducción. Desde la oferta, Argentina cuenta con tres empresas que producen

tubulares de ERFV las cuales están instaladas en el mercado local, exportan a países de

la región y compiten con los grandes productores del mundo.

Si bien estos materiales se han utilizado durante más de 20 años, los procesos de

degradación asociados a las condiciones de servicio no se conocen con el grado de

detalle requerido para poder ser incorporados en una evaluación cuantitativa de riesgo o

para alimentar cualquiera de las etapas de evaluación de la integridad estructural.

Además, la falta de conocimiento detallado de los procesos de degradación en

condiciones de servicio genera inconvenientes en la operación cotidiana como:

deficiencias en la especificación del producto, ausencia de controles de recepción

asociados a las políticas de calidad y la imposibilidad de estimar la vida residual, entre

otros.

El presente trabajo tiene como objetivo presentar una metodología de evaluación de

la vida residual de tubulares de ERFV en condiciones de servicio, la cual ha sido

aplicada con éxito en instalaciones de nuestro país durante los últimos 10 años.

2. Resultados

2.1. Degradación en Campo

La experiencia recogida durante más de una década de trabajo con muestras operadas

en diferentes condiciones de servicio ha permitido agrupar las fallas analizadas en

cuatro grandes grupos de acuerdo con las causas que las originan. En este sentido, la

mayoría de las fallas se desencadenan por:



Inconvenientes externos durante la operación.

Errores en la instalación.

Defectos de fabricación.

Degradación por condiciones de servicio inadecuadas para el material

seleccionado.

Los inconvenientes externos están generalmente asociados a defectos en la

demarcación de la traza de líneas de ERFV o a inconsistencias entre las protecciones

previstas durante la instalación y los requerimientos posteriores de operación de los

yacimientos. En el primero de los casos, la inexistencia de una demarcación adecuada

de las instalaciones soterradas genera un número importante de fallas durante

excavaciones que se producen largo tiempo después de la instalación. La necesidad de

una intervención de reparación o las obras requeridas para nuevas instalaciones generan

la falla por impacto en la superficie exterior del tubular del equipamiento mecánico

utilizado para realizar las excavaciones. Por otra parte, en ciertas ocasiones la falla se

presenta por la acción de fuerzas de compresión actuando sobre la superficie externa del

tubular soterrado. En estos casos, la existencia de cruces viales sobre la traza de la

instalación puede generar fuerzas de compresión que conduzcan a fallas catastróficas.

Este tipo de falla puede deberse tanto a la aplicación de cargas no previstas o a la

instalación en forma inadecuada a las condiciones requeridas para el soterramiento.

Las fallas asociadas a errores de instalación representan un porcentaje importante y

tienen como principal característica que ocurren en tiempos cortos (generalmente menor

a 3 años). En este caso se incluyen aquellas fallas asociables al transporte, estiva y

manipulación de los tubulares; a la preparación del terreno para la instalación (curvas,

distancia entre apoyos, cama de arena, etc.); y a la instalación propiamente dicha

durante la cual la etapa crítica es el ajuste de las uniones roscadas. En la figura 1 se

muestran dos ejemplos de tubulares con defectos en la superficie exterior inducidos por

desgaste. Uno de los principales motivos de este tipo de defectos es un defecto en la

composición de la cama de arena que debería circundar las instalaciones soterradas.



Fig. 1. Ejemplos de fallas en servicio producidas por errores en la instalación.

Las fallas por degradación en servicio generalmente ocurren a largo plazo (mayor a

5 años), sin embargo en condiciones extremas se han observado fallas dentro de los

primeros tres años de operación. Los mecanismos de degradación en tubulares de ERFV

están asociados a la interacción entre el fluido, las condiciones de operación y el

material utilizado en la fabricación del tubular. La fig. 2 muestra dos ejemplos de

tubulares con diferente grado de avance en el proceso de degradación. En la fig. 2 A se

observa el deterioro de la superficie interna del tubular. La pérdida de resina en las

capas más superficiales deja a la fibra de vidrio al desnudo y en contacto con el fluido

transportado. En estadios más avanzados del proceso, el efecto erosivo del propio fluido

y la falta de cohesión de la superficie libera el enrollamiento de fibras generando la

estructura de “cintas” que puede observarse saliendo del tubular en la fig. 2 B. En esta

instancia, la falla es catastrófica y generalmente se identifica por el aumento de la

presión de operación aguas debajo del lugar donde las cintas se han desprendido. El

aumento de la presión se debe a la restricción al flujo debido a la acumulación de la

A

B



fibra de vidrio desprendida de la superficie del tubular. Es común que este hecho sea

percibido en los sistemas de filtros previos a la estaciones de bombeo.

Fig. 2. Ejemplos de fallas en servicio producidas por degradación en las condiciones de operación.

Las fallas debidas a defectos de fabricación están asociadas a la conjunción entre las

características propias de los materiales que constituyen el tubular y la utilización de

valores erróneos en las variables críticas de procesamiento. Estas fallas, al igual que

aquellas debidas a la instalación, aparecen en períodos cortos, generalmente entre 1 y 5

años posteriores a la instalación. En este caso los defectos más comunes se deben a la

incorrecta impregnación de las fibras (fig. 3 A), la falta de adhesión entre capas, el

curado incompleto de la matriz epoxi y a la presencia de aire ocluido dentro del material

o en la superficie en contacto con el mandril (fig. 3 B).

A

B



Fig. 3. Ejemplos de fallas en servicio producidas por defectos de fabricación.

En general las fallas asociables a defectos en el procesamiento se presentan como

fallas producidas por degradación del material. En este caso, los defectos aceleran los

mecanismos de degradación. El efecto más común se produce en el aumento de la

velocidad de difusión de especies de bajo peso molecular en la matriz y la interfase

fibra-matriz del compuesto. La conjunción del aumento de la velocidad de difusión y la

presencia de una intercara débil en alguna de las capas del compuesto vehiculiza la

propagación de fisuras macroscópicas (fig. 3 C) que finalmente debilitan la resistencia

A

B

C

D



mecánica del tubular. En ciertas ocasiones este debilitamiento mecánico se traduce en

fallas del tipo de la mostrada en la fig. 3 D.

Fig. 4. Ejemplos de fallas en servicio producidas por deposición de sólidos sobre las paredes del tubular.

Otro de los motivos de falla de instalaciones es la deposición de parafinas en la

superficie interna del tubular (fig. 4). Si bien este tipo de falla no está asociada con

problemas en el material [Rønningsen, 2012], el mismo puede relacionarse con las fallas

por degradación descriptas. En corrientes con alto contenido de parafinas la disminución

del área de flujo por deposición en la pared interior representa un inconveniente para la

operación el cual en muchas circunstancias se mitiga mediante el procedimiento de “hot

oil”. Si bien el procedimiento aplica un fluido a alta temperatura durante un corto

período de tiempo, el efecto de la temperatura y la periodicidad en la aplicación podría

A

B



acelerar la difusión de especies de bajo peso molecular que inicia los procesos de

degradación descriptos.

En resumen, las cuatro causas enumeradas al inicio de esta sección propician

diferentes acciones de mitigación. En primer lugar, la especificación detallada de las

condiciones en las que operará la instalación, considerando incluso posibles futuras

modificaciones de las variables de proceso debido al incremento de la producción o a la

modificación de la tecnología de producción, permite asegurar la correcta selección del

material del tubular y su diseño mecánico. De este modo se logra minimizar los efectos

de las variables de operación en los procesos de degradación en servicio. En segundo

lugar, el seguimiento y verificación del proceso de producción de los tubulares y la

certificación de los tubulares recibidos permite minimizar el impacto de los defectos de

fabricación al momento de la operación. Finalmente, durante la operación de la

instalación, la aplicación de un programa de monitoreo adecuado permite realizar un

seguimiento de la evolución del comportamiento en el tiempo. Si bien, a nuestro

entender, el conocimiento disponible no permite aplicar un programa de monitoreo no

destructivo que provea información con el grado de confiabilidad necesaria para la toma

de decisiones, la aplicación de técnicas destructivas de bajo costo y mínimo impacto en

el proceso productivo representa una excelente opción para contar con una herramienta

de decisión cualitativa.

2.2. Degradación en Laboratorio

La concreción de un programa de monitoreo en condiciones de servicio requiere

contar con el conocimiento de los mecanismos involucrados en el proceso de

degradación. Una vez identificado el mecanismo, la resolución de las expresiones

cinéticas para incorporar la variable “tiempo” permitiría avanzar en modelos predictivos

de la vida residual de las instalaciones. El trabajo desarrollado hasta el momento ha

permitido identificar el mecanismo de degradación principal, las variables críticas para

el avance del proceso de degradación, un rango en el que estas variables impactan en el

comportamiento en servicio [Stocchi 2006] y una serie de ensayos destructivos que

permiten realizar un análisis cualitativo del estado del tubular.



Como fue indicado anteriormente, el proceso de degradación se inicia con la difusión

de especies de bajo peso molecular en la matriz epoxi y la interfase fibra-matriz. En la

fig. 5 se muestran, a manera de ejemplo, dos curvas modelo de absorción de agua en

tubulares epoxi-amina y epoxi-anhídrido. En general el proceso de difusión alcanza un

pseudo-equilibrio en tiempos relativamente cortos respecto a los tiempos normales de

operación de un tubular en servicio. A tiempos más largos el comportamiento del

contenido de especies de bajo peso molecular dependerá de los mecanismos de

interacción entre estas especies, la matriz y la interfase. En el caso de agua en sistemas

epoxi-amina la difusión podría ajustarse a un proceso de relajación-difusión en el cual

se van alcanzando nuevos pseudo equilibrios de acuerdo a la ventana temporal

analizada. En el caso de difusión de agua en sistemas epoxi-anhídrido, el proceso de

difusión se ve alterado por la hidrólisis de los enlaces éster de la red provocando un

aumento en la velocidad de incorporación de agua aún sin la aplicación de cargas. A

tiempos más largos, el efecto de la hidrólisis genera una pérdida neta de peso como

puede observarse en la fig. 5.

Fig. 5. Curvas de difusión de agua en tubulares de matriz epoxi-amina y epoxi-anhídrido

Años 1 2 5 8 12 15



Las características del sistema químico utilizado definen la dependencia de los

procesos descriptos con la temperatura [Jaszcz, 2011]. En el caso de los sistemas epoxi-

amina, la interacción agua-matriz determinará la variación del contenido de agua de

equilibrio con la temperatura [Merdas 2002]. En sistemas epoxi-anhídrido la cinética del

proceso de hidrólisis es dependiente tanto de la temperatura como del pH [Antoon

1981].

Fig. 6. Material sin signos de degradación y buena adhesión fibra-matriz. A- Matriz. B- Interfase.

Los estudios de envejecimiento en condiciones simuladas de servicio en laboratorio

permitieron establecer claras señales indicativas del avance del proceso de degradación.

En la fig. 6 se muestran dos imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) en

A

B



las cuales se puede observar el material compuesto sin signos identificables de

degradación (fig. 6 A) y con buena adhesión fibra-matriz (fig. 6 B). En la fig. 7 se

observa la superficie interna de un tubular comercial envejecido en condiciones

simuladas de laboratorio en las cuales se induce la degradación química por hidrólisis.

Fig. 7. Superficie interna del tubular con signos de degradación. Estadíos intermedios (condiciones simuladas en

laboratorio)

En la fig. 8 se presentan imágenes de capas interiores de la pared del tubular con

signos característicos del proceso de degradación por hidrólisis en estadios avanzados.

Como se observa al comparar las imágenes de SEM, la degradación química del

material ataca la matriz epoxi y la interfase fibra-matriz [Brown 2005] generando un

daño irreversible que afecta directamente el comportamiento mecánico del material.

A

B



Fig. 8. Superficie interior de la pared del tubular con signos de degradación. Estadio avanzado (condiciones

simuladas en laboratorio)

Como se indicó anteriormente la degradación por hidrólisis se asocia con el proceso

de difusión de agua en el sistema (fig. 5). Es por ello que la existencia de defectos

superficiales (fig. 9 A), e incluso aquellos presentes en las capas internas (fig. 9 B),

afectan la velocidad de degradación. En la situación más general el aumento de la

concentración superficial de defectos de fabricación que dejen al desnudo o con bajo

nivel de impregnación zonas del material expuestas al fluido, incrementa la velocidad

de degradación en forma generalizada. En este caso, existe una alta probabilidad de que

el tubular falle por delaminación de las capas interiores (fig 2 B). Por su parte, si la

concentración de defectos superficiales es considerablemente alta en una zona particular

o algún defecto puntual genera un camino preferencial para la difusión, el fluido

alcanzará capas más cercanas a la superficie exterior del tubular (fig. 3 C) disminuyendo



la resistencia mecánica por la disminución del espesor de pared, lo cual puede conducir

a una falla como la que se observa en la fig. 3 D.

Fig. 9. Defectos de procesamiento en la superficie interior del tubular (A) y en las capas internas (B).

2.3. Programa de monitoreo de instalaciones de ERFV en servicio

Los resultados del envejecimiento en condiciones de servicio simuladas en

laboratorio y el conocimiento recogido de los análisis de instalaciones con diferentes

tiempos y condiciones de operación en yacimientos del país, han permitido generar una

metodología de trabajo compuesta por una serie de ensayos destructivos simples que

permiten establecer en forma cualitativa el estado de una instalación. La metodología

incluye ensayos de espectroscopía infrarroja, calorimetría diferencial dinámica, flexión

en tres puntos y desorción de especies de bajo peso molecular. Este grupo de ensayos

permite identificar el sistema químico utilizado, determinar el estado de la red mediante

la determinación de la temperatura de transición vítrea del material, establecer el

A

B



contenido de especies de bajo peso molecular y determinar tanto el impacto del proceso

de difusión en el comportamiento mecánico como su reversibilidad. De este modo se

puede establecer el avance del proceso de envejecimiento y su impacto en el

comportamiento de la instalación.

Esta metodología de trabajo ha sido aplicada desde 2005 y ha mostrado ser de gran

utilidad para dar respuesta a un número importante de consultas del sector industrial

referidas al estado de instalaciones de ERFV. Principalmente se ha trabajado en

conjunto con distintas empresas en la identificación de los motivos de falla [Rodriguez

2013], la definición del reemplazo de instalaciones, la reparación de problemas

puntuales, y la determinación de la extensión de la vida útil.

Si bien aun no es factible determinar la vida residual de la instalación mediante esta

metodología, la misma presenta para las áreas operativas una importante ventaja.

Además de aportar al sector productivo en los puntos indicados en el párrafo anterior, la

aplicación de esta serie de ensayos simples permite conocer el estado de la instalación lo

cual permite actuar en forma preventiva estableciendo estrategias de monitoreo y, en

aquellos casos en que sea factible, de mitigación. De este modo, las instalaciones de

ERFV se pueden acoplar a los programas de integridad de la organización. De este

esquema de trabajo surge la identificación, con la anticipación necesaria, de situaciones

críticas de modo de minimizar las fallas catastróficas, especialmente aquellas que

puedan generar un alto impacto operativo o ambiental.

3. Conclusiones

Se presenta una metodología que permite determinar el estado de una instalación de

ERFV en servicio. La metodología presentada está constituida por cuatro ensayos de

laboratorio destructivos. Los resultados de estos ensayos permiten el seguimiento del

avance de los procesos de degradación y la identificación de puntos críticos. A su vez,

la metodología ha generado muy buenos resultados en la determinación de los motivos

de falla, la planificación del reemplazo de líneas y la determinación de la extensión de la

vida útil.



Agradecimientos

Los autores agradecen a la Universidad Nacional de Mar del Plata y a la Agencia

Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (FONARSEC – FS NANO 004) por el

financiamiento recibido.

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