Productos de acero para petróleo y gas

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En este artículo se analizan los productos de acero de mayor masividad orientados a la industria de petróleo y gas: los tubos de acero sin costura y la chapa laminada en caliente para tubos soldados.

AVANCES TECNOLÓGICOS

Productos de acero para petróleo y gas Por Jorge Madías, Gerente de empresa Metallon, Argentina

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ás allá de la coyuntura actual, la industria petrolera y gasífera es muy activa y busca continuamente soluciones innovadoras para acceder a nuevos reservorios con el fin de satisfacer la demanda presente y futura. La energía basada en hidrocarburos fósiles se continuará utilizando en las próximas décadas. Es sabido que la producción convencional de petróleo está declinando y los reservorios no convencionales están creciendo en importancia, contribuyendo con una parte destacada de la producción global de energía. Las nuevas fuentes representan desafíos significativos para los jugadores de la industria, los proveedores y los reguladores, así como oportunidades para el desarrollo de productos de acero para satisfacer los requisitos crecientes.

TUBOS SIN COSTURA Los desarrollos en productos tubulares han permitido al sector de petróleo y gas llevar a cabo proyectos en ambientes rigurosos como aguas profundas, servicio ácido, condiciones árticas, alta presión y reservorios de alta temperatura, así como condiciones donde se espera la carga de fatiga, como sucede con las tuberías de subida en catenaria de acero (steel catenary risers) (FIGURA 1). El consumo global de tubos para petróleo y gas en 2013 fue de 17 millones: 12,4 millones de tubos sin costura y 4,6 millones de tubos soldados. Existen otros productos de acero consumidos por la industria, como barras de aceros al carbono y de baja aleación laminadas o forjadas (utilizadas por ejemplo en barras de bombeo), chapas estructurales laminadas en caliente (que se usan en plataformas off-shore, por ejemplo).

DOSSIER TECNOLÓGICO

Los tubos premium, con requerimientos realmente muy grandes, son mayormente tubos sin costura, en tanto que las cañerías llamadas de alta performance están cubiertas por tubos sin costura y tubos con soldadura longitudinal por arco sumergido. Las tendencias en las condiciones de servicio en las nuevas fronteras del petróleo y el gas que tienen un impacto sobre los materiales se presentan en el CUADRO 1. El desafío tecnológico y regulatorio más importante está representado por los reservorios con alta presión y alta temperatura (HP/HT, por sus iniciales en inglés) (FIGURA 2). Las condiciones de servicio son extremadamente severas, incluyendo la presencia de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono. En un ambiente de temperatura elevada, la evolución de las propiedades con la temperatura debe ser tenida en cuenta desde un punto de vista estructural y para la performance de conexiones premium. Además se deberían considerar criterios de inspección exigentes para un diseño confiable del pozo.

FIGURA 1. Tuberías de subida en catenaria Plataforma

Junta flexible

Boyas 1.000 m

Anclaje del elevador

El impacto sobre los requerimientos para los tubos, originado en condiciones de servicio y de instalación severas, implica una performance mejorada del material. Estas condiciones, a su vez, son datos de entrada importantes para las actividades de investigación y desarrollo. En tales condiciones,

procesos modernos de manufactura y un control de procesos estricto son esenciales para una producción confiable de tubos de acero al carbono de baja aleación. En el CUADRO 2 se enumeran algunos aspectos importantes de calidad y producción que deben estar en foco.

CUADRO 1. Algunas tendencias en las nuevas condiciones de servicio, que tienen un impacto sobre la calidad de los materiales necesarios Profundidades crecientes. Se considera agua profunda más de 900 metros y agua ultraprofunda más de 1.500 metros. A partir de 1996, se ha observado un crecimiento continuo en descubrimientos en agua ultraprofunda. Carga alternativa (fatiga) para elevadores, líneas de flujo y encamisado (casing) superficial, pero también en operaciones del tipo casing while drilling. Diseño basado en la deformación considerando buena performance después del 3%-5% de deformación plástica. Alta presión con alta temperatura, donde en condiciones extremas se puede alcanzar 200°C y más de 140 megapascales. Condiciones de corrosión severas, principalmente debidas a la presencia de dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, cloruros, alta proporción de agua. Producción de gas a alta presión. Perforación direccional y alcance extendido. Recuperación de petróleo aumentada (tanto secundaria como terciaria). Condiciones muy duras del clima (fuera de la costa, árticas).

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FIGURA 2. Diferentes ambientes en función de la temperatura y la presión [1]

En resumen, los tubos de alta performance deben mostrar capacidad para enfrentar ambientes de corrosión severa, alcanzar alta resistencia simultáneamente con buena tenacidad a baja temperatura, tener una evolución controlada de sus propiedades a alta temperatura, en muchos casos para materiales de pared gruesa.

Temperatura (°C)

Ultraalta presión y alta temperatura 250 Extrema alta presión y alta temperatura 200 Alta presión y alta temperatura 150 70 MPa

100 MPa 140 MPa Presión

CHAPA LAMINADA EN CALIENTE PARA TUBOS SOLDADOS El primer paso de la producción de chapas para tubos es el proceso en la acería. Las diferentes etapas contemplan el tratamiento del arrabio y la aceración al oxígeno, o la aceración eléctrica según el caso; la metalurgia de cuchara y el colado.

CUADRO 2. Aspectos importantes de calidad y producción a tener en cuenta Calidad del acero (limpieza inclusionaria, segregación, rango estrecho de composición química). Estrecho control de procesos. Tolerancias dimensionales exigentes.

En la FIGURA 3 se presenta la evolución del contenido de azufre, fósforo y nitrógeno y los contenidos finales de oxígeno total y azufre que se pueden alcanzar.

Tratamiento de temple y revenido eficiente. Capacidad de ensayo para una evaluación intensa de las propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión.

FIGURA 3. Izquierda: evolución del contenido de azufre, fósforo y nitrógeno en aceros para chapa destinada a la fabricación de tubos. Derecha: distribución de los contenidos finales de oxígeno total e hidrógeno para estos mismos aceros Hidrógeno (ppm)

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ʺ 3,5