Fragilización por hidrógeno en tuberías de acero

a-

LIníversídad Polít4cnica de

Madrid

. .

T E S I S

. . . . , . .

. .

FRAGlLIZAClON

POR

HIDROGENO

EN

_TUBERIAS

DE

ACERO

P O R

FEDERICO

GUTIERREZ-SOLANA

SALCEDO

ESCUELA

TECNICA

SUPERIOR

-

DE

INGENIEROS

DE

CAMINOS,

CANALBS

Y

PUERTOS

R E S U M E N

El uso del hidrógeno coino combustible plantea el

-

problema de la fragilización del acero de las tuberías utili- zadas' para su transporte.

La presente tesis doctoral tiene por objeto determi

-

nar el comportamiento en presencia de hidrógeno de las tuberl

-

as de acero que pueden ser usadas para su transporte.

Inicialmente, se estudia la sensibilidad a la fragi

-

lizacfón por hidrbgeno del material de las tuberías, fraqili-

zando probetas por dos métodos: por polarización catódica y

-

en ambiente de hidrógeno a presión. Se comprueba que este ace

-

ro no sufre variación de su resistencia, pero si una pérdida-

de ductilidad, que, medida por la reducción de área, deter-m'i- na la fragilización alcanzada.

Se determina el parámetro critico de fractura,

J

~

~

'

integral de contorno de Rice, del material en diferentes con- diciones de presión de hidrógeno mediante ensayos de flexión. A partir de los valores hallados se calcula la variación de

-

su tenacidad a fractura, KIC, con la presencia de hidrógeno,-

conv ccu f r n c i b n de ñ u presión.

Se hace u n análisis elasto

-

plástico, por elemen

-

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CONTRIBUCIONES ORJGINALES

t

,.

_Para

la realizacibn de esta tesis se han desarrolla

s.

-

1

2

do las aportaciones originales siguientes:

',C.

A. Campo te6rico.

Se ha realizado u n an6lisis del comportamiento en rotura-

de tuberías fisuradas aplicando las modernas teorías de

-

la Mecánica de Fractura.

Se han estudiado los parámetros criticos en fractura del-

material de las tuberias que se estudian y sus relaciones

a partir de ensayos de flexión en tres puntos con probe

-

tas pequehas.

Se ha realizado u n estudio elasto

-

pldstico por elemen

-

tos finitos de estos ensayos de flexión,. partiendo exclu-

sivamente de una ecuación constitutiva del material del

-

tipo Ramberg

-

Osgood.

B.

Campo Experimental

4.- Se ha disefíado y construido una cámara para realización

-

de

ensayos en ambientes agresivos, primera de su género

-

en nuestro pais.

necesario poner a punto d o s metudolngias ilc ensayo r l l f e

-

rentes: una p a r a ensayos por polarización c a t ó d i c s y otra

para ensayos en amblente d e hldt-Óqcno a presión.

Se ha desarrollado una metodoloqfa nueva para t - e a l l n - d ~ en ~

-

r

sayos d e J I C , integral d e contorno d e Rice, e n ambiente

-

de hidrógeno a presión utilizando la cámara construida.

Se han realizado por primera v e z ensayos a rotura con h i - drógeno a presión d e las tuberlas q u e se e:,kudian.

Se ha desarrollado una metodoloqla para la zonserución d e

estos ensayos sobre tuberias, teniendo especial cuidado

-

e n s u s condiciones d e seguridad dada la peligrosidad d e

-

los mismos.

Se ha estudiado por primera v e z la influencia d e las zo

-

nas afectadas térmicamente en estas tuberlas, "hard spotsy

A G H A D E C I M I EN'I'OS

Qir i e t . 0 a q u í e x p t - c s a i n i i profurldo a y ~ ' i i ~ 1 e c i m l cn1.0 ¿I

D. Manuel Elices C a l a f a t . , dir'ector- d e e s t a tesis, p o r sii

-

constante dedicación, apoyo y carifio a ~ s t e t r a b a j o .

P.si mismo, quiero agradecer a las r c s t a n t c s p c r s o

nas del Dpto. de ~ l s i c a de e s t a Escuela,

y

en espcclal 1 1

-

D. Miguel Angel Astiz SUAL-ez y a D. Andrks V a l i e r i t c Canctio,

la inestimable ayuda y la amistaci q u e d e ellos he rec:lLilclo.

Agradezco también vivamcnt-e a Butano, C. A . y a l - Laboratorio Geoclca, l a colaboracfón prestada, e s p e c i a l m c i i - te por sus ingenieros rc:;pectivo~ 11, J e s ú s Cobos A q u i ~ - r e y -

D. José M a r í a Morera Bosch.

Tambiéfi agr-adezco l a colaboraci6n de todas aqirc

-

llas personas q u e de un n m d o u o t r o han contribuido a la

-

terminación d e e s t a tesis.

Por Ú l t i m o , deseo e x p r . e s o r m i p r o f uiida qr-a tr 1 L ~ i d a

m i s padres, por f aci 1 i tarrne la forniación necesaria para L cAa

l i z a r esta t a r e a , y sobr.e todo, agradezco a mi mujer, 11-c.iie,

su p a c i e n t e a y u d a , sacri f iclo y cariño, sin los cuales 1111i.i-

c a poaria naber L - e a l i z a d o e s L a lrsic, F i ' i Iü iliic 1~ dud:rü-

INDICE

1. PL?*NTEAMIENTO Y OBJE'I'IVQS DE IAA TESIS

2. ESTADO ACTUAL DEL PROBLEMA

2.1 Fragilización por hidrógeno de los a c e r o s

2.2 Comportamiento de ].as tuberlas d e acero en

presencia

de

hidrbgeno 21

3 . ESTUDIO EXPERIMENTAL 35

3.1 Ensayos d e tuberías fraqilizadas con hidrógeno 3 7

3.1.1 Preparación de la muestra d e tuberfa a

ensayar 39

3.1.2 ~ n s t a l a c i ó n y equipos 4 8

3.1.3 Realización del ensayo 5 4

3.1.4 Descripción d e los ensayos realizados S6

3;2 Ensayos d e caracterización del material en p r e -

sencia de hidrógeno 6 9

3.2.1 Caracterización del material '7 1

A . ~ n á l i s i s químicos 7 1

B. Estudio metalográfico 7 3

C. Ensayos mec:ánicos 7 5

3.4.2 Sensibilidad del material a la fraqiliza-

ción por hidrógeno 9 0

A . Fraqilización por polarizacihri cntódica 91 B. Fragi 1 izacibn e n ambiente d e Iiidrhcjeno

3.2.3 Tenacidad a fractura y sri variación

en presencia de t i 1drOgeno 1.24

A . Ensayos a 1 aire 136

B.

Ensayos en ombtenlc de hicir6qcno

qaseciso 1114

3.3 Caracterización del material afectado tér-

micamente 163

ESTUDIO TEORICO

4.1 Fractura de tuberías

4.2 Estudio en fractura d e los t u b o s ensayados

4.3 ~ e t e r m i n a c i ó n teórica d e los paramett-os de

fractura del m a t e r i a l

4.3.1 ~ a r á m e t r o s elasto

-

plásticos de f r a c -

t u r a

4 . 3 . 2 ~ n 6 l i s i s p o r e l mktodo de elemeiitos

finitos d e un ensaya de una probeta

d e flcxión

4.4 Aplicación a los ensayos de fiexibn realizados

4 . 4 . 1 Ensayos de flcxión s o h r e p r a b c t n s sin

fragilizar

4 . 4 . 2 Ensayos de flexi6n sobre prche??c f r s -

gi 1 izadas

ANALISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES 2 3 8

5.1 ~ n á l i s i s de resultados

5 . 1 . 1 Sensibilidad del acero d e t u b e i - l a s a )a

5.1.2 C o m p o r t a m i e n t o de 1 3 s t u b e r í a s cn

lación con la t e n a c i d a d a f r ~ c ~ i i r a material

5.1.3 Influencia de las zonas a f e c t . a d , i s micamente e n e 1 comportamiento de

t!iberia

5.2 Conclusiones

5.3 Investigaciones f u t u r a s

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

re-

1. PLANTEAMIEN'I'O Y OBJETIVOS DE LA 'TI'SIS

El problema energét:ico i i c t - u a l exige el empleo de-

nuevos combustibles. El hidróqeno, cuya producción e s L 5 de-

sarrollada industrialmente, piicdc ser usado bajo condicio

-

nes adecuadas en sustitiici6n de hldrocarb~iros c cjas natural,

teniendo colno ventaja adicional la de no p r e s e c tal- con t a m i -

nantes ( L e e t h , 1 9 7 7 ) . Ac:tualmente s z trata de potenciar su-

uso, enriqueciendo wezc las de otros combus t. ibles. princ i

-

palmente gas natural.

La viabilidad de esta aplicación est6 condiciona-

da económicamente al uso d e los sistemas de transporte para

combustibles ya existentes o semejantes a ellos. En conse

-

cuencia, se necesita un análisis d e la seguridad de los

-

mismos en presencia de hidrbgeno teniendo en cuenta la f rsa-

gilización que éste origina en los aceros, matel-ial domi

-

nante en este tipo de sistemas. Este análisis debe q u e d a r

-

enmarcado en el campo de la Mecánica de Fractura que perini-

te tener en cuenta la iriflukncia de los posibles d e f e c t - o s

-

existentes en las estructuras y evaluar su interacción con-

el hidrógeno.

La construccibn d e nuevos sistemas con mate~.ialec

menos fr:aqilizablec que los actuales, como los a c e r o s alea-

dos

con

titanio o níquel, originaria11 unos cos.tos que h a r l -

an prohibitivo al nienos p o r el momento, est.e eiiipleo del t i \ -

El estudio debe coiit;cinl)l,.ir la I t ~ t ' l i ~ ~ ~ ~ c l a le l i ~

-

~

siguientes variables:

-

Porcentaje y p r e s i ó n de hidr-bgeno.

-

Tamailo y t.ipo d e dcf ectos existerit..es.

-

Tenacidad a fractura del material y s!i scnsit!

-

lidad en presencia de hidrógeno.

En consecueric:ia la presente tesis doctoral tiene

-

como objetivo furidameiital el análisis de la fragilización

-

por hidrógeno en tuberias de acero utilizadas normalmente

-

para transportar otro tipo de combustibles. En ella se trata

de determinar su coinportamiento en presencia de hidrógeno

-

bajo condiciones variables, basándose en la experimentación-

de las propiedades mecánicas del ma terial

,

la sensibi l i d a d

-

del mismo a la fragilización y la aplicación de las t c o l - i -

as de Mecánica de Fractura.

Convencionalniente un eskudio d e este tipo se rsea

-

lizaria mediante ensayos hasta rokut-a d e las tuberias bajo

-

condiciones semejantes a las que se prevEn en su funcioria

-

miento, obteniéndose un coeficiente de seguridad p a r a cada

-

condición de ensayo. Este método, independientemente de su

-

elevado coste, no ofrece ninquna informacibn respecto d e la-

influencia de los factcnres que intervienen eri el prol~lema

-

sobre el coeficiente obtenido

y

por tanto no se puede d e d i i

-

E l m é t o d o quc a c l ~ i i !.<e d e s a i [ . o l l a :;<Y iiipar-t:a troi:;il

-

m e n t e d e e s t a 1 i n e a y € i ~ n t i . ~ m c r ~ t a l r r i c r i t ~ . t ; ::.c k,a:;ii crl lo;; s i

q u i c n t e s p u n t o s !

l . A n j l i s i s d e l a s e n s i b i l i . d a d f r e n t e a 1 tiiclr6cjeno

d e l m a t e r i a l de l a t i ~ . i l ~ e r i i r deter-rriiriando l a v c i

-

r i a c i ó n d e S I J S p t - o p i r d ~ d e s m e s á n i . c a s y p l . i r i c i

-

p a l m e n t e d e s u t e n a c i d a d a f r a c t u r ' a eii Fiiricil3ri-

\'en-

d e l a s d i F e i - e n tes cond.ic.iories q i ~ t " p u e d e pct..,

tat- e l h i d r b q e n o .

~ e t e r m i i i a c i ó n d e l coin[:)or: tamj.en Lo es t ruc: t i ~ r i i l d e

l a t u b e r í a m e d i a n t e su c á l c u l o e n Mecáriica d e

-

F r a c t i i r - a , b a s á n d o s e en l a s c o n d i i i o r i e s d e Fui1

-

c i 0 n a m i e n t . o d e l a 1 í n c s ( p r i s ! ¿ r i y p o r c c n t a j e -

d e h i d r ó g e n o e n l a mezcla q!-re s e t l - a n s p o r t . e ) ,

-

t e n a c i d a d a f t - a c t u r a d e l m a t e r i a l p a r a e s t a s

-

c o n d i c i o n e s , d e d i i c i d a p r e v i a m e i i t e ( p u n t o 1 )

,

y-

f o r m a y t a m a n o d e l o s d e f e c t o s q u e s e o b s e r - v a n - e n l a 1 í n e a .

E l d e s a r r o l l o d e l p r i m e r p l i n t o r e q i i i e r e l a r e a l i

-

z a c i ó n d e un g r a n número d e e n s a y o s e n l d b o t - a t o [ - i o sot)i-e l a s

diferentes p r o p i e d a d e s n i e c a n i c a s d e l m a t e r i a l . Estos er-i::,liycic h a n de r e a l i z a r s e v a r i a n d o l a s c o n d i c i o n e s d c t r a b c > j o cic!l

-

h i d r ó g e n o , neccrs i t a n t i o uiia cámat-s d e e n s a y o s el', cirril'i ente:;

-

ren una met-odoloqia qiic: es ricces,ir i.o d e s a r r - o 1 1 a t - , pciccj riii

-

realización es novedosa e n riuccLro v a i s .

La dekerminac i h n (le1 cornpur tarnientr, d e la c:st t-i.ic

-

tura, exige una conti-a:;t:.acic5ri experimental, que ha de l. le

-

varse a c a b o mediante ensayos con modelo real hasta r o t i r r a

-

c o n presión d e hidrógeno. Las dificullades que la pe1iyr:osi-

dad y especificación d e este tipo d e ensayos ocas!onan,

-

obliqa al estudio d e un método adecuado para s u realización.

En consecuencia, las actividades a desarr.ollar

-

abren d o s lineas d e trabajo como se puede observar eri el oc-

ganigrama d e la f igcra 1.1.; la primera, representada a la

-

izqirierda, basada e n la exper- irneiit-ación sobre el rnatel-ial ,

-

corresponde al método propuesto; y la seguiida, r - e p r eser-I Lada-

a la derecha, basada e n la experimentación directa sobre la-

estructura. L a contt-astaciÓn de las conclusiones d e ambas

-

líneas d e trabajo e s necesaria para garantizar e1 método

-

pianteado e n la t.esis.

L a s actividades a dcsart-ollar n o sólo alcanzan e l -

objetivo previsto, sino q u e desarrollan una nietodoloqia p ~ t a

determinar la sensibilidad frente a la fragilización p o r hi-

drógeno d e los materiales, a s í conio otra para ensayos d e tu-

berías c o n presión d e hidrbgerio. La aplicación d e ambas

-

a portan gran información referente al comportamiento ft-erite-

a la fraqilización d e aceros espafioles, as1 coino las condi

-

c i o n e s d e viabi 1 idad para tt-anspor t a t - hidrógeno en ccndur:c i o

-

. . . .

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. . . . . .

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a,, . , .

CARACTERIZACION DEL MATERIAL

EN PRESENCIA

DEL Hl DROGENO

(TENACIDAD A FRACTURA)

8

ANALlSlS

EN FRACTURA

DE LATUBERIA

T

ENSAYOS EN TUBERIA MODELO REAL

-T

-

FIGURA 1 . 1

ORGANIGRAMA DE ACTIVIDADES.

L 1 I h

COMPORTAMIENTO CWTRASTACKM

PREVISTO METODO

EN LA TUBERIA TESIS

-

1

COMPORTAMIENTO EXPERIMENTAL

DE LA TUBERIA

2. ESTADO ACTUAL DEL PROBL.EMA

En el. pt-esente cap.í.tulo sc t r a t : ~ ~ de resuirii 1- 10:;

-

conocimientos exis1:ent.e~ .c,ok)re c l pt-oblemá dc: 1 a f r - i i r j i 1 i . u a

-

ciÓn por el hidróqerio en I:uber i . a s (1c acero, ;icompanados c f e

-

la bibl iograt ia adecuada para cumplernentar~los.

Primeramente se analiza la ft-aqi.1 izacjóri por h i

-

dróqeno de los aceros, pasando revista a los mecariismos me

-

diante los cuales se procluce, los métodos p;ir a caract.er-S.zar-

la y la influencia que en ella tienen iina s e r i e d e vari-itl~les,

como son: La composición del acero, su rnicroestruci(..i.ira, la

-

temperatura, la presión, la pureza del hidrógeno y la velo

-

cidad de deformación.

Posteriormente se trata de aplicar cste análisis

-

previo al diseño o caracterización del compo~-tamiénto d c 15s

tuberías d e acero en presencia de hidrógeno, t-eniendo pre

-

sente las experiencias ya existentes en este campo, particu-

larizandolo finalmente al tipo de tuberias que se estudian

-

en esta tesis.

2.1 Fraqilización por hidróqeno d e los aceros

Desde hace aproximadamente 100 ahos, se conoce 21 hecho c i e

-

que el hidrógeno puede reducir de f o r m a drástica la reaiuten

-

cia

y

la ductilidad de los aceros (Johnson, 1 8 7 5 ; I l i i q h c s

-

1880). Durante este ticnipo s e hari pr-oducido u11 gt-an nÚriit?ro

-

Estas roturas t ieneri lucjat' en coi~d i c i ~ i i e s L ( 2 r i s io

-

nalec inferiores a la..; permi t ! . d a s rio~-rna l r i l e n t e , ser1 tic? ~ipa

-

riencia f r á g i 1 y requl.ereri un t iempo de incul~acihn~~ riitiy va--

riable

y

d i f i c i lmente pt-edecible ( M c . M a s t ? r , 1969).

AS^, las e s t : r u c t i i t - a s q u e tisn de trr11t,i3 j a r - en pirvsen

d

cia de hidrógeno han de d i s e f i a r s e con m a t e r i ~ ~ l e s selericiona-

dos

de

a c u e r d o con

el conocimiento que

se tengd

de su

conipor

-

tamiento frente a la f~agilización.

E n la fiqura 11.1. se representa de Forma esquernJ-

tica un modelo de los procesos elementales que conducen a la

fragilización INelson, 1 9 7 6 ) . Como se puede observar, ini

-

cialmente hay una difusión gaseosa de1 hidl-óqcno molecular

-

(paso a-b) hacia l a superficie del material, a 1 1 1 las molé-

culas se disocian en átomos (b-c) y posteriorniente sor1 qui

-

misorbidos (c-d), completando una serie de sucesos denomina-

dos conjuntamente como adsorción (Nelson, 1971). Posterior

-

mente los átomos de hid~-Óqeno son absorbidos (d-e) y se d l

-

funden en el interior de la red hacia posiciones d e menor

-

energía potencial ( Ntra~i~pas"), (e-f donde, e i i alcjiinos cdsoc,

MOLECULA DE

**

-

7

.

1 1

1110M0 DE M2 I &TOMO DE L A RED

i r-'--

o o

\t.

o---

d - . b d

*

I

ab Dlfiirlon ga8mo.o

0 0 ~ 0 o O o o

L

-

---.

. _ _ _ _ _ .

ADSORCION cd bc Olroclaclon Qulmlmurcioi,

0 0 0

oioiojo

ABSORCION . d.

C m - - . t a MFUSION EN LA REO a l

FIGURA D. 1

PROCESOS FISICO-QUIMICOS DE LA FRAOlLlZAClON POR HIDROGENO.

Estos procesos For-man p a r t e de todo:: y c a d a iiiin de

l o s muchos n i e c a n i s m ~ s de f r a q i 1 i z s c i ó n pot- h i ~ l ~ . 6 q e r l o c1iic1 t i ~ n

s i d o d e s c t - i t o s ( I i i r t t i , 19'76

.

Cada lino de e s t o s rrie~siii:'jiiic>:i,

-

como son: U ) l a t e o t - i a de 1 3 pr-es i ó n i n t e r n a , t.wsad;i e n i ~ i i a - sobresa t u r a c i ó n iii Iiet-na y pot- t a n t-o en u n a C O I I I . C [ ) L - I - ~ L ; i611

( Z a p f e e , 1 9 4 1 ; 'i'etelman, 1 9 6 2 ; 'l'ic+n, 1 9 7 6 1 , e l ~ii~ili.:l.l> de-

Beachem basado en é l aumrn to de iiiovi l i d a d dt? 1:is c.1 i s lcji-.](: i o-

nes (Beachem. 1 9 7 2 ) , c ) e l de l a d1sn;inuc:lÓn clc enet q í a sii

-

p e z - f i c i a l , de I'Jetch y S t a b l e c ( P e t c h Y S t : i b I ~ s , 1 9 5 2 ; Pt?tcIi,

1956), d ) el de l a f r - a q i l i . z 3 c i Ó n tiel b o r d e clo f i s i ~ i - a (Gilir~ar-r,

1977) 6 f 1 l a d e d e c o t i e s i . 6 r i ( I ' r o i i i n o , 6 i

,

1 ' ;

-

O r i a n i , 1 9 7 9 1 , q u e i n d i v i d u o l m e n t r? 110 j i i s t i t: ic:an toílos Ilis

-

e f e c t o s p r o d u c i d o s p o r e l h i d r Ó g t ? r i o , p o c l t . l a i i con1.l.- i 1 ~ 1 . 1 i i r:lJ

-

mo par te d e u n n i e c a n l smo r:orijuri t o cie f r d g i l i ;<<ic l ó n

,

coi11 ) h ~ i -

r e c o n o c i d o r e c i e n t e n i e n t e t l l r t h , e n u n e x c e 1 c i i i . e tr,'it:iajo (le

-

r e c o p i l a c i ó n ( H i r t h , 1 9 8 0 ) .

E l dafio q u e d e este nlodo se o r . . i q i n , 3 en c a d a t i p o

-

d e a c e r o se m a n i f i e s t a e n d i f ' e r c n t.es a s p c c t o s , e11 t. t.c 10:s qire:

se e n c u e n t r a n l a a l t e r a c i h n de l a s p r o p i e d a d e s m e c i í n l c a s q u e

s i r v e p a r a m u c h o s a u t o r e s como i i r i f n d i c e d e 1.a s e n s i h i l i.cl,id-

d e l acero f r e n t e a l h i d r ó g e n o , d e f o r m a que pt:oponen del-et-n.ii

_-

n a d o s e n s a y o s de l a s r e f e r i d a s p t - o p i e d a d e c pa:*a l a d e t e t - r n l n a

-

c i ó n de la f r a g i l i : ) . a c i b n .

T e n i e n d o e n c u e n l - a l a pét-d l d a d e d i i c - t i 1 iclatl qi.ie s u

-

.

f r e n l o s aceros e n p r e s e n c i a d e \ i i d r Ó g e n o , se toma l a medida

d e l a p é r d i d a d e r e d u c c i ó n d e 6t:ea e n u n e n s a y o d e t r - a c c i 6 n -

c o n v e n c i o r ! a l (ASTM, A 3 7 0 ) como p a r á m e t r o s d e m e d i d a d e l a

-

s e n s i b i l i d a d f r e n t e a l h i d r - Ó g e n o ( P r i c k , 1 9 7 1 ; J e w e t l - , 1 9 7 3 ;

T h o m p s o n , 1973; G r - a y , 1 9 7 4 ; H a r r i s , 1 9 7 4 ; ' r h o r n p s o n , 1 9 7 7 ) .

-

E s t a p é r d i d a v i e i i e d e t e r m i n a d a p o r 1 s e x p r e s i ó n :

R A

-

R A H

P R A =

R A

e n ausencia d e tiidriyeno, y RA,, 1 ;i r-cd~icc ión t-!ri p i csciiic i ;i dci

hidrógeno e n 1 a s c o n c l ic j ories de eiisayo, anit~~is t2xprc .:., (ida:; i!n-

tanto por ciento.

Algunas piibl i c a c i o r i e s (Veriet t . , l'd(>'J; Wa 1 t . ~ r - , 1 9 * 1 1 ;

Jewett, 19731, proponen estudiar este p a r 6 m e t r c ~ ( P R A ) en C r i -

sayos d e tracción coi1 probetas ent.alladas (ASTM E 3 3 8 1 p i l ~ s

-

la sensibilidad es m a y o r e n ellas debido a l a i-nfluencia del

factor de concentración d e tensiones e n la e n t ~ l l a e n 1 ; i 1 . r ~

_-

gilización por hidrógeno, q u e es más aciisada. En este ensayo

la determinacióri d e la tensión dc. cotiirt2 (FJ'i'S

-

notcli ten

-

cile strength), se puede c~nsi.dcrar tarnt~ién coirio parárnel..t,-o

-

de medida de la fraqilización del material por hidrógeno, ya q u e

su

valor disminuye en presencia del mismo a mcrlicl~ q u e

-

aumenta el factor d e concentración d e tensiones c n la ciita

-

lla, hasta que éste alcanza un valor entre 6 y I I . E n la f l g u

-

r a 11.2. se puede observar esta influencia del valor del f a c

_-

tor d e concentración de tensiones ei.1 1;is ri~edicias d e P l ? A y d e NTS, e n un a c e r o A 302-8.

La variación del cornpor tamiento en f a t i q a ( t i ' i ~ . ~ - i S ,

1971; Gray, 1974) y frs.ctura (Wlllianis, 1970; Kciiictil~-o Yo

-

shino, 1974; Thornpson, 1977; Hobii~son, 1978; Itobinson, 1980)

al estar e n conracto c u i ~ 1-~id~-Ygsnz, p r c ; ; v r c i ~ ! ! c i q'ieirn.; ,-.iIsa-

yos capaces de detectar la f r a g i l ización d e l i n a l - e r i a l . F:1 e i i

-

sayo de reristericia a fatiga del rnatet-ial e c rniiy scnsit-rle an

-

Enrop tracclon convoncbnd, pro410M no rntalloda.

o Enrayo tmcclon erOkta

entallada.

INFLUENCIA E L FACTOR DE CONCENTRACION M TENSIONES

EN LA MEDIDA M LA SENSlBlLlDAD FRENTE AL HImOENO.

de t e n a c j d a d a f r i i c t u r a , y a ~ : 3 ( : 6 1 1 e s t a n d a r i z i i d o s , K I i - (AS'I'M-

E 399) o no, J I C ( ASTM, COMI'I'EE E 24)

,

cri geni'ra 1 rio l o ! : o r i .

L a f i q u r a 11.3. m u e s t r a un diaqrariia en e 1 qiic: :;e

-

comparan l o s métodos de r ~ i c d i d ~ i de l a f r a g i l i : . a c i h i i h.isad(,:;

-

en l a a l t e r - a c i b n d e l a s p r o p i e d a r l e s n l e c 6 n i c a s d e l m;ii c ? r ' i ~ i l

-

TRACCiOII TRACCION TENACIDAD

P WTA COllVCkClQUL A FRACTURA

ENTALLADA

MTERMINACION DE LA SENSIBILIDAD FRENTE AL HIDROGENO DE UN ACERO MEDIANTE DIFERENTES ENSAYOS.

Independientemente de e s l:os m& todos q r a i i núm~al-o de

autores proponen otros niievos basados en d i f et-en t e s L i l.~\>:i d.1

respuesta del m a t e t - l a 1 (F'idelle, 1367; Fidelle, 1 9 7 4

-

o ;

-

Jankowsky, 1974; Hyter, 1 9 7 4 ; Movich, 1974, .lona:;, 1376; 1 7 i - delle, 1974

-

b ) . Estos ensayos a i i a l izan el coy\por- I . c \ ( ~ i i t ? ~ i t c ~

-

del a c e r o en preserici a de h idi-6cjcricr de F o r - m a r undani2ii t rl 1 iiicii-

t e cualitativa, y t r a t a r 1 de de1.e~-iiilnar l a !nfluenri+ d e 1.3.;-

diferentes variables, y a c:ean p r o p i a s cle 1 inal:c.?r.l n 1 o e s t.t.1- l o

O t r a pi-opiedacl d e l rnal:ei- i a l . af ~ c t a r 1 c . r pni- ci.i t i illt.ó-

g e n o , es l a a p a r i e n c i a de l a s u p e r - l . icie tle 1 - 0 1 \ i r - i r (I\~:!,ictii:rii,- 1965 ; B e a c h e n i . 1 9 7 2 1

.

Noi-ma 1 rnen [:.e '1 ,i pr.e:;(?nc i a <Ir? iiqi16 1. ;I 1 t C ?

m-

ra el modo d e r o t u r a c n l o s aceros, h a c i é n d o l o e n gener,i I

-

m6s f r 6 g i 1 que en su o 1 . i s e n c i . a . A ~ w s : t r d e c i i . c i rio i::xi.:;t:c ~ J I I -

modo d e r o t u r a q u e se p u e d a c o l i f i c a r coino 1- í p i r o c n pir!::t n -

c i d d e hidrbgeno ( M c K n i t ~ h t , 1 9 7 6 : T h o m p s o ~ ~ y 1 3 r r n n t e i n ,

19771, aunque s i se p11ede c o n s i d e r a r quc d e p ~ n d e dt?l v a l o r

-

d e l a i n t e n s i d a d drr t e n s i o n e s K . E i i l a f i g u r a 11.4. s e l i i i ~ . i < l ~ ~

ohservar l a v a r i a c i ó n d e l o s modos tle rotiiirii ~:.r.ii.a v a l n r c r ~ ; d i !

c r e c i e n t e s d e K: F o r m a c i ó n , c r e e i n i i e n t o y cocil e s c e r i c i ~ clt:

-

huecos ( a ) , rotiira t i - a i i s g r e n i ~ l a r ( seudo c l iv.3 je) ( 1 3 ) y 1 - ~ 1 . i i -

r a i n t e r g r a n u l a r ( c ) .

(a 1

Rotura intargranukr

Formaelon, crwlmlrnto y cwlr~concla

d. hure08

t

C

e

m

...

U m

( b )

FIGURA

n.

4

MODOS DE FRACTURA EN PRESENCIA DE HIDROGENO.

E 1 conoc im icnn t.o d e 1 os r f ec t:ns dt! 1 ,.i f r i i g i l i . , > n i q i : i OII

por hidrógeno en los aceros pone c l e m a n 1 f i c s ~ o la i I , I ~ " l.i.ic?ric i a

de determinadas variables Pri e1 comportc~m ien t o d e lo:; iii i :,rnos,

las cuales quedan clasif j c a d a s e11 l a t a b l a 1'1. 1. qi.ie :;irx CIii a

continuacijn.

El a n á l i s i s de l a i i i f l~iririclri c l ~ 1.3 cc.iniposicihri

-

qufmica del acero sólo aporta una informac lcliii p a r c i ; i l soiii..c-

su comportalriento, pues é s t e rlepende tarnblén y de fot.ina cori-

junta d e su microestructiirn.

De c u a l q u i . e r forma es Iinportan te delcr-inin~r- el

-

efecto de cada componente sobre l a f r ~ q i 1 i z a c i.6n L ' i 1 conio :;e

hace en la tabla I I . 2 . , a u n q u ~ sea c t i f íc i. 1 t i i :-;Li rigii i 1- si se-

debe a .su composición o a su influencia en 1~ r i i i c r n e s L i i i c L i i -

ra (Sandoz, 1971; Thompson y Uernstein, 1970).

La microestructura quc prescrita menor sens i b i 1 F

-

dad a los efectos d e la fragilizarlón es l a dc los act-?t.os

-

templados y revetiidos d e estructu~.d b ~ l i i i L i ( ~ d .

I d a s estructuras esferoid;~ les prescri t a n iir.i,~ f ~ - i i g i 1

-

i

zación superior,

y

las normalizadas de los a c e r o s f e ~ - i * l t ico::

y ferr! tico

-

perl i kicos a ú n mdyor. Finalmeri t-c las t ? s t c ~ i i c m L i i -

ras martensiticds 1-10 1-evenidas r;oi.i las mAc i i ! ~ l : i t ~ l ~ ~ ; a 1.3 a c

cibn del hidrógeno (Hobson, 1953; Snape, 1368; B e i - n : i l e l i i y

-

T A B L A U . 1

VARIABLES QUE AFECTAN EN LA FRAGlLIZAClON P6R

HIDROGENO DE LOS ACEROS

MICROLSTRUCTURA

A,- VARIABLES PñOPIAS DE L A

N A T U R A L f %A M L MATERIAL

TEMPERATURA

PUREZA OEL WIDROOERO

B.' VARIABLES PROPIAS DE

CONDICIOñES EXTERNAS A L M A T E M A L

PRESlON DE HIDROQENO

VELOCIDAD DE DEFOOMACION

T A B L A U . 2

INFLUENCIA DE L A PRESENCIA DE ELEMNTCS EN LA

F R A G I L I Z A C M POR HIDROGENO DE LOS ACEROS. (AOBINSON 1978)

E L E M E N T O

MAWOANESO CARBONO AZUFRE NITROQENO FOSFORO TITANIO COBRE ALUMINIO SILICIO NIOUEL + E F E C T O

AUMENTA L A FRAGILIZACION

AUMENTA L A FRAGlLlZAClON

AUMENTA L A FRAOlLlZAClON

AUMENTA L A FRAGlLlZAClON

AUMENTA LA FRAGILIZACiON

DISMINUYE L A FRAGIL12ACION

DISMINUYE LA FRAGILIZACION

DISMINUYE L A FRAOlLlZAClON

DISMINUYE L A FRACIILIZACION

Este intento d e ordenación n o es rígido sino que -

está afectado por olras características como son: e1 Lamano-

d e grano, que al ser más f j n o es benet-iciosu l i a r a el Acero;-

la formación d e subgrarios y la densidad de dii;locacIone:<,

-

q u e atectan d e forma variable; y las inclusjones no met62i.

-

c a s q u e disminuyen la compatibilidad del acero al hidrógeno.

La resistencia del material, cuantificada por la

-

tensión Última d e rotura, es una ~ a r i a b l e deperid~l?nte d e las

y a tratadas, composición y m i c r o e s ~ r u c t u r s , q u e se relaciona

con la sensibilidad frente al hidrógeno ya que se observa

-

q u e la pérdida d e reducción d e área ( F R A ) e n aceros aunlenta- al aumentar el valor d e la tensión Última d e irjtura cott-es

-

pondiente, para valores d e Psta superiores a 700 M N / m ( = 7 0

2

Kg/mm ) , mientras q u e aceros con valores inferiores no mues-

tran apenas fraqilización ("Hydroqen i n metalsw, 1974;

-

"Effect of hydroqen on behaviour o f mater-ialc", 1976; Ttiomp-

son, 1978). Este comportamiento es cierto e n tliimeroros cacos

pero n o siempre, siendo a veces creciente la I I aqil izaciórl

-

d e aceros c o n valores decrecientes en tensión d e t-ot.u~-a ( H o h

-

son, 1951). En la figura 11.5. se puede observar el conipot La

-

miento variable d e iin acero deternlinado (3,3 % L r ; 0 , 4 % M o ;

0,26 % C:, en función d e su tensión d e rotura, qiie vac-ia por los cambios sstablecidos en su rnicroestruct;u~.a medi.ai1i:e ti.-a-

Corno y a qiieda cr i. t.ac.10 ;1n l o r i s ~ r m c i i t e \ i..._iI- 1 J '1 1.

.

1

,

-.

h a y v a r i a b l e s e x t e r n a s q u e t a m b i é n a f e c t a r 1 en ( 2 1 c o n \ p o r \ . ¿ ~

-

m i e n t o de los acero:; f r e n t e a l h . i d c - i q e r i a ( G r i . ] ) ~ , 1 9 7 4 ; b n i , i t ?

-

lle, 1 9 7 4

-

h ) . E l efecto de l a t:ernp~tst,i.ii~-a

--

c:i ~ ~ ; i t - t i c u l i ~ i ~ . r n e r i

_-

te impor- t a n te pues corno s e pl-le(-ie d e d ~ i ~ i L e de i r l :in5 l. i q a c i ~,iic-~:;-

en laborafor io s o b r e di f c-[-entes ac:crbos ( Ft- i r k

,

l:lr?i ; F ' i d ~ 1 1 e,

1 9 7 2 ) l a Fraqi 1 i . z a c i 6 n d e 6st:os e5 inayoi- en I J ;;,fJna de tc-?riipe

_-

r a t u r a s p r ó x i m a s a la t e m p e r a t u r a n m b i e r i t : ~ . En la f i q u r i i

11.6. se puede a p r e c i a r e s t e cornportarni.ent o r i r i f o r m a escliit? -

m á t i c a p a r a un acer-o ferritico.

F I G U R A R . 5

F I G U R A R . 6

RELACION FRAGILIZACION

-

TEMPERATURA EN UN ACERO

L a v e l o c i d a d d e d e f o r m a c i 6 r i q u e se s o m e t e a l iriate-

r i a l influye t a m b i é n d e f o r m a q u e p a r a v a l o r e s b a j o s ( 1 ~ 1 - ~ , -

S-l) la f r a g i l i z a c i ó n es rnayor- (Hofrneri, 1965; Vi-nr1r.l t . ,

-

1969). Este compor-tamierito se c o r i s i d e r a como 1.iiia n . a n i . t e s t 6

-

ción d e l a i n f l u e r i c i a del t icmpo a q u e l a s riucvas s i i p e r f ic i -

es c r e a d a s e n e 1 rriat.eria1 en s u l - i ~ f ~ r niari15ri r ~ ~ . ~ e i - i a n I ~ ~ ( ~ I . I ~ ? ~ L ' ~ : - : I S

a la a c c i ó n d e l h i . d r h q e n o .

L a p u r e z a d e l hidróqeric, e s f undamc+n t C I ! eii : i.1 el'ec-

t o d e fraoil i z a c i ó n s o b r e e l a c e r o y a que ~ ; e q i i t ' f i ~ s \:i o p o r c ici

nes de otros g a s e s p i ~ e d e n i n h i b i 1- cornpletanieri t:e? su +lec t:a.

-

si e l o x í q e n o es un i n h i b i d o [ - d e gr-311 ef i c i ~ c i c i d e b i c f o t i i i i

-

frente a l a del hidrógeno ( t l a n c o c k , 1 9 6 G ; V e r i i i e t t

,

151t19;

-

Frick, 1971;'~iinmons, 19'78). Esi:c? efc?cto es i'i.iticií)n d e 1i.i

-

presión absoluta de oxicjeno que se t..ciiya por l o qiit? CI PI:C!C i ~ ' -.

nes mayores de hidrbqeno pequehas ~?t-cnpor~ci.oi-i;. : de cixí-gciio s c

-

r6n suficientes para inhibir la Fragilización, 1 l l p m de O

-

2

disminuye la accibn del hir-lróqeno a 100 at-.; rilienl:t.a.s q i l e ,:i-

b a j a s presiones hará f a 1 ta mayor concen t : r a c i ( ~ n de o x i g e i i o

-

para que éste actúe, 2 5 0 p p m a 1 a t . La f igur~7 I T . 7 . rniit?sl-i-a

este comportamiento, determinando la v a r iacióri de l a retluc

-

c i ó n de área de un a c e r o ( C K 2 2 1\11 en un ambientl.: d e h i r i i - b

-

geno con oxígeno en proporción v a l - i . a b l e a unii presjón d e 100

atmósferas.

F I G U R A II - 7

El posible efecto inhibicior del vci1:ílr- dp a q l ~ a no -

queda demostrado en [:ocios 1 ~ s t r - c i t ~ jos pi.ibl ic:;i~tlos stilit-e c l

-

tema, pudihndose encont:rar resiil 1:adns cl.1. 1 r a c i i c l. ot:.ií)t; CI l ;:?(.l

-

pecto ( S p i t-zig, 1968; Ii'r i c k

,

19'71 1

.

A s í r1ii.s1111:,, s e tia C I J ~ T I ~ I 13-

b a d a que pequcfñas ad l c i c n e s d e d ióx ido de azii l r e ( S U 2 ) , rno

-

nóxido de carbono (CO) y hisu1:uro de carbono ( C S 2 ) ! j c ~ ~ e n

-

un efecto de inhibición muy acus~do, sjendo menot- en el CCI;;O

del dióxido de carbono (CG2! iLIii, 1973). Por otro l c l t i o l n

-

adicion d e gases inertes, hélio Ó nilróqeno, rio a l t c r , i la

-

fragilización (Jewett:, 1 9 7 3 ; Liu, 1 9 7 3 ) .

Otro f a c t o r fundamental en la ft-agiltzacióri e:; l a -

presión del hidróqeno, pues si bien se ha comprobado q u i : el-

acero se ft-agiliza incluso a b ~ j a s prisiones, su cjrado d e

-

fragilizacijn es pr'oporci.oria1 a l a raiz cuadi-ada d c la [,re

-

sibn a temper-atiiris pr-Óxi.mas a la temperat lira ambieri1.e ( l ' i

-

delle, 3967; Walter y Charidler, 13'71; Walttlr-, 1971; Jewcitt..,-

1 9 7 3 ) .

Esto hace que el estudio d e l matei:.ial se t-cal ice

-

en determinadas oca:;iones en amhien tes d e h icli-tigeno LI e 1 e v ~ l -

d a s presiones en cámaras de ensayo especiale:;, cuya i.~?c-iio'lo-

q i a ha sido desrr.ollada por difet,entes nutot.c:: (Waltcr' y

-

t

: 2 1

i

1

1.

t..

1

2.2. Comportamient-o d e las l u t b c r i s s de a c e r o en &

-

~>rc~;enciii < i i l i i

-

El conocimiento del comportamiento de los a c e i - o s

-

en

presencia de hidrógeno, cintetizacrlo en l o s párr aCos pt.c

-

ceden tes de es te apar Lado, c:ons t i t iiye la basr, ~.:n qiic debe

-

a p o y a r s e el diseno d e los sistemas de t.rarisl,or i:e dc dicho

-

combustible

(Longinow, 1975; Thompsot~, 1977; 1(ohi:l~o11, 1978 1.

AS^ mismo debe tenerse en cuenta l a experiienc:ia que crfr.eccr~-

los sistemas ya en funcionamiento.

E I problema de Fragilización no sólo ha d e corir;ide

_-

rarse en la línea de transporte, tubería, sino también en

-

los equipos necesarios p a r a la res l izacióri del rnisriio: bombas,

válvulas, compresores. Particularizando a las tuberías, hay-

que tener como consideración g e n e t - a l que estAri constituit.las-

por aceros de baja o media resistencia, fundamentalrnentc por

razones de costo. Sus condiciones d e funcionamiento depcride-

rán d e las necesidades del sistema. El hidróc;lc?no, cori uii cd-

lor de combustión 0,32 veces el d e l metano, I-etluiere al t-;is

-

presiones para conseguir un poder energético e q u , , v a l e n t e al-

d e otros combustibles en buenas coridiciones ecori6micac, sieii

-

do aconsejable presiones mayores d e 14 MPa ( 1 4 0 a t . 1 ( G i e q a -

ry,

1372; I<unopka, 1974; Leeth, 1 9 7 7 ! , 1 0 qii~ iinldci FI I - 1 s

-

necesidades d e transporte a í j ~ - ; j n d e s di S t a n c i a s reí11.1 i.et.c? de

-

potentes estaciones de bombeo cc>n gr-an aporte de c ~ i l o t - . Kii

-

! fluencia de la temperatura a p s s a i - de q u e e l f u n c j l - , n ; t r r i i ~ r , ( o - -

normal sea a temperatura ambiente (Reynolds, 1 3 7 5 ) .

#

Rajo tales condiciones se plan teari p t - o b l c r n s s p;ilaii-

i e l uso con hidrbgeno a presiones adecuadas de s i s t e m a s iJs

-

transporte utilizados previamente con otros combiictibles y

-

que pueden estar direhados para presiones de trabajo infe

-

rior. Hay que distinguir por tanto, los sistemas p a r a ser di.

sefiados y construidos de los ya existentes, iisiidos con com

-

bustibles que puedan ser enriquecjdos o sustituldos por hi

-

drógeno.

La experiencia en sistemas de transporte de hiclró-

geno se reduce a ocho líneas, como puede apreciarse en la

-

tabla 11.3. donde se especifican las condiciones de las mis-

mas que son conocidas (Glover, 1974; Swisher, 1 9 7 6 ) . La m6s-

antigua es la d e l Rhur, l a c u a l se c i t a como ejemplo de é x i -

to en el transporte d e hidrógeno, si bien h a y que coiisicic:i.ar

su baja presibn de trabajo, siendo la que utiliza el acero

-

d e menor resistencia. Entre las que trabajan a bajas presio- nes, menores de 70 at., con pequeños diámetros d e t u b e t , i a ,

-

lo que conlleva un estado tensional bajo, destaca la de A i r -

Products (Texas) utilizada previainente para transportar q a s - -

na tili-o1

.

El ejemplo del posible ci;iño que piii.íIe?

e

jet-c,:t.r. cl .-

L a s 1 i n c a s d e l a N A S A y R o c k c t . d y n c : D i v ic; i o n rrii.ic?s t r . i i r i ~ L I V -;*1 .-

u s o d e a c e r o s i n o x i d a t . ~ l e c cs convcii., i cri t e eii l í iit:;tc L I ~ I ii 1 1 :i

-

p r e s i ó n (Gr 3 y , 19'75

,

pud i é n d o c c cons idel-;ir. 1 Ú 1 L iriio c:í>rii(:!

-

l a 1 i n e s d e d i seno m j s d v a n z c q d o ~>.ir.-a c v i tnr- l o ? ; ~>r-ol)leniíii; íIt

f r a q i l i x a r i . r j n , a u n q u e l a s o i i i c i 8 r i q i l e ofi-c'ce iio e s v J l i c l ; ~

-

pues el coste d e l r n a t e r i a l con quci f i i b c o r ~ s t i l i i . i l ; ~ e:; c i n c o

-

veces s u p e r i o r a l d e ur) m? t e r i a l d e t-uber- i a c o i i v c > n c ioiiii 1

( T h o m p s o n , 1 9 7 7 ) .

L a n i a y o r - l a d e l o s s i s l . e r i i a s , sean dc=r. iiiiev;l r o n : : t i i i i

_-

c i ó n o u s a d o s p a r a o t r o s c o m b u s t i b l . e s , hari d c b a s a r c c t . 1 1 ;ii:l.

-

ros c o n v e n c i o n a l e s d e t i p o f e r - r i t i.co o r n i i t - t - e r i s f . t i c o c i i y c ~ ccsin

_-

p o r t a m i e n t o v i e n e i n s r c a d o pot- sii c o m p o s i c i b r i y rnict-ocs t 1 . 1 1 ~

-

t u r a ( B e r n s t e i n y 'i'horripson, 1976

-

b ) . La rnaycit-ia c l e t r . 1 1 0 5

-

p r e s e n t a n u n a e s t r u c t u r a n o r r n a l i z a d a y rniiy f t - c c u e r i lcrncrii t.

-

f o r m a n d o b a n d a s como resul t a d o d e f a 1 t a d e tinriiocjenc iclitd en

-

l a s o l i d i f i c a c i ó r ? ; e s t a s b a n d a s cjcriet-a l n i e n t e c o n 1- leas C ~ I I

-

m a n g a n e s o p o r l o q u e eri e l l a s se f o r m a n f i s u r n s e n Lo:: I P I I ~ J -

m e n o s d e f r a q i 1 L z a c i Ó n ( L a w s , 1979 1 . si pile.;;, e s t o s ,icrlr.c!:;- s o n s e n s i b l e s a l e f e c t o d e l h i d r b q c n o y s i iio l o s u 1 1 111~5.; i3:;-

p o r q u e s u n e c e s i d a d de ser s o l d a l ~ l r s 1 i r n i t a :iii cori t l?n i i . l i i ~ r i -

c a r b o n o y e n m o i n q a r i e s o , s u s t i t u y & r i d o l o s s i .:.: p~-clt?iiclc: iii;iyc71.

r e s i s t e n c i a , p o r e l e r n c n t o s como e l v a i i a d i o o ( 1 1 L i t ~ ~ i ~ i c > , II~O:;

-

t r á n d o s e é s t e u 1 timo e f i c a z para J i s m i n u i t i . 1 f r a g i 1 i ; . : c i ~ . i ; l i i -

a u m e n t o s a p r e c i a b l e s d e l e f e c Lo d ~ t 1 h i ~ii-c';gi!iit> ( 'I'lioiiil>:;~,n y

-

B e r n s t e i n , 1 9 7 6 ) . A s í inisrno se h a a r i n l i z a d o 1 ; i Lnt 11.icricia

-

d e l s i 1 i c i o eri e s t e t i p o d e ~ ~ C : C I . O U , s i e n d o riiiiy t ~ c n c f i c l o:;.:,

-

p u e s r e t a r d a c o n s i d c r a b l e m e n t e 15 f ' r a g i . 1 i zacj 0 n sir'nipre cl:ir:-

se e n c u e r i t r a e n c a r i t i d o d e s s u p e r i o r - e s - 1 1 1 'X. ( C i i t - t c t - , JCi(j9 1.

Como e j e m p l o d e e s t o s a c e r o s e n l a t a b l a 11.4. :iC-

e s p e c i f i c a n las c a r a c t e r í s t S c a s d e a l g u n o s d e e l l o s d e Gcucr

-

d o con l a s n o r m a s A P I (Amet-ican P e t r o l e i l m I r i . l . l u l r c ) p~1t.a

-

a c e r o s d e t u b e r í a d e a l t a r e s i s t e n c i a .

L o s a c e r o s i n o x i d a b l e s a u s t c n í t i c o s e m p l e a d o s c i i

-

l o s s i s t e m s s d e t r a n s p o r t e d e h i c i r b g e n o a p r e s i o n e s e l e v a c l a s

p r e s e n t a n una m i c r o e s t r u c t u r a y u n a r e s i s t e n c i a muy s i r n i l a

-

res p o r l o q u e l a i n f i u e n c i n e n s u c o r n p o s i c i 6 n en el con1pot.- t a m i e n t o f r e n t e a l h i d r b q e n u es muy i m p o r t a n t e .

L o s e l e m e n t o s p r i m a r i o s e n e l l a s o n e l c r o m o y e l -

n í q u e l , p u d i é n d o s e e s t a b l e c e r una t - e l a c j Ó n e n t r e l a frac1 1 1 i

-

z a c i ó n d e e s t o s a c e r o s y s u composición c o n j ~ i i i t a eri C I -

-

N ¡ -

(Thompson y B e r n s t e l n , 1 9 7 8 ) . A s í p a r a v a l o r e s d e 18 %', crl C l

l a f r a g i 1 i z a c i ó n a l c a n z a u n ináxirno, si.encio eri caint.)lo poiSr>

-

a p r e c i a b l e p a r a c o m p o s l c i o r i e s ni6s r i c a s e n clonio y corl iii

-

q u e 1 e n t r e e l 1 3 % y e l 2 0 76, o p a r a c o n ~ p o s i c l o n e s c o n nicno:.

cromo ( 1 7 a l 1 5 % ) y n i q i i e l v a ~ . i a r i d o ent1.e e l 1 2 X y c l 2 5 Y .

Este c o m p o r t a r n i e r i t o q u e g e n e r a l i n e n t e se cunipl c , eiiipcc)~-;i c:ciii-

T A B L A P . 4

CARACTERISTICAS DE ACEROS DE TUBERIA DE ALTA RESISTENCIA

GRADO

X 42

X 4 6

x 52

X 56

x f:3

COMPOSICION OUlMlCA CK)

.

C

L 0.28

S 428

6 0.28

426

c 0.26

x 6 5 0.26

j

&DO4

d 0.04

PROPIEDADES MECANICAS

m dostic0 O 2 .h (qj)

329.5 lCg/mmf

5 3 2 3 ñg/mm2

5366 ~ g / m n ?

S392 ~ g / i n n ?

z422 ug/mmt

$45.7

~ ~ / ~ m t

'49.2 Kg/m& Mn

6 L25

6 1.25

6 1.25

6 L35

1-55

á 0.05

Ti-ion áo rohim (VU)

1

'42.2 ICg/mm2

'44.3 ~ g / m m '

1 4 6 4 ~ g h m ~

2 49.9 K g / r n d

k 52.7 ~g /m m2

k 54.1 Kg/mmz

5 5 2 6 K w m d

O

nro.03 va.aO2

P

6 0.04

6 0.04

SOM .

6 0.04

r

0.04

S

6 0.05

i 0.05

6 0.05

10.05

6

40s

Otrm

v 'L.0.02 ~120.03

v*.0.02

K

L.

&

g

.t

f

,$ 2

._$ i

Ld

w _a-

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3

8%: ,.7- ;p. $ $ 51 @ '. $ _..

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1 ;.

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1

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..

A

1

g- 2: t 'S-

se p o r d e b a j o d e l 0 , I O "R: ( O d e q a l - d , 197G). E n c u a n t . o a l r-i!sko

d e c o m p o i i e n t e s , e l c a r b o n o n o debe p a s a r clel O , 1 :Y,, ril iri.in

-

q a n e s o n o es tenef l c i o s o a n t e e l t i i r l r 6 g e i i o por e n c i m a dc.1

-

1 %, el s j l i c i o d i s m i n u y e l a f r a c ~ i 1 i z a c : i Ó n pai-ri v a l o r e : ; p i : -

ericinia d e l 4 30 y l o m i s m o real i x s e l t i t i i r l j o pot- ~ n c i r r i ~ i c l r l -

2 %. Mejor-as a este c o m p o r t a m l e n l . o se c o n s i g i i e n ;AS! rnirjriiu

-

m e d i a n t e t r a t a m i e n t o s e s p e c i a l e s ('I'homp5011, 1'1741, o e r i v e j e -

c i m i e n t o ( T h o m p s o n , 1 9 7 4

-

i ) ; Tliompson y I ! r o o k s , 1 9 7 5 ; 'I'hornp

s o n , 19'76). La t a b l a 11.5. m u e s t r a l a c o m p o s i c i ó n y cornpot-La

-

miento e n p t m t ~ l e m ; : ~ d e f r a q i 1 i z a c i i n d e los acet-OS d e er;tft

-

tipo.

M a t e r i a l e s que o f r e z c a n u n c o r n p o r t a i n i e r i t o r i i c j o r

-

f r e n t e a l a f r a g i l l z a c i ó n como s o n l a s a l e a c i ( ; n e s con t - i t a

-

n i o , níquel o a l u m i n i o , son d e m a s i a d o c o z c o s o s p a r a s u uso

-

e n s i s t e m a s d e t r a n s p o r t e , a u n q u e p u e d e n j u q a r u n p a p c l i m

-

p o r t a n t e e n d e t e r m i n a d a s a p l i c a c i o n e s muy especificas, (TI elc

-

m e n t o s a i s l a d o s d e n t r o d e u n s i s t e r n a g l o b a l ba,c,acIo cii ol:t-u:;-

m a t e r i a l e s ( N e l s o n , 1 9 7 2 ; B l a c k b o r n , 1 9 7 3 ; P d l o n . 1 3 7 4 ;

-

S m i t h , 1974; T h o m p s o n , 1374

-

b; 'rtiornpson y B c r n s t e i n , l 9 7 ! ~ ) .

O t r o f a c t o r a t e n e r e n c u e n t a e n l o s sisteiiic::; de

-

t r a n s m i s i ó n d e h i d r ó q e n o m e d l . a n t e t u b e r í a s es l a e x i.stt:iir: i a ,

~ o n o r i l ~ i r ? t o , do s n ! d a d i . i r a s . Esto requiere uri e s t u d i o . i n d e -

pendiente del c o r r e s p o n d i e n t e al i n a t e r i a l b a s e , d e 1 a i i i f - l i.1-

e n c i a d e l h j . d r ó g e n o s o b r e e l rntitet-ial d e s o 1 d a d u r . a . Pe1.o aclts

-

d i i r a d u r a n t e e l e n f r - i a m i e n t o tle 1 a mi:;rna sc: r.iii~?de (31. i g j II,..II

-

u n cambio en s u microes t . i . u c t : i ~ i x c ? i i z o n a s I.oc:.-1 1 i : 4 . q d e i : ~ fi:li.rnc;ri

-

d o s e mar- t e n s i t c i y pot- t a n t o c o n s i . i ~ u y t . ~ i ~ : l « c i i . c l - ~ . \ s z c r i a s I - ) I I I I

-

t o s d e m a y o r f r a g i 1 izacibn y gr-:ir1 i l u r e z a c o r i u c ilii~:; en 1(.1 1,;-

t e r a t u r a ~ é c n i c a p o r tttl~3t-d spol:..;" ( t l u d q i n q s , 1 9 6 9 ) . [-;:;toa;

-

p u n t o s t a m b i é n p u e d e n e n c o n t l - a t - s e eri c u a l q u j cr- piiri t:o clc 1 ;.I

-

t u o e r l a pues s u f o r r n a c i 6 n t a r n h i & r i se p u ~ c l e p r . r i d ? i c i r Cri 1+1

-

p r o c e s o d e l a m i n a c i ó n por uri t c i n p l a d o loca 1 i ~ ~ i l . 1 0 cle 1.a zc,rirj-

( F e s s l e r , 1 9 7 9 ) . E s t o s p u n t o s , i . n d e p e n d i e n t e i n c r i t . c d e si.\ (.,I- i

-

gen, s o n z o n a s d é b i l e s d e l rna:.erial e n p r e s e n c i a cfe h i i : i r t ~ q ~ - -

n o , y p o r t a n t o z o n a s con m a y o r p r y o b s b i 1 i d h d de i n i c j ~ ~ c i - ó r i -

d e f i s u r a s , d e b i e n d o r e a l i z a r s e iin e s k u d i o sobre L 1s p o - - i -

b i l i d a d e s d e f o r m a c i ó n q i i ~ t i e n e n e n e l m a t e r i a l tm:;!: y 511 -

i n f l u e n c i a e n e l c o m p o r t a m i e n t o dc? 1 a t u b e r - l a ( G i - o e n e v c a l d ,

-

1 9 7 4 ; G r o e n e v e l d , 1 9 7 9 ) .

L o s c r i t e r i o s d e c o m p o r t a n 1 i e n t . o cl J c i c o n o ~ t ' t - ~ - ~ : ~ r i g a r a n t f a , n i e n d i s e i i o , n i eri i n s p t ' c c i ó r i , a l o s sj.stenili:; ilc-

t r a n s p o r t - e de h i d r ó g e n o d e b i d o a 1 o s f e n b n i e r i o s d e f r c i q i 1 i::,ii-

c i ó n . A l i g u a l q u e o c u r - r e c u a n d o se t r a t a n e s l - t , u c L u r a c cori

-

p r o b l e m a s d e f a t i q a , hciy q u e c o n t a r c o n l a s !-eor.ia:i dc Plccá-

n i c a d e F r a c t u r a , p a r t - i e r i d o d e l a d e t e r n i i n a c i ó i ~ p r r : v i a r 1 ~l a

t e n a c i d a d a f r a c t u r a ( K I c ) d e l n i a t e r - i a l . D e e s t a F O L - n i 3 iiic -

d i a n t e p r u e b a s d e c a r g a ;i p i . e s i o n c s s u p e r : i o r i ~ s a l a s ~ 1 t : i1.11i-

c i o n a m i e n t o ( n o r m a 1 m e n t ; e l , 5 v e c e s ) o b t e n e m o s uri v t t l u i . i l t i !

-

f i s u r a r n á x l m a e x i s t c r i t e e n el. n i a t c r i a l ( a 7 ) , rli.ie no-. ~ l ~ > i . . i . ~ i -

-

mina por comi)aracj.6ri con la f j . s u r a r j f : t-~t~.ira a 13 pi.esjón d e

trabajo ( a l ) , el margen d e s e q u r i d , - , j ( a

-

1 a 2 ) de q u e cti.spr>

-

nemos, el cual s e puede relacionar con t iemy:,o hasta i.ot~ii.:i r7

través d e la velocidad de propagacjr~~ti ( l e fisura ( ' r i . F f a n ) ' ,

-

1970). Basándose e n el comportamiento de! material c o n u n a -

fisura se puede así mismo d e t e r m i n a r un 2cpeF:or d e t u b e r í ~

-

q u e al ser inferior a la fisura d e r-otul-a b a i o la presión d e

trabajo va a determinar el tope d e crecimiento estable d e f

_-

i

sura, lleqándose al agotamiento d e la estructlir-a sin rotut-s-

violenta, por producción d e fugas del cont.eiiido a través de-

la fisura pasante ocasionada.

Este método proporciona una fcrma d e diseño conoii

_-

d a por "leak before b r e a k " ("fuqa antes q u e 1-otut-a"). Err las

figuras 11.8. y II.9., se muestran los rnáryenes d e seguridad

qUe ofrecen las pruebas d e carga realizadas en tiiber- las dise

_-

fiadas, teniendo en cuenta la Mecánica d e Fractiira' ['iar-a una-

rotura brusca o para "fuga antes d e rotura" respest.ivariiinte.

P o r Último, iinal izar-emos brevemente, d e hcuet-do

-

c o n lo desarrollado en el presente capitulo, las c - r r a c t e r i s -

ticas d e las tuberías dispcnibles p a r a la elaboracibn d e la-

presente tesis, consistentes en una muestra d e tubos d e ace-

HOTURA DEFINIDA POR K1,

7

\

wR-. s m u R I , ~ t a an.nvi:.m

POR LA PRUCR.1 DE CARGA

FIGURA Zi. 8

PRUEBA fiE CARGA EN ESTRUCTURA, CON

POSIBILIDAD DE ROTURA BRUSCA.

ROTURA DEFINIDA POR KI,

I

\

MAR'EN DE SEWRIDAD E A R A I T I Z A D O

POR LA PRULBrI DE CARO4

F I G U R A 15 . 9

PRUEBA DE CARGA EN ESTRUCTURA CON

En la fotograf i a d e la figura 11.10. SE: pur::.:le olj

-

servar la partida completo d e tubos en el moiiit?nto dc s1.1 rc -

cepción.

El material d e q u e están constituicioc los t:ul:~i>s,

-

es d e calidad St

-

35 de acuerdo c o n la normatliva DTN, c.le

-

t a l forma que las c a r a c t e r i ~ , t l . c a c , q a r a r i t i z a d a c son las q u e

-

muestra la tabla 11.6.

Los tubos tienen un d l á m e t r o exterior nominal de

-

159 mm., y un espesor medio d e 5.6 mm., presentándose en lon

_-

qitudes d e aproximadamente 6 metros.

En el ceftificado d e control aportado p o r l a a c e r e

_-

ría se da la composición química d e la colada, que se r e p r o -

d u c e e n la tabla T I . 7 . , y que cumple la normativa correspon-

diente.

Teniendo e n cuenta el e . ~ t u d i o realizado e n el iil;ar

_-

tado anterior, este acero presenta una composición química

-

c u y o cont.enido e n carbono e s inferior a los limites ofr-eci

-

d o s e n los aceros d e sus características, y cuyo t:oiiteriido

-

e n manganeso e s bajo con lo q u e ambos datos oFrecen bueiias

-

perspectivas para su compatlbil ida3 c o n hidróqeno. I.,ns o l . i . i ~ s

componentes ex isteiites n o oí t - e c c n r e l e v ~ n e i ~ ; G ! rzsp2.c: r;, e::

virtud d e su pequeña participación e n el conlicnido.

Su nivel d e resist-encia, tensión ultima d c r o l - u r a -

2 2

F I G U R A 1 1 . 1 0

Detalle d e l a p a r t : i d s d e t u t m s en s u 1 - c c e p c i c n

TABLA P . 6

CARACTERISTICAS SEGUN NORMA DEL ACERO St. 35

I 1 I m r i

COMPOSICION

QUlMlCA -. -

T A B L A I 1 . 7 PROPIEDADES LIMITE ELASTICO 0.2 %

m,)

t

MECANICAS

3 24 Kg /mm2

TENSION DE ROTURA (OU)

.---.--. -.---.--m--

35 a 45 Kg/mmr

{

COMPOSICION QUlMlCA DE LA COLADA DE LA MUESTRA DE TUBOS

Cr(%)

0 . 2 9 C (./O)

0.10

Ni

M n ( O / o )

0.48

SL(@/o)

0.18

P (O/O)

0.014

1

S (%)