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.

"Soporte Tcnico y Tecnolgico Durante las Fases de"Soporte Tcnico y Tecnolgico Durante las Fases deIngeniera, Procura, Construccin y Puesta en OperacinIngeniera, Procura, Construccin y Puesta en Operacin

del Nuevo Centro de Proceso de Hidrocarburos deldel Nuevo Centro de Proceso de Hidrocarburos del

Activo Integral Litoral de Tabasco, Primera Etapa".Activo Integral Litoral de Tabasco, Primera Etapa".

SUBDIRECCIN DE LA REGIN MARINA SUROESTEACTIVO INTEGRAL LITORAL DE TABASCO

JUNIO 2011

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Consideraciones para la seleccin deConsideraciones para la seleccin dematerial de acero al carbono de ba a aleacinmaterial de acero al carbono de ba a aleacin

en tuberas bajo servicio amargoen tuberas bajo servicio amargo

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Preseleccin de material en servicio

.

Revisin de la nueva NACE MR0175/ISO 15156 para la seleccin de aceroal carbono de ba a aleacin en tuberas de servicio amar o.

Calculo de presin parcial, determinacin de la regin de actuacin y preseleccin

de material para concentraciones de H2S y CO2 por arriba del contenido normal en

la sonda de Campeche.

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ContenidoContenido

ResumenResumen.. IntroduccinIntroduccin..

MarcoMarco normativonormativo

MetodologaMetodologa DesarrolloDesarrollo..

ConclusionesConclusiones..

.. AnexosAnexos..

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ResumenResumen

Este documento tiene como finalidad resentar al ersonal del Activo Inte ralLitoral de Tabasco (AILT) responsable de la definicin de las condicionesmximas de operacin para las obras de nueva infraestructura, los efectosque tiene la concentracin de H2S y CO2 en la seleccin de materiales deacero a car ono e a a a eac n com nmen e u za os en os uc os etransporte que cumplen con la norma de referencia NRF001PEMEX2007 yla norma NACE/ISO. As tambin se presentan recomendaciones de diferentesfabricantes para la seleccin de materiales con los contenidos de H S y COproporcionados por el AILT.

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..

Actualmente el AILT desarrolla la ingeniera e infraestructura para laexplotacin del Proyecto Integral Crudo Ligero Marino que comprendecampos como Ayin, Tsimin, Xux, Alux y OUK, entre otros.

En la informacin que proporciona con respecto a la composicin del fluido,

niveles de contenido de H2S y CO2.

La alta concentracin de estos componentes produce un mecanismo decorrosin que es conocido como SSC (Sulfide Stress Crackingfractura poresfuerzos debida a sulfhdrico). Este afecta al material y lo hace fallar pormedio de una combinacin de corrosin y esfuerzos de tensin (residuales o

2 .fractura por esfuerzos debido al hidrgeno.

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Por lo anterior, a solicitud del AILT se revisa la normatividad vigente queregula la fabricacin de tuberas de produccin y transporte que son la normade referencia de Pemex NRF001PEMEX2007 y la norma internacional

Standardization Organization)

MarcoMarco normativonormativo

Actualmente, Pemex cuenta con la norma de referencia NRF001PEMEX2007

Tubera de acero para recoleccin y transporte de hidrocarburos quees a ece os requ s os e a r cac n, nspecc n y prue as e u er a eacero micro aleado para la recoleccin y transporte de hidrocarburos amargos

y no amargos.

En el apartado referente a hidrocarburos amargos, la NRF001PEMEX2007solicita se adopten los requisitos establecidos en ISO 31833, con las adicionesy modificaciones que se indican en dos apartados de esta misma norma dere erenc a.

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En la versin ANSI/API Spec 5L/ISO 31832007 ya no existen secciones (1,2 3). En el anexo normativo H (PSL 2 pipe ordered for sour service) de estaversin se especifican los requisitos que debe cumplir la tubera para servicioamargo. su vez, e anexo nos rem e a a norma

15156.

,materiales a usarse en operaciones de servicio amargo para petrleo y gasdesde 1975. En la actualidad este documento ha sido adoptado por ISO bajo

la especificacin dual compartida de NACE MR0175/ISO 15156 (NACE/ISO).Esta espec cac n esta ece cr ter os para a se ecc n e mater a es a operar

en ambientes amargos de tubera de produccin, transporte y componentes.

,versin actualizada NACE MR 0175/ISO 15156 Segunda edicin 20091015.

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Debido a que tanto el H2S como el CO2 influyen en la severidad del ambienteinterno de la tubera de conduccin, la metodologa de la nueva NACE/ISO ensu ltima revisin est basada en la concentracin de H2S, CO2 y sus

correspondientes presiones parciales.

,para aceros al carbono y de baja aleacin (las regiones son: 0, 1, 2, y 3).

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Estas regiones de severidad se determinan por medio de la presin parcial deH2S y el nivel de pH, la cual va de menor en la regin 0 hasta la ms severa enla regin 3.

Cada regin tiene una aplicacin especfica como sigue:

Servicio no amar o. H S < 0.3 kPa 0.05 si .

Regin 0 seleccin de material para servicio no amargo.

Servicio amargo. pH2S > 0.3 kPa (0.05 psi).

Regin 1 seleccionarse materiales usando las clusula A.2, A.3 o A.4.

Regin 2 seleccionarse materiales usando las clusula A.2 o A.3.

Regin 3 seleccionarse materiales usando la clusula A.2.

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Para determinar la regin de actuacin de acuerdo a NACE/ISOprimeramente se calculan los siguientes valores:

Presin parcial de H2S: La presin parcial de H2S en la tubera se calcula

utilizando la formula.

= * .

Presin parcial de CO2: La presin parcial de CO2 en la tubera se calcula

utilizando la formula.

pH2S = p * xCO2 / 100.

Y la sumatoria de resiones arciales.

pH2S + pH2S

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H del roducto: el valor se debe obtener in situ, en caso contrario sepuede aproximar utilizando las grficas D.1 a la D.5 de NACE/ISO,partiendo de la suma de las presiones parciales de H2S y CO2.

Figura D.1 pH de agua condensada bajo presin de CO2 and H2S.

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Con los valores calculados de presin parcial de H2S y pH se determina la

regin de actuacin en la Figura 1.

Figura 1 Regiones de severidad con respecto al medioambiente de SSC para

acero al carbono y aceros de bajaaleacin.

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Clculos de presin parcial de H2S, CO2, ph y la regin donde actuar elmaterial de acuerdo a la NACE/ISO.

Datos:Servicio, Gas amargo

Presin de operacin de 90 kg/cm2 manComposicional de 7% Mol de H2S y

Composicional de 7% Mol de CO2.

% mol de H2S en face gaseosa: = 7.000 % = 0.0700 (%mol/100)

% mol de agua: = 0.800 % = 0.0080 (%mol/100)

CALCULO DE LA PRESIN PARCIAL DE H2S

Presin atmosfrica: = 1.033 kg/cm = 14.696 lb/inPresin de operacin: = 90.00 kg/cm = 1,280.10 lb/in

Presin total: = 91.03 kg/cm = 1,294.80 lb/in

= =

Presin parcial: = 6.372 kg/cm = 90.636 lb/in

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% mol de CO2 en face gaseosa: = 7.000 % = 0.0700 (%mol/100)

% mol de agua: = 0.800 % = 0.0080 (%mol/100)

CALCULO DE LA PRESIN PARCIAL DE CO2

Presin atmosfrica: = 1.033 kg/cm = 14.696 lb/in

Presin de operacin: = 90.00 kg/cm = 1,280.10 lb/inPresin total: = 91.03 kg/cm = 1,294.80 lb/in

. .

Presin parcial: = 6.372 kg/cm = 90.636 lb/in

pH2S+pCO2 = 12.745 kg/cm = 1,249.823 kPa

SUMADEPRESIONESPARCIALES pH2S+pCO2

2= . g cm = . a

pCO2 =6.372 kg/cm = 624.912 kPa

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. , p p 2 p 2 = , .kPa a una temperatura de 100C.

Key1 T = 20 C2 T = 100 C

FigureD.1 pHdeaguacondensadabajopresindeCO2 andH2S

Obteniendo en esta grafica un pH de 3.5 para las condiciones de operacin de

este ejercicio.

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.una presin parcial de pH2S de 624.912 kPa abs (90.63 psia) en la grficasiguiente.

.

Figura 1 Regiones de severidad con respecto al medioambiente de SSC para acero al carbono y

aceros e a aa eac n.

La regin de severidad determinada por medio de la presin parcial de H2S yel nivel de pH en la figura 1., es la regin 3, la cual es la ms severa de las

cuatro regiones.

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..

De acuerdo a NACE MR0175/ISO 151562, para la Regin 3 puedenseleccionarse materiales usando la clusula A.2 del anexo A; que sonaceros al carbono de baja aleacin, los cuales deben cumplir con los

requerimientos, tratamientos y pruebas para servicio amargo indicadosen esta misma norma. Sin embargo esta clausula A.2, tambin

Cuando se presente ausencia de una opcin conveniente para la

seleccin de materiales, se podrn probar y calificar en laboratoriosaceros al carbono y de baja aleacin para usarse en condicionesespecficas de una regin de servicio amargo SSC o tambin se podrusar como base la experiencia de campo documentada.

Para este caso particular se incurre en ausencia de una opcinconveniente en la seleccin del material, debido que hasta hoy Pemexno tiene la experiencia de pruebas de laboratorios y manejos decampos.

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Las pruebas de laboratorio en material para tubera se han realizadopara una composicin de 4% Mol H2S y 4% Mol CO2.

Y la experiencia de campo en el manejo de fluidos en ductos detransporte se tienen de composicionales mximos de 4% Mol H2S y 2.5%Mol CO2.

Esto implicara que al no contar Pemex con experiencia comprobada enel manejo de fluidos con concentraciones de 7% Mol H

2S y 7% Mol CO

2,

se re uiera efectuar ruebas es ecficas de calificacin al material basepara dar cumplimiento a la norma NACE/ISO ltima revisin.

Estas prueban son adicionales a las pruebas de tubera para servicioamargo norma es, requ eren e persona a amen e ca ca o ylaboratorios especializados con su consecuente programa de logstica ytiempos de ejecucin.

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RecomendacionesRecomendaciones..

Para un manejo de fluido con altas concentraciones de H2S y CO2 serecomienda primeramente, realizar un anlisis de corrosin interior

mediante un software comercial, como puede ser PREDICT 4.0,considerando los datos de diseo de la ingeniera bsica y pronsticos

.controlar el fenmeno de corrosin provocado por la concentracin deH2S y CO2 con inhibidores de corrosin.

Una segunda recomendacin para el manejo de fluidos con altasconcentraciones de H2S y CO2, es seleccionar acero al carbono de bajaaleacin de acuerdo a la NACE MR0175/ISO 151562, con las

adicionales a las pruebas de tubera para servicio amargo normales.Estas pruebas requieren de personal altamente calificado y laboratoriosespecializados.

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Como tercera opcin, la NACE MR0175/ISO 151563, recomienda paraun manejo de fluidos con altas concentraciones de H2S y CO2,seleccionar aleaciones resistentes a la corrosin (CRAs). Esto tiene comoconsecuencia costos elevados y cambios en el proceso de construccin.

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e erenc ase erenc as..

NRF001PEMEX2007. Tubera de acero para recoleccin y transporte de. .

API 5L Specification for Line Pipe/ISO 3183:2007, Petroleum and natural gasindustries Steel pipe for pipeline transportation systems. Anexo H.October 1,

.

ANSI/NACE MR0175/ISO 15156 Second edition 20091015. Petroleum andnatural gas industries. Materials for use in H

2Scontaining environments in oil and

Part 1: General principles for selection of crackingresistant materials. Part 2: Crackingresistant carbon and lowalloy steels, and the use of cast irons. Part 3: Crackingresistant CRAs (corrosionresistant alloys) and other alloys.

Nuevas aleaciones de acero para herramientas de fondo superan a los materialestradicionales en aplicaciones de servicio agrio. Autores: lvaro Chan, R. BrettChandler. 2 con reso ar entino de erforacin terminacin re aracin serviciode pozos. Octubre de 2007

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..Ejercicio para determinar la regin de actuacin con los composicionales deH2S y CO2 que actualmente operan en la lnea de transporte del gasoductode 36 x 40.8 km de la Trinidad a Cactus de acuerdo a la NACE MR0175 ISO151562.

Datos:Servicio asamar oTemperaturadeoperacinde75CPresindeoperacinde85kg/cm2 man

Composicional

de

1.67%

Mol

de

H2S y

ompos c ona e o e 2.

% mol de H2S en face gaseosa: = 1.670 % = 0.0167 (%mol/100)

CONTENIDO DE H2S

mo e agua: = . = . mo

Presin atmosfrica: = 1.033 kg/cm = 14.696 lb/in

Presin de operacin: = 85.00 kg/cm = 1,208.98 lb/in

Presin total: = 86.03 kg/cm = 1,223.68 lb/in

Temperatura de operacin: = 75.00 C = 167.0 F

Presin parcial: = 1.437 kg/cm = 20.435 lb/in

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% mol de CO2 en face gaseosa: = 2.400 % = 0.0240 (%mol/100)

% mol de agua: = 0.060 % = 0.0006 (%mol/100)

Presin atmosfrica: = 1.033 kg/cm = 14.696 lb/in

2

Presi n e operaci n: = 85.00 g cm = 1,208.98 in

Presin total: = 86.03 kg/cm = 1,223.68 lb/inTemperatura de operacin: = 75.00 C = 167.0 F

Presin parcial: = 2.065 kg/cm = 29.368 lb/in

pH2S+pCO2 = 3.502 kg/cm = 343.385 kPa

pH2S =1.437 kg/cm = 140.898 kPa= =

2 2

. .

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. , 2 2 .una temperatura de 75C.

Key1 T= 20 C

2 T= 100 C

gure . ep o con ense wa erun er2

an 2 pressure

Obteniendo en esta grafica un pH de 3.75 para las condiciones de operacin dees e e erc c o.

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. 2 .determinamos la regin de actuacin en la grafica siguiente.

Figure 1 Regions of environmental severity with respect to the SSC of carbonand lowalloy steels.

La regin de severidad determinada por medio de la presin parcial de H2S y elnivel de pH en la figura 1, es la regin 3.

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Ejercicio para determinar la regin de actuacin con los composicionales deH2S y CO2 que entrega el AILT actualmente de acuerdo a la versin NACE

Standard MR0175

2002.

Datos:

Serviciogasamargo

Tem eraturadeo eracinde100CPresindeoperacinde90kg/cm2 manComposicionalde7%MoldeH2S y

Presintotalde91.03kg/cm2 abs =1,294.8psi..

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Por lo tanto, se determina que se encuentra en la regin susceptible a Sulfideress rac ng rac ura por es uerzos e a a su r co .

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Seleccin conceptual de material de acuerdo al rango de aplicacin en lastablas de fabricantes de acero y aleaciones.

Datos:,

Temperatura de operacin de 100 CPresin de operacin de 90 kg/cm2 man

Composicional de 7% Mol de H2S yComposiciona e 7% Mo e CO2.

pH2S y pCO2 = 624.912 kPa abs (90.63 psia).

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Grafica 1. Vallourec & Mannesmann (V&M).

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Grafica 2. Sumitomo Metals Material.

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Grafica 3. Cameron Co.

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Grafica 4. Tenaris.

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Grafica 5. Tenaris.