������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

���������������������������������������������������������������������������������

 

Caracterizaci�n del acero API 5L grado B

 

Characterization of API 5L grade B Steel

 

Caracteriza��o de a�o API 5L grau B

 

 

�Lidia Castro-Cepeda ^I

lidia.castro@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-0471-2879

 

M�nica Moreno-Barriga ^II

monica.moreno@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-9881-6360

 

Andr�s Noguera-Cundar ^II

andres.noguera@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0001-6763-9288

 

Correspondencia: lidia.castro@espoch.edu.ec

 

Ciencias t�cnicas y aplicadas ��

Art�culo de investigaci�n

 

*Recibido: 16 de marzo de 2021 *Aceptado: 29 de abril de 2021 * Publicado: 05 de mayo de 2021

                               I.            Master Universitario en Ingenier�a Matem�tica y Computaci�n, Master Universitario en Ingenier�a de la Energ�a, Ingeniera Industrial, Docente de Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica Del Chimborazo, Riobamba,� Ecuador.

                            II.            Magister en Sistemas Integrados de Gesti�n de la Calidad Ambiente y Seguridad, Ingeniera Industrial, Tecn�loga Qu�mica Especialidad Industrial, Docente de Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica Del Chimborazo, Riobamba,� Ecuador.

                         III.            Master Universitario en Ingenier�a Mec�nica, Ingeniero Automotriz, Docente de Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica Del Chimborazo, Riobamba,� Ecuador. �

Resumen

Esta investigaci�n se presenta una caracterizaci�n de un acero de tuber�a de transporte de petr�leo a trav�s de un an�lisis de espectrometr�a para encontrar los elementos de los que consta y al compararlo con la b�squeda te�rica se revel� que es un acero API grado B. Luego se realizaron varias probetas con varios tratamientos t�rmicos; normalizado, temple, recocido y bonificado. A trav�s de las micrograf�as se realiz� una comparaci�n entre las tomadas por el centro carrocero y en el microscopio de la ESPOCH y se verific� las caracter�sticas principales que permitir�n posteriores an�lisis.

Palabras claves: Materiales; aceros bajo carbono; metalograf�a; dureza; microestructura.

 

Abstract

Esta investigaci�n se presenta una caracterizaci�n de un acero de tuber�a de transporte de petr�leo a trav�s de un an�lisis de espectrometr�a para encontrar los elementos de los que consta y al compararlo con la b�squeda te�rica se revel� que es un acero API grado B. Luego se realizaron varias probetas con varios tratamientos t�rmicos; normalizado, temple, recocido y bonificado. A trav�s de las micrograf�as se realiz� una comparaci�n entre las tomadas por el centro carrocero y en el microscopio de la ESPOCH y se verific� las caracter�sticas principales que permitir�n posteriores an�lisis.

Palabras claves: Materiales; aceros bajo carbono; metalograf�a; dureza; microestructura.

 

Resumo

Esta pesquisa apresenta a caracteriza��o de um a�o para dutos de transporte de �leo atrav�s de uma an�lise espectrom�trica para encontrar os elementos que o constituem e ao compar�-la com a pesquisa te�rica revelou que se trata de um a�o API grau B. v�rios corpos de prova com diversos tratamentos t�rmicos; normalizado, temperado, recozido e temperado. Por meio das micrografias, foi feita uma compara��o entre as tiradas pelo fisiculturista e no microsc�pio ESPOCH e verificadas as principais caracter�sticas que permitir�o an�lises posteriores.

Palavras-chave: Materiais; a�os de baixo carbono; metalografia; dureza; Microestrutura.

 

 

Introducci�n

Los aceros al carbono son aquellos que tienen elementos de aleaci�n en proporciones muy peque�as, y adem�s ellos son producto del proceso de fabricaci�n de ese acero.

Los aceros al carbono tienen principalmente una microestructura ferrito � perl�tica y las propiedades mec�nicas dependen del contenido de carbono, que normalmente var�a desde 0,05% hasta el 1% y de manganeso desde 0,25% hasta el 1,7%. (Belzunce, 2001)

Uno de los grupos de aceros m�s utilizados en la pr�ctica, en forma de chapas, vigas, angulares, para la construcci�n de edificios, puentes, barcos, recipientes, etc. Son los aceros al carbono con menos de 0,25% C, para otras tantas aplicaciones se usan aceros con porcentajes mayores o se utiliza elementos aleantes que permiten modificar las caracter�sticas y propiedades para las distintas aplicaciones.

Estos aceros son muy utilizados en la industria petrolera y se pueden clasificar seg�n su funcionalidad.

�        Tuber�as de revestimiento

�        Tuber�as de producci�n

�        Tuber�as de perforaci�n

�        Ductos (tuber�a de l�nea)

�        Otros tubulares

�        Tuber�as flexibles

�        Lastrabarrenas (drill collars)

�        Tuber�a pesada (heavy weigth)

Para iniciar con la aplicaci�n y explicaci�n de cualquier m�todo para dise�o, es necesario y recomendable determinar la resistencia de los diferentes elementos tubulares.

Esto a la vez conduce a considerar las diferentes situaciones de falla que experimentan las tuber�as. La resistencia de un tubo se puede definir como una reacci�n natural que opone el material ante la imposici�n de una carga, a fin de evitar o alcanzar los niveles de una falla. La elecci�n del material deber� ser en funci�n de las necesidades de producci�n (petr�leo, 2020)

Para este trabajo investigativo fue necesario elegir el material y se busc� en la industria petrolera ecuatoriana quienes cedieron dos tipos de materiales para transporte de petr�leo, sin embargo, al ser material de desperdicio se desconoc�a que tipo de acero es por lo que es necesario realizar an�lisis metalogr�fico para definir y caracterizar este material.

 

Metodolog�a

Es necesario realizar ciertas actividades previas, para capturar las micrograf�as del material. Conociendo que un buen proceso metalogr�fico revele las microestructuras y sus caracter�sticas.

Es importante realizar entonces:

 

Selecci�n del material

Para ello se tom� en cuenta dos aspectos importantes:

Material usado en la industria petrolera.

El distribuidor de este material fue la industria petrolera ecuatoriana.

 

Corte de la muestra

Es un proceso en el que se produce calor, por fricci�n, y se raya el metal.� Para el estudio se realiz� cortes transversales ya que de esta manera podemos identificar sus micro-constituyentes. Este material se cort� de la tuber�a de transporte de petr�leo donada por la industria petrolera ecuatoriana.� (GUY, 2002).

Se cortaron varios tipos de probetas. Para el an�lisis de espectrometr�a se cortaron probetas en forma rectangular de 1x1,5 cm. Para realizar los tratamientos t�rmicos se realizaron probetas en forma de paralelep�pedo de largo 5 cm, ancho 1 cm y espesor 1 cm. Finalmente se cortaron probetas circulares de 1 cm de di�metro a las que se le dieron los mismos tratamientos t�rmicos para realizar los an�lisis de corrosi�n.

 

Espectrometr�a

Se usa para el an�lisis de elementos met�licos en muestras s�lidas. Para materiales no conductores, se usa polvo de grafito para hacer conductora la muestra.

En los m�todos de espectroscopia de arco tradicionales se usa una muestra s�lida, las fuentes de chispa con descargas controladas bajo una atm�sfera de arg�n permiten que este m�todo pueda ser considerado eminentemente cuantitativo, y su uso est� muy extendido en los laboratorios de control de producci�n de fundiciones y acer�as. (P�rez, 2021)

 

Tratamientos t�rmicos

Suministro: sin ning�n tratamiento t�rmico, el material se usa tal cual se lo ha enviado la industria petrolera.

Normalizado: el normalizado consiste en calentar r�pidamente el material hasta una temperatura cr�tica, manteni�ndose durante un tiempo en ella. El enfriamiento posterior se realiza al aire, dando lugar a la recristalizaci�n y afino de la perlita.

Recocido: tratamiento t�rmico que consiste en calentar la pieza hasta una temperatura dada. Posteriormente el acero es sometido a un proceso de enfriamiento lento en el interior del horno apagado. De esta forma se obtienen estructuras de equilibrio. Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero.

Temple: tratamiento t�rmico al que se somete a piezas ya conformadas de acero para aumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad.

Bonificado: es un caso particular del temple y revenido, llamado as� en la pr�ctica cuando la pieza templada se reviene a una temperatura relativamente alta, rebajando su dureza a un valor intermedio para cumplir determinadas necesidades de tenacidad

 

An�lisis metalogr�fico

Desbaste de probetas metalogr�ficas.

Una vez cortadas y mecanizadas las probetas se desbastaron sobre una superficie plana de acuerdo a lo estipulado en la norma ASTM E7.

 

Pulido de probetas metalogr�ficas

La etapa del pulimento es ejecutada con pa�os especiales, para las pulidoras disponibles en el laboratorio se debe utilizar los pa�os DP/OP que est�n equipados con un adhesivo que es adherido en al disco giratorio del equipo.

�

 

Ataque metalogr�fico de las probetas

Se utiliz� dos modos de ataque con los cuales se lograron los mismos resultados:

Sumergir la probeta en el reactivo con la cara que se observar� hacia arriba,

Mojando un algod�n con el reactivo y frotar la cara de la probeta.

El ataque qu�mico tiene como objetivo revelar las fases y micro-constituyentes.

 

Observaci�n metalogr�fica

Despu�s de ser atacada qu�micamente, la muestra est� lista para ser observada en el microscopio; principal instrumento en este proceso, su sistema de iluminaci�n lo que representa una t�cnica avanzada y se basa en la amplificaci�n de la superficie para observar las caracter�sticas estructurales microsc�picas o microestructura (SHACKELFORD, 1988).

 

An�lisis de los resultados

Los datos de la composici�n qu�mica se obtienen a trav�s de los ensayos de espectrometr�a en el laboratorio de materiales de la ESPOCH, cuyos datos est�n resumidos en tabla 1.

Tabla 1: Composici�n qu�mica de la probeta

Fuente: Laboratorio Materias de la ESPOCH

 

Estos datos se comparan con datos t�cnicos a trav�s de b�squeda bibliogr�fica para verificar que tipo de material ser� estudiado. La composici�n qu�mica se observa en la tabla 2, de aceros API 5L de diferentes grados donde se ha subrayado el material al que m�s se asemeja con su composici�n que se obtuvo de la espectrometr�a, seg�n el porcentaje la opci�n m�s adecuada es API grado B.

 

 

 

Tabla 2: Composici�n qu�mica Acero API 5L de diferentes grados.

Fuente: https://www.octalsteel.com/api-5l-pipe-specification

 

An�lisis de micrograf�as, para ello se realizaron con la ayuda de dos microscopios, Centro de Fomento Productivo Metalmec�nico Carrocero y del Laboratorio de Materiales de la ESPOCH; se compar� y analiz� las microestructuras que se detallan en las siguientes tablas:

 

Tabla 3: Comparaci�n microgr�fica despu�s de aplicar tratamiento t�rmico de normalizado

COMPARACI�N MICROGRAF�AS ESPOCH � CENTRO CARROCERO ACERO API 5L GRADO B
ESPOCH	CENTRO CARROCERO
Normalizado a 100x	Normalizado a 20x
Parte oscura se trata de perlita mientras que la parte clara se trata de ferrita. Se trata de una estructura de perlita + ferrita	Se trata de una estructura de perlita + ferrita. Es una fotograf�a con mejor definici�n.
Normalizado a 200x	Normalizado a 50x
Se observa menor �rea al pasar de 100x a 200x la ferrita de color blanca mientras que la zona oscura se trata de la perlita.	El tama�o de grano no es tan homog�neo, pero se observa con claridad que el porcentaje de ferrita le supera al porcentaje de perlita.
Normalizado a 700x	Normalizado a 100x
Se observa menor �rea al pasar de 200x a 700x mostrando una microestructura perl�tico ferr�tico, es decir ferrita en una matriz perl�tica	A mayor ampliaci�n muestra unos puntos peque�os que podr�an tratarse de carburos.

Fuente: Elaboraci�n propia.

 

Tabla 4: Comparaci�n microgr�fica despu�s de aplicar tratamiento t�rmico de recocido

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 5: Comparaci�n microgr�fica despu�s de aplicar tratamiento t�rmico de suministro

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 6: Comparaci�n microgr�fica despu�s de aplicar tratamiento t�rmico de temple

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 7: Comparaci�n microgr�fica despu�s de aplicar tratamiento t�rmico de bonificado

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Luego tambi�n se realiz� el an�lisis de dureza del acero API 5L Grado B. Se realizaron dos tipos de ensayo de dureza, dureza Vickers y dureza Brinell en el Centro de Fomento Productivo Metalmec�nico Carrocero para cada tratamiento t�rmico a una misma temperatura y humedad fueron tomadas cinco mediciones. Los datos obtenidos durante el ensayo Brinell se muestran en las siguientes tablas.

 

Tabla 8: Dureza Brinell (Normalizado)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 9: Dureza Brinell (Suministro)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 10: Dureza Brinell (Bonificado)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 11: Dureza Brinell (Recocido)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 12: Dureza Brinell (Temple)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Los datos obtenidos del ensayo de dureza Vickers se muestra a continuaci�n:

 

Tabla 13: Dureza Vickers (Normalizado)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 14: Dureza Vickers (Suministro)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 15: Dureza Vickers (Bonificado)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 16: Dureza Vickers (Recocido)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Tabla 17: Dureza Vickers (Temple)

Fuente: Elaboraci�n propia

 

Conclusiones

A trav�s de esta investigaci�n se evidencia el tipo de acero con el que se est� trabajando a lo largo del proyecto de investigaci�n, puesto que al ser un material excedente de la industria petrolera no se contaba con la ficha t�cnica que precisa sus caracter�sticas.

A trav�s del an�lisis metalogr�fico se pudo describir todas las microestructuras de las que consta este acero que tiene un 0,27% de carbono, siendo las m�s importante perlita y ferrita en la probeta de suministro y as� mismo las caracter�sticas en cada tratamiento t�rmico.

Los estudios se hicieron a trav�s del uso de diferentes microscopios metalogr�ficos y con ello se pudo comparar la calidad de las micrograf�as y utilizar las que mejores ventajas presentan para el desarrollo de la investigaci�n.

De acuerdo a la exhaustiva b�squeda bibliogr�fica se concluye que el acero motivo de estudio es un acero API 5L grado B, por lo que se recomienda seguir con la experimentaci�n usando las caracter�sticas de este material.

El tratamiento t�rmico con el que se obtuvo mayor dureza es el temple con un valor de 174.2 de dureza Brinell y 197.96 de dureza Vickers.

A partir de la informaci�n recopilada se recomienda ampliar el estudio de nuevos materiales que no fueron utilizados en el presente an�lisis metalogr�fico, con la finalidad de abarcar mayor informaci�n de los materiales �tiles en la industria petrolera.

 

Referencias

1.              Belzunce, F. J. (2001). ACEROS Y FUNDICIONES: ESTRUCTURAS, TRANSFORMACIONES, TRATAMIENTOSTERMICOS Y APLICACIONES. Oviedo: Universidad de Oviedo.

2.              GUY, J. (2002). Fundamentos de Ciencias de Materiales. Barcelona: SILVER.

3.              P�rez, G. (13 de 01 de 2021). ESPECTROMETRIA .COM. Obtenido de ESPECTROMETRIA .COM: https://www.espectrometria.com/tipos_de_espectrometra

4.              Petr�leo, T. (11 de 01 de 2020). El petr�leo, tuber�as. Obtenido de

5.              SHACKELFORD, J. (1988). Ciencia de Materiaels para Ingenieros. California: Planet.

6.              Stoecker, W. F. (1998). Industrial Refrigeration Handbook. New York: McGraw-Hill.

7.              TROJAN, F. (1990). Materiales de Ingenier�a y sus aplicaciones. Alemania: ANELE.

8.              Wexler, P. (2014). Encyclopedia Of Toxicology. London: Elsevier.

9.              Octal. (2020). API 5L Pipe Specification (46th Edition Updated on 2020) Recuperado de: https://www.octalsteel.com/api-5l-pipe-specification.

10.          Rey, O & Pe�a, D. (2010). Evaluaci�n del Efecto Sinerg�stico Entre la Concentraci�n de Cloruros y el Contenido de CO2 en un Acero API 5L Grado B, Mediante la T�cnica de Ruido Electroqu�mico. Universidad industrial de Santander. Colombia.

 

 

 

 

 

 

� 2020 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)