Norma ISO 15156-2:2020

Dónde se ubica la Parte 2 en la serie ISO 15156

Tres partes dividen el trabajo entre método y familia de materiales. Leer la Parte 2 sin la Parte 1 le deja con límites y sin forma de establecer las condiciones de servicio a las que se aplican.

Las tres partes comparten dos normas de ensayo. NACE TM0177 cubre los ensayos de laboratorio de SSC y SCC; NACE TM0284 cubre la evaluación de HIC en aceros para tuberías y recipientes a presión. NACE TM0316 se referencia para la evaluación por flexión en cuatro puntos, un cambio de referencia introducido en la edición de 2020. La página de la norma ISO 15156-1 expone el método de selección, y la página de la norma ISO 15156-3 recoge las envolventes para CRA.

9 factores que afectan el comportamiento del acero al carbono en ambientes con H₂S

La Cláusula 6 enumera nueve parámetros cuyas interacciones complejas gobiernan el comportamiento de los aceros al carbono y de baja aleación en ambientes ácidos. Los nueve deben considerarse al seleccionar material según este documento; la norma no trata ninguno de ellos como opcional.

• Condición del material — composición química, método de fabricación, forma del producto, resistencia, dureza y sus variaciones locales, trabajo en frío, condición de tratamiento térmico, microestructura, uniformidad microestructural, tamaño de grano y limpieza
• Presión parcial de H₂S — o la concentración equivalente en la fase acuosa
• Concentración de iones cloruro — en la fase acuosa
• Acidez (pH) — de la fase acuosa
• Presencia de azufre u otros oxidantes
• Exposición a fluidos ajenos a la producción — aquí se incluyen los ácidos de estimulación y su retorno
• Temperatura de exposición
• Tensión de tracción total — aplicada más residual
• Tiempo de exposición

Observe qué encabeza esa lista. La norma establece que el control de la dureza puede ser un medio aceptable para obtener resistencia al SSC (7.3.1).

2 opciones para seleccionar aceros resistentes al SSC

La Parte 2 ofrece dos vías de selección. La Opción 1 es una consulta directa del Anexo A y no requiere ensayos. La Opción 2 califica un acero para una aplicación específica o un rango definido de servicio ácido, y puede anular los límites del Anexo A para ese material.

Opción 1: selección mediante el Anexo A.2

Si la presión parcial de H₂S en el gas es de 0.3 kPa (0.05 psi) o superior, los aceros resistentes al SSC deben seleccionarse mediante el Anexo A.2. Los aceros que cumplen A.2 quedan calificados sin ensayos adicionales de SSC, con las excepciones indicadas. La mayoría de los aceros conformes no se enumeran individualmente; las Tablas A.2 a A.4 ofrecen ejemplos y no un conjunto exhaustivo.

Por debajo de 0.3 kPa (0.05 psi) la norma no trata la selección en detalle y normalmente no se requieren precauciones especiales. Los aceros muy susceptibles aún pueden agrietarse a ese nivel, de modo que la ausencia de un requisito no es garantía de inmunidad.

Opción 2: calificación para aplicaciones o rangos de servicio específicos

La Opción 2 permite al usuario calificar aceros para aplicaciones específicas de servicio ácido o para rangos de servicio ácido. Los límites establecidos por la calificación según la Opción 2 pueden sustituir cualquier límite indicado para ese material en el Anexo A.2. Su uso requiere conocer tanto el pH in situ como la presión parcial de H₂S, además de cómo varía cada uno con el tiempo.

El caso comercial es específico. La Opción 2 conviene a las compras de gran volumen de OCTG y tubería de línea, donde el ahorro de usar un acero fuera del Anexo A supera el coste de la calificación. También respalda la evaluación de aptitud para el servicio de equipos existentes que ahora afrontan condiciones más severas de lo que supuso el diseño original.

4 regiones SSC de severidad del ambiente: regiones 0, 1, 2 y 3

La Figura 1 de la norma representa la presión parcial de H₂S frente al pH in situ y divide el resultado en cuatro regiones. La región en la que se sitúe decide de qué parte del Anexo A puede seleccionar, y la severidad aumenta a medida que sube el H₂S y baja el pH.

En la Figura 1 aparecen dos discontinuidades, por debajo de 0.3 kPa (0.05 psi) y por encima de 1 MPa (150 psi) de presión parcial de H₂S. Reflejan la incertidumbre de medición a baja presión parcial y la incertidumbre sobre el comportamiento del acero fuera de esos límites en ambos extremos del rango.

Al definir la severidad, la norma pide a los usuarios tener en cuenta la exposición a fases acuosas condensadas no tamponadas de bajo pH durante condiciones anómalas de operación o paradas. Los ácidos empleados en la estimulación de pozos y el retorno del ácido de estimulación gastado pertenecen a la misma evaluación.

La Región 0 sigue implicando riesgo

Cuatro condiciones merecen atención incluso en la Región 0. Los aceros muy susceptibles pueden agrietarse. Las propiedades físicas y metalúrgicas siguen gobernando la resistencia intrínseca. Las concentraciones de tensión aumentan el riesgo. Y por encima de aproximadamente 965 MPa (140 ksi) de límite elástico, los aceros de muy alta resistencia pueden sufrir HSC en ambientes acuosos sin presencia alguna de H₂S.

Qué significan las Regiones 2 y 3 para la elección del acero

En el momento de la publicación no existían listas de aceros aprobados específicamente para la Región 2 (A.3) ni para la Región 1 (A.4). Ambos anexos describen propiedades típicas en lugar de nombrar grados. Para la Región 2, los tubulares de baja aleación Cr-Mo han demostrado ser aceptables con un límite elástico real de hasta 760 MPa (110 ksi) y una dureza no superior a 27 HRC, con aceros para tuberías de hasta 450 MPa (65 ksi) de SMYS y una dureza de soldadura no superior a 280 HV.

La Región 1 permite más. Los tubulares Cr-Mo han demostrado ser aceptables con un límite elástico real de hasta 896 MPa (130 ksi) y una dureza no superior a 30 HRC, con aceros para tuberías de hasta 550 MPa (80 ksi) de SMYS y una dureza de soldadura no superior a 300 HV. La Región 3 no permite ninguna de las dos relajaciones — A.2 es la única fuente.

Requisitos de dureza para el metal base

Los aceros al carbono y de baja aleación son aceptables con una dureza máxima de 22 HRC siempre que contengan menos de 1 % de fracción en masa de níquel, no sean aceros de fácil mecanización y se suministren en una de las seis condiciones de tratamiento térmico permitidas. El límite de 22 HRC proviene de correlaciones entre tratamiento térmico, composición química, dureza y experiencia de fallos en campo acumuladas a lo largo de todas las revisiones de NACE MR0175.

La norma admite una pequeña tolerancia en las lecturas individuales. Una lectura HRC por encima del valor permitido puede aceptarse si el promedio de varias lecturas tomadas en puntos próximos se mantiene dentro del límite y ninguna lectura individual lo supera en más de 2 HRC. Se aplican reglas equivalentes a otros métodos de dureza cuando así se especifica.

Criterios de aceptación de dureza en soldaduras

La soldadura cambia la metalurgia, y la metalurgia modificada determina la susceptibilidad a SSC, SOHIC y SZC. La calificación de los procedimientos de soldadura para servicio ácido debe incluir ensayos de dureza, y la Tabla A.1 fija los límites máximos.

La concesión de 275 HV en la cara de la soldadura es condicional, no automática. Deben cumplirse las tres condiciones: el usuario del equipo acepta el límite alternativo, el material base tiene más de 9 mm de espesor y la cara de la soldadura no está expuesta directamente al ambiente ácido. De lo contrario, el límite vuelve a 250 HV o 70.6 HR 15N.

Los aceros al carbono, al carbono-manganeso y de baja aleación en estado bruto de soldadura que cumplen la Tabla A.1 no requieren tratamiento térmico posterior a la soldadura. Las uniones soldadas que no cumplen esos requisitos deben someterse a PWHT tras la soldadura, con una temperatura mínima de PWHT de 621 °C (1,150 °F) para los aceros de baja aleación.

HV 10 o HV 5 según ISO 6507-1, o Rockwell 15N según ISO 6508-1, son los métodos habituales. El método HRC se permite para la calificación de procedimientos de soldadura solo cuando la tensión de diseño no supera dos tercios del SMYS y el procedimiento incluye PWHT; cualquier otro uso requiere el acuerdo del usuario del equipo. Los barridos Vickers y 15N ofrecen una imagen más detallada y pueden detectar pequeñas zonas duras que un barrido HRC pasaría por alto.

Grados de acero al carbono calificados según el Anexo A

El Anexo A ofrece listas de ejemplos y no un conjunto cerrado. La Tabla A.2 cubre los productos tubulares, la Tabla A.3 cubre casing y tubing según la temperatura, y la Tabla A.4 cubre la tornillería. Los aceros para recipientes a presión clasificados como P-No 1 Grupo 1 o 2 en ASME Sección IX son aceptables.

Productos tubulares (Tabla A.2)

Ejemplos de productos tubulares que pueden cumplir los requisitos generales de A.2.1.

Las soldaduras de costura de la tubería deben cumplir A.2.1. Un metal base calificado con una soldadura de costura no calificada no satisface la norma, y la costura es donde con mayor frecuencia aparecen desviaciones de dureza en la tubería de línea soldada.

Casing y tubing según la temperatura mínima de servicio (Tabla A.3)

Los grados de casing y tubing de mayor resistencia solo son aceptables por encima de una temperatura mínima de servicio. Las temperaturas son temperaturas mínimas de servicio admisibles con respecto al SSC; la tenacidad a baja temperatura es una evaluación separada que debe realizar el usuario del equipo.

Q125 conlleva una restricción adicional. Los tipos 1 y 2 se basan en química Cr-Mo Q&T hasta 1,036 MPa (150 ksi) de límite elástico máximo, y los aceros C-Mn no son aceptables en ese grado. R95 y la antigua designación C95 se consideran equivalentes.

Tornillería y elementos de fijación (Tabla A.4)

La tornillería expuesta directamente a un ambiente ácido, enterrada, aislada, provista de protectores de brida o privada de otro modo de la exposición a la atmósfera o al agua de mar abierta debe cumplir A.2.1. Los materiales aceptables son ASTM A193 grado B7M y ASTM A320 grado L7M para pernos, con ASTM A194 grados 2HM y 7M para tuercas. El uso de tornillería resistente al SSC puede exigir reducir las presiones nominales del equipo.

Reglas de deformación en frío y alivio de tensiones

Los aceros al carbono y de baja aleación deben someterse a un alivio térmico de tensiones tras cualquier deformación en frío que produzca una deformación permanente de la fibra exterior superior al 5 %. La temperatura mínima de alivio de tensiones es 593 °C (1,100 °F) y la dureza máxima final es 22 HRC, salvo para los accesorios A234 WPB y WPC, con 197 HBW.

Se aplican tres excepciones. El trabajo en frío derivado de la prueba de presión según un código aplicable no activa la regla. La tubería enderezada en frío por rotación es aceptable solo cuando la norma de producto ISO o API aplicable lo permite. Los accesorios de tubería de línea trabajados en frío en A53 Gr B, A106 Gr B, API 5L X-42, ISO 3183 L290 o grados inferiores son aceptables con una deformación del 15 % o menos siempre que la dureza de la zona deformada se mantenga en 190 HBW o menos.

Para los tubulares, el enderezado en frío a 510 °C (950 °F) o menos requiere un alivio de tensiones a un mínimo de 482 °C (900 °F). Las zonas conformadas en frío que superen el 5 % de deformación de la fibra exterior necesitan 593 °C (1,100 °F). Las conexiones conformadas en frío en tubulares por encima de 22 HRC necesitan el mismo tratamiento a 593 °C.

Los tratamientos superficiales siguen reglas separadas. Los recubrimientos metálicos, los recubrimientos de conversión, los recubrimientos plásticos y los revestimientos internos no son aceptables para prevenir el SSC. La nitruración hasta una profundidad de capa máxima de 0.15 mm (0.006 in) es aceptable por debajo de la temperatura crítica inferior. El granallado controlado es aceptable con un tamaño máximo de granalla de 2.0 mm (0.080 in) y una intensidad Almen no superior a 10C.

Evaluación de HIC y SWC en productos laminados planos

El usuario del equipo debe considerar el HIC y el SWC al evaluar productos laminados planos de acero al carbono para ambientes ácidos que contengan incluso cantidades traza de H₂S, y debe considerar la realización de ensayos de HIC/SWC en esos productos. Esta obligación se aplica por debajo del umbral de 0.3 kPa que rige la selección frente al SSC.

El nivel de azufre es la variable dominante. Los niveles máximos aceptables típicos son 0.003 % de fracción en masa para productos laminados planos y 0.01 % de fracción en masa para productos sin costura. Las piezas forjadas convencionales con menos de 0.025 % de azufre, y las piezas fundidas, normalmente no se consideran sensibles al HIC ni al SOHIC.

La tubería sin costura se sitúa en una clase de riesgo diferente. El HIC y el SWC con pérdida de contención solo se han producido raramente en tubería sin costura y otros productos no laminados planos, y la tubería sin costura moderna es mucho menos sensible que la de fabricación antigua. La norma sigue viendo beneficio en evaluar la tubería sin costura cuando las consecuencias de un fallo lo justifican.

Se cree que la herrumbre, el azufre o el oxígeno en el ambiente de servicio, especialmente junto con cloruros, aumentan la probabilidad de daño. La aparición de SOHIC y SZC se describe como rara y poco comprendida, limitada con toda probabilidad a los aceros al carbono, con fallos repentinos registrados en aceros base y en las ZAT de soldaduras.

Calificación en laboratorio según el Anexo B

El Anexo B también cubre la evaluación de SOHIC y SZC (Cláusula B.4): la calificación frente al SSC debe preceder al ensayo de SOHIC, y la aceptación exige que no haya agrietamiento en forma de escalera ni grietas que superen 0.5 mm en la dirección del espesor. Para el ensayo de HIC/SWC de productos laminados planos según la Cláusula B.5 y la Tabla B.3, la evaluación según NACE TM0284 exige una relación de longitud de grieta CLR ≤ 15 %, una relación de espesor de grieta CTR ≤ 5 % y una relación de superficie de grieta CSR ≤ 2 %.

La aceptación es binaria: sin grietas de SSC, evaluadas según NACE TM0316 para la flexión en cuatro puntos o NACE TM0177 para los demás métodos. Se ensaya un mínimo de tres probetas por lote de ensayo. Si una probeta falla, la causa debe investigarse. Si el material de origen cumple la especificación de fabricación, pueden ensayarse dos probetas adicionales del mismo origen, y el lote queda calificado si ambas superan el ensayo. Nuevos reensayos requieren el acuerdo del comprador.

Los tubulares Cr-Mo en los grados de SMYS de 690–760 MPa (100–110 ksi) conllevan un requisito de ensayo obligatorio. La resistencia al SSC debe demostrarse ensayando cada lote de ensayo mediante el ensayo UT, y el límite elástico máximo de cada grado no debe superar el SMYS en más de 103 MPa (15 ksi).

Cuando el acero al carbono llega a su límite

La Parte 2 tiene un límite. La Parte 2 trata únicamente el agrietamiento. Los aceros que cumplen A.2 se aceptan frente al SSC en todas las regiones de la Figura 1, y la Parte 2 no fija para ellos ningún límite de cloruros ni de temperatura superior. El paso a una CRA suele venir impulsado por la corrosión general o localizada, que esta norma no trata, o por un servicio fuera del alcance de la Parte 2. Cuando se elige una CRA, rige la Parte 3.

El primer paso suele ser el acero inoxidable austenítico. La tubería sin costura 316L califica según la Tabla A.2 de ISO 15156-3 con un máximo de 22 HRC en la condición de recocido de solubilización y temple — el mismo límite numérico de dureza que el acero al carbono, pero alcanzado mediante una metalurgia completamente distinta que además resiste la corrosión general.

Cuando aumentan a la vez los requisitos de cloruros y de resistencia, el dúplex toma el relevo. La tubería sin costura de dúplex 2205 debe estar en condición de recocido de solubilización y temple en líquido con un 35 % a 65 % de ferrita y sin tratamientos térmicos de envejecimiento (ISO 15156-3, Tabla A.24), y su límite elástico mínimo de 450 MPa (65 ksi) supera al de la mayoría de los grados API 5L que la Parte 2 enumera para tubería de línea en servicio ácido.

Para H₂S moderado con cloruros altos, el súper dúplex (PREN > 40.0 a 45) permite hasta 20 kPa de H₂S (ISO 15156-3, Tabla A.24). Por encima de eso, se aplican las aleaciones de níquel.

La tubería sin costura de súper dúplex 2507 tiene un límite elástico mínimo de 550 MPa (80 ksi). Califica para la banda de 20 kPa solo si el PREN real de la colada es superior a 40.0 y no superior a 45.

Para las combinaciones más agresivas, las aleaciones de níquel sustituyen por completo al acero inoxidable. La tubería sin costura de Incoloy 825 maneja la química de ácidos reductores gracias a su adición de 1.5–3.0 % de cobre en la condición recocida (Tipo 4a).

La tubería sin costura de Inconel 625 se sitúa por encima, con 8–10 % de molibdeno y 3.15–4.15 % de niobio. Cuando el servicio ácido combina H₂S alto, cloruros altos y temperatura elevada en una misma corriente, el 625 es la respuesta habitual — a menudo como capa de revestimiento o recargue sobre un sustrato de acero al carbono en lugar de pared maciza.

Esa vía del recargue conecta directamente las dos partes. La Cláusula A.2.1.5 de la Parte 2 acepta los recargues aplicados térmicamente siempre que la condición de tratamiento térmico del sustrato no cambie o que la dureza del metal base cumpla A.2.1.2 y A.2.1.4. La composición y la resistencia al agrietamiento del propio recargue se rigen por ISO 15156-3, no por la Parte 2.

En la cima de la jerarquía, la tubería sin costura de Hastelloy C-276 contiene 15–17 % de molibdeno con 3–4.5 % de tungsteno. Pocos ambientes de producción justifican tanta aleación, y los que lo hacen suelen implicar azufre libre a temperatura.