Ingeniería de Petróleos · 2021
Estudio la velocidad de corrosión del acero ferritico astm a335 p91 en un ambiente dual de vapor de agua y h2s a altas temperaturas en condiciones simuladas de un horno de refinería, a través del software comsol multiphysics®
El acero 9Cr-1Mo es ampliamente empleado en hornos y calderas de refinería gracias a sus buenas propiedades termomecánicas. Esta aleación, es expuesta a ambientes potencialmente corrosivos como crudo y gases de combustión, promoviendo su degradación por sus efectos simultáneos. Entre los fenómenos corrosivos más comunes para estos aceros se destacan la oxidación por H2O(g) y la sulfidación por H2S(g). En ese sentido, este trabajo se centró en plantear y resolver un modelo matemático usando Comsol Multiphysics®, con el objetivo de determinar la velocidad de corrosión de este acero en los ambientes mencionados , abordando las variables de caudal (250-450 mL/min), concentración (H2O(g) de 16.67-33% mol y H2S(g) de 5-10ppm), y temperatura (450-750°C). Inicialmente, se estableció una línea base para cada ambiente con las variables mencionadas anteriormente, donde se obtuvo que la variable de mayor incidencia sobre la velocidad de corrosión de la aleación fue la temperatura y concentración de las especies químicas. Además, al emplear los distintos rangos de las variables evaluadas, se obtuvo que la velocidad de corrosión del lado H2O mostró ser entre 4 y 4.5 veces superior que la del H2S. A continuación, se evaluó la corrosión dual del acero, arrojando que el lado H2O genera un incremento de hasta 1.2 veces de la velocidad de corrosión sobre el caso base del H2S. Mientras que el lado H2S solo multiplica 1.008 veces la velocidad de corrosión del lado H2O, debido a la generación de una densidad de corriente menor respecto al lado vapor de agua. Finalmente, los resultados obtenidos fueron comparados con estudios en condiciones similares, encontrando una aceptable coherencia en los resultados. Este tipo de investigaciones resaltan la importancia del uso de simulaciones para obtener aproximaciones a los fenómenos reales que ocurren en la industria y así mejorar la seguridad de los procesos.
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Contenido
- introducciónp. 13
- 1. Objetivosp. 16
- 1.1 Objetivo Generalp. 16
- 1.2 Objetivos Específicosp. 16
- 2. Marco Teóricop. 17
- 2.1 Corrosiónp. 15
- 2.2 Corrosión A Alta Temperaturap. 17
- 2.3 Cinética De La Corrosión A Alta Temperaturap. 17
- 2.3.1 Cinética Parabólicap. 18
- 2.3.2 Cinética Linealp. 18
- 2.3.3 Cinética Logarítmicap. 19
- 2.4 Características Del Acero Fe-9cr-1mop. 19
- 2.4.1 Composiciónp. 19
- 2.4.2 Propiedad Termomecánicasp. 20
- 2.5 Oxidación Del Acero P91p. 20
- 2.6 Termodinámica De La Oxidaciónp. 20
- 2.7 Sulfidación Del Acero P91p. 22
- 2.8 Termodinámica De La Sulfidaciónp. 23
- 2.9 Corrosión Dualp. 23
- 2.10 Comsol Multiphysicsp. 25
- 3. Metodologíap. 25
- 3.1. Fase 1. Planteamiento Del Modelo De Transferencia De Masap. 25
- 3.3.1. Modelo Matemático Basep. 25
- 3.2. Fase 2. Simulación Del Modelo En Comsol Multiphysics®p. 26
- 3.3. Fase 3 Validación De Resultadosp. 26
- 4. Resultados Y Discusiónp. 29
- 4.1. Modelo De Transferencia De Masa Para La Corrosión Dual Del Acero P91p. 29
- 4.1.1. Modelo Geométricop. 29
- 4.1.2. Consideracionesp. 30
- 4.1.3. Planteamiento Del Modelo Matemáticop. 31
- 4.1.4. Modelo Matemático Influencia De Un Ambiente En El Otrop. 35
- 4.2. Simulación Del Modelo Matemático En Comsol Multiphysics ®p. 36
- 4.2.1. Limitacionesp. 36
- 4.2.2. Dinámica De Fluidos Computacionalp. 37
- 4.2.3. Transporte De Especiesp. 38
- 4.2.4. Método De Soluciónp. 38
- 4.2.5. Barrido Paramétricop. 39
- 4.2.6. Determinación De La Velocidad De Corrosión Usando Comsol Multiphysics®p. 39
- 4.3. Validación De Resultadosp. 50
- 5. Conclusionesp. 52
- 4. Recomendacionesp. 53
- Referencias Bibliográficasp. 54
- Apéndicesp. 59
- Tabla 1. Composición química del acero P91p. 19
- Tabla 2. Papers usados para la validación de resultadosp. 27
- Tabla 3. Difusividades del H2S y H2O a diferentes temperaturasp. 29
- Tabla 4. Variación de parámetros para el lado crudo (H2S)p. 30
- Tabla 5. Variación de parámetros para el lado vapor de agua (H2O)p. 30
- Tabla 6. Velocidades de corrosión (mpy) para el lado H2O a 60000 sp. 61
- Tabla 7. Velocidades de corrosión (mpy) para el lado H2S a 60000 sp. 61
- Tabla 8. Cálculo número de Reynolds lado H2Op. 63
- Tabla 9. Cálculo número de Reynolds lado H2Sp. 63
- Figura 1. Banco tubos en el horno de combustiónp. 14
- Figura 2. Cinéticas de corrosiónp. 18
- Figura 3. Diagrama de Ellingham para óxidos metálicosp. 21
- y sus medidas (mm)p. 26
- Figura 5. Geometría desarrollada en el software Comsol Multiphysics ®p. 28
- UIS y sus medidas (mm)p. 29
- Figura 8. Perfil de velocidad para un tiempo de 60000 segundosp. 38
- Figura 9. Perfil de concentración después de 60000 segundosp. 39
- Figura 10. Cupón de estudio de la velocidad de corrosiónp. 39
- Figura 11. Velocidad de corrosión debido al vapor de agua a 650°Cp. 40
- Figura 12. Velocidad de corrosión debido al 𝑯𝟐𝑺 a 650°Cp. 41
- Figura 13. Velocidad de corrosión debido al vapor de agua a 450°C, 550°C, 650°C y 750°Cp. 41
- Figura 14. Velocidad de corrosión debido al 𝑯𝟐𝑺 a 450°C, 555°C, 650°C y 750°Cp. 42
- segundos y 650°Cp. 43
- 650°Cp. 43
- 650°Cp. 44
- 650°Cp. 45
- 650°C y 60000sp. 46
- 60000sp. 46
- Figura 21. Comparación de resultados para la velocidad de corrosión por 𝑯𝟐𝑶p. 47
- Figura 22. Comparación de resultados para la velocidad de corrosión por 𝑯𝟐𝑺p. 47
- c) 750°Cp. 58
- c) 750°Cp. 58
- b) 550°C, c) 750°Cp. 60
- b) 550°C, c) 750°Cp. 60
- (2006), b) Alviz (2021), c)Alviz (2020), d) Laverde (2003)p. 62
- (2016), b) Gao (2017)p. 62
- Figura 31. Densidad de corriente para el lado vapor de agua en función del tiempo a 650°Cp. 66
- Figura 32. Densidad de corriente para el lado H2S en función del tiempo a 650°Cp. 66
- Apéndice A. Diagrama obtenido en HSC Chemestryp. 56
- Apéndice B. Reacciones involucradas en la corrosión para el H2O y el H2S en el acero P91p. 60
- Apéndice C. Influencia de la temperatura y el caudal en la velocidad de corrosiónp. 61
- Apéndice D. Influencia de la concentración y la temperatura en la velocidad de corrosiónp. 63
- ambientesp. 62