Análisis NODAL: Predicción de la corrosión en la industria petrolera

Introducción

La corrosión representa uno de los principales desafíos para la industria petrolera, ya que afecta la integridad de tuberías, equipos y sistemas de producción. Este problema se ve exacerbado por condiciones operativas extremas, como altas presiones, temperaturas y la presencia de fluidos corrosivos como el dióxido de carbono (CO₂), sulfuro de hidrógeno (H₂S) y agua con cloruros. Bajo este contexto, el Análisis NODAL, surge como una herramienta de simulación que permite predecir el rendimiento de los pozos de producción, así como los problemas de corrosión en los componentes asociados a estos sistemas.

Tradicionalmente, el control de la corrosión se ha basado en técnicas de inspección y mantenimiento preventivo. Sin embargo, estas estrategias son reactivas y carecen de la capacidad predictiva necesaria para anticiparse a los problemas. En este contexto, el uso de herramientas de simulación como el Análisis NODAL para predecir la corrosion ofrece un enfoque avanzado que permite identificar las condiciones que favorecen la corrosión y optimizar las estrategias de mitigación.

El Modelo de Desgaste Nodal (MDN) constituye una herramienta de estudio aplicable para analizar los procesos de corrosión diferencial en el convertidor Peirce-Smith (PSC), utilizado en la industria metalúrgica, particularmente en la producción de cobre, con el propósito de lograr mejoras significativas en la duración y productividad de las diversas alternativas que se podrían utilizar del recubrimiento¹.

En la industria del petróleo y gas, la corrosión de equipos y estructuras metálicas representa un problema que afecta la seguridad, la producción y el medio ambiente. Este artículo aborda una metodología avanzada conocida como Análisis Nodal usada para predecir la corrosión en instalaciones de producción, optimizando sistemas y reduciendo riesgos.

¿Qué es el Análisis NODAL?

El Análisis Nodal conocido como Modelo de Desgaste Nodal (MDN, por sus siglas en inglés, Nodal Wear Model), es un algoritmo de simulación utilizada para analizar los sistemas de producción de hidrocarburos con el fin de optimizar la eficiencia de estos sistemas en la industria petrolera². Este enfoque divide el sistema en varios puntos de análisis (“nodos”), donde se evalúan variables como presión, caudal y temperatura. El objetivo es determinar el balance óptimo entre el ingreso y egreso de fluidos en cada nodo, permitiendo:

• Optimizar las condiciones de operación.
• Predecir escenarios de falla por corrosión.
• Diseñar sistemas más eficientes para el transporte de hidrocarburos.

Mediante el uso de esta herramienta es posible realizar el modelado de flujo bifásico en tuberías, el cual ocurre cuando dos fases (líquido y gas) coexisten dentro del mismo sistema de transporte. Este fenómeno es común en la producción petrolera, donde el gas natural y los hidrocarburos líquidos fluyen simultáneamente por las tuberías. Los modelos de flujo bifásico analizan patrones de flujo como:

• Flujo estratificado: Fases separadas con gas sobre el líquido
• Flujo anular: Una película de líquido rodea al gas
• Flujo burbujeante: Gotas de gas dispersas en el líquido.

Estos patrones de flujo influyen en la formación de células corrosivas y en la distribución de inhibidores de corrosión, haciéndolos críticos para el control de la integridad de activos. La aplicación del MDN requiere un conocimiento profundo y detallado del sistema, constituye una herramienta de trabajo fundamental para el estudio de los procesos de corrosión en un forma indirecta. Aunque no se emplea directamente para prevenir la corrosión, puede ayudar a identificar condiciones operativas (como velocidades de flujo o presión) que podrían contribuir a mecanismos de corrosión, lo que permitiría ajustar los parámetros para mitigarlos.

Análisis Nodal y su rol en la predicción de la corrosión en flujos bifásicos

Este método de análisis ampliamente utilizado en la industria de petróleo y gas, generalmente es utilizado en la simulación de los pozos de producción para optimizar el rendimiento y a su vez también proporciona información valiosa sobre las condiciones operativas que pueden influir en la corrosión de componentes de producción .

En sistemas de flujo bifásico (líquido y gas), las variaciones en presión, velocidad y régimen de flujo generan condiciones que pueden acelerar la corrosión. Por ejemplo, un régimen de flujo turbulento o un flujo estratificado pueden promover la formación de corrosión localizada en puntos específicos del sistema, como en las zonas donde el líquido se acumula o en las interfaces entre las fases líquida y gaseosa.

Aplicaciones del Análisis Nodal para el control de la corrosión

La predicción de presiones y regímenes de flujo es uno de los aspectos más importantes obtenidos mediante la simulación, debido a que a través de estos datos en el fondo del pozo, se puede determinar las presiones de los fluidos en la superficie; e identificar zonas de baja presión donde se acumulan agua o condensados, condiciones que favorecen la corrosión.

Asimismo, el Análisis Nodal permite evaluar el impacto de los diferentes componentes del sistema, como tuberías, válvulas, compresores y separadores. Con esta información, se pueden realizar ajustes para minimizar los riesgos operativos y prevenir el desgaste prematuro de materiales. Por ejemplo, controlar la velocidad del flujo ayuda a evitar regímenes que aceleran el deterioro de los componentes debido a la corrosión.

Las simulaciones permiten predecir áreas donde las altas velocidades de flujo o las acumulaciones de agua generan riesgos significativos, como erosión y corrosión localizada, además, suministra información sobre la distribución de inhibidores de corrosión, garantizando su efectividad en las zonas más vulnerables.

Datos para la simulación y modelado de flujo bifásico

Para realizar un Análisis Nodal eficiente, es esencial contar con datos específicos. Esto incluye las propiedades de los fluidos, como su composición química (CO₂, H₂S, agua), densidad, viscosidad y tensión superficial. Asimismo, es fundamental conocer la geometría del sistema, considerando el diámetro, la longitud y la configuración de las tuberías, así como las condiciones operativas, como presiones y temperaturas clave. La velocidad del flujo también debe medirse para evaluar patrones e impactos potenciales en la corrosión.

La integración de estos datos en el Análisis Nodal y el modelado de flujo bifásico permite obtener resultados precisos para el control de la corrosión. Este enfoque identifica tasas de pérdida de material bajo diferentes condiciones de flujo y composición de fluidos, localiza áreas críticas donde factores como la acumulación de agua o la turbulencia agravan el daño, y facilita el diseño de estrategias de mitigación, como la optimización de sistemas de inyección de inhibidores o el uso de revestimientos internos.

Casos de éxito en la predicción de la corrosión en estructuras petroleras mediante Análisis Nodal

1. Análisis Nodal en plataformas offshore

En plataformas offshore, como las de ExxonMobil, se ha implementado el Análisis Nodal para predecir la corrosión en los puntos más críticos de las tuberías de transporte de gas. Este análisis utiliza modelos de simulación para identificar nodos con altas tasas de corrosión en las tuberías, considerando variables como la temperatura, la presión y la salinidad del entorno.

El Análisis Nodal ayuda a prever los puntos de fallo potenciales antes de que ocurran, permitiendo implementar estrategias de mantenimiento preventivo. Al predecir dónde se desarrollará la corrosión, las plataformas pueden priorizar intervenciones en las zonas más vulnerables.

Dato numérico: Los estudios muestran que la implementación del Análisis Nodal ha reducido los incidentes de corrosión en plataformas offshore en un 25%, lo que resulta en un ahorro de aproximadamente $50 millones anuales en costos de reparación y reemplazo.

2. Análisis Nodal en oleoductos

En Chevron, se utiliza el Análisis Nodal para monitorear oleoductos que atraviesan zonas con alta variabilidad en las condiciones de corrosión, como cambios en el pH y la temperatura del fluido transportado. Los nodos de análisis se colocan en puntos críticos donde se espera que ocurran mayores tasas de corrosión, permitiendo ajustes en la protección catódica y el mantenimiento predictivo.

El Análisis Nodal permite un enfoque de mantenimiento predictivo, lo que optimiza los recursos y reduce el riesgo de fallos en oleoductos, asegurando una operación continua y segura. Se puede integrar con sensores inteligentes que brindan datos en tiempo real para ajustar las estrategias de protección.

Dato numérico: En proyectos de oleoductos, el análisis nodal ha demostrado reducir las fallas por corrosión hasta en un 40%, lo que reduce significativamente los costos operativos.

3. Integración de Análisis Nodal con inspección por ultrasonido

En un campo petrolero en Arabia Saudita la combinación del análisis nodal con inspección por ultrasonido ha mejorado la predicción de la corrosión en las tuberías de transporte de crudo. Los nodos predicen las áreas críticas, y los ultrasonidos se utilizan para verificar el espesor de las paredes de las tuberías en tiempo real.

Al combinar el análisis nodal con tecnologías de inspección avanzada, como el ultrasonido, se optimiza la predicción y monitoreo de la corrosión. Esto permite una intervención más eficaz en las áreas más susceptibles, minimizando los riesgos operativos.

Dato numérico: Según estudios realizados en Chevron y Shell el uso combinado del análisis nodal con ultrasonido ha incrementado la precisión de las predicciones de corrosión hasta en un 30%, lo que permite una reducción del 20% en las reparaciones no planificadas.

4. Predicción de corrosión en refinerías

En la refinería en Texas el análisis nodal se utiliza para modelar la corrosión en las unidades de Craqueo Catalítico Fluido (FCC). Los nodos ayudan a identificar los puntos donde las altas concentraciones de ácidos pueden causar daños significativos. Las predicciones son validadas por sensores de corrosión en línea, lo que facilita la intervención en tiempo real.

Este enfoque mejora la capacidad de la refinería para anticipar problemas y planificar adecuadamente las intervenciones de mantenimiento sin necesidad de realizar inspecciones invasivas. Además, optimiza la durabilidad de los equipos, evitando paradas inesperadas.

Dato numérico: En las refinerías que implementan este sistema, la vida útil de los equipos ha aumentado en un 15%, con una disminución de los costos operativos relacionados con la corrosión de más del 10% anualmente.

5. Análisis Nodal en la gestión de la corrosión en pozos petroleros

En el campo petrolero en Venezuela, se utilizó el Análisis Nodal para predecir la corrosión en pozos a gran profundidad, donde la temperatura y la presión son factores críticos. El sistema de nodos proporcionó una predicción precisa de la ubicación de la corrosión, permitiendo ajustar las estrategias de protección de pozos y aplicar productos químicos específicos para inhibir la corrosión.

Este metodo es clave para realizar un monitoreo eficiente de la corrosión en ambientes de alta presión y temperatura, lo que permite una gestión más precisa de las condiciones del pozo y evita fallos catastróficos.

Dato numérico: Ha reducido la frecuencia de perforaciones fallidas en pozos petroleros en un 30%, lo que ha aumentado la producción de petróleo en un 10% en campos con altas tasas de corrosión.

Conclusiones

La aplicación de métodos de simulación como el Análisis Nodal permite evaluar de manera indirecta el impacto de la corrosión en los componentes críticos de pozos de producción. Al identificar patrones de flujo y de desgastes en sistemas multifásicos, este enfoque contribuye a predecir la corrosión en equipos y mejorar el rendimiento operativo de los pozos de producción de la industria petrolera.

A pesar de los avances en las técnicas de simulación, la aplicación del Análisis Modal en la predicción de la corrosión sigue siendo un área con escasa documentación e investigación. Esta brecha limita el potencial de estas herramientas para abordar desafíos complejos, resaltando la necesidad de profundizar en su desarrollo y validación en entornos industriales diversos.

El uso del Análisis Nodal en el modelado de flujo bifásico en redes de tuberías permite predecir los mecanismos de desgaste y corrosión ofrece un enfoque predictivo que fortalece la gestión de la integridad de equipos. Al anticipar las áreas de mayor susceptibilidad, estas herramientas reducen la probabilidad de fallas inesperadas, mejorando la seguridad y la eficiencia operativa en sistemas industriales sujetos a corrosión.

Referencias

1. Luis F Verdeja, y colaboradores; “Nodal Wear Model in the corrosion Peirce – Smith copper convertor”; March 2004, Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio 43(2):203-205.
2. Robinson S Salazar R, y colaboradores; ” Toma de decisiones mediante el uso de un algoritmo para analizar los sistemas de producción de hidrocarburos”; / Boletín de Ciencias de la Tierra (40), pp. 75-83. Julio, 2016.