El monel en la industria del petróleo: Beneficios y aplicaciones estratégicas

Introducción 

La industria del petróleo se enfrenta a desafíos constantes debido a las condiciones extremas en las que operan los sistemas: alta presión, temperaturas extremas y exposición continua a sustancias corrosivas. Estos factores demandan materiales que puedan mantener la integridad estructural durante largos períodos de tiempo. En este sentido, el monel, una aleación de níquel y cobre, se destaca por su resistencia a la corrosión, su durabilidad y su capacidad para resistir condiciones de alta presión, lo que lo convierte en una opción estratégica para la industria petrolera.

Este artículo analiza la importancia, los tipos y las aplicaciones estratégicas del monel, resaltando cómo sus propiedades lo hacen indispensable en los sistemas críticos de la industria del petróleo.

¿Qué es el monel y su importancia para la industria del petróleo?

El monel es una aleación metálica formada principalmente por níquel y cobre en una proporción aproximada de 2:1 en peso. Esta composición le otorga una destacada resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes marinos y ácidos. Además, se caracteriza por su ductilidad, resistencia a altas temperaturas y propiedades no magnéticas, lo que asegura su desempeño en condiciones extremas.

Mediante un proceso térmico de precipitación o envejecimiento, las propiedades de la aleación se optimizan al incorporar titanio y aluminio a su composición base. Este tratamiento mejora significativamente la resistencia al agrietamiento por tensión de corrosión, una propiedad significativa para su uso en ambientes a alta presión y elevada corrosividad. 

Propiedades del monel para la industria petrolera

• Resistencia a la corrosión: El monel es altamente resistente a la corrosión, especialmente en ambientes ácidos, alcalinos y marinos, por lo cual puede resistir daños por: picado, fisuración bajo tensión y corrosión en medios reductores (como ácidos clorhídricos); por lo cual, generalmente es empleado en la industria de refinación en reactores químicos en unidades de alquilación.

• Resistencia en ambientes marinos: Es particularmente eficaz en ambientes de agua salada debido a su capacidad para resistir la corrosión en presencia de cloruros.
• Resistencia a los ácidos: El monel 400, en particular, muestra una excelente resistencia a la corrosión en ácidos como el ácido sulfúrico diluido y el ácido clorhídrico a temperaturas moderadas.

Debido a estas propiedades también es usado en ambientes agresivos como plataformas offshore y sistemas de transporte de petróleo, donde la exposición a agua salada y compuestos ácidos es común.

Alta ductilidad y resistencia mecánica

Esta aleación presenta una buena ductilidad y resistencia mecánica. Estas propiedades permiten que el material pueda ser utilizado en diferentes  aplicaciones que requieren componentes sometidos a presión y esfuerzos mecánicos elevados.

• Resistencia a la tracción: Tiene una resistencia a la tracción significativa, por lo cual, resiste  la deformación bajo cargas pesadas.
• Ductilidad: Es un material que puede ser maquinado, en diversas formas y tamaños, sin perder sus propiedades, facilitando el empleo de esta aleación en aplicaciones de soldadura y fabricación de componentes complejos.

Propiedades no magnéticas

Una de las características más importantes consiste en su no magnetismo; por lo cual, es  ideal para aplicaciones donde se requiere evitar la interferencia con campos magnéticos. Esto es especialmente relevante en componentes que operan cerca de equipos de medición o sistemas de navegación, donde la presencia de magnetismo puede alterar el funcionamiento de estos dispositivos.

• No reactividad con campos magnéticos: La ausencia de magnetismo también hace que el monel sea adecuado para aplicaciones en sistemas de perforación submarina y equipos de perforación en alta mar, donde la interferencia magnética es indeseable.

Resistencia a temperaturas extremas

El monel se comporta de manera excelente en condiciones de temperatura extrema, tanto a temperaturas altas como bajas. Esta propiedad es importante para aplicaciones en la industria del petróleo, donde los componentes pueden estar expuestos a un amplio rango de temperaturas, desde las frías profundidades del océano hasta las temperaturas elevadas de las refinerías o las operaciones de perforación.

• Temperaturas elevadas: Este material es estable y resistente, mecánicamente a temperaturas de operación de hasta 1000 °F (537 °C).
• Resistencia a bajas temperaturas: También presenta una buena ductilidad a bajas temperaturas, siendo apropiado para equipos de perforación submarina y plataformas de extracción en ambientes fríos.

Alta resistencia a la fatiga y a la abrasión

Esta aleación muestra una alta resistencia a la fatiga y a la abrasión, dos características destacadas para los componentes sometidos a cargas cíclicas o a movimientos constantes, como las piezas en contacto con fluidos en movimiento dentro de sistemas de tuberías o bombas en plataformas de perforación.

• Resistencia a la fatiga: Debido a su estructura cristalina, el monel es resistente a la fatiga bajo condiciones de vibración o carga cíclica, lo que alarga la vida útil de los activos físicos.
• Resistencia a la abrasión: Su dureza y resistencia a la abrasión lo convierten en un material adecuado para superficies que están expuestas a erosión o desgaste constante.

Facilidad de fabricación y soldabilidad

Este material es relativamente fácil de fabricar y soldar en comparación con otras aleaciones de alta resistencia. Aunque su conductividad térmica es más baja que la del cobre o el aluminio, sus propiedades mecánicas permiten trabajar con él utilizando técnicas comunes de fabricación y soldadura.

• Soldabilidad: La soldadura de monel se puede realizar con procedimientos estándar, aunque es preferible emplear soldadura TIG o MIG para obtener un acabado óptimo.
• Fabricación: Puede ser trabajado en frío o en caliente, siendo un material adecuado para una variedad de procesos industriales como el moldeo, extrusión y forja.

Resistencia al agrietamiento y corrosión bajo tensión

Es especialmente resistente al agrietamiento por tensión corrosiva (SCC, por sus siglas en inglés), una forma de corrosión que puede afectar a los metales bajo condiciones de estrés y presencia de ciertos productos químicos. Este fenómeno es particularmente importante en la industria del petróleo, donde los componentes están expuestos a tensiones mecánicas y corrosión simultáneamente.

• Prevención del SCC: Debido a su composición y tratamiento térmico, esta aleación muestra una alta resistencia al agrietamiento y a picaduras en ambientes de cloro y agua salada, minimizando la necesidad de mantenimiento y reemplazo de equipos críticos.

Su historia en el sector petrolero

El monel fue descubierto en 1905 por el químico estadounidense Robert Crooks Stanley en la empresa International Nickel Company (INCO). Sin embargo, fue en la mitad del siglo XX cuando comenzó a ganar relevancia en la industria del petróleo, especialmente cuando las crecientes demandas de exploración y extracción en ambientes marítimos que exigían materiales más resistentes. Su elevada resistencia a la corrosión, particularmente en aguas salinas y ambientes ácidos, lo convirtió en una opción ideal para aplicaciones offshore.

A lo largo de la década de 1950, con la expansión de la exploración en alta mar, la aleación de monel comenzó a utilizarse en diversos componentes operativos. Su capacidad para resistir la fatiga mecánica y el desgaste, incluso bajo condiciones extremas de presión y temperatura, lo integraron de manera efectiva en los sistemas operativos más severos de la industria petrolera, consolidándose como un material necesario en el diseño de plataformas petroleras y refinerías. 

Aplicaciones estratégicas en la industria petrolera

Las propiedades presentes en las aleaciones de monel, lo hacen un material con múltiples ventajas y beneficios para ser utilizado en el sector petrolero, al igual que otros sectores industriales. De este modo, estamos ante un metal que se utiliza en:

• Equipos de perforación: Se emplea en herramientas y componentes, como risers de perforación, bombas de lodo, barrenas, válvulas y tuberías, resistiendo al desgaste, abrasión que están expuestos por los fluidos agresivos y condiciones extremas de presión y temperatura.
• Plataformas offshore: Utilizado en componentes expuestos al mar y cambios extremos de presión y temperatura, como válvulas, tuberías, sistemas de control, acoplamientos, cables de arrastre, componentes eléctricos, sistemas de monitoreo y equipos de procesamiento.
• Sistemas de transporte: Utilizado en tuberías que transportan crudo y gas, asegurando su resistencia a la corrosión y desgaste en ambientes marinos y offshore.
• Recubrimientos y revestimientos internos: Equipos como torres y columnas de destilación, tambores de separación y de tratamiento de gas, válvulas y bombas son revestidos internamente para protegerlos de gases ácidos y compuestos sulfurados, comunes durante el proceso de separación y refinación del petróleo.
• Cables y conexiones eléctricas: Proporciona resistencia a la corrosión en sistemas de monitoreo y control, especialmente en plataformas offshore y pozos de perforación.
• Intercambiadores de calor: En ocasiones son fabricados con este material por su resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes acuosos o en contacto con compuestos agresivos como los sulfuros; manteniendo su resistencia a altas temperaturas durante los procesos térmicos.
• Compresores y turbinas: Utilizado en componentes internos como rotores y palas de turbinas, debido a su capacidad para resistir la fatiga y la corrosión a altas temperaturas y presiones.

Monel 400 vs. Monel K-500 vs. Monel 500

Estas tres variantes de la aleación monel tienen características específicas que las hacen ideales para diferentes aplicaciones en la industria petrolera, adaptándose a necesidades de resistencia a la corrosión, dureza y resistencia a la tracción.

• Monel 400: Esta aleación contiene aproximadamente un 63% de níquel y entre un 28% y un 34% de cobre, con trazas de hierro, manganeso y silicio. El níquel proporciona a la aleación una alta estabilidad térmica y mecánica, mientras que el cobre le otorga una excelente resistencia a la corrosión, especialmente en ambientes marinos y en contacto con ácidos como el sulfúrico, fosfórico, clorhídrico y compuestos orgánicos. El monel 400 representa una opción estratégica para aplicaciones en las que los materiales están expuestos de manera continua al agua salina y otros agentes corrosivos, como en tuberías, bombas y válvulas.
• Monel K-500: Esta variante es una versión reforzada por precipitación del monel 400, obtenida mediante la adición de aluminio y titanio. Haciéndolo más temple con el envejecimiento, mejorando sus propiedades mecánicas, como la resistencia y la dureza. Además, es más resistente a las sales del agua de mar y los gases ácidos. Es especialmente utilizado en aplicaciones que requieren alta resistencia a la tracción, la fatiga y la corrosión, como en equipos y herramientas de perforación submarina, así como en componentes internos de bombas expuestas a condiciones extremas de presión y temperatura.

• Monel 500 (también conocido como 505): Esta aleación se distingue por su mayor resistencia a la abrasión y la erosión, lo cual, lo convierte en un material adecuado para aplicaciones en las que los metales están sujetos a desgaste constante. El monel 500 combina las propiedades de resistencia a la corrosión del monel 400 con una mayor resistencia mecánica, haciéndose apropiado para tuberías de transporte de crudo y gas, intercambiadores de calor y componentes de sistemas de separación.

Cada variante de la aleación monel se selecciona dependiendo de las exigencias específicas del entorno operativo y los requisitos de durabilidad, resistencia y rendimiento, asegurando la fiabilidad y seguridad en la industria petrolera.

Conclusión

El monel es un material estratégico en la industria del petróleo, debido a su capacidad excepcional, resistencia a la corrosión, durabilidad y capacidad para soportar condiciones extremas de temperatura y presión. Su uso en sistemas de extracción, transporte y refinación de petróleo ha demostrado ser una inversión rentable a largo plazo, reduciendo costos de mantenimiento y mejorando la eficiencia operativa. Debido a la resistencia en entornos de alta corrosividad, este material se mantendrá como un recurso estratégico en la industria petrolera. 

Referencias

1. https://www.metalstripsolutions.com/es/advantage-and-disadvantage-of-monel-alloy/ 
2. https://blog.goldsupplier.com/es/monel-metal-3/