LUÍS CARLOS RODRIGUES MELO
DESENVOLVIMENTO DE TUBO ARBL CONTENDO 1Cr 0,2Mo FABRICADO PELO PROCESSO ERW/HF DESTINADO À INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS
Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica na área de Materiais.
Orientador: Prof. Dr. Marcelino Pereira do Nascimento
M52 8d
Melo, Luis Carlos Rodrigues
Desenvolvimento de tubo ARBL contendo 1Cr 0,2Mo fabricado pelo processo ERW/HF destinado à indústria de petróleo e gás / Luis Carlos Rodrigues Melo – Guaratinguetá : [s.n], 2013.
135 f : il.
Bibliografia: f. 126-133
Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2013.
Orientador: Prof. Dr. Marcelino Pereira do Nascimento
1.Aço de alta resistência 2. Gás 3. Petróleo I. Título
unesp
UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA“JÚLIO DE MESQUITA FILHO” CAMPUS DE GUARATINGUETÁ
DESENVOLVIMENTO DE TUBO ARBL CONTENDO 1Cr 0,2Mo FABRICADO PELO PROCESSO ERW/HF DESTINADO À INDÚSTRIA DE PETRÓLEO E GÁS
LUÍS CARLOS RODRIGUES MELO
BANCA EXAMINADORA:
DADOS CURRICULARES
LUÍS CARLOS RODRIGUES MELO
NASCIMENTO 26.10.1979 – RIO DE JANEIRO / RJ FILIAÇÃO Antônio dos Prazeres Melo
Lídia da Purificação Rodrigues Melo
aos meus pais, Antônio e Lídia, pela dedicação e empenho na minha formação,
aos meus avós, Carlos e Dolores, pelo exemplo de perseverança e carinho,
aos meus irmãos, Claudio e Ana, pelo amor fraternal, e a minha amada noiva, por me ensinar que podemos muito mais da vida.
AGRADECIMENTOS
Agradeço em primeiro lugar a Deus, pela oportunidade de viver a jornada que me foi concedida por Ele.
Agradeço ao Sr. Wilson Rosa Cordeiro, que além de tutor da minha carreira profissional, contribui significativamente na minha formação como pessoa.
Agradeço a Apolo Tubulars, por acreditar que o investimento em pesquisa traz resultados para o negócio e com isso abrir as portas para o presente o trabalho.
Agradeço ao Fabrício Carneiro e Everaldo Caldeira, ambos Arcellor |Mittal, por acreditarem no projeto de desenvolvimento do presente trabalho e viabilizaram a fabricação do aço.
Agradeço ao meu orientador, Prof. Marcelino Pereira do Nascimento, pelo suporte e dedicação.
Agradeço ao Prof. Rogério da FEG/UNESP pelo empenho e suporte na aquisição das imagens de MEV.
Agradeço ao Prof. João Payão pela amizade e incentivo a pesquisa, em particular na contribuição técnica para o desenvolvimento do Aço Cr-Mo, soldagem e tratamento térmico.
Agradeço ao Marcus Vinícius pela incansável contribuição nos ataques químicos e aquisição das imagens de microscopia ótica.
Agradeço a toda equipe da Apolo Tubulars, pelo empenho e dedicação desde a fabricação dos tubos até os ensaios realizados.
“O desejo é a chave da motivação, mas a determinação e o compromisso de perseguir
incansavelmente seu objetivo que lhe permitirá obter o sucesso que busca.”
MELO, L. C. R. Desenvolvimento de tubo ARBL contendo 1Cr 0,2Mo fabricado pelo processo ERW/HF destinado à indústria de petróleo e gás: 2013. 135f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2013.
RESUMO
A proposta do presente trabalho é desenvolver tubos ARBL contendo 1%Cr e 0,2%Mo fabricados pelo processo ERW/HF segundo a norma API 5CT grau T95, sendo este grau originalmente desenvolvido para processos de fabricação de tubos “seamless”. Por conta disso, o presente trabalho possui um caráter inovador e o principal diferencial competitivo é o custo de fabricação aliado ao alto nível de qualidade no processo soldagem e posterior tratamento térmico de têmpera e revenimento. A composição química do aço foi pensada de tal forma a garantir as propriedades mecânicas pós tempera e revenimento pela adição de Mo, sendo este, o principal mecanismo de endurecimento, ou seja, a presença de martensita. Com isso, foi possível estabelecer níveis de 0,23%C e 0,49%Mn em massa. Adicionalmente, foi incorporado a liga níveis de 0,8%Cr a fim de garantir elevada resistência a corrosão na presença de CO2 para poços injetores. Foi utilizado o modelo de Hollomon para definir a temperatura de revenimento como função da propriedade mecânica desejada. Para caracterizar o tubo, foram realizados testes de tração, charpy, dureza, microdureza, microscopia ótica e MEV. A baixa variabilidade nas propriedades mecânicas mostra que o processo de tempera e revenimento foi estável, sendo este apto ao atendimento da norma API 5CT. A microscopia eletrônica de varredura identificou precipitados finos dispersos na matriz martensítica, sendo este, o mecanismo de endurecimento secundário que elevou a temperatura de revenimento conforme previsto pelo modelo de Hollomon. De face dos resultados concluímos que o tubo ARBL contendo Cr-Mo fabricado pelo processo ERW/HF atende aos requisitos da Norma API 5CT e com isso contribuirá significativamente no aumento de competividade na exploração de petróleo e gás.
Science in Mechanical Engineering).College of Engineering, Campus of Guaratinguetá, Sao Paulo State University, Guaratinguetá, 2013.
ABSTRACT
The purpose of this work is the development of HSLA tubes containing 1% Cr and 0.2 % Mo produced by the ERW/HF process according to standard API 5CT grade T95. These tubes were originally developed for "seamless" manufacturing processes. The present work has an innovative character and the main competitive advantage is the cost of manufacturing combined with the high level of quality in welding process and subsequent heat treatment of quenching and tempering. The chemical composition of the steel was designed in such a way to ensure the mechanical properties after quenching and tempering by adding Mo, this being the main hardenability mechanism, in other words, the presence of martensite . Thus, it was possible to establish levels of 0.23%C and 0.49% Mn by weight. Additionally, levels of 0.8%Cr were incorporated to ensure corrosion resistance in the presence of CO2 in injection wells. Hollomon model was used to set the tempering temperature as a function of the aim mechanical property. To characterize the tube, the follow tests were performed, tensile, Charpy, hardness, microhardness, optical microscopy and SEM. The low variability in the mechanical properties shows that the quench and tempering process was stable, which is able to meet the standard API 5CT. The scanning electron microscopy identified fine precipitates dispersed in a martensitic matrix, this being the mechanism of secondary hardening which raised the tempering temperature as provided by Hollomon model. In view of the results we conclude that the HSLA tube containing Cr - Mo manufactured by the process ERW / HF meets the requirements of Standard API 5CT and thereby contribute significantly in increasing competitiveness in the oil and gas exploration.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1- Mapa dos gasodutos no Brasil e da rede integrada com os países vizinhos da
América do Sul. ... 20
Figura 2-Uso per capita de aço bruto... 23
Figura 3-Meta de crescimento da produção de O&G divulgado pela Petrobras. ... 24
Figura 4-Último plano de negócios de 2010 a 2014 divulgado pela Petrobras. ... 25
Figura 5-Processos de fabricação do aço. ... 30
Figura 6-Relação entre limite de resistência e alongamento total dos vários tipos de aços. .... 31
Figura 7-Representação esquemática da influência qualitativa dos parâmetros da microestrutura bifásica sobre as propriedades mecânicas do material. ... 32
Figura 8- Mecanismos de endurecimento por ganho em propriedade mecânica ... 33
Figura 9-Diagrama de transformação por resfriamento contínuo do aço API 5L X70 ... 36
Figura 10-Curva TTT evidenciando o processo TMCP e as respectivas microestruturas resultantes. ... 37
Figura 11-Instalação de dutos pelo método S-Lay. ... 39
Figura 12-Instalação de dutos pelo método J-Lay. ... 39
Figura 13-Desenho esquemático da embarcação Apache ... 40
Figura 14-Sequência de testes no aparatus de simulação do método carretel ... 40
Figura 15-Abordagens metalúrgicas para mitigar sulfeto de hidrogênio em função do teor de H2S e pressão de serviço. ... 41
Figura 16-Hierarquia de medidas de mitigação para tubos em serviço “sour”. ... 42
Figura 17-Evolução dos graus do aço em função da profundidade máxima de perfuração. .... 44
Figura 18-Fotografia de 1950 evidenciando os pontos de “costura” no processo de fabricação de tubos soldados. ... 46
Figura 19-Representação do processo HFIW a partir de bobinas de indução ... 47
Figura 20- Representação do mecanismo de soldagem HFIW: (a) soldagem HFIW a partir de contatos; (b) soldagem HFIW a partir de bobinas de indução. ... 48
Figura 21- a) A esquerda, tem-se o fluxo de corrente a 60Hz por toda a seção do condutor. A direita tem-se o fluxo de corrente induzida por alta frequência na superfície do condutor (efeito de pele); b) tem-se o fluxo de corrente adjacente a lateral próxima dos tubos. ... 49
Figura 22-Perfil de distribuição do calor na seção longitudinal da borda ... 49
Figura 26-Diagrama de equilíbrio Fe-C ... 53
Figura 27-Diagrama TTT evidenciando a fração da transformação de austenita em perlita pelo tempo. ... 54
Figura 28- Diagrama de resfriamento contínuo para uma liga eutetóide, associado ao diagrama de transformação isotérmica. ... 55
Figura 29-Diagrama de resfriamento contínuo demonstrando a formação de diferentes tipos de estruturas. ... 56
Figura 30-Diagrama de transformação por resfriamento contínuo, onde observa-se os tratamentos térmicos mais usuais. ... 57
Figura 31-Regiões da ZAC de uma solda monopasse. ... 60
Figura 32-Dureza em função do percentual de carbono no aço para as microestruturas martensítica, ferrita-perlita e esferoidizada. ... 62
Figura 33-Sumário de estudos relacionando a dureza da martensita como função do teor de carbono. ... 63
Figura 34-Sequência de tubos processados no forno, com a respectiva rastreabilidade. ... 68
Figura 35 - Lay-out e rastreabilidade para retiradas dos CP´s. ... 69
Figura 36- Representação esquemática dos pirômetros na área de austenitização... 70
Figura 37- Representação esquemática dos pirômetros na área de revenimento ... 70
Figura 38- Espectrômetro usado para análise da composição química. ... 72
Figura 39-Preparação de CP para análise da composição química. ... 72
Figura 40-CP para análise da composição química. ... 73
Figura 41-Realização da análise de composição química. ... 73
Figura 42-Corpo de Prova Longitudinal ... 74
Figura 43-Corpo de Prova Longitudinal – Quadrantes ... 74
Figura 44-Máquina servo-hidráulica, modelo Kratos com capacidade de carga de até 100t. .. 75
Figura 45-Máquina de ensaio de impacto Charpy. ... 75
Figura 46-Esquema do corpo de prova para o ensaio Charpy. ... 76
Figura 47 - Corpos de Prova da amostra 2R para ensaio Charpy. ... 76
Figura 48- Corpos de Prova da amostra 4R para ensaio Charpy. ... 77
Figura 49-Corpos de Prova da amostra 7R para ensaio Charpy. ... 77
Figura 50-Durômetro Pantec RANS RS2004. ... 78
Figura 52-Microdurômetro empregado nos ensaios. ... 79
Figura 53 - Anel usinado para ensaio de Microdureza ... 80
Figura 54 - Corpo de Prova de Microdureza. ... 80
Figura 55 - Corpo de Prova embutido e polido para Microdureza. ... 81
Figura 56-Pontos de aplicação da carga para ensaio de Microdureza. ... 81
Figura 57-Impressão do penetrador no ensaio de Microdureza ... 81
Figura 58-Microscópio eletrônico de varredura - UNESP FEG... 86
Figura 59-Gráfico temperatura vs tempo do tratamento térmico de têmpera e revenimento para o aço de grau T95. ... 91
Figura 60 - Diagrama de Equilíbrio para o T95. ... 92
Figura 61- Efeito dos elementos de liga na temperatura eutetóide. ... 93
Figura 62-Diagrama de transformação tempo e temperatura para o aço de Grau T95. ... 94
Figura 63-Diagrama de resfriamento contínuo para o aço de Grau T95. ... 94
Figura 64- (a) CP de tração antes do ensaio, (b) CP de tração após ensaio ... 95
Figura 65-Resultados dos ensaios de tração longitudinal. ... 96
Figura 66-Média dos quadrantes: Limite de Escoamento. ... 97
Figura 67-Limite de Escoamento no 1o quadrante. ... 98
Figura 68-Limite de Escoamento no 2o quadrante. ... 98
Figura 69-Limite de Escoamento no 3o quadrante. ... 99
Figura 70-Limite de Escoamento no 4o quadrante. ... 99
Figura 71-Média dos quadrantes: Limite de Resistência... 100
Figura 72-Limite de Resistência no 1o quadrante. ... 101
Figura 73-Limite de Resistência no 2o quadrante. ... 101
Figura 74-Limite de Resistência no 3o quadrante. ... 102
Figura 75-Limite de Resistência no 4o quadrante. ... 102
Figura 76-Fratura dúctil do CP de tração. ... 103
Figura 77 - Ensaio de impacto Charpy para os corpos de prova ensaiados em diferentes temperaturas... 104
Figura 78-Resultados do ensaio de dureza na condição temperada. ... 105
Figura 79-Resultados do ensaio de dureza na condição temperada e revenida. ... 106
Figura 80-Resultados de Microdureza Vickers por corpo de prova ... 107
Figura 81-Resultados de Microdureza Vickers por posição de ensaio ... 107
LISTA DE TABELAS
Tabela 1-Reversas de minério de ferro por país. ... 22
Tabela 2-Projeção de investimentos na infraestrutura do país. ... 24
Tabela 3- Graus e propriedades mecânicas da Norma API 5CT. ... 43
Tabela 4-Graus e composição química da Norma API 5CT. ... 44
Tabela 5-Composição química do aço Apolo T95 e recomendado pela API 5CT. Valores em percentual da fração em massa por elemento. ... 67
Tabela 6-Definição de parâmetros operacionais da têmpera e revenimento para a produção de tubos API 5CT grau T95. ... 70
Tabela 7-Ensaios realizados com a respectiva norma de referência, dimensão da amostra e equipamento utilizado... 71
Tabela 8-Pré Carga e Carga para ensaio de Dureza Rockwell C. ... 78
Tabela 9-Resultados da Composição Química. Valores em percentual da fração em massa por elemento. ... 87
Tabela 10-Dados para tratamento térmico do Grau T95 ... 91
AHSS Advanced High Strength Steel API American Petroleum Institute ARBL Alta Resistencia e Baixa Liga
ASTM American Society for Testing and Materials BOF Basis Oxygen Furnace
DNV Det Norsk Veritas
ERW Electric Resistance Welding
EIA Energy Information Administration HFCW High Frequency Contact Welding HFIW High Frequency Induction Welding HSS High Strength Steel
ISO International Organization for Standardization IIW International Institute of Welding
LE Limite de Escoamento LR Limite de Resistencia
OCDE Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico NACE National Association of Corrosion Engineers
P&G Petróleo e Gás PM Partially Martensitic Q&T Quench & Temper Q&P Quench & Process SSC Sulfite Stress Cracking
TMCP Termomecanically Controled Process TRC Transformação por Resfriamento Contínuo TRIP Transformation Induced Plasticity
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... 11
LISTA DE TABELAS ... 15
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... 16
1 INTRODUÇÃO ... 19
1.1Setor de aço ... 21
1.2 Produção de aço no Brasil ... 22
1.3 Setor de P&G ... 23
1.4 Relevância ... 26
1.5 Objetivo ... 28
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 29
2.1 Evolução dos aços destinados à indústria de P&G ... 29
2.2 Desenvolvimentos e aplicações de aços de alta e ultra alta resistência e baixa liga ... 30
2.3 Requisitos de produtos segundo a norma API 5CT ... 42
2.4 Processo de soldagem pelo método ERW/HF ... 45
2.5 Princípios de metalurgia física ... 51
2.6 Características Microestruturais e Metalúrgicas das Juntas Soldadas... 57
2.7 Tratamento térmico de Têmpera e Revenimento do grau T95 ... 61
2.8 Caracterização Microestrutural ... 64
3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 67
3.1 Material utilizado ... 67
3.2 Tratamento Térmico dos tubos ... 67
3.3 Ensaios realizados ... 71
3.3.1 Composição Química ... 71
3.3.2 Tração ... 73
3.3.3 Impacto Charpy ... 75
3.3.4 Dureza ... 77
3.3.5 Microdureza... 79
3.3.6 Exames Metalográficos... 82
3.3.6.1 Preparação das Amostras ... 82
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 87
4.1 Composição Química ... 87
4.2 Tratamento Térmico dos Tubos ... 88
4.3 Tração ... 95
4.4 Impacto Charpy ... 103
4.5 Dureza ... 105
4.6 Microdureza ... 106
4.7. Análise Metalográfica ... 108
4.7.1 Microscopia óptica ... 108
4.7.2 Microscopia eletrônica de varredura ... 118
5 CONCLUSÕES ... 123
TRABALHOS FUTUROS ... 125
REFERÊNCIAS ... 126
ANEXO A – Tabela de Limite de Escoamento ... 134
1 INTRODUÇÃO
Apesar de todos os recentes desenvolvimentos e das novas políticas, o mundo não consegue ainda colocar o sistema global de energia numa trajetória mais sustentável. A procura mundial de energia cresce mais de um terço até 2035 no Cenário de Novas Políticas (o nosso cenário central), no qual a China, a Índia e o Oriente Médio representam 60% desse aumento. Nos 34 países da Organização para a Cooperação e Desenvolvimento Econômico (OECD) que aceita os princípios da democracia representativa e da economia de livre mercado, procura fornecer uma plataforma para comparar políticas econômicas, solucionar problemas comuns e coordenar políticas domésticas e internacionais, o aumento da procura de energia limpa é pouco significativo, embora se note uma transição vinculada na procura do petróleo, carvão e, em certos países, da energia nuclear para o gás natural e as energias renováveis (INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, 2012)
Apesar do crescimento das fontes de energia com baixas emissões de carbono, os combustíveis fósseis continuam a dominar a matriz energética global, apoiado por um total de 523 mil milhões de dólares de subsídios em 2011, quase 30% a mais que 2010 e seis vezes mais que os subsídios às fontes de energia renováveis. Segundo o último relatório World Energy Outlook (2012), emitido pela International Energy Agency (IEA), o valor dos
subsídios aos combustíveis fósseis aumentou devido à subida de preços do petróleo.
Para o transporte de petróleo ou gás até os centros consumidores são utilizados dutos de grandes proporções como linha principal com ramificações ao longo desta linha até os diferentes locais de consumo. Este método é mais econômico e conveniente para o transporte dos produtos petroquímicos (KYRIAKIDES, 2007). No caso em particular do gás natural, grandes pressões de trabalho devem ser empregadas nos dutos para aumentar a eficácia do transporte, já que o gás ocupa um volume bem maior do que um líquido como o óleo. O transporte até os consumidores é usualmente realizado por meio de dutos, assim os dutos principais desmembram-se em uma inúmera quantidade de dutos menores e ramais ao longo das zonas industriais e urbanas (KUSHIDA, 2002). A Figura 1 apresenta a rede de gasodutos que cobre o Brasil e interligações com os países da América do Sul.
Figura 1- Mapa dos gasodutos no Brasil e da rede integrada com os países vizinhos da América do Sul.
A malha brasileira de dutos é ainda muito menor do que as de outros países com territórios menores, como México, Argentina e Austrália. Ocupando a 16ª posição no ranking mundial, o Brasil tem uma malha dutoviária inferior até mesmo à de países com extensão territorial menor, como México (40 mil quilômetros), Argentina (38 mil) e Austrália (32 mil), e está distante dos mais de 400 mil quilômetros dos norte-americanos e dos 800 mil quilômetros de dutos existentes na União Europeia (MELO, 2010).
1.1Setor de aço
O marco do início da era moderna remete à Revolução Industrial, que se iniciou no Reino Unido em meados do século XVIII e expandiu-se pelo mundo a partir do século XIX, sendo estruturada pelo modelo metalomecânico, se tornando viável graças ao aço. Por meio das novas tecnologias desenvolvidas e invenções da época surgiram as máquinas a vapor, ferrovias, carros e outros, transformando assim a relação de trabalho, a forma de se transportar e assim surgindo o fenômeno da cultura de massa. Dentro desse contexto, as tecnologias siderúrgicas desempenharam um papel fundamental na transformação do mundo.
Hoje, o consumo de aço é considerado um dos indicadores do grau de desenvolvimento das nações, em função do papel dos produtos siderúrgicos no desenvolvimento e sustentação dos processos industriais. Na medida em que interage multilateralmente com praticamente todos os demais setores produtivos, a indústria siderúrgica exerce um efeito multiplicador na economia de um país. Considerando desta forma, que o aço constitui-se um instrumento para outros segmentos transformadores de matéria-prima, a indústria siderúrgica é denominada indústria de base (ALVES, 2006).
O fornecimento de produtos siderúrgicos para a indústria de petróleo e gás (P&G) é afetado por diferentes mercados. A começar pela própria oscilação do preço do minério de ferro, que hoje é dominado por poucas, mas gigantes corporações, tais como, Vale, Rio Tinto e BHPBilliton. Atualmente as siderúrgicas encontram-se numa posição muito desconfortável em se tratando da obtenção de matéria-prima, pois há décadas, algumas siderúrgicas decidiram vender suas reservas de minério de ferro e assim especializaram-se na fabricação do aço. Essa estratégia foi pautada na visão de que a extração de minério de ferro era uma
movimento anos mais tarde mostrou-se equivocado, pois o mercado se reorganizou criando poucos aglomerados gigantescos responsáveis pelas reservas mundiais de minério de ferro, controlando assim a relação entre demanda e oferta, gerando um aumento vertiginoso no preço do minério de ferro e consequentemente do aço.
As reservas mundiais de minério de ferro são da ordem de 170 bilhões de toneladas. A produção brasileira representou 14,2% da produção mundial, sendo Minas Gerais (69,1%) e Pará (27,7%) os principais estados produtores, conforme apresentado na Tabela 1. As reservas brasileiras totalizam 29,6 bilhões de toneladas (com um teor médio de 52,95% de ferro) e logo atrás a China com 23 bilhões. No entanto, a produção mundial é liderada pela China com mais de 1 bilhão e 200 milhões de toneladas (JESUS, 2012).
Tabela 1-Reversas de minério de ferro por país.
Fonte: (JESUS, 2012)
1.2 Produção de aço no Brasil
Figura 2-Uso per capita de aço bruto.
Fonte: (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2012)
O indicador de consumo de aço per capita reflete no crescimento econômico e social de uma nação em virtude dos investimentos realizados em infraestrutura, grandes obras e construções que por sua vez demandam grandes quantidades de aço da indústria de base. Ao mesmo tempo, a indústria siderúrgica fomenta o desenvolvimento de diferentes setores industriais de grande relevância, tais como a produção de máquinas e equipamentos, a indústria naval, a atividade petrolífera, o ramo de autopeças e automobilístico, o segmento de linha branca e a construção civil, dentre outros. Além disso, o estabelecimento e a manutenção de um parque siderúrgico bem estruturado são estratégicos para qualquer país, pois garantem independência econômica sobre um produto de base para o seu desenvolvimento.
A abundância de matéria-prima de boa qualidade e o destaque no cenário mundial, além do porte e da diversificação de seu parque industrial, demonstra que o Brasil tem vocação para a produção de aço e condições de ampliar sua inserção internacional nesse segmento.
1.3 Setor de P&G
Tabela 2, a projeção para o período de 2011 a 2014 é de R$380bilhões, um crescimento total de 54% de investimento na infraestrutura.
Tabela 2-Projeção de investimentos na infraestrutura do país.
Fonte: (PUG; JUNIOR, 2011)
O crescimento sustentável da economia do Brasil é impulsionado principalmente pela atuação da Petrobras, principal explorador de Petróleo e Gás do País, dentro e fora do Brasil. A Figura 3 apresenta a perspectiva de crescimento do setor de petróleo e gás. O último plano de negócios de 2010 a 2014 divulgado pela Petrobras apresenta investimentos na ordem de USD $224bi, onde 53% desse investimento destinam-se a exploração e produção de petróleo e gás, conforme apresentado na Figura 4.
Figura 3-Meta de crescimento da produção de O&G divulgado pela Petrobras.
Figura 4-Último plano de negócios de 2010 a 2014 divulgado pela Petrobras.
Fonte: (www.petrobras.com.br)
Hoje a Petrobras é responsável por mais de 50% das atividades de perfuração no mundo, sendo assim, a número um em atividades de perfuração de poços no mundo. A Petrobras, atualmente, conta com uma produção de 2.200 boe (mil barris de petróleo por dia) e previsão de alcançar em 2014 a marca de 3.400 boe (mil barris de petróleo por dia). A perspectiva para 2020 é de 5.400 boe (mil barris de petróleo por dia), representando um crescimento de 7,1% ao ano, conforme mostrado anteriormente na Figura 3. Atualmente, a Petrobras possui em torno de 1660 atividades de perfuração no Brasil, considerando onshore
(720) e offshore (940). Esses dados mostram que o setor de exploração e produção de óleo e
gás vai não apenas manter o ritmo de hoje, mas ampliar as atividades exploratórias.
A economia mundial no segmento P&G vem se modificando de forma dinâmica, uma vez que a elevada produção desses recursos naturais tem exigido ações cada vez mais especializadas, gerando significativos avanços científicos e tecnológicos.
sofisticados instrumentos, fazer uma radiografia do subsolo, que traz valiosos dados, e permitem a escolha das melhores situações para a existência de um campo petrolífero. Depois de concluídos os estudos que caracterizam a fase de prospecção, inicia-se a perfuração de um poço pioneiro. É a única maneira de se ter a certeza da existência do petróleo. Se a perfuração for positiva, fazem-se estudos de avaliação e de viabilidade econômica da exploração, em caso negativo, ela contribui com novos dados para outras perfurações.
Encontrar petróleo não é suficiente. É preciso saber se é uma jazida comercial ou se apenas indícios de petróleo. Começam então os testes de avaliação da descoberta que incluem análises de amostras das rochas, perfis elétricos e testes de formação e produção.
1.4 Relevância
As tubulações marcam um papel fundamental na produção de óleo e gás. São por meio das tubulações que se realizam as atividades de perfuração e produção. Uma coluna de revestimento é constituída por diversos tubos de aço unidos por conectores ou luvas especiais, descidos num poço de petróleo, com a função básica de sustentar as formações do poço geradas pela broca, após a perfuração. As principais funções da coluna de revestimento são: evitar desmoronamento do poço, evitar contaminação de aquíferos, confinar a produção no interior do poço, controlar pressões no poço, permitir instalação dos equipamentos de superfície e isolar intervalos portadores de fluidos diferentes (CORDEIRO, 2009, 2010, 2012).
Conforme apresentado por Cordeiro (2010), a fabricação de tubos para a exploração de petróleo e gás utiliza aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) e aços microligados. Os tubos podem ser fabricados por dois métodos: laminados (seamless) e soldados (ERW, Electric Resistance Welding), ambos atendendo as especificações da norma API 5CT. Os
tubos são classificados como Tubing (tubos de produção) ou Casing (tubos de revestimento).
Os Tubings são utilizados para produção de óleo e gás, para injeção de fluidos para aumento
da produção ou para realizar intervenções no poço. Os Casing são responsáveis pelo
revestimento do poço, evitando desmoronamentos e contaminação de aquíferos.
soldagem por indução em alta frequência. Isto se deve principalmente pelo aumento significativo da frequência de soldagem, obtendo uma solda contínua e regular.
Os tubos fabricados pelo processo de soldagem por resistência elétrica/indução em alta frequência ERW/HF (Eletric Resistance Welding/ High-Frequency Induction Welding) têm
desempenhado um papel determinante no setor de petróleo e gás em diversas aplicações de condução, produção e exploração de petróleo e gás, em condições de águas profundas, em altas e extremamente baixas temperaturas, em condições de alta pressão e em ambientes altamente corrosivos, substituindo gradualmente os fabricados por outros processos (CORDEIRO, 2012).
Isto se deve ao grande avanço na qualidade dos aços laminados a quente e principalmente pelas novas tecnologias de soldagem de tubos (ERW/HF) que juntos são capazes de fornecer um produto de alto grau de tecnologia a custos operacionais e de produção inferiores a manufatura de tubos fabricados por outros processos. Por ser um processo contínuo, totalmente monitorado e com altos índices de qualidade, o processo ERW/HF é reconhecidamente mais eficiente e econômico que outros processos de fabricação de tubos (CORDEIRO, 2012).
Segundo relatório publicado pelo Preston Pipe & Tube Report, Vol. 29 No. 01 (2011), em 2009 os tubos soldados ocuparam uma participação de 30,6% do mercado de tubos de revestimento e produção nos EUA e Canadá frente aos 69,4% dos tubos sem costura. Nessa mesma condição, no ano de 2010 a participação dos tubos soldados foi de 48,3% frente aos 51,7% dos tubos sem costura, demonstrando a forte participação dos tubos soldados pelo processo ERWno mercado de Petróleo e Gás. No segmento de condução a atuação dos tubos soldados é esmagadora representando mais de 90% de participação frente aos tubos sem costura, em função da baixa ovalização e possibilidade de oferta em comprimentos maiores reduzindo de forma expressiva o número de soldas circunferenciais e pelo aumento da velocidade dessa operação em campo.
torna-se uma tarefa não trivial, envolvendo toda a cadeia de suprimento, desde o fornecedor de aço até o usuário final, onde os principais desafios são (CORDEIRO, 2009):
• Garantir estreitas faixas de propriedades mecânicas nos tubos;
• Garantir a qualidade do aço, que deve possui um baixo nível de inclusões e impurezas especialmente enxofre (S), fósforo (P) e até mesmo nitrogênio e oxigênio (N, O);
• Produzir juntas soldadas (no caso de tubos ERW) homogêneas em relação ao metal base;
• Garantir as características dimensionais e geométricas para oferecer homogeneidade aos tubos acabados.
1.5 Objetivo
Este trabalho tem como objetivo desenvolver e caracterizar tubos de aço ARBL contendo 1Cr e 0,2Mo no grau API 5CT T95 fabricados pelo processo ERW/HF utilizados na exploração e produção de petróleo e gás
O trabalho se divide em duas partes, a seguir:
i) Análise dos resultados dos ensaios recomendados na API 5CT para o grau T95.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Evolução dos aços destinados à indústria de P&G
Na década de 1960 os aços estruturais eram produzidos a base de carbono e manganês (C-Mn), onde o processo Saints-Martin era usado em larga escala. Em seguida esses aços
eram produzidos pelo processo de laminação a quente e normalizados posteriormente, visando uma microestrutura composta de finas lamelas de ferrita, perlita e grãos maiores de ferrita pré-eutetóide. Geralmente, utilizavam-se de dois mecanismos para aumento da resistência mecânica, ora pela adição de C-Mn e ora por meio de tratamentos térmicos após laminação. Com isso, a tenacidade e soldabilidade eram afetadas significativamente, principalmente pela presença de uma microestrutura de grãos grosseiros e elevados valores de carbono equivalente. A partir da década de 1970, começou a surgir uma demanda crescente pelo desenvolvimento de novos aços que atendessem as condições de serviço, impulsionadas pela alta produtividade exigida e pela exploração de óleo com altos níveis de H2S e CO2 (YSHII, 2007; SOUZA, 2008).
Nos dias de hoje, mais de 90% da produção de aço no mundo é realizada pelo processo de lingotamento contínuo (DVORKIN, 2003). No último relatório emitido pela Aço Brasil (2012), com referência ao ano de 2011, o Brasil produziu 97% do aço pelo processo de lingotamento contínuo, representando mais de 34 milhões de toneladas de aço. Quanto ao processo de fabricação, em 2011, um pouco mais de 26 milhões de toneladas de aço foram produzidas pelo método de Oxigênio (BOF - Basic Oxygen Furnace), enquanto que pelo
Figura 5-Processos de fabricação do aço.
Fonte: (METALS HANDBOOK, 1990).
2.2 Desenvolvimentos e aplicações de aços de alta e ultra alta resistência e baixa liga
Atualmente, a literatura usa intervalos definidos para categorizar diferentes níveis de resistência mecânica do aço. Os aços de alta resistência (HSS) são aqueles com limite de escoamento entre 210-550 MPa e resistência mecânica entre 270-700 MPa, enquanto que os aços avançados de alta resistência (AHSS) possuem limite de escoamento superior a 550 MPa e a resistência mecânica superior a 700 MPa (WORLD AUTO STEEL, 2013).
O desenvolvimento contínuo de aços de alta resistência vem acompanhar as crescentes demandas por consumo de petróleo e gás. De um lado, a pesquisa por aços de alta resistência atende os desafios de prospecção e produção de petróleo e gás, por outro lado, o progressivo incremento na resistência mecânica reduz a massa dos veículos e com isso reduz o consumo de combustíveis fósseis. Contudo, há casos em que um aumento da resistência leva à redução da conformabilidade do material, da tenacidade, da soldabilidade, entre outras propriedades, afetando a aplicabilidade (CORDEIRO, 2009). A solução para esse impasse foi o desenvolvimento de efeitos microestruturais complexos para conciliar, tanto quanto possível, essas características aparentemente contraditórias (GORNI, 2008).
produzir as propriedades mecânicas desejadas. Alguns tipos de aços AHSS têm uma maior capacidade de encruamento, resultando num saldo de resistência e ductilidade superiores aos aços convencionais. Outros tipos têm ultra-alto limite de escoamento e limite de resistência e mostram um comportamento de endurecimento a quente. Cada aço é identificado pelo tipo metalúrgico, limite de escoamento (em MPa) e limite de resistência (em MPa). Como um exemplo, o DP 500/800 significa um aço bifásico, com 500 MPa e tensão limite de resistência de 800 MPa. A Figura 6 permite comparar as características de resistência mecânica e ductilidade dos aço HSS e AHSS. Como pode-se observar, o aumento do nível de resistência mecânica leva quase que inevitavelmente à redução de seu alongamento total, ou seja, de sua ductilidade e tenacidade. O desafio metalúrgico é manter elevados níveis de resistência mecânica sem perdas significativas na ductilidade, sendo este desafio possível pela formação adequada de microestruturas que permitem isso.
Figura 6-Relação entre limite de resistência e alongamento total dos vários tipos de aços.
Fonte: (WORLD AUTO STEEL, 2013).
A Figura 7 apresenta o efeito dos vários parâmetros microestruturais sobre as propriedades mecânicas do aço bifásico (GORNI, 2008). No caso dos aços ferríticos com baixo C a relação entre propriedade mecânica e microestrutura são relativamente simples, pois caracteriza-se apenas pelo tamanho e forma dos grãos. Entretanto, aços bifásico, multifásico e martensíticos são mais complexos no tocante a contribuição quantitativa de cada mecanismo de endurecimento e a microestrutura presente. A equação de Hall-Petch expressa a relação entre o limite de escoamento e o tamanho de grão, onde dois modelos foram usados para explicar essa relação. O primeiro é baseado no conceito de que o contorno de grão atua como barreira à movimentação das discordâncias. O segundo modelo está relacionado à densidade de discordâncias e consequentemente ao limite de escoamento. Assim o contorno de grão é
Elonga
çã
o tot
al (%
)
uma fonte de discordâncias e defeitos e por isso quanto menor o tamanho do grão maior será à densidade de discordâncias no material (DIETER, 1981). Entretanto, para aços bifásico a equação de Hall-Petch é ligeiramente diferente, pois o caminho livre médio disponível para a migração das discordâncias é delimitado pelos contornos ferrita-martensita, e não mais pelos contornos de grão ferríticos. Assim sendo, a equação de Hall-Petch continua válida, só que o valor do tamanho de grão deve ser substituído pela distância livre ferrítica média (GORNI, 1992).
Figura 7-Representação esquemática da influência qualitativa dos parâmetros da microestrutura bifásica sobre as propriedades mecânicas do material.
Fonte: (GORNI, 1992).
Ainda na Figura 6, tem-se os aços martensíticos mais à direita e abaixo no gráfico, também conhecidos por MART (de Martensitic). São aços com microestrutura constituída
barras contra impactos laterais. No segmento de tubulações, esses aços são usados na exploração de óleo e gás em poços profundos, onde a resistência mecânica é o principal fator na seleção de materiais para essa aplicação, quando não considerado os ambientes corrosivos (API 5CT, 2012). Conforme já comentado, a microestrutura desses aços também pode conter outros constituintes, tais como martensita auto-temperada, bainita, ferrita acicular e/ou austenita retida; por esse motivo, algumas de suas variantes são designadas pela expressão parcialmente martensítica (PM - Partially Martensitic). A martensita desse aço apresenta
morfologia em ripas, já que o teor de carbono do material encontra-se abaixo de 0,2%. O principal mecanismo de endurecimento nos aços MART é dado pela contribuição da martensita, sendo assim, o nível de resistência desse material pode ser ajustado pelo teor de carbono, em função do efeito da solução sólida deste elemento. As demais fases presentes na microestrutura são usadas para um ajuste fino das características mecânicas (GORNI, 2008)
As propriedades mecânicas dos aços ARBL são resultantes da interação entre os diferentes mecanismos de endurecimento envolvidos. A resistência mecânica dos aços é oriunda do somatório e interação dos seguintes principais mecanismos de endurecimento, conforme Figura 8:
– Presença de segunda fase (perlita, bainita, martensita); – Presença de precipitação (NbCN, TiCN, VCN)
– Solução sólida (Mn, Si, Cu, Cr); – Tamanho de grão ferrítico (d);
Figura 8- Mecanismos de endurecimento por ganho em propriedade mecânica
Fonte: (KRAUSS, 1989)
Laminado
L
imi
te
de
Esc
oa
me
nto (
MPa)
Normalizado Perlita
Cada mecanismo de endurecimento, Figura 8, tem a sua atuação bem definida sob certas circunstâncias, por exemplo, o refino de grão ferrítico é favorecido pela precipitação de carbonitretos durante o processamento termomecânico industrial (GALLEGO, 2005). O endurecimento por precipitação é um mecanismo extensivamente explorado nesses materiais, no qual as partículas bloqueiam, total ou parcialmente, a movimentação de discordâncias (DIETER, 1981). Deste modo, esperam-se significativos aumentos de resistência mecânica com a formação de carbonitretos durante ou após a transformação da austenita para ferrita. Segundo Gallego (2005) o mecanismo de endurecimento mais efetivo nos aços microligados ao Vanádio foi o refino do tamanho de grão ferrítico, favorecido pela não recristalização da austenita durante o processamento termomecânico.
A laminação termomecânica reduz o tamanho de grão da ferrita, sendo este, o único método para aumentar a resistência mecânica e tenacidade simultaneamente. Com a redução de quantidade de perlita, a resistência mecânica é afetada, entretanto, outros mecanismos de endurecimento podem compensar essa redução da resistência mecânica, como a precipitação e aumento da densidade de discordâncias (REED-HILL, 1994). A redução da quantidade de perlita, refino de grão, endurecimento por precipitação e o endurecimento pelo aumento da densidade de discordâncias contribuíram individualmente ou combinados para o desenvolvimento dos aços API X65 e API X70, melhorando também a soldabilidade e a temperatura de transição dúctil-frágil (REEPMEYER, 2003)
combinar-se com o N em relativamente altas temperaturas. O TiN então permanece em altas temperaturas durante o reaquecimento e previne danos à tenacidade, como consequência da menor quantidade de N livre (o efeito do N livre é particularmente importante em relação à tenacidade na zona afetada pelo calor da solda). Na temperatura final de laminação, o Nb em solução sólida é disponibilizado à formação de precipitados de carbonetos de Nb, favorecendo o aumento da resistência mecânica via endurecimento por precipitação.
A melhora na soldabilidade dos aços também é obtida com a substituição de C por Mn. Uma maior taxa de Mn/C direciona à melhor tenacidade em igual resistência mecânica. Consequentemente, o Mn é o elemento mais comumente utilizado no fortalecimento em solução sólida adicionado ao aço ARBL. Entretanto, Gray (2012) mostra que em ambientes propícios ao trincamento induzido pelo hidrogênio o conteúdo de Mn deve ser limitado, a fim de evitar a formação de microestruturas frágeis. Nos ambientes corrosivos, os aços sofreram modificações desde a redução de teores de carbono, o enxofre foi reduzido para <0,0020 por cento, limpeza interna do aço melhorada e até o uso de ligas com cromo e cobre tornou-se comum. Além disso, controle das bandas de perlita e segregação de fósforo foram acoplados com as melhores práticas de lingotamento contínuo e os aços tornaram-se altamente resistente à trinca por hidrogênio. Os recentes estudos apontam para aços com ultra baixo teor de manganês (<0,30%) mais tolerantes ao teor de enxofre residual (GRAY, 2012).
Para a compreensão dos mecanismos de endurecimento nesses aços, controle das propriedades mecânicas e soldabilidade é necessário realizar caracterização microestrutural. Para prever a microestrutura resultante após o resfriamento a uma determinada taxa de resfriamento utilizam-se diagramas de transformação por resfriamento contínuo (TRC), Figura 9, adequando à microestrutura obtida no processamento (laminação a quente, conformação, soldagem, tratamento térmico, outros) com os requisitos exigidos nas normas API (American Petroleum Institute), voltadas para os produtos usados na produção e
Figura 9-Diagrama de transformação por resfriamento contínuo do aço API 5L X70
Fonte: (STECALC, 2013)
Em função das condições severas na utilização das tubulações durante a produção e condução de P&G, pode-se afirmar que esses materiais passam pelos processos de fabricação mais rigorosos encontrados no mercado de tubos de aço carbono. O processo de fabricação dos aços passou por grandes avanços tecnológicos, em especial os aços microligados, contribuindo com a exploração de petróleo economicamente viável em profundidades cada vez mais imponentes e ambientes altamente corrosivos (OGATA, 2008).
Aliado ao uso de ARBL, utiliza-se o Thermo-mechanical Controlled-Process (TMCP),
com o objetivo de aliar custos competitivos a aços de alta qualidade. Assim alguns os parâmetros são garantidos, tais como:
composição química,
processo de reaquecimento de placas, desbaste e acabamento,
deformação de laminação,
taxa de resfriamento da tira,
temperatura de bobinamento
Esses parâmetros são importantes para maximizar os efeitos do Nb, V e Ti no tamanho de grão, endurecimento por precipitação e transformação de fase.
Geralmente os aços ARBL contêm elementos de liga, tais como, Nb, Ti e V. O papel de nióbio é para controlar o tamanho de grão austenítico-γ, aumentar a temperatura de não recristalização da austenita-γ e reduzir a temperatura de transformação da austenita em ferrita. O titânio é adicionado para combinar com nitrogênio para formar o precipitado TiN, que é responsável por controlar o crescimento dos grãos de austenita. O vanádio é usado para endurecer por precipitação, com o V (N, C), durante e após a transformação da austenita em ferrita. (GORNI, 1992)
Os parâmetros do TMCP são responsáveis por determinar a microestrutura final do material final, que irá definir as respectivas propriedades mecânicas. Para a fabricação de uma bobina com alta resistência e alta tenacidade a baixas temperaturas no aço microligado ao Nb-Ti-V (ARBL), será necessário obter a estrutura ferrita-perlita refinada (LIU, 2005). Por esta razão, o TMCP controla de forma rígida diversas condições do processo, tanto no re-aquecimento da placa quanto no bobinamento a quente, conforme pode ser visto na Figura 10.
Figura 10-Curva TTT evidenciando o processo TMCP e as respectivas microestruturas resultantes.
A laminação de desbaste ocorre com altas taxas de redução na faixa de temperaturas onde a austenita é recristalizada. Já na laminação de acabamento as taxas de redução também são elevadas, entretanto, ocorre a faixas de temperaturas de não recristalização da austenita.
As condições logísticas e operacionais para a exploração de P&G vêm se tornando cada vez mais desafiadoras e aliadas a ambientes altamente corrosivos encontrados atualmente nos poços de produção no Brasil, assim como a viabilidade econômica para produção de petróleo e gás em regiões e condições anteriormente inviáveis, impulsionam toda a cadeia de suprimento deste segmento no desenvolvimento de tecnologias competitivas, de rápida aplicação operacional e com conteúdo nacional. A partir deste prisma, os requisitos exigidos na indústria de petróleo e gás serão uma função da aplicação e das condições atuais de operação. As propriedades, por exemplo, de tubos usados para transporte de petróleo dentro das refinarias de processamento, devem atender a alta ductilidade, alta resistência mecânica, alta tenacidade, alta resistência à corrosão, boa resistência a trabalho a quente e boa soldabilidade (KYRIAKIDES, 2007). Para tubos usados no mar para transporte de fluidos (petróleo, água do mar, etc), também chamados de risers, outra propriedade entra em questão,
o colapso, que são influenciados pelas propriedades físicas do material, ovalisação, excentricidade, tensão residual e razão entre diâmetro e espessura (D/t) (MEHDIZADEH, 1974; CLINEDINST, 1985).
No caso de lançamentos de tubos no mar, para operações Offshore, vários métodos
foram desenvolvidos nos últimos 20 anos para atender as demandas de prazo, custo e atendimento aos requisitos segundo a DNV – OSF101 (BOTO, 2004). Dependendo das características do local de instalação e do método de lançamento escolhido, diferentes unidades flutuantes de lançamento são utilizadas. Semi-submersíveis apresentam excelente estabilidade em condições ruins de mar (NETTO, 2004). Navios e balsas também são utilizados, porém são restritos a ondas calmas. Essas embarcações são verdadeiras fábricas flutuantes capazes de realizar soldagem e inspeção de juntas soldadas e instalar o duto, com precisão, no leito marinho, e os lançamentos podem ser do tipo S-Lay ou J-Lay, conforme figuras 11 e 12, respectivamente. Já os navios de lançamento conhecidos como reel-ships são
equipados com um carretel onde os dutos são enrolados e conduzidos até o local da instalação. Durante a operação de reboque a flutuabilidade do duto é controlada e, no local de instalação, o duto é alagado e, no caso dos risers verticalizado (PASQUALINO, 2004;
Figura 11-Instalação de dutos pelo método S-Lay.
Fonte: (NETTO, 2004).
Figura 12-Instalação de dutos pelo método J-Lay.
Fonte: (NETTO, 2004).
Com a crescente demanda de competividade no mercado Offshore foi desenvolvido um
método de lançamento de dutos no mar visando um aumento no desempenho operacional e econômico, chamado método carretel. O processo convencional de lançamento de dutos é extremamente oneroso em função do tempo de soldagem, revestimento e inspeção que é realizado com a embarcação em auto-mar. O método carretel consiste na soldagem,
revestimento e inspeção do duto em terra. Em seguida a linha é “enrolada” em um tambor
com superfície circular rígida situada na embarcação, conforme Figura 13.
Estação de soldagem e revestimento
Tubulação em formato S.
Nível do fundo do mar Barco de Lançamento
Barco de Lançamento
Estação de soldagem e revestimento
Estoque de tubos Torre de suporte
Tubulação em formato J.
Ponto onde a tubulação encontra o fundo do mar
Figura 13-Desenho esquemático da embarcação Apache
Fonte: (NETTO, 2004).
Para lançamentos de risers pelo processo reeling, gera-se uma deformação plástica
superior a 2% conforme estabelecido na DNV OS F101. Após a aplicação de deformação plástica a ovalizacão dos dutos na condição como fabricado não se torna mais determinante na pressão de colapso, pois a partir deste ponto a ovalização introduzida pela deformação plástica durante o dobramento no carretel é máxima e assim contribuindo significativamente no detrimento da pressão de colapso do tubo após reeling. Por outro lado, a excentricidade
não é considerada relevante no estudo (DVORKIN, 2003). Vários estudos foram realizados a fim de caracterizar e prever o comportamento dos dutos sob o efeito da deformação plástica no processo de instalação em carretel. O estudo do comportamento dos dutos sob deformação plástica é de grande relevância e por isso aparatus, Figura 14, foram construídos a fim de avaliar o comportamento dos dutos sob deformação plástica.
Figura 14-Sequência de testes no aparatus de simulação do método carretel
Fonte: (Cortesia LTS/Coppe)
Na esfera dos fenômenos químicos, em particular, em corrosão, observa-se uma corrida na busca por novas tecnologias de aciaria e laminação, devido à procura de tubos de condução e produção de óleo e gás adequados a utilização em ambientes muito severos. A aplicabilidade de contramedidas para neutralizar o CO2 em ambientes corrosivos contendo H2S é mostrada na Figura 15 como uma função da concentração de H2S e pressão de serviço.
Figura 15-Abordagens metalúrgicas para mitigar sulfeto de hidrogênio em função do teor de H2S e pressão de serviço.
Fonte: (GRAY, 2012).
Gray (1996) apresenta a hierarquia mais completa das medidas de atenuação, conforme visto na figura 16. A redução da dureza é a primeira linha de defesa para impedir a corrosão por sulfide stress cracking (SSC). Em concentrações mais elevadas de H2S entra em regime a corrosão por hydrogen induced stepwise cracking (HIC), conforme mostrado na figura 15
(GRAY, 2012). A prática da indústria é a utilização de níveis de enxofre reduzidos (<0,005%) para aplicações moderadamente ácidas (pH 5,2 ou condições de teste na Solução B da NACE TM0177-96) e menos de 0,0020% de enxofre quando a Solução A da NACE TM0177-96 é especificada. Além disso, adição de elementos para controle das inclusões, como o cálcio, evita a formação de sulfetos alongados (NEJIHACHI et al., 1988). Simultaneamente teores de
Concentração de H2S no gás “sour”(vol. %)
P
ress
ão
d
e
ser
viço
(atm
manganês são normalmente reduzidos a menos de 1,20% em massa, para reduzir a segregação central.
Figura 16-Hierarquia de medidas de mitigação para tubos em serviço “sour”.
Fonte: (GRAY, 2012)
2.3 Requisitos de produtos segundo a norma API 5CT
A demanda por produtos tubulares para o setor energético aumenta com a descoberta de novos campos de petróleo, onde a utilização de produtos certificados por entidades
Me
lhora
de
d
ese
mpenho
Aume
nto de se
ve
rida
de
e
m ser
reconhecidas internacionalmente, como a API, colabora para confiabilidade e sucesso das operações. Produtos certificados pela API 5CT demandam que os processos especiais sejam padronizados pelo fabricante de um modo que garanta a sua qualidade. Para isto, os processos especiais devem possuir um certificado de qualificação.
Os avanços tecnológicos demonstram que é possível operar de forma segura em ambientes corrosivos, utilizando materiais com elevado nível de confiabilidade. Uma das variáveis atuante nestes meios é a dureza do material, sendo este um requisito de rigoroso controle nos produtos destinados a operações em meios altamente corrosivos. A ação combinada entre tensão e corrosão na presença de água e H2S pode gerar a fragilização do metal pelo invasão do hidrogênio atômico, que está disponível no meio em contato com a superfície metálica, conforme apresentado na NACE MR0175. Para evitar a nucleação de trincas por hidrogênio, os materiais são rigorosamente controlados pela limitação máxima de dureza, evitando assim a difusão do hidrogênio para as regiões de alta concentração de tensão. A norma API 5CT descreve os graus dos tubos de revestimento e produção por meio de letras e números associados com o grau de resistência mecânica requisitada para seu uso, conforme apresentado pela tabela 3.
Tabela 4-Graus e composição química da Norma API 5CT.
A escolha do grau dos tubos, por conseguinte, a resistência mecânica, é diretamente proporcional à profundidade de operação nos poços petrolíferos, pois além de serem capazes de suportar as tensões inerentes do meio, também devem suportar o próprio peso da coluna de tubos. Conforme apresentado na Tabela 3, nota-se os principais tipos de graus conforme norma API 5CT. Em seguida, na Tabela 4, é evidenciado a composição química em função do grau. Nota-se que a norma é abrangente quanto a participação em massa de cada elemento químico, sendo assim, os fabricantes desenvolvem os graus conforme experiência e processos de fabricação próprios de cada empresa. O nível de resistência dos tubos OCTG tem aumentado progressivamente, dos graus H40 e J55 para os graus N80 e P110, estes últimos com resistências acima de 560MPa e tratados termicamente à medida que os poços tornam-se cada vez mais profundos, conforme ilustrado pela Figura 17.
Figura 17-Evolução dos graus do aço em função da profundidade máxima de perfuração.
Tubos sem costura são os principais produtos utilizados para estas aplicações, devido à sua confiabilidade. Porém os tubos soldados por resistência elétrica têm ganhado terreno, inicialmente pelos graus mais baixos, tais como os graus H40 e J55, à medida que a tecnologia de soldagem vem progredindo assim como o processo de fabricação dos aços. Com o incremento do consumo e do preço do óleo e gás, juntamente com a escassez de algumas reservas, também têm aumentado o aproveitamento dos poços já existentes e a exploração de novas reservas, tornando mais usual a exploração de reservas contendo H2S e CO2. Estes dois gases causam corrosão localizada e fragilização (SSC - Sulfite Stress Cracking) especialmente
na presença de umidade, característica encontrada nos tubos de produção (tubing). Tubos de
aço carbono e aço baixa liga são adequados para a aplicação em ambientes com baixa quantidades de CO2 e podem ser utilizados tanto para ambientes com ou sem H2S, sendo que no primeiro caso o ambiente é considerado “sour”(“azedo”). Porém tubos com cromo devem ser utilizados em ambientes com CO2. No caso de ambientes com presença simultânea de H2S e CO2 tornam-se necessários tubos produzidos com aços mais elaborados (NOSE et al, 1999; POPPERLING et al, 1999).
2.4 Processo de soldagem pelo método ERW/HF
O processo ERW é um dos mais extensivamente usados para fabricação de tubos de aço carbono destinados à indústria de óleo e gás, tanto nas aplicações de condução, quanto nas aplicações de perfuração e produção de óleo e gás (PRESTON PIPE REPORT, 2011).
Na década de 1950 os tubos fabricados pelo processo ERW utilizavam frequências na ordem de 150Hz (150 ciclos por segundo) para induzir corrente elétrica e aquecer a borda por efeito Joule. Em seguida as bordas eram pressionadas uma contra a outra unindo-se sem
material de adição. O resultado dessa solda é apresentado na Figura 18, onde os pontos de pico da corrente, ou seja, o comprimento da onda pode ser observado na borda após soldagem em função também da velocidade de soldagem. Por conta disso, popularmente foi introduzido
Figura 18-Fotografia de 1950 evidenciando os pontos de “costura” no processo de fabricação de tubos soldados.
Fonte: (Cortesia Apolo Tubulars)
Entretanto, atualmente o processo de soldagem chamado ERW/HF, soldagem por resistência elétrica em alta frequência, emprega frequências de soldagem de 200 a 600kHz e potência de 50 a 1500kW (RUDNEV, 2003). Essas frequências são responsáveis por comprimentos de onda na ordem de 0,001mm. O processo é contínuo e subsequente à soldagem aplica-se um tratamento térmico de recozimento na linha da solda (KYRIAKIDES, 2007).
Podemos acompanhar os avanços no campo da soldagem de tubos através das siglas inglesas, descrevendo assim cada nova geração de tecnologia aplicada: Começou então pelo processo ERW, em que a corrente elétrica de baixa frequência era transmitida por contato através de rodas de cobre, uma em cada borda do tubo, com velocidades dificilmente superiores a um dígito de metro por minuto, e assim permaneceu o nome do processo mundialmente conhecido; em seguida apareceu o processo HFCW – “high frequency contact welding” – com o desenvolvimento dos geradores de alta frequência, as rodas de contato
Figura 19, atingindo velocidades de centenas de metros por minuto, tornando o processo altamente produtivo e de qualidade (SCOTT, 2004)
Figura 19-Representação do processo HFIW a partir de bobinas de indução
Fonte: (Cortesia Apolo Tubulars)
Dentre os atuais geradores de potência para soldas HFIW, duas tecnologias são
empregadas: os “valvulados” baseados em sistemas oscilantes (triodo) e os transistorizados.
Tão importante quanto a frequência em si é a tecnologia empregada, que definirá a frequência para cada aplicação, de modo a obter uma junta soldada de ótima qualidade. Para aplicações de tubos aço carbono soldados com espessuras na faixa de 3 a 12 mm, a frequência indicada é de 200 a 300 KHz (RUDNEV, 2003). Outros aspectos também são importantes para a
obtenção de um produto de qualidade: o “impeder” (núcleo de ferrita com altíssima permeabilidade magnética) e a bobina de indução com seus respectivos sistemas de refrigeração e posicionamento em relação aos rolos de soldagem e formação (NICHOLS, 1999).
O processo resume-se em induzir corrente elétrica de alta frequência às bordas de um
Figura 20- Representação do mecanismo de soldagem HFIW: (a) soldagem HFIW a partir de contatos; (b) soldagem HFIW a partir de bobinas de indução.
.
Fonte: (NICHOLS, 1999).
Observam-se dois efeitos no uso da radiofrequência: O efeito de pele, ou seja, quanto maior a frequência menor a penetração da corrente elétrica em um condutor e efeito de proximidade, ou seja, a corrente elétrica que passa por um condutor cria um campo magnético radial, que se inicia na superfície do condutor e se estende para o infinito, decrescendo de intensidade na razão inversa do quadrado da distância. Se o condutor é dobrado sobre si mesmo, um campo magnético reage com o outro, exercendo uma força de repulsão sobre os mesmos. Se os condutores são mantidos próximos, os campos magnéticos são deformados, comprimindo as linhas do campo entre os condutores. Isto provoca a concentração da corrente
elétrica nas superfícies justapostas dos condutores, daí o “efeito de proximidade” (NICHOLS, 1999). A Figura 21 ilustra a distribuição da corrente elétrica ao longo da seção do condutor.
a)
b)
“V” físico
Figura 21- a) A esquerda, tem-se o fluxo de corrente a 60Hz por toda a seção do condutor. A direita tem-se o fluxo de corrente induzida por alta frequência na superfície do condutor (efeito de pele); b) tem-se o fluxo de corrente adjacente a lateral próxima dos tubos.
Fonte: (NICHOLS, 1999).
Assim, os dois efeitos juntos aumentam a eficiência da soldagem por resistência elétrica através da concentração da corrente elétrica nas superfícies que realmente necessitam ser aquecidas.
O processo de aquecimento por efeito da corrente elétrica induzida em alta frequência nas bordas do esboço tubular, pode ser mais facilmente observado, à simples vista, quando se trata de tubos com espessuras mais grossas. O perfil de distribuição do calor na seção longitudinal da borda, Figura 22, é influenciado pela formação dos “V” físico e “V” térmico, bem como pelo "efeito de pele" e "efeito de proximidade" (NICHOLS, 1999).
Figura 22-Perfil de distribuição do calor na seção longitudinal da borda
Fonte: (Cortesia Apolo Tubulars).
A remoção dos excedentes internos e externos da solda se realiza através de ferramentas de corte. Grande avanço se deu na qualidade da remoção interna a partir do uso de ferramentas de remoção de metal duro, com raios construídos em retífica, denominados
(a) (b)
“cutting rings” e com a utilização de suspensão hidráulica, nos equipamentos de remoção
interna, ao invés de suspensões mecânicas com molas.
O processo de fabricação de tubos por soldagem com resistência elétrica de alta frequência fornece produtos de alto nível de qualidade aplicado na indústria de óleo e gás, principalmente nos requisitos dimensionais, homogeneidade das propriedades mecânicas, tenacidade, alta resistência mecânica e resistência à fragilização pelo hidrogênio, atendendo as normas de fabricação mais exigentes, DNV OS F101 e API 5L (CORDEIRO, 2010). A Figura 23 ilustra o processo típico de fabricação de tubos por ERW (KYRIAKIDES, 2007).
Figura 23-Representação esquemática do processo ERW.
Fonte: (KYRIAKIDES, 2007)
Resumidamente, a partir de bobinas laminadas de aço, o processo é composto pelas seguintes etapas:
Operação de desbobinamento do aço;
Formação dos tubos através de rolos;
Soldagem automática por resistência elétrica em alta frequência;
Normalização da solda (quando aplicada);
Calibragem;
Cortes e testes hidrostáticos, dimensionais e de laboratório;
Ensaios não destrutivos.
Inspeção por UT Biselamento Teste Hidrostático Inspeções Dimensionais Marcação/Pintura
Calibradora
Corte Soldagem/Tratamento térmico/resfriamento Formação
Desbobina mento
Desempenadeira
Ultra som Ultra som
Entretanto, para atender aos requisitos da indústria de P&G, principalmente segundo a norma internacional API 5CT, desenvolveu-se o fluxo de produção conforme ilustra a figura 24.
Figura 24-Fluxo de produção de tubos de produção - Tubing EUE API 5CT.
2.5 Princípios de metalurgia física
A microestrutura dos aços consiste de um arranjo espacial dos agregados cristalinos de fases diferentes. O tamanho, a forma, a distribuição, a composição e a estrutura cristalina das fases, essencialmente, controlam as propriedades finais do aço, incluindo dureza, resistência, ductilidade, tenacidade, impacto e fluência. O aço é a liga mais versátil entre todas as ligas industriais, pois apresenta uma gama diversificada de microestruturas que possuem diferentes características. A microestrutura resultante é função da composição química e do tratamento termo-mecânico utilizado na produção do aço.
Ao longo das últimas décadas, os mecanismos de transformações de fase que ocorrem no aço foram ilustrados em um simples diagrama de equilíbrio Fe-C, conforme figura 25, que descreve as regiões de estabilidade para as estruturas de ferrita, austenita e cementita. Durante
DESEMPENADEIRA
REMOÇÃO DA REBARBA DE SODLA
AUSTENITIZAÇÃO REVENIMENTO DESEMPENO
A QUENTE
TEMPERA RESFRIAMENTO
AO AR
TESTE HIDROSTÁTICO
UT LINHA DE SOLDA / UT CORPO / MAGNA FLUX PONTA
UT PONTA
MARCAÇÃO E BALANÇA
ENVERNIZAMENTO ROSQUEAMENTO
DRIFT TEST TORQUE FACEAMENTO
EXPEDIÇÃO
UPSETTER TESTE CORTE CALIBRAÇÃO
HIDROSTÁTICO DRIFT TEST RECEBIMENTO DE BOBINAS CORTE EM TIRAS ALIMENTADOR FORMAÇÃO E SOLDAGEM ULTRA-SOM
o resfriamento a partir da região de líquido, a primeira fase a solidificar é a ferrita-δ. Continuando o resfriamento, a ferrita-δ transforma-se em austenita-γ. Seguindo com o resfriamento, ocorre a transformação da austenita em ferrita e cementita. Pesquisa básica e aplicada, no passado, levou a uma compreensão fundamental dessas mudanças estruturais e sua relação com a evolução da microestrutura em ligas que vão desde simples Fe-C para sistemas complexos Fe-C-X aços (onde X representa muitos diferentes elementos de liga substitucionais, incluindo manganês, níquel, crómio, silício, e molibdénio).
Figura 25-Diagrama ferro carbono e o arranjo atômico em função da temperatura.
Fonte: (CALLISTER, 2002).
Por meio do diagrama de fases preveem-se em condições de equilíbrio, ou seja, resfriamento lento, quais serão as fases resultantes, como na Figura 26, para uma composição química C0, a microestrutura resultante será ferrita, nas regiões claras, e perlita, nas regiões escuras (CALLISTER, 2002).
Concentração de Carbono (em %massa)
T
em
pe
ra
tu
ra
(°
C)
Ferrita + Cementita Austenita
Líquido
Ferita δ
