UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

ANÁLISE DE INTEGRIDADE DE COMPÓSITO POLIMÉRICO TRIPLA CAMADA REFORÇADO COM FIBRA DE VIDRO E

APLICADO EM TUBULAÇÕES DE PETRÓLEO

ItaloMartins Gomes

Mossoró – RN 2020

II ITALO MARTINS GOMES

ANÁLISE DE INTEGRIDADE DE COMPÓSITO POLIMÉRICO TRIPLA CAMADA REFORÇADO COM FIBRA DE VIDRO E

APLICADO EM TUBULAÇÕES DE PETRÓLEO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Semiárido, como requisito para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais, sob a orientação do Dr. Rodrigo Nogueira de Codes e coorientação do Dr. Alex Sandro de Araújo Silva.

Mossoró – RN 2020

III

© Todos os direitos estão reservados a Universidade Federal Rural do Semi-Árido. O conteúdo desta obra é de inteira responsabilidade do (a) autor (a), sendo o mesmo, passível de

sanções administrativas ou penais, caso sejam infringidas as leis que regulamentam a Propriedade Intelectual, respectivamente, Patentes: Lei n° 9.279/1996 e Direitos Autorais: Lei

n° 9.610/1998. O conteúdo desta obra tomar-se-á de domínio público após a data de defesa e homologação da sua respectiva ata. A mesma poderá servir de base literária para novas pesquisas, desde que a obra e seu (a) respectivo (a) autor (a) sejam devidamente citados e

mencionados os seus créditos bibliográficos.

IV UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO

PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS

ANÁLISE DE INTEGRIDADE DE COMPÓSITO POLIMÉRICO TRIPLA CAMADA REFORÇADO COM FIBRA DE VIDRO E

APLICADO EM TUBULAÇÕES DE PETRÓLEO

Italo MartinsGomes

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade Federal do Semiárido, como requisito para obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais, sob a orientação do Dr. Rodrigo Nogueira de Codes e coorientação do Dr. Alex Sandro de Araújo Silva.

Aprovada em 26 de março de 2020.

BANCA EXAMINADORA

_________________________________________________

Dr. Rodrigo Nogueira de Codes - Presidente e Orientador (UFERSA)

__________________________________________________

Dr. Alex Sandro de Araújo Silva - Coorientador (UFERSA)

__________________________________________________

Dr. Carlos Eduardo Aguiar Lima Rodrigues Membro Examinador Externo ao Programa (UFERSA)

__________________________________________________

Dr. Fabrício José Nóbrega Cavalcante

Membro Examinador Externo ao Programa (UFERSA)

V DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais Maria Ivonete Martins Gomes e Aricildo Cesídio Gomes por todo o sacrifício que fizeram para minha formação profissional e por me ensinarem valores significantes para me tornar o homem que sou hoje, e à minha esposa Alexia Barros Cardoso por todo o aporte e amor. Vocês também fazem parte disso!

VI AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar a Deus, pois tenho absoluta certeza de que Ele me ajudou de todas as formas possíveis, desde a formação acadêmica, no início da carreira na Petrobras no Rio Grande do Norte até o momento desse mestrado.

Aos professores Dr. Rodrigo Nogueira de Codes e Dr. Alex Sandro de Araújo Silva por terem aceitado o convite para me auxiliar durante a elaboração deste trabalho.

À Petrobras e meus colegas de trabalho da Inspeção de Equipamentos do Ativo Alto do Rodrigues e aos gerentes, em especial ao Jonas da Silva Gomes e Daniel Siqueira de Gauw que me deram a oportunidade de realizar o mestrado pela empresa.

Ao CT-GÁS de Natal pelo apoio com os ensaios.

VII

“Ninguém vence nada sem um pouco de sorte...”

Rafael Benítez

VIII

IX GOMES, Italo M. Análise de integridade de compósito polimérico tripla camada reforçado com fibra de vidro e aplicado em tubulações de petróleo. Mossoró, 2019.

RESUMO

A indústria do Petróleo e Gás tem constantemente se deparado com problemas de corrosão devido à característica química do petróleo, do gás e dos contaminantes nos reservatórios. Os compósitos são materiais muito promissores para mitigar esse problema, por somar boas propriedades mecânicas e térmicas, com excelente resistência à corrosão, pois são compostos de mais de um material, aproveitando as propriedades dos mesmos. Uma forma preventiva para evitar futuros acidentes pessoais, operacionais ou ambientais é realizar avaliações de campo em materiais recém desenvolvidos para verificar sua integridade em situação real de aplicação e não apenas se limitando a testes de qualidade prévios das etapas de projeto e desenvolvimento.

Em 2010, foi desenvolvido um compósito tripla camada para tubulações de produção de poços terrestres de petróleo, como alternativa ao aço API 5L Grau B comumente utilizado e mais suscetível à corrosão. No presente trabalho foram coletadas amostras de tubos desse compósito em três poços de petróleo de três áreas distintas no estado do Rio Grande do Norte, que operam com esse material há alguns anos. As amostras foram analisadas por ensaio de tração e método de elementos finitos, microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura, calorimetria diferencial de varredura, análise termogravimétrica e teste de absorção de água, a fim de avaliar as propriedades e a integridade do material em condições operacionais reais de campo e compará-lo com uma amostra controle de tubo nunca usado. Os resultados mostraram que o material é seguro na pressão de operação, com pouca alteração nas propriedades térmicas, mas com um aumento de absorção de água das amostras de campo em comparação com a amostra controle. Também foi visto que o ensaio de tração comum não é o ideal para estudar o comportamento mecânico complexo desse material. Foram evidenciadas áreas de fibra livre, sem resina epóxi e uma baixa interação da camada externa de poliuretano com a camada intermediária de poliéster e sílica das amostras, o que indica problemas de fabricação que devem ser corrigidos. Foram identificadas fissuras nas amostras em operação, que devem ter nucleado devido às condições de esforços durante serviço da tubulação, aliado à região de interface com baixa interação entre a camada externa e intermediária.

Palavras-chave: compósitos, fibra de vidro, corrosão, tubulação de petróleo.

X GOMES, Italo M. Integrity analysis of a three-layered polymeric composite reinforced with glass fiber and applied in oil pipes. Mossoró, 2019.

ABSTRACT

The oil and gas industry have equipment corrosion problems due to contaminants in fluid of the reservoirs. The composits are very promising materials to mitigate this problem, with good mechanical and thermal properties, excellent corrosion resistance, because they are composed of more than one material, taking advantage of them properties. In 2010, a triple layer composite pipe for the production of oil wells was developed as an alternative to API 5L Grade B steel normaly used and more susceptible to corrosion. In present work were colected this composites samples in three oil wells from three different areas in the state of Rio Grande do Norte, which have been operating with this material for some years. The samples were analyzed by tensile test and finite elements method, optical microscopy, scanning electron microscopy, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis and water absorption test and compared with a sample of a pipe control never used. The results showed not significants changes in the thermal and increased water absorption properties of the field samples compared to the control sample.

It has also been seen that this material is safe and operationally suitable for use in the field and the tensile test is not ideal to characterize the complex mechanical behavior of this composite.

Also, some areas presented fiber glass with insufficient epoxy and low interaction between the intermediate and outer layer, indicating problems in manufacturing of pipes that need to be corrected. Were identificated cracks in the samples of oil wells that must have been nucleated due service of the pipe in field and due the presence of interface with deficient interaction between the intermediate and outer layers.

Keywords: composite, glass fiber, corrosion, oil pipe.

XI LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – ETAPAS DO DESENVOLVIMENTO DE NOVOS MATERIAIS ... 17

FIGURA 2 – EXEMPLO DE UM RESERVATÓRIO DE PETRÓLEO [6]. ... 19

FIGURA 3 – PRIMEIRO POÇO DE PETRÓLEO EM GROSSOS, RIO GRANDE DO NORTE [8]. ... 20

FIGURA 4 – ESQUEMA DE PRODUÇÃO DE PETRÓLEO TERRESTRE [MODIFICADO DE 11]. ... 21

FIGURA 5 – LINHAS DE PRODUÇÃO DE PETRÓLEO TERRESTRE EM AÇO [12].. 21

FIGURA 6 – FALHA EM TUBULAÇÃO DE PETRÓLEO CAUSANDO RISCO AMBIENTAL, PESSOAL E OPERACIONAL ... 22

FIGURA 7 – ESQUEMA BÁSICO DE CORROSÃO ELETROQUÍMICA [13].. ... 22

FIGURA 8 – CORROSÃO EXTERNA (A) E CORROSÃO INTERNA (B) EM LINHAS DE PRODUÇÃO [12] ... 23

FIGURA 9 – MATERIAIS COMPÓSITOS EM APLICAÇÕES DE ALTO DESEMPENHO: A) HELICÓPTERO BELL MODELO 430 QUE UTILIZA COMPÓSITOS NAS PÁS E NO GARFO QUE AS SUSTENTA; B) AVIÃO M309 UTILIZA COMPÓSITOS NA CARCAÇA; C) C-17 GLOBEMASTER III QUE APRESENTA PARTES IMPORTANTES DA ESTRUTURA EM MATERIAIS COMPÓSITOS; D) SONIC CRUISER, AVIÃO DA BOEING QUE APRESENTA 60% DOS SEUS MATERIAIS EM COMPÓSITOS [14]...26

FIGURA 10 – TUBULAÇÕES DE PRFV [18] ... 28

FIGURA 11 – ADIÇÃO DE AREIA EM TUBULAÇÕES DE PRFV [18] ... 29

FIGURA 12 – COMPÓSITO TRIPLA CAMADA DESENVOLVIDO PELA PETROBRAS [12]. ... 30

FIGURA 13 – DETALHES DE CORTES DAS AMOSTRAS NA TUBULAÇÃO DE COMPÓSITO: A) ENSAIOS DE MICROSCOPIA; B) ENSAIOS DE TRAÇÃO; C) ENSAIO DE ABSORÇÃO DE ÁGUA... 32

FIGURA 14 – GRÁFICO TENSÃO X DEFORMAÇÃO DE POLÍMEROS [26]. ... 33

FIGURA 15 –AMOSTRAS DE COMPÓSITO PARA ENSAIO DE TRAÇÃO ... 34

FIGURA 16 – SIMILARIDADE ENTRE MO E MEV [30] ... 36

FIGURA 17 – DETALHE DA AMOSTRA DE COMPÓSITO PARA ANÁLISE POR MICROSCOPIA. ... 36

FIGURA 18 – EQUIPAMENTO DE TGA [33]. ... 37

FIGURA 19 – CURVA TÍPICA DE TGA [32] ... 38

FIGURA 20 – EQUIPAMENTO DE DSC [34] ... 38

FIGURA 21 – CURVA TÍPICA DE DSC IDENTIFICANDO PEQUENAS ALTERAÇÕES (I) E PICOS ENDOTÉRMICOS (II E III) E EXOTÉRMICO (IV) [34]. ... 39

FIGURA 22 – DETALHE DAS AMOSTRAS DE ABSORÇÃO DE ÁGUA ... 40

FIGURA 23 – GRÁFICO DO ENSAIO DE TRAÇÃO DA AMOSTRA CONTROLE... . 41

FIGURA 24 – GRÁFICO DO ENSAIO DE TRAÇÃO DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 42

FIGURA 25 – GRÁFICO DO ENSAIO DE TRAÇÃO DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 ... 43

FIGURA 26 – GRÁFICO DO ENSAIO DE TRAÇÃO DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288 ... 44

FIGURA 27 – DEFORMAÇÃO FLEXOAXIAL DO CORPO DE PROVA ... 46

FIGURA 28 – COMPORTAMENTO MECÂNICO NA COMPRESSÃO [38] ... 47

XII FIGURA 29 – DIFERENÇA DE ESPESSURA DAS AMOSTRAS ... 47 FIGURA 30 – MICROGRAFIAS ÓPTICAS DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS INTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA CONTROLE ... 48 FIGURA 31 – MICROGRAFIAS ÓPTICAS DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS EXTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA CONTROLE ... 49 FIGURA 32 – MICROGRAFIAS ÓPTICAS DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS INTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 50 FIGURA 33 – MICROGRAFIAS ÓPTICAS DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS EXTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 50 FIGURA 34 – MICROGRAFIAS ÓPTICAS DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS INTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 ... 51 FIGURA 35 – MICROGRAFIAS ÓPTICAS DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS EXTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 ... 52 FIGURA 36 – MICROGRAFIAS ÓPTICAS DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS INTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288 ... 53 FIGURA 37 – MICROGRAFIAS ÓPTICAS DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS EXTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288... 53 FIGURA 38 – MICROGRAFIAS (MEV) DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS INTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA CONTROLE ... 54 FIGURA 39 – MICROGRAFIAS (MEV) DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS EXTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA CONTROLE ... 55 FIGURA 40 – MICROGRAFIAS (MEV) DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA CONTROLE COM AS FIBRAS DE VIDRO EXPOSTAS E SEM RESINA .. 55 FIGURA 41 – MICROGRAFIAS (MEV) DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS INTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 56 FIGURA 42 – MICROGRAFIAS (MEV) DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS EXTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 57 FIGURA 43 – MICROGRAFIAS (MEV) DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 COM AS FIBRAS DE VIDRO EXPOSTAS E SEM RESINA ... 57 FIGURA 44 – MICROGRAFIAS (MEV) DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS INTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 ... 58 FIGURA 45 – MICROGRAFIAS (MEV) DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS EXTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 ... 59 FIGURA 46 – MICROGRAFIAS (MEV) DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 COM AS FIBRAS DE VIDRO EXPOSTAS E SEM RESINA ... 59 FIGURA 47 – MICROGRAFIAS (MEV) DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS INTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288 ... 60 FIGURA 48 – MICROGRAFIAS (MEV) DA INTERFACE ENTRE AS CAMADAS EXTERNA E INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288... 61 FIGURA 49 – MICROGRAFIAS (MEV) DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288 COM AS FIBRAS DE VIDRO EXPOSTAS E SEM RESINA ... 62 FIGURA 50 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA INTERNA DA AMOSTRA CONTROLE ... 63 FIGURA 51 – CURVA DSC DA CAMADA INTERNA DA AMOSTRA CONTROLE ... 64 FIGURA 52 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA CONTROLE ... 65

XIII

FIGURA 53 – CURVA DSC DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA

CONTROLE ... 65 FIGURA 54 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA EXTERNA DA AMOSTRA CONTROLE ... 66 FIGURA 55 – CURVA DSC DA CAMADA EXTERNA DA AMOSTRA CONTROLE .. 66 FIGURA 56 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA INTERNA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 67

FIGURA 57 – CURVA DSC DA CAMADA INTERNA DA AMOSTRA DO POÇO RP-

0147 ... 68 FIGURA 58 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 69 FIGURA 59 – CURVA DSC DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 69 FIGURA 60 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA EXTERNA DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 70 FIGURA 61 – CURVA DSC DA CAMADA INTERNA DA EXTERNA DO POÇO RP- 0147 ... 70 FIGURA 62 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA INTERNA DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 ... 71 FIGURA 63 – CURVA DSC DA CAMADA INTERNA DA AMOSTRA DO POÇO FP- 0091 ... 72

FIGURA 64 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇOFP-0091... 73 FIGURA 65 – CURVA DSC DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 ... 73 FIGURA 66 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA EXTERNA DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091 ... 74 FIGURA 67 – CURVA DSC DA CAMADA INTERNA DA EXTERNA DO POÇO FP-0091 ... 74 FIGURA 68 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA INTERNA DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288 ... 75 FIGURA 69 – CURVA DSC DA CAMADA INTERNA DA AMOSTRA DO POÇO PL- 0288 ... 76 FIGURA 70 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇOPL-0288 ... 77 FIGURA 71 – CURVA DSC DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288 ... 77 FIGURA 72 – CURVA TGA E DERIVADA DA CAMADA EXTERNA DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288 ... 78 FIGURA 73 – CURVA DSC DA CAMADA INTERNA DA EXTERNA DO POÇO PL- 0288 ... 78 FIGURA 74 – TEMPERATURAS DOS PICOS DTG DA CAMADA INTERNA DAS AMOSTRAS ... 79 FIGURA 75 – TEMPERATURAS DOS PICOS DTG DA CAMADA INTERMEDIÁRIA DAS AMOSTRAS ... 80 FIGURA 76 – TEMPERATURAS DOS PICOS DTG DA CAMADA EXTERNA DAS AMOSTRAS ... 80

FIGURA 77 – CURVA DOS ENSAIOS DE ABSORÇÃO DE ÁGUA DAS

AMOSTRAS.. ... 81 FIGURA 78 – CONEXÕES FLANGEADAS COM MATERIAIS DISSIMILARES ... 82

XIV LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – PROPRIEDADES DE FIBRAS E MATERIAIS MACIÇOS [14] ... 25 TABELA 2 – AMOSTRAS DE LINHAS DE PRODUÇÃO EM COMPÓSITO ... 31 TABELA 3 – VALORES DAS PROPRIEDADES DAS CAMADAS PELA REGRA DAS MISTURAS ... 35 TABELA 4 – VALORES DO ENSAIO DE TRAÇÃO DA AMOSTRA CONTROLE ... 42 TABELA 5 – VALORES DO ENSAIO DE TRAÇÃO DA AMOSTRA DO POÇO RP-0147 ... 43 TABELA 6 – VALORES DO ENSAIO DE TRAÇÃO DA AMOSTRA DO POÇO FP-0091.

... 44 TABELA 7 – VALORES DO ENSAIO DE TRAÇÃO DA AMOSTRA DO POÇO PL-0288 ... 45 TABELA 8 – QUADRO RESUMO DOS RESULTADOS ... 83

XV SUMÁRIO

1 – INTRODUÇÃO... ... 17

1.1 – OBJETIVO GERAL ... 18

1.2 – OBJETIVO ESPECÍFICO ... 18

2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19

2.1 – PRODUÇÃO DE PETRÓLEO EM CAMPOS TERRESTRES ... 19

2.1.1 – O Petróleo ... 19

2.1.2 – Tubulações de produção de petróleo em campos terrestres ... 20

2.1.3 – Corrosão em campos maduros de petróleo ... 22

2.2 – MATERIAIS COMPÓSITOS ... 24

2.2.1 – Definição ... 24

2.2.2 – Polímeros reforçados com fibra de vidro (PRFV) ... 27

3 - MATERIAIS E MÉTODOS ... 30

3.1 – AMOSTRAS DE COMPÓSITO ... 30

3.2 – ENSAIOS EM LABORATÓRIO ... 32

3.2.1 – Ensaios mecânicos ... 32

3.2.1.1 – Ensaios de tração ... 32

3.2.1.2 – Método de elementos finitos... 34

3.2.2 – Microscopias ... 35

3.2.3 – Análises térmicas ... 37

3.2.4 – Absorção de água ... 39

4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 41

4.1 – ENSAIOS MECÂNICOS ... 41

4.1.1 – Ensaios de tração ... 41

4.1.1.1 – Amostra controle ... 41

4.1.1.2 – Amostra do poço RP-0147 ... 42

4.1.1.3 – Amostra do poço FP-0091 ... 43

4.1.1.4 – Amostra do poço PL-0288 ... 44

4.1.2 – Simulação por elementos finitos ... 45

4.1.3 – Discussões ... 46

4.2 – MICROSCOPIAS ... 48

4.2.1 – Microscopia Óptica... 48

4.2.1.1 – Amostra controle ... 48

4.2.1.2 – Amostra do poço RP-0147 ... 49

4.2.1.3 – Amostra do poço FP-0091 ... 51

4.2.1.4 – Amostra do poço PL-0288 ... 52

4.2.2 – Microscopia Eletrônica de Varredura ... 54

4.2.2.1 – Amostra controle ... 54

4.2.2.2 – Amostra do poço RP-0147 ... 56

4.2.2.3 – Amostra do poço FP-0091 ... 58

4.2.2.4 – Amostra do poço PL-0288 ... 60

4.2.3 – Discussões ... 62

4.3 – ANÁLISES TÉRMICAS ... 63

4.3.1 – Amostra controle ... 63

4.3.2 – Amostra do poço RP-0147 ... 67

4.3.3 – Amostra do poço FP-0091 ... 71

4.3.4 – Amostra do poço PL-0288 ... 75

4.3.5 – Discussões ... 79

XVI

4.4 – ABSORÇÃO DE ÁGUA ... 81

4.4.1 – Discussões ... 81

4.5 – OBSERVAÇÕES ... 82

4.5.1 – Histórico de falhas ... 82

4.5.2 – Conexões flangeadas ... 82

4.6 – QUADRO RESUMO ... 83

5 – CONCLUSÕES ... 84

6 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ... 85

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 86

17

1 – INTRODUÇÃO

A constante necessidade das indústrias de diminuir custos, tempo de parada de equipamentos, consequentemente, de produção, e de reduzir danos pessoais e ambientais causados por falhas de corrosão em materiais metálicos, tem levado ao desenvolvimento de novos materiais que tenham maior resistência à corrosão na maioria dos ambientes industriais [1].

Estima-se que o custo da corrosão nos Estados Unidos é cerca de US$ 260 bilhões ou 3% do PIB. Se essas estimativas forem aplicadas ao caso brasileiro, chega-se a um valor de aproximadamente US$ 15 bilhões. Adotadas as medidas preventivas contra a corrosão, poderiam ser economizados anualmente 1% do PIB ou 5 bilhões de dólares no Brasil [2]. A indústria petrolífera é uma das mais afetadas, com milhões de dólares em prejuízos, por corrosão de materiais, havendo até históricos de acidentes fatais. Campos de petróleo maduros (com declínio de produção) como os do Rio Grande do Norte, devido à característica dos contaminantes contidos nos reservatórios, como água produzida, bactérias, dióxido de carbono, oxigênio e sulfeto de hidrogênio, também têm sido bastante afetados com esse problema.

A utilização desses novos materiais em uma determinada aplicação não pode ser feita sem controle, pois pode levar a sérios problemas. Uma série de critérios devem ser obedecidos para garantir a confiabilidade e segurança operacional do material. Devem ser feitos diversos testes e ensaios para garantir o controle de qualidade do novo material antes do início de operação. Além disso, os testes de campo, após certo tempo de operação, são de vital importância para garantir que o novo material não tenha se degradado ou prejudicado suas propriedades aprovadas previamente nos ensaios iniciais de desenvolvimento, devido a algum fator não esperado do processo ou ambiente ao qual ele está em serviço [3].

Figura 1 – Etapas de desenvolvimento de novos materiais

Fonte: autor, 2019.

Necessidade Desenvolvimento Aplicação Avaliação em

operação Aprovado para uso

18 Os materiais compósitos têm sido uma alternativa consolidada, já há alguns anos, de materiais a serem utilizados em ambientes corrosivos, em substituição às ligas metálicas, por unirem propriedades de mais de um material [4]. Suas características estruturais promovem combinações de propriedades atrativas como baixa densidade, alta resistência específica, alto módulo de elasticidade, alta resistência química, permitem a fabricação de peças com geometrias complexas, aliadas a alta resistência à corrosão e degradação nos mais diversos ambientes industriais [5].

1.1 – OBJETIVO GERAL

Avaliar um compósito tripla camada, recém desenvolvido, como alternativa ao aço, a fim de aprovar o material para aplicações em tubulações de petróleo on-shore.

1.2 – OBJETIVO ESPECÍFICO

Este trabalho tem como objetivo avaliar, através de simulação por elementos finitos, ensaios de tração, microscopia, análise térmica e de absorção de água, amostras de tubulações de petróleo de um compósito tripla camada, operando nos campos maduros do estado do Rio Grande do Norte e validar sua utilização após testes de campo em situação real de aplicação.

Essa etapa de testes de campo de faz parte do desenvolvimento final desse material e pode resultar em importantes benefícios para as indústrias petrolíferas da região, aliando a mitigação de processos corrosivos que geram prejuízos pessoais, operacionais e ambientais em casos de falhas que poderiam ocorrer em tubulações de aço carbono comumente usadas na produção de petróleo em campos terrestres.

19

2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 – PRODUÇÃO DE PETRÓLEO EM CAMPOS TERRESTRES

2.1.1 – O Petróleo

O nome petróleo vem do latim petrus, que significa pedra, e oleum, que significa óleo, ou seja, “óleo da pedra” em português. É uma complexa mistura de compostos químicos formada da decomposição de matérias orgânicas ocorrida durante um longo processo natural, em condições bastante específicas. O petróleo é encontrado com diferentes caraterísticas, dependendo da região do reservatório, da estrutura geológica das rochas e em profundidades variáveis, tanto no subsolo terrestre como marítimo (bacias sedimentares). Sua composição contém, em maior parte, hidrocarbonetos gasosos, líquidos e sólidos, além de impurezas [6].

Figura 2 – Exemplo de um reservatório de petróleo [6].

Em seu estado natural (óleo bruto), o petróleo não tem aplicações relevantes, mas concentra uma grande quantidade de energia. Um barril (aproximadamente 159 litros) gera até 1680 kWh de energia, o que é suficiente para manter 10 residências com energia elétrica por até um mês. Atualmente é a matéria prima mais utilizada no mundo e, para que ele tenha seu potencial energético aproveitado nas mais diversas aplicações, deve passar por diversas etapas complexas que iniciam com a exploração, extração no reservatório, seguida do refino, distribuição até a chegada ao consumidor final [6].

20 No Brasil, o primeiro reservatório a ser explorado comercialmente foi encontrado em Salvador, na Bahia, em 1939, com a produção nacional se intensificando entre as décadas de 70 e 80. No Rio Grande do Norte, o primeiro poço terrestre é datado de 1956, no município de Grossos. A partir da década de 70, a produção nacional se intensificou, chegando a representar 13% do Produto Interno Bruto do país [7].

Figura 3 – Primeiro poço de petróleo em Grossos, Rio Grande do Norte [8].

2.1.2 – Tubulações de petróleo em campos terrestres

Tubulações são conjunto de tubos fechados usados para transporte dos mais diversos fluidos dentro ou entre instalações industriais [9]. Na indústria de exploração e produção de campos terrestres de petróleo (onshore), existem tubulações específicas chamadas de linhas de produção (ou linhas de surgência) que transportam o fluido produzido por unidades de bombeio no poço até as estações coletoras (Figura 4), sendo de lá transportado por tubulações de maiores diâmetros e vazões (dutos) até refinarias ou terminais marítimos. Se comparado a outros meios de transporte de cargas, como ferroviários e rodoviário, o transporte de fluidos por tubulações tem uma série de vantagens, como custo, confiabilidade operacional, segurança, facilidade de manutenção e supervisão, além de menor impacto ambiental relativo, por isso é a forma de transporte de fluidos mais usada na indústria de petróleo e gás atualmente [10].

21

Figura 4 – Esquema de produção de petróleo terrestre [MODIFICADO DE 11].

Atualmente, no Rio Grande do Norte, existem milhares de quilômetros de linhas de produção instaladas. Essas linhas de produção de campos terrestres de petróleo normalmente são feitas com vários tubos de 12 metros de comprimento, em aço carbono API 5L Grau B, um aço de custo relativamente baixo (se comparado aos demais aços API 5L) e usado para aplicações com pressões de operação mais baixas. Elas possuem diâmetro de 76 mm (3 polegadas), operam com pressão máxima de 1,72 MPa (250 psi) e temperatura máxima de operação de 60 °C (maiores em alguns casos). Essas linhas de produção são geralmente aéreas e estão sujeitas à corrosão externa pelo solo ou atmosférica e também à corrosão interna pelo fluido, o que pode provocar falhas e gerar problemas operacionais, econômicos, pessoais e ambientais [12].

Figura 5 – Linhas de produção de petróleo terrestre em aço [12].

22 2.1.3 – Corrosão em campos maduros de petróleo

A corrosão pode ser definida como a deterioração de um material, geralmente metálico, por ação química ou eletroquímica do meio, aliada ou não a esforços mecânicos. É um processo espontâneo e pode comprometer o desempenho e aplicabilidade de materiais e equipamentos, prejudicando sua vida útil e podendo causar problemas operacionais, ambientais e até fatalidades [13].

Figura 6 – Falha em tubulação de petróleo causando risco ambiental, pessoal e operacional.

Fonte: autor, 2019.

O princípio básico da corrosão eletroquímica (processo corrosivo mais comum) consiste, em determinadas situações propícias, em um metal que transfere íons metálicos para o meio com o qual está em contato, ficando assim, a superfície metálica eletricamente carregada. Isso gera uma diferença de potencial elétrico entre o metal e o meio e o processo prossegue espontaneamente com perda de massa devido a alteração do átomo metálico para íon (no meio) [13].

Figura 7 – Esquema básico de corrosão eletroquímica [13].

23 A indústria de exploração de petróleo é bastante prejudicada por processos corrosivos devido às características complexas e composição dos fluidos presentes nos reservatórios de petróleo. Os campos terrestres maduros (com períodos longos de produção) têm como caraterística, possuírem bastante água produzida (água natural do reservatório com diversos compostos dissolvidos) e outros agentes corrosivos junto com o petróleo, como O2, CO2, H2S e bactérias redutoras de sulfato, que tendem a atacar internamente as tubulações de aço, além do solo e atmosfera que também tendem a causar corrosão externa em equipamentos, como linhas de produção e dutos.

Figura 8 – Corrosão externa (a) e corrosão interna (b) em linhas de produção [12].

Para o controle desses processos corrosivos, existem diversas técnicas que se baseiam nos seguintes princípios [14]:

1. Seleção de materiais e projeto adequado: a escolha do material mais resistente ao meio que será aplicado é primordial, mas deve ser feita levando em consideração sempre o menor custo/benefício relacionado à garantiria de segurança industrial e ambiental.

Materiais compósitos em substituição ao aço são um bom exemplo;

24 2. Modificação da interface: utilização de barreiras que isolem o contato metal/meio, onde ocorrem as reações eletroquímicas. Exemplos: pintura e revestimentos poliméricos;

3. Modificação do meio: uso de inibidores de corrosão e outros produtos que reduzam a agressividade no meio;

4. Métodos eletroquímicos: é possível alterar o potencial eletroquímicos do metal a ser protegido em relação ao meio através de polarização. Como é o caso de anodos de zinco que são usados para proteger cascos de navios de aço pela técnica de proteção catódica.

2.2 – MATERIAIS COMPÓSITOS

2.2.1 – Definição

Os materiais compósitos começaram a ser utilizados em escala industrial no século XX.

Desde aplicações simples até serviços em estruturas e componentes para a indústria aeronáutica e aeroespacial, os materiais compósitos ocupam atualmente um lugar destacado entre os materiais de engenharia. Isto deve-se, naturalmente, às vantagens que possuem relativamente aos materiais tradicionais, entre as quais sobressaem a facilidade de processamento, a elevada rigidez e resistência mecânica e o baixo peso específico. São materiais constituídos de duas ou mais fases distintas que tem como objetivo a combinação de ambas, produzindo propriedades superiores as que uma das fases conseguiria produzir separadamente. Essa ideia de combinar materiais é antiga e no Egito antigo existem relatos de que eram usados adobes reforçados com palhas para construção de casas. A partir do século XIX, o concreto reforçado com metais já era utilizado. Novos compósitos estão, cada vez mais, sendo estudados e desenvolvidos, e tendem a ser, no futuro, alguns dos materiais mais utilizados na sociedade. [15].

Os compósitos são feitos artificialmente por diversos processos de fabricação. As fases quimicamente diferentes são separadas por uma interface distinta que deve ter grande adesão entre ambas as fases e garantir a continuidade das propriedades. Os compósitos mais simples são formados por duas fases: uma matriz, que é contínua e envolve a outra fase, chamada de reforço. As propriedades dos compósitos são, portanto, funções das propriedades das fases constituintes, das suas quantidades relativas e da geometria do reforço (formato, distribuição e orientação das partículas). Os reforços têm a importante função de suportar os carregamentos impostos ao material compósito que são transferidos pela matriz, melhorando seu desempenho

25 através da interface matriz/reforço e, também, são os responsáveis pelas propriedades mecânicas do material. Já as matrizes têm função de manter os reforços unidos, distribuir a carga entre eles, evitar crescimento de defeitos, garantir resistência ao ambiente, impacto, abrasão e ditar as propriedades elétricas, químicas e térmicas do compósito [14].

A utilização de fibras como reforços é a forma mais comum atualmente na aplicação e estudo de compósitos, devido a sua vasta versatilidade de propriedades e aplicações, que vão desde a utilização de tijolos com palhas, até compósitos de elevado desempenho, como os com resina epóxi reforçados com fibra de carbono. A eficiência das fibras foi comprovada em primeiros estudos, aos quais observaram que na forma de fibras de 20 μm, o vidro possuía tensão de ruptura vinte vezes maior que na forma maciça. A Tabela 1 apresenta algumas propriedades de materiais na forma de fibras e na forma maciça, ilustrando as vantagens de se usar reforços na forma de fibras em materiais compósitos a fim de elevar suas propriedades mecânicas [14].

Tabela 1 – Propriedades de fibras e materiais maciços [14].

As matrizes de compósitos podem ser feitas de materiais cerâmicos, metálicos e, as mais utilizadas atualmente, de polímeros. As matrizes poliméricas possuem baixa densidade, resistência química e baixo custo. Como desvantagens possuem baixa resistência, baixa condutividade elétrica e térmica e são degradáveis em altas temperaturas. As fibras podem ser de carbono, aramida e a mais utilizada, a fibra de vidro [14].

26 Como é evidente, os materiais compósitos alargam substancialmente o leque de opções de materiais aos projetistas e engenheiros, por isso eles têm se disseminado por diferentes áreas de atividade que incluem indústrias de grande exigência e visibilidade tecnológica, como a aeronáutica e a indústria espacial ou outras, como os transportes (com particular destaque para a indústria automotiva), artigos esportivos, componentes elétricos e eletrônicos e na construção civil [14].

Figura 9 – Materiais compósitos em aplicações de alto desempenho: a) helicóptero Bell modelo 430 que utiliza compósitos nas pás e no garfo que as sustenta; b) avião M309 utiliza compósitos na carcaça; c) C-17 Globemaster III que apresenta partes importantes da estrutura em materiais compósitos; d) Sonic cruiser, avião

da Boeing que apresenta 60% dos seus materiais em compósitos [14].

Um detalhe importante para análise de engenharia de compósitos é que, diferente dos metais que possuem propriedades que não se alteram com as direções de carregamentos (isotrópicos), os compósitos, por sua natureza complexa, possuem propriedades diferentes com a variação das direções de carregamentos (anisotrópicos). Para materiais compósitos, normalmente essas variações das propriedades se dão nas direções das tensões principais longitudinais e transversais ao reforço do material, o que lhe garante um comportamento chamado ortotrópico (propriedades variam com essas direções) [16].

27 2.2.2 – Polímeros reforçados com fibra de vidro (PRFV)

Os compósitos em matriz de polímeros reforçados com fibra de vidro (PRFV) são os mais comuns de todas os compósitos dessa categoria. As principais vantagens desses compósitos são o baixo custo, boa resistência à tração, boa resistência química e excelentes propriedades isolantes. As desvantagens são módulo de elasticidade relativamente baixo, alta densidade (entre as fibras comerciais), sensibilidade à abrasão durante o manuseio (que frequentemente diminui a resistência à tração), resistência à fadiga relativamente baixa e alta dureza (que causa desgaste excessivo em moldes e ferramentas de corte). O principal composto das fibras de vidro é a sílica (SiO2). Outros óxidos, como B2O3 e Al2O3, são adicionados para modificar a estrutura da rede de SiO2, bem como para melhorar sua trabalhabilidade. Pequenas quantidades de Na2O e K2O podem ser utilizadas para melhorar a resistência à corrosão em água, bem como maior resistência à abrasão. A estrutura interna das fibras de vidro é uma rede longa e tridimensional de silício, oxigênio e outros átomos dispostos de forma aleatória. Assim, as fibras de vidro são amorfas (não cristalinas) [17].

Em geral são vários os fatores que influenciam o comportamento mecânico dos compósitos. Desde o processo de fabricação utilizado, a forma com que os carregamentos são aplicados, o mecanismo de dano desenvolvido, a presença de condições adversas de umidade e temperatura, as respectivas frações de volume, as propriedades da interface, presença de vazios, além das propriedades dos elementos constituintes [18]. A umidade é um fator que pode ter grande influência no desempenho dos compósitos. Isso porque a absorção de água pode reduzir de forma significativa as propriedades mecânicas do material, como a tensão de ruptura e o módulo de elasticidade. Em compósitos usados, por exemplo, em embalagens, construção civil e em tratamento de água residual, a absorção de água é um fator bastante importante, pois pode alterar as propriedades físicas e mecânicas desses materiais, afetando a estrutura da matriz e da interface fibra/matriz [19]. Defeitos no processo de fabricação também causam efeitos danosos no material, como a presença de micro vazios ou bolhas, que afetam significativamente a resistência mecânica. Os micro vazios podem agir como concentradores de tensões, reduzindo as propriedades mecânicas dos compósitos [20].

A interface fibra/matriz é um dos principais fatores que influenciam nas propriedades mecânicas e nos mecanismos de falhas em compósitos e deve ser analisada com critério para garantir um bom comportamento mecânico do compósito. O desempenho da interface é influenciado por propriedades como resistência ao cisalhamento interfacial, tenacidade à fratura

28 interfacial, encolhimento da matriz e coeficiente interfacial de fricção. Uma boa adesão (forças atrativas entre átomos ou superfícies) da interface depende de fatores como boa energia interfacial, pela presença de grupos funcionais na superfície da fibra, orientação, arranjo atômico e propriedades do reforço, propriedades químicas da matriz, difusibilidade entre as camadas etc. Essa boa adesão será responsável por fazer com que a interface transfira com efetividade as tensões da matriz para o reforço, quando o compósito é solicitado [15].

Compósitos de PRFV têm sido utilizado em tubulações para escoamento de fluidos desde a década de 40, sendo sua primeira aplicação na indústria do petróleo. Os tubos em PRFV foram selecionados por apresentarem menor custo e maior resistência à corrosão que os materiais empregados na época. Na década de 70 esse material já estava consolidado e tinha conquistado outros mercados [21]. O desempenho das tubulações em PRFV é reconhecido por reunir qualidades como durabilidade, resistência mecânica e resistência à corrosão. Isso elimina a necessidade de camadas de proteção e/ou proteção catódica, comuns em tubulações metálicas.

As tubulações em PRFV oferecem grande versatilidade de projeto com um amplo leque de diâmetros, conexões e acessórios disponíveis. Com isso, os fabricantes têm totais condições de atender as mais variadas exigências do mercado [22].

Figura 10 – Tubulações de PRFV [18].

Existem diferentes processos para fabricação de tubos, sendo o filamento contínuo e a centrifugação os principais deles. As tubulações em PRFV podem ser projetadas para instalações aéreas, subaquáticas e enterradas até 16 m de profundidade [22]. Existem normas que definem critérios para tubos de PRFV e outros produtos tubulares que contêm fibras de vidro como reforço (em matriz de resina termofixa curada). A estrutura em compósito pode também conter agregado (areia, por exemplo), cargas em forma de grãos, escamas, pigmentos,

29 corantes etc. Revestimentos externos e selantes de resinas poliméricas também podem ser utilizados. As normas também diferenciam os tubos de plástico reforçado com fibras de vidro de acordo com a utilização ou não de agregado em sua estrutura. De acordo com a seleção da resina (poliéster, epóxi ou outras), as tubulações podem trabalhar em diferentes faixas de temperatura e com os mais variados ambientes agressivos [18].

A utilização de materiais compósitos em dutos e equipamentos para indústria do petróleo e gás natural tem sido uma alternativa aos materiais convencionais, levando a uma melhoria na segurança, confiabilidade e redução de custos. As resinas mais utilizadas como matriz são epóxi ou poliéster, onde as resinas epóxi proporcionam melhor resistência mecânica, enquanto as resinas de poliéster são em média cinco vezes mais baratas, o que permite a fabricação de tubos com menor custo, mesmo utilizando espessuras um pouco maiores. Uma desvantagem é a afinidade química do poliéster com os produtos do petróleo, que pode ser contornada com a utilização de revestimentos internos como barreiras [18]. A adição de areia (sílica) é comumente utilizada nessas aplicações para melhorar as propriedades mecânicas das tubulações (como aumento da rigidez) em substituição ao aumento da parede do tubo, além de ser um agregado com boa interação com a matriz polimérica e ter baixo custo [23].

Figura 11 – Adição de areia em tubulações de PRFV [18].

30

3 – MATERIAIS E MÉTODOS

3.1 – AMOSTRAS DE COMPÓSITO

Em 2010, foi desenvolvido um compósito tripla camada para tubulações de produção de poços terrestres de petróleo, como alternativa ao aço API 5L Grau B, comumente utilizado, e mais suscetível à corrosão e falhas que podem causar danos ambientais, operacionais e pessoais. Esse compósito foi fabricado pelo processo de enrolamento filamentar, que se caracteriza por elevado controle dimensional e resistência mecânica. O material possui uma camada interna de matriz polimérica em epóxi reforçado com fibra de vidro, uma camada intermediária de matriz poliéster reforçado com fibra de vidro e sílica e a camada mais externa é revestida com poliuretano de alta densidade. O material está especificado para tubos de 3 polegadas, pressão máxima de projeto de até 5,17 MPa (750 psi) e temperatura máxima de projeto de 95 °C [12].

Figura 12 – Compósito tripla camada desenvolvido pela Petrobras [12].

A camada mais interna de epóxi com fibra de vidro, é a camada mais importante do material, pois é a camada que estará em primeiro contato com a pressão, temperatura e caraterísticas do fluido que escoa na tubulação e por isso precisa ter as melhores propriedades.

A camada intermediária de poliéster e sílica é uma camada para melhorar a rigidez do compósito

31 sem necessidade de aumentar a espessura da camada interna, economizando no custo final do material [13]. Já a camada mais externa de poliuretano de alta densidade, tem como objetivo servir de barreira isolante, de proteção mecânica e corrosiva para agentes presentes no solo ou atmosfera [24].

Antes de ser aplicado em situação real de campo, esse compósito passou por diversos testes de qualidade e adequação às normas API 15HR e o padrão Petrobras PM-VII, a fim de garantir que o início em operação fosse feito dentro de critérios aceitáveis [12]. Desde 2012, foram instaladas dezenas de linhas de produção com esse compósito nos campos de petróleo do Rio Grande do Norte. Após alguns anos de operação, foi necessário fazer uma análise de integridade do material no campo para garantir que, em situação real de operação, não haveria interação de qualquer natureza com fluido interno ou externo, além das solicitações em serviço que possam comprometer a eficiência do processo e gerar prejuízos com falhas. Assim, foram retiradas amostras (os cortes foram em regiões aleatórias da amostras) de três poços distintos operando no Ativo de Produção da Petrobras do Alto do Rodrigues, no estado do Rio Grande do Norte, desde 2012 e 2013 e foram feitos ensaios para comparar os resultados com uma amostra controle de tubo novo, concluindo assim, o ciclo de desenvolvimento do material e aprovando-o (ou não) para o uso no campo com segurança e confiabilidade. O detalhe dos cortes em cada tubo pode ser visto na Figura 13.

Tabela 2 – Amostras de linhas de produção em compósito.

Identificação da amostra Início de operação Produção (m³/dia)

Controle - -

RP-0147 2012 3,5

FP-0091 2013 0,1

PL-0288 2012 0,7

Fonte: autor, 2019.

32

Figura 13 – Detalhes de cortes das amostras na tubulação de compósito: a) ensaios de microscopia; b) ensaios de tração; c) ensaio de absorção de água.

Fonte: autor, 2019.

3.2 – ENSAIOS EM LABORATÓRIO

3.2.1 – Ensaios mecânicos

3.2.1.1 – Ensaios de tração

O ensaio de tração consiste em aplicar uma carga uniaxial constante no corpo de prova com dimensões controladas até sua ruptura para avaliar a resistência a esse esforço através de um gráfico de carga (ou tensão) por alongamento (ou deformação). Esse ensaio tem baixo custo, é prático, rápido e gera informações valiosas da resistência mecânica dos materiais como limite de escoamento, módulo de elasticidade, limite de resistência à tração, tensão e deformação de ruptura e tenacidade. Materiais não metálicos, como polímeros e compósitos, tendem a ter curvas de ensaios de tração bem distintas entre outros materiais da mesma família [25].

Figura 14 – Gráfico tensão x deformação de polímeros [26].

33 A tensão de ruptura é o valor máximo que o material resiste antes de sofrer a fratura e pode ser calculada pela razão entre a carga na ruptura e a área da seção transversal do corpo de prova (Equação 1). Já o alongamento é o quanto o material se deformou até sofrer a fratura e pode ser calculada pela razão entre a diferença do comprimento final e inicial pelo comprimento inicial (Equação 2). Existe uma outra propriedade chamada de módulo de elasticidade, que indica a rigidez do material (resistência à deformação elástica) e é expresso pela razão entre a tensão e a deformação na zona elástica do gráfico (Equação 3) [26].

𝜎 =

𝐴𝑜 (1)

𝜀 =

𝐿𝑖 (2)

𝐸 =

𝜀 (3)

Neste trabalho, foram feitos ensaios de tração com objetivo de verificar se houve alguma alteração nas propriedades mecânicas do material após um tempo de serviço nas condições de operação. Cada tubulação de compósito (de cada poço e do tubo controle) foi cortada em três corpos de provas com dimensões mostradas na Figura 13, totalizando doze corpos de prova. O procedimento do ensaio de tração seguiu a norma NBR 15536 com corpos de prova em formato de tira (conforme Anexo G da referida norma) [27]. O equipamento usado foi uma máquina de ensaios universal Shimadzu modelo AG-I-250N.

34 Com a média das tensões de ruptura dos ensaios de tração, foi calculada a Pressão Máxima de Operação Admissível (PMOA) pela Equação 5 da norma ASME B31G (considerando a hipótese de o compósito ter comportamento similar ao aço em tubos pressurizados) para o menor valor de ruptura encontrado (conservadorismo), considerando a espessura completa do compósito e condições padrões de tubulação (F = 0,72 e T =1). O resultado foi comparado aos testes de falha durante o desenvolvimento do material [28].

𝑃𝑀𝑂𝐴 =

𝐷

=

𝐷 (4)

Figura 15 – Amostras de compósito para ensaio de tração.

Fonte: autor, 2019.

3.2.1.2 – Método de elementos finitos

Com o intuito de simular o comportamento mecânico do material em outra ferramenta, foi feita também uma análise por elementos finitos com o software NX Nastran. O software possui modelos matemáticos para fazer análises de tensões e deformações complexas que não são possíveis sem auxilio computacional [29].

Foi feita uma simulação com um modelo com as mesmas dimensões do corpo de prova de tração, mas com a extremidade inferior fixa e a superior com um carregamento uniaxial na direção longitudinal, a fim de garantir uma situação similar ao ensaio de tração e saber se esse ensaio gera resultados confiáveis para esse tipo de material ortotrópico.

Conforme orientação de fabricação, foram consideradas para simulação 7 lâminas de 300 μm na camada interna (ângulo de 54,75º) e 7 lâminas de 300 μm na camada intermediária

35 (ângulo de 83º). A camada externa é de poliuretano (material isotrópico) [12]. Os valores das propriedades (P) do compósito nas direções longitudinais e transversais (1 e 2) informadas na simulação foram calculadas conforme a Regra das Misturas pelas Equações 5 e 6, utilizando as frações volumétricas informadas durante o desenvolvimento do material (V) e as propriedades da fibra e da matriz (E1, E2 e υ12) [16].

𝑃1 = 𝑃𝑓 ∗ 𝑉𝑓 + 𝑃𝑚 ∗ 𝑉𝑚

𝑃2 =

(𝑉𝑓∗𝐸𝑚+𝑉𝑚∗𝑃𝑓) (6)

Tabela 3 – Valores das propriedades das camadas pela Regra das Misturas.

Propriedade Camada interna Camada intermediária Camada externa

E1 63,84 GPa 60,7 GPa 0,70 GPa

E2 12,05 GPa 58,36 GPa -

υ12 0,33 0,26 0,4

Fonte: autor, 2019.

3.2.2 – Microscopias

Na análise por microscopia compreendem as técnicas de caracterização de materiais com o auxílio de aparelhos que permitem visualizar amostras com aumento que não seria possível a olho nu. Essas técnicas possuem alta resolução, o que permite, além do aumento, obter um alto grau de detalhes do objeto. O microscópio ótico é o mais comum e utiliza comprimento de onda da luz e o princípio de reflexão, através de lentes, para gerar a imagem com limite de resolução na ordem de µm (o olho humano é na ordem de micrometros). Já o microscópio eletrônico de varredura utiliza ondas eletromagnéticas através de um uma fonte de energia que gera um feixe de elétrons na amostra, produzindo imagens com limite de resolução da ordem de nanômetros. Uma desvantagem do MEV é que, geralmente, as amostras precisam ser condutoras, necessitando de banho em metais ou carbono para conseguirem ser visualizadas.

Fundamentalmente, o MO e o MEV têm funcionalidades até certo ponto semelhantes, como pode ser visto na Figura 16 [30].

36

Figura 16 – Similaridade entre MO e MEV [30].

No presente trabalho, foram retiradas quatro amostras das tubulações (uma de cada um dos três poços e uma da amostra controle) nas dimensões mostradas na Figura 13 e submetidas a preparação metalográfica com lixamento de superfície e remoção de irregularidades do corte da amostra. Foi utilizado um Microscópico Óptico (MO), marca OLYMPUS, modelo BX60M, com o objetivo de visualizar camadas e possíveis defeitos e imperfeições abrangendo uma área maior das amostras, mesmo com menos detalhes. Depois as amostras receberam banho de ouro para que pudessem se tornar condutora e serem analisadas em um Microscópico Eletrônico de Varredura (MEV), marca TESCAN, modelo VEGA3, com objetivo de analisar mais detalhes com grande aumento da imagem do objeto e detectar detalhes mais minuciosos das amostras.

Figura 17 – Detalhe da amostra de compósito para análise por microscopia.

Fonte: autor, 2019.

37 3.2.3 – Análise Térmica

A análise térmica envolve técnicas que avaliam propriedades físicas ou químicas de uma amostra em função da temperatura ou tempo controlados. Polímeros e compósitos são materiais suscetíveis e sensíveis a variações de temperatura, podendo alterar suas propriedades drasticamente e prejudicar suas aplicações, por isso o uso de técnicas de análise térmica são muito comuns nos estudos desses tipos de materiais. As duas técnicas mais comuns são Termogravimetria (TGA) e Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) [31].

A Termogravimetria (TGA) é uma técnica no qual a variação de massa de uma amostra é medida em função da temperatura ou tempo, através de parâmetros controlados. É uma técnica quantitativa que consegue detectar eventos que causem variação na massa como transformações físicas, reações químicas, degradação, decomposição etc. O ensaio consiste em aquecer a amostra em um equipamento que também possui um material de referência com propriedades e massa conhecida. Conforme o aquecimento prossegue, as variações e perda de massa são sensíveis a uma balança que detecta a temperatura ou tempo que ocorrer qualquer variação de massa (Figura 18). Isso é registrado em um gráfico de curvas TGA, onde o percentual de massa é o eixo dependente e a temperatura ou tempo, o eixo independente (Figura 19). Nesse ensaio também é possível gerar um gráfico de termogravimetria derivada, que consiste na derivada primeira das curvas de TGA a fim de auxiliar a análise e detectar com precisão, através de picos, o intervalo e temperatura onde um determinado evento, que resultou em variação de massa, ocorre com maior intensidade [32].

Figura 18 – Equipamento de TGA [33].

38

Figura 19 – Curva típica de TGA [32].

A Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC) é uma técnica que fornece dados da entalpia de uma amostra em função da temperatura, através de parâmetros controlados. É uma técnica quantitativa que consegue detectar eventos importantes como temperatura de fusão, temperatura de cristalização, temperatura de transição vítrea e outros eventos térmicos que causem alteração na entalpia. O ensaio consiste em aquecer (ou resfriar) a amostra em um equipamento que também possui um material de referência. A variação de temperatura prossegue gerando curvas que, quando ocorre um processo de absorção de calor, endotérmico, surge um pico negativo (já que o aquecedor da amostra deve dissipar calor para manter a temperatura igual à da referência), enquanto que quando ocorre um processo de liberação de calor, exotérmico, surge um pico positivo. A área desse pico corresponde a entalpia do evento [34].

Figura 20 – Equipamento de DSC [34].

39

Figura 21 – Curva típica de DSC identificando pequenas alterações (I) e picos endotérmicos (II e III) e exotérmico (IV) [34].

No presente trabalho, foram retiradas quatro amostras das tubulações (uma de cada um dos três poços e da amostra controle) nas dimensões mostradas na Figura 13 para análise termogravimétrica (TGA) e de calorimetria exploratória diferencial (DSC). As análises foram feitas no equipamento SDT Q600 da TA Instrument com amostra de referência de platina, onde aproximadamente 10 mg das amostras foram aquecidas da temperatura ambiente até 600ºC em uma atmosfera de ar sintético, sob uma taxa de aquecimento de 10 ºC/min. As três camadas de cada amostra de compósito foram analisadas individualmente, gerando gráficos distintos.

3.2.4 – Absorção de água

Materiais compósitos, como PRFV, podem ter suas propriedades afetadas em caso de absorverem água acima de determinados limites, podendo comprometer sua aplicabilidade em situações de operação [18]. Defeitos como deficiência de interação entre camadas, alteração de matriz ou fibra e micro vazios podem influenciar na absorção de água do compósito. Assim, ensaio de absorção de água são importantes para estabelecer limites e detectar alterações dos materiais em contato com água [35].

No presente trabalho foram retiradas quatro amostras das tubulações (de cada um dos três poços e da amostra controle) nas dimensões mostradas na Figura 13, onde essas amostras foram secas em estufa à 50 °C por 24 horas. Após isso as amostras foram colocadas em reservatórios com água pura e pesadas a cada 24 horas em balança de precisão até atingir a saturação. O ensaio foi realizado conforme descrito na norma ASTM D570-98. A porcentagem

40 de água no corpo de prova foi calculada usando a Equação 7, onde: ΔM é a porcentagem de absorção de água e Mi e Mf correspondem as massas das amostras antes e após a imersão em água [36].

∆𝑀 (%) =^{𝑀𝑓−𝑀𝑖}

𝑀𝑖 × 100 (7)

Uma característica de campos maduros de petróleo é a presença abundante de água (acima de 90% da produção), visto que esses campos já produzem há muitos anos e que a quantidade de óleo bruto diminui com o tempo. O fato de haver excesso de água produzida (água natural do reservatório) e corrosiva nos poços (devido aos contaminantes do reservatório) pode provocar uma alteração na propriedade de absorção de água do compósito, podendo prejudicar e gerar riscos na operacionalidade da tubulação de linha de produção. Assim, o objetivo desse ensaio é verificar alguma alteração na propriedade de absorção de água das amostras em operação, comparando com a amostra controle, devido à presença de defeitos causados pelo fluido ou às condições operacionais da tubulação.

Figura 22 – Detalhe das amostras de ensaio de absorção de água.

Fonte: autor, 2019.

41

4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES

4.1 – ENSAIOS MECÂNICOS

4.1.1 – Ensaios de tração

Os gráficos gerados pelos ensaios de tração dos três corpos de prova de cada amostra podem ser vistos nas Figuras 23 a 26.

4.1.1.1 – Amostra controle

A amostra controle apresentou uma média de 13,60 MPa de tensão de ruptura, 147,59 MPa de módulo de elasticidade e uma média de alongamento de 2,19%, como pode ser visto na Tabela 4.

Figura 23 – Gráfico do ensaio de tração da amostra controle.

Fonte: autor, 2019.

42

Tabela 4 – Valores do ensaio de tração da amostra controle.

Corpo de prova Tensão de ruptura (MPa)

Alongamento (%)

Módulo de Elasticidade (MPa)

CP-C-01 13,37 2,5 147,38

CP-C-02 14,8 1,8 161,34

CP-C-03 12,61 2,3 134,59

Média 13,60 2,19 147,59

Desvio padrão 1,11 0,36 13,64

Fonte: autor, 2019.

4.1.1.2 – Amostra do poço RP-0147

A amostra do poço RP-0147 apresentou uma média de 14,65 MPa de tensão de ruptura, 182,83 MPa de módulo de elasticidade e uma média de alongamento de 0,57%, como pode ser visto na Tabela 5.

Figura 24 – Gráfico do ensaio de tração da amostra do poço RP-0147.

Fonte: autor, 2019.

43

Tabela 5 – Valores do ensaio de tração da amostra do poço RP-0147.

Corpo de prova Tensão de ruptura (MPa)

Alongamento (%)

Módulo de Elasticidade (MPa)

CP-RP-01 15,16 0,58 171,36

CP-RP-02 14,55 0,5 178,93

CP-RP-03 14,25 0,6 198,20

Média 14,65 0,57 182,83

Desvio padrão 0,47 0,07 13,84

Fonte: autor, 2019.

4.1.1.3 – Amostra do poço FP-0091

A amostra do poço FP-0091 apresentou uma média de 17,38 MPa de tensão de ruptura, 198,79 MPa de módulo de elasticidade e uma média de alongamento de 0,59%, como pode ser visto na Tabela 6.

Figura 25 – Gráfico do ensaio de tração da amostra do poço FP-0091.

Fonte: autor, 2019.

44

Tabela 6 – Valores do ensaio de tração da amostra do poço FP-0091.

Corpo de prova

Tensão de ruptura (MPa)

Alongamento (%)

Módulo de Elasticidade (MPa)

CP-FP-01 16,90 0,68 205,24

CP-FP-02 17,39 0,7 194,38

CP-FP-03 17,85 0,4 196,74

Média 17,38 0,59 198,79

Desvio padrão 0,47 0,17 5,71

Fonte: autor, 2019.

4.1.1.4 – Amostra do poço PL-0288

A amostra do poço PL-0288 apresentou uma média de 20,05 MPa de tensão de ruptura, 231,16 MPa de módulo de elasticidade e uma média de alongamento de 0,60%, como pode ser visto na Tabela 7.

Figura 26 – Gráfico do ensaio de tração da amostra do poço PL-0288.

Fonte: autor, 2019.

45

Tabela 7 – Valores do ensaio de tração da amostra do poço PL-0288.

Corpo de prova Tensão de ruptura (MPa)

Alongamento (%)

Módulo de Elasticidade (MPa)

CP-PL-01 19,60 0,96 216,08

CP-PL-02 20,68 0,44 248,36

CP-PL-03 19,86 0,40 230,11

Média 20,05 0,60 231,16

Desvio padrão 0,56 0,31 16,19

Fonte: autor, 2019.

O valor da PMOA pela Equação 4 da norma ASME B31G (condição de contorno de um tubo pressurizado) foi calculado utilizando o menor valor (mais conservador) da tensão de ruptura, ou seja, da amostra controle. O diâmetro da tubulação é 3 polegadas (76 mm) e a espessura média dos corpos de prova da amostra controle é de 15 mm. O resultado foi uma PMOA de 3,86 MPa (560 psi), ou seja, cerca de 2,2 vezes maior que a pressão de operação de linhas de produção, que é de 1,72 MPa (250 psi). Outro detalhe importante é que o teste de ruptura instantânea dos tubos durante o desenvolvimento do material foi de cerca de 50 MPa (7251 psi), valor bem acima do calculado [12].

𝑃𝑀𝑂𝐴 =

0,076

= 3,86 𝑀𝑃𝑎

4.1.2 – Simulação de elementos finitos

A simulação por elementos finitos mostrou que o modelo do corpo de prova rotaciona e flexiona em diferentes eixos quando submetido a um carregamento uniaxial (comportamento mecânico diferente de um material isotrópico como o aço). Isso se deve pela natureza complexa e do comportamento ortotrópico desse material compósito, onde cada camada tem uma rigidez diferente (pois são materiais diferentes), e a resultante disso é um estado de tensões multiaxial, como pode ser visto no modelo da Figura 27.

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Figura 27 – Deformação flexoaxial do corpo de prova.

Fonte: autor, 2019.

4.1.3 – Discussões

Houve variações na tensão de ruptura das amostras, tendo a amostra controle apresentado o menor valor dentre elas. No alongamento, houve uma discrepância maior também na amostra controle, que apresentou valor cerca de três vezes maior que a média das amostras dos poços e, consequentemente, um menor módulo de elasticidade. Foi visto que a amostra controle possui camada interna com espessura que varia até 3 mm em relação às espessuras das camadas internas dos poços (Figura 29) e isso reflete nas propriedades.

Essa alteração pode ser explicada pela diferença de lote entre as amostras, pois os tubos foram fabricados em períodos distintos e os compósitos são materiais que exigem um controle de qualidade complexo e são de difícil padronização de propriedades mecânicas devido à sua anisotropia [16].

Uma outra possibilidade é que, por se tratar de um compósito com matriz polimérica, houve um adensamento (ou estiramento) das cadeias poliméricas gerado pela compressão radial devido à pressão de operação que a tubulação está sujeita (com expansão limitada, pois o solo restringe a deformação na região externa do tubo). Com os anos de trabalho, isso pode ter reduzido a espessura das camadas e aumentado a resistência mecânica das amostras em operação se comparado com a amostra controle nova. Os polímeros podem sofrer esse fenômeno mesmo em casos de solicitações mecânicas causada por cargas de tração [37]. Na compressão também pode ocorrer evento similar, onde o polímero sofre um processo de estiramento, tornando-se mais rígido no início do carregamento. A Figura 28 mostra esse comportamento em um gráfico com três regiões bem definidas: a região de deformação elástica,

47 que se recupera com a remoção da carga, o platô, onde ocorre o aumento da carga compressiva, onde os vazios começam a se comprimir e ser reduzidos (aumento de deformação sem aumento de tensão) e a última etapa de densificação, onde a tensão aumenta rapidamente (sem qualquer incremento significativo na deformação) e a matriz polimérica começa a ser comprimida, o que causa o rápido aumento da resistência da amostra [38].

Figura 28 – Comportamento mecânico na compressão [38].

Outro detalhe importante é que, pela simulação por elementos finitos, foi possível concluir que o material se comporta mecanicamente de forma complexa e o ensaio de tração padrão não é a técnica ideal para determinar as propriedades mecânicas desse material. Apesar dessas limitações, é possível afirmar que o material está seguro para trabalhar com a pressão máxima de operação de uma linha de produção de petróleo terrestre que é de 1,72 MPa (250 psi).

Figura 29 – Diferença de espessura das amostras.

Fonte: autor, 2019.

48 4.2 – MICROSCOPIAS

4.2.1 – Microscopia Óptica

A seguir será possível ver as micrografias das interfaces por microscópio óptico da seção transversal das amostras.

4.2.1.1 – Amostra controle

A Figura 30, da amostra controle, mostra que a interface entre a camada interna e intermediária apresenta boa interação, sem micro vazios. Já na Figura 31, é possível ver um espaçamento na interface entre a camada externa e intermediária, evidenciando uma baixa interação entre as mesmas.

Figura 30 – Micrografias ópticas da interface entre as camadas interna e intermediária da amostra controle.

Fonte: autor, 2019.