UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO PRÓ-REITORIA DE GRADUAÇÃO
CENTRO DE ENGENHARIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA E TECNOLOGIA CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANA PAULA DA COSTA GOMES
CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DO EIXO DE UM ALARGADOR DE FURO DE POÇO DE PETRÓLEO
MOSSORÓ 2017
ANA PAULA DA COSTA GOMES
CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DO EIXO DE UM ALARGADOR DE FURO DE POÇO DE PETRÓLEO
Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Engenheira Mecânica.
Orientador: Manoel Quirino da Silva Junior, Prof. Dr.
MOSSORÓ 2017
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G633c Gomes, Ana Paula da Costa.
CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DO EIXO DE UM ALARGADOR DE FURO DE POÇO DE PETRÓLEO / Ana Paula da Costa Gomes. - 2017.
51 f. : il.
Orientador: Manoel Quirino da Silva Junior Silva.
Monografia (graduação) - Universidade Federal Rural do Semi-árido, Curso de Engenharia Mecânica, 2017.
1. Alargadores. 2. Eixo. 3. Caracterização microestrutural. 4. Poço de petróleo. 5. Aço SAE 4140. I. Silva Junior, Manoel Quirino da, orient. II. Título.
ANA PAULA DA COSTA GOMES
CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DO EIXO DE UM ALARGADOR DE FURO DE POÇO DE PETRÓLEO
Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-Árido como requisito para obtenção do título de Engenheira Mecânico.
AGRADECIMENTOS
Primeiramente à Deus, que me concedeu forças nessa jornada. Por todas as coisas maravilhosas que fez na minha vida. Muitas vezes tendo um propósito maior do que o meu entendimento.
À minha família, que sempre me deu apoio em todas as etapas da minha vida. Aos meus pais, que são o motivo de tudo, minha inspiração, meu porto seguro, sem eles nada disso teria sentido ou valeria a pena. Sempre com sua dedicação e seu amor infinito executam da maneira mais plena e sublime os papéis de pai e mãe. Aos meus irmãos que sempre estiveram ao meu lado, me dando apoio. Aos meus avós, que me ensinaram, com palavras e gestos simples, o que é realmente importante na vida. Aos tios, tias, primos, sobrinhos, todos que sempre se fizeram presente, mesmo na distância. A meu primo João e seus filhos, que em acolheram de braços abertos, me oferecendo moradia ao longo desses anos. À Maria Marta que me acolheu em sua família, tornam-se uma grande amiga e que hoje partiu para um lugar melhor.
À meu namorado Ricardo, um dos pilares que me sustentam. Esteve presente em todos os momentos da minha vida universitária, sempre me dando a força necessária para seguir. Sempre pronto para me ajudar, me apoiar e me dando a força necessária para seguir adiante. Aos amigos que fiz ao longo da vida. Aos amigos de infância, de escola, de universidade. Pelo apoio nessa etapa.
Ao professor Francisco Evaristo Uchoa Reis que colaborou com esse trabalho, levando as amostras para serem analisadas na UFC.
A meu orientador Manoel Quirino da Silva Junior por me ajudar nessa etapa da minha vida. A toda UFERSA que contribuiu para a minha formação.
À Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN) que realizou a Difração de raios X nas amostras.
RESUMO
O petróleo é uma das fontes de energia mais utilizadas no mundo. Para a obtenção do petróleo são necessários três passos, a prospecção, a perfuração e a extração. Na perfuração em terra são utilizados sondas e maquinários específicos. Para realizar a perfuração são utilizadas as brocas e os alargadores. Os alargadores são formados pelo eixo (Reamer Pin), Cross Pin, Drive-Fit Body Bearing Blocks e a camisa (Cutters). O presente trabalho teve como principal objetivo a caracterização microestrutural do eixo de um alargador de poço de petróleo. Esse eixo foi fornecido pela empresa Schlumberger Serviços de Petróleo Ltda. Durante o trabalho foram extraídas três amostras do eixo. A primeira amostra foi analisada como recebida pela empresa, a segunda foi temperada e resfriada em óleo e a última foi temperada e resfriada em água. Essas amostras foram submetidas à análise de composição química, a difratometria de raios X (DRX), microscopia óptica e por fim foram realizados os ensaios de dureza e microdureza. Os resultados levaram à conclusão de que eixo trata-se de aço SAE 4140.
Palavras-chave: Alargadores. Eixo. Caracterização microestrutural. Poço de petróleo. Aço
ABSTRACT
Petroleum is one of the most widely used energy sources in the world. Three steps are required to obtain oil, prospecting, drilling and extraction. In drilling on land, probes and specific machinery are used. To drill drills and reamers are used. The reamers are formed by Reamer Pin, Cross Pin, Drive-Fit Body Bearing Blocks and Cutters. The main objective of this work was the microstructural characterization of the Reamer Pin of an oil well reamer.Reamer Pin was supplied by Schlumberger Serviços de Petróleo Ltda. During the work three samples of the shaft were extracted. The first sample was analyzed as received by the company, the second was tempered and cooled in oil and the last one was tempered and cooled in water. These samples were submitted to chemical composition analysis, X - ray diffractometry (XRD), optical microscopy and, finally, hardness and microhardness tests were performed. The results led to the conclusion that Reamer Pin is SAE 4140 steel.
Keywords: Reamers. Reamer Pin. Microstructural characterization . Oil well. SAE 4140
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1 - Torre utilizada na perfuração de poços de petróleo ... 15
Figura 3.2 - Esquema de uma sonda rotativa... 16
Figura 3.3 - Cabeça de injeção ... 17
Figura 3.4 - Esquema da coluna de perfuração ... 19
Figura 3.5 - Broca tricônica ... 20
Figura 3.6 - Broca de diamante artificial PDC ... 22
Figura 3.7 - Alargamento durante a perfuração de um poço ... 22
Figura 3.8 - Alargador ... 23
Figura 3.9 - Partes que compõem o alargador ... 24
Figura 3.10 - Tipos de cortadores ... 24
Figura 3.11 - Eixo (Reamer pin) ... 25
Figura 3.12 - Curvas de temperabilidade do ensaio Jominy para cinco aços diferentes com composição e tamanho de grãos conforme indicado ... 27
Figura 3.13 - Difratograma de raios X do aço SAE 4140 submetido ao tratamento de têmpera ... 29
Figura 3.14 - Difratograma do aço SAE 4140 ... 30
Figura 3.15 - Difratogramas das amostras do aço 4140 submetidas ao tratamento convencional, subzero e criogênico ... 30
Figura 3.16 -Microestrutura da amostra aço SAE 4140 como recebido. Observadas em campo claro aumento de 500 vezes. ... 31
Figura 3.17 - Micrografia do aço SAE 4140 após têmpera e revenimento ... 32
Figura 3.18 - Ensaio de Dureza Rockwell (HR) ... 32
Figura 4.1 - Eixo do qual foram retiradas as amostras ... 34
Figura 4.2 - Amostra do eixo temperada e resfriada em óleo... 34
Figura 5.1 - Difratograma de raios X da amostra do eixo de um alargador de poço de petróleo ... 39
Figura 5.2 - Micrografia da amostra do eixo, sem tratamento térmico, após o ataque químico com Nital 5%. Ampliação 500x ... 40
Figura 5.3 - Micrografia da amostra do eixo, sem tratamento térmico, após o ataque químico com Nital 5%. Ampliação 1000x ... 41
Figura 5.4 - Micrografia da amostra do eixo, com tratamento térmico de têmpera a 950°C, permanência de 10 minutos, com resfriamento em óleo. Ataque químico com Nital 5%. Ampliação 1000x ... 41 Figura 5.5 - Micrografia da amostra do eixo, com tratamento térmico de têmpera a 950°C, permanência de 10 minutos, com resfriamento em água. Ataque químico com Nital 5%. Ampliação 1000x ... 42 Figura 5.6 – Resultados das medições de dureza como recebida e temperadas ... 43 Figura 5.7 - Resultados das medições de microdureza das amostras como recebida e temperadas ... 44
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 - Composição química do aço SAE 4140 (wt%) ... 26
Tabela 5.1 - Composição química da amostra do eixo (wt%) ... 38
Tabela 5.2 - Composição química do Aço SAE 4140 (wt%) ... 38
Tabela 1 - Medições de dureza e microdureza na amostra do eixo como entregue ... 49
Tabela 2 - Medições de dureza e microdureza na amostra do eixo temperado e resfriado em óleo ... 50
Tabela 3 - Medições de dureza e microdureza na amostra do eixo temperado e resfriado em água ... 51
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 12 2 OBJETIVOS ... 13 2.1 Objetivos Gerais ... 13 2.2 Objetivos Específicos ... 13 3 REFERENCIAL TEÓRICO ... 14
3.1 Processo de furação de poço de petróleo ... 14
3.2 Maquinário ... 14
3.2.1 Sistema de sustentação de cargas ... 15
3.2.2 Sistema de geração e transmissão de energia ... 16
3.2.3 Sistema de movimento de carga ... 16
3.2.4 Sistema de rotação... 17
3.2.5 Sistema de circulação ... 17
3.2.6 Sistema de segurança ... 18
3.2.7 Sistema de monitoração ... 18
3.3 Ferramentas para a furação ... 18
3.3.1 Brocas ... 20 3.3.2 Alargador... 22 3.4 Aço SAE 4140 ... 25 3.4.1 Têmpera... 26 3.4.2 Difração de Raios X ... 28 3.4.3 Microscopia Óptica ... 31 3.4.4 Ensaio de Dureza... 32 3.4.5 Ensaio de Microdureza ... 33 4 MATERIAIS E MÉTODOS ... 34
4.1 Análise de Composição Química ... 35
4.2 Difratometria de Raios X (DRX)... 35
4.3 Microscopia Óptica ... 35
4.4 Ensaio de dureza ... 36
4.5 Ensaio de Microdureza ... 37
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 38
5.1 Análise de Composição Química ... 38
5.3 Microcopia Óptica ... 40
5.4 Ensaio de dureza ... 42
5.5 Ensaio de microdureza ... 43
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 45
REFERÊNCIAS ... 46
ANEXO 1 – MEDIÇÕES DE DUREZA E MICRODUREZA NA AMOSTRA DO EIXO COMO ENTREGUE ... 49
ANEXO 2 – MEDIÇÕES DE DUREZA E MICRODUREZA NA AMOSTRA DO EIXO TEMPERADO E RESFRIADO EM ÓLEO ... 50
ANEXO 3 – MEDIÇÕES DE DUREZA E MICRODUREZA NA AMOSTRA DO EIXO TEMPERADO E RESFRIADO EM ÁGUA ... 51
1 INTRODUÇÃO
O petróleo possui grande importância no mundo, pois é a fonte de energia mais utilizada, está presente nas embalagens, resinas, medicamentos, lubrificantes, entre outros. O petróleo é uma fonte não renovável de energia, contudo é praticamente impossível determinar-se com precisão o fim das reservas petrolíferas. O petróleo é originado a partir da decomposição de matéria orgânica resultante de restos de animais e plantas em rochas sedimentares. E após longo tempo sofrendo ações químicas e bacterianas, ativadas pelo aumento de pressões e temperatura resultam em hidrocarbonetos (CARDOSO, 2005).
A indústria do petróleo é um dos setores que apresentaram maiores avanços tecnológicos nos últimos tempos. As atividades relacionadas com a exploração e produção de petróleo exigem equipamentos avançados e mão de obra qualificada. Na perfuração dos poços de petróleo são utilizadas sondas de perfuração. Os equipamentos utilizados nessa etapa possuem elevado valor financeiro, logo a escolha do material adequado é fundamental para se evitar prejuízos futuros (CARDOSO, 2005).
Os sistemas de perfuração são divididos em produção na Terra (ONSHORE) e a produção no Mar (OFFSHORE). A perfuração em terra possui menores custos e engenharia menos complexa em relação à produção no mar (ECONOMIDES; WATTERS; DUNN-NORMAN, 1998).
As principais ferramentas no processo de perfuração são as brocas e os alargadores. As brocas têm como finalidade perfurar a crosta terrestre e o alargador tem o objetivo alargar o poço até este apresentar as dimensões adequadas (THOMAS, 2004).
O alargador é composto de diferentes partes, o eixo é um desses componentes. No presente trabalho foi realizada a caracterização do eixo do alargador. Do eixo foram extraídas três amostras, a primeira como recebida pela empresa, as outras duas amostras foram submetidas ao tratamento térmico de têmpera, a primeira resfriada em óleo e a segunda em água, com o intuito de aumentar sua vida útil do componente, aumentando sua dureza, visto que durante a perfuração do poço, o eixo é submetido a condições extremas de funcionamento, como temperatura e pressão.
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivos Gerais
Caracterização microestrutural do eixo de um alargador de furo de poço de petróleo.
2.2 Objetivos Específicos
Identificar as fases presentes no material do eixo do alargador por Difração de Raios X (DRX);
Analisar a microestrutura do eixo por Microscopia Óptica, nas amostras como recebida pela empresa e após tratamento térmico de têmpera em diferentes meios de resfriamento (água e óleo);
Realizar ensaios de dureza e microdureza como recebida pela empresa e após tratamento térmico de têmpera;
Especificar o tipo de material de acordo com a SAE;
Realizar análise química por espectrometria de emissão óptica para medir a composição química do material.
3 REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 Processo de furação de poço de petróleo
O petróleo é resultado da decomposição da matéria orgânica junta com os sedimentos. Num ambiente apropriado, a junção matéria orgânica com os sedimentos sofrem aumento da temperatura e da carga sedimentar. Esta mistura passa por vários estágios evolutivos, nos quais estará presente a variação de temperatura, ocorrendo uma transformação termoquímica da matéria orgânica e a consequente formação do petróleo (THOMAS, 2004).
Após a formação do petróleo ocorre a acumulação do mesmo em reservatórios rochosos. Inicialmente ocorre a migração primária que está relacionada com a expulsão da água das rochas fonte levando consigo o petróleo. Em seguida ocorre à migração secundária, nesta etapa o petróleo fica retido em uma rocha reservatório (THOMAS, 2004).
A perfuração dos poços de petróleo ocorre em fases. Cada fase é determinada pelo diâmetro da broca ou do alargador que está sendo utilizado na perfuração. A quantidade de fases da perfuração depende das características das zonas perfuradas e da profundidade final do poço, sendo, normalmente de três a quatro fases, podendo chegar a oito em alguns casos. Ao final de cada fase ocorre a descida de uma coluna de revestimento para proteger as formações e permitir que o fluido de perfuração seja utilizado adequadamente e em seguida ocorre a cimentação do poço (ROCHA; AZEVEDO, 2009).
3.2 Maquinário
O maquinário utilizado no processo de perfuração dos poços de petróleo são as sondas de perfuração. A perfuração se inicia quando a sonda chega à locação e a coluna de perfuração é descida para iniciar o processo. As perfurações variam de acordo com o tipo de sonda a se utilizar e o tipo de solo que está sofrendo a escavação (ROCHA; AZEVEDO, 2009).
As rochas são perfuradas por uma broca que fica localizada na extremidade de uma coluna de perfuração. Durante o processo, fluidos de perfuração são injetados, através de bombas, no interior da coluna por meio da cabeça de injeção. Quando o fluido é injetado no poço, os fragmentos da rocha são removidos continuamente, devido o retorno do líquido a superfície através do espaço anular formado pelas paredes do poço e a coluna. Ao atingir determinada profundidade a coluna de perfuração é substituída pela coluna de revestimento de
aço com diâmetro inferior ao da broca. As paredes do poço são cimentadas, oferecendo maior segurança. Dessa forma percebe-se que a perfuração ocorre em várias etapas nas quais serão variados os diâmetros das brocas. Os principais sistemas do processo de perfuração são de sustentação de cargas, de geração e transmissão de energia, de movimento de carga, de rotação, de circulação, de segurança do poço, de monitoração e de subsuperfície (THOMAS, 2004).
3.2.1 Sistema de sustentação de cargas
O sistema de sustentação de cargas é formado pela torre, pela subestrutura e pela base. A torre é uma estrutura de aço especial, que possui forma piramidal. Através da torre são feitas manobras que são operações de troca das brocas. Outra estrutura que pode substituir a torre, dependendo da aplicação, é o mastro. O mastro é mais utilizado em perfurações terrestres devido à facilidade e rapidez durante a montagem. A subestrutura é formada por vigas de aço especial que são montados sobre a base da sonda. A base ou estaleiro fica posicionado em frente à sonda e consiste em uma estrutura metálica formada por diversas vigas. No estaleiro estão localizadas as todas as tubulações utilizadas no poço, facilitando o manuseio destas (THOMAS, 2004).
Na Figura 3.1é mostrado a torre e outros equipamentos utilizados para a perfuração dos poços.
Figura 3.1 - Torre utilizada na perfuração de poços de petróleo
Fonte: Freudenrich (2016).
3.2.2 Sistema de geração e transmissão de energia
O sistema de geração e transmissão de energia é constituído pelas fontes de energia, pelas sondas mecânicas e pelas sondas diesel-elétricas. As fontes de energia utilizadas para o acionamento dos equipamentos da sonda são geralmente os motores a diesel (THOMAS, 2004).
3.2.3 Sistema de movimento de carga
O sistema de movimento de carga permite o movimento das colunas de perfuração, de revestimento e outros equipamentos. Os principais componentes do sistema são guincho, bloco de coroamento, catarina, cabo de perfuração, gancho e elevador. O guincho tem como função receber a energia mecânica necessária para a movimentação das cargas. O bloco de coroamento é localizado na parte superior da torre ou mastro. É um conjunto estacionário de 4 a 7 polias montadas em linha num eixo suportado por dois mancais de deslizamento, suportando todas as cargas que lhe são transmitidas pelo cabo de perfuração. A catarina é um conjunto de 3 a 6 polias móveis montadas em um eixo que se apoia nas paredes externas da própria estrutura da catarina. Na Figura 3.2é mostrada a catarina montada na sonda, esta fica suspensa pelo cabo de perfuração que passa alternadamente pelas polias do bloco de coroamento e as polias da catarina (THOMAS, 2004).
Figura 3.2 - Esquema de uma sonda rotativa
3.2.4 Sistema de rotação
O sistema de rotação convencional é formado por equipamentos que promovem ou permitem a livre rotação da coluna de perfuração. Estes equipamentos são a mesa rotativa, o kelly e a cabeça de circulação. A mesa rotativa é um equipamento responsável por gerar movimento rotativo e transmitir este movimento à coluna de perfuração. A mesa rotativa também suporta o peso da coluna durante as operações de manobra. O kelly é o elemento que transmite a rotação originada da mesa à coluna de perfuração. A transmissão do movimento de rotação ocorre devido o kelly passar por dentro da mesa rotativa. A cabeça de injeção também chamada de swivel (Figura 3.3) é um equipamento que separa os elementos rotativos dos estacionários. O fluido de perfuração injetado na coluna ocorre por meio da cabeça de injeção (THOMAS, 2004).
Figura 3.3 - Cabeça de injeção
Fonte: Swivels (2012).
3.2.5 Sistema de circulação
O sistema de circulação é composto por equipamentos que permitem a circulação e o tratamento do fluido de perfuração. Quando o sistema de circulação funciona de forma apropriada, o fluido de perfuração é bombeado através da coluna de perfuração até a broca e
retornar a superfície pelo espaço anular. Quando o fluido retorna a superfície traz consigo fragmentos de rochas provenientes da perfuração. Na superfície, o fluido fica dentro de tanques e recebe tratamento adequado (THOMAS, 2004).
3.2.6 Sistema de segurança
O sistema de segurança de poço é formado pelos equipamentos de segurança de cabeça de poço e de equipamentos complementares que permitem o fechamento e controle do poço. A cabeça de poço é constituída por diversos equipamentos que permite a retenção e vedação das colunas de revestimento das superfícies. Seus equipamentos são cabeça de revestimento, carretel de perfuração, adaptadores, carretel espaçador e seus acessórios (THOMAS, 2004).
3.2.7 Sistema de monitoração
O sistema de monitoração é composto por equipamentos que controlam a perfuração, como manômetros, indicador de torque, tacômetro, etc. Este sistema tem como objetivo garantir a máxima eficiência e economia durante a perfuração (THOMAS, 2004).
3.3 Ferramentas para a furação
A perfuração do poço de petróleo ocorre quando a broca está instalada na extremidade inferior da coluna. O sistema de rotação, mesa rotativa ou top drive, o movimento é aplicado sobre a coluna de perfuração e esta transmite rotação à broca. A broca deve possuir energia de rotação e peso suficientes para cortar a rocha (CARDOSO, 2005).
Os principais componentes da coluna são os comandos, tubos pesados e tubos de perfuração (Figura 3.4). Estes tubos possuem canais de fluxo em seu interior que permitem a passagem do fluido de perfuração (CARDOSO, 2005).
Figura 3.4 - Esquema da coluna de perfuração
Fonte: Cardoso (2005).
Os comandos (drill collars) são elementos tubulares que têm como função fornecer peso sobre a broca e rigidez a coluna. São os primeiros tubos acima da broca, possuem maior diâmetro que os demais tubos e corpo liso. Alguns comandos apresentam corpo espiralado que facilitam o fluxo de fluidos utilizados na perfuração (CARDOSO, 2005).
Os tubos pesados (heavy weight drill pipes) possuem diâmetros menores que os comandos e conseguem proporcionar uma diminuição na probabilidade de ocorrer falha por fadiga no equipamento. Isto é possível devido os tubos pesados proporcionar uma transição de rigidez entre os comandos e tubos de perfuração (THOMAS, 2004).
Os tubos de perfuração (drill pipes) são tubos de aço com extremidades de conexões cônicas que são soldadas no seu corpo. Na parte interna são aplicadas resinas para diminuir o desgaste e a corrosão dos tubos (THOMAS, 2004).
3.3.1 Brocas
As brocas são ferramentas de corte utilizadas na perfuração dos poços de petróleo, são localizadas na parte extrema inferior da coluna de perfuração. As brocas têm como objetivo romper e degradar as rochas durante o processo de perfuração. Durante as perfurações, as rochas encontradas se apresentam de diversas formas, para que ocorra uma compatibilidade entre a broca utilizada e a rocha que será desgastada é feita a classificação das brocas. As brocas podem ser classificadas em brocas sem partes móveis e brocas com partes móveis (PLÁCIDO; PINHO, 2009).
3.3.1.1 - Brocas com partes móveis
As brocas com partes móveis são ferramentas que possuem partes que podem ser retiradas e substituídas por outras. Estas brocas possuem dois elementos principais, a estrutura cortante e os rolamentos (CARDOSO, 2005).
As brocas tricônicas possuem como estruturas cortantes fileiras de dentes montados sobre o cone, durante a perfuração apenas os dentes entram em contato com as rochas (THOMAS, 2004).
Na Figura 3.5 é mostrada a broca tricônica de incertos de carbonetos de tungstênio. Figura 3.5 - Broca tricônica
Fonte: Guilherme (2012).
Os rolamentos são elementos que promovem a rotação nas brocas, como roletes ou esferas, estes rolamentos podem ser selados ou não selados. Nas brocas com rolamentos selados há um sistema interno de lubrificação, que não permite o contato do fluido de
perfuração com os rolamentos, aumentando a vida útil da broca. Os rolamentos não selados, diferentemente dos selados, não possuem lubrificação própria, assim são lubrificados pelo fluido de perfuração. Por consequência, a broca com rolamentos não selados apesar de apresentar menor custo possui maior desgaste (THOMAS, 2004).
O corpo da broca é composto por três eixos de rolamento onde são montados os cones, conexão rosqueada que une a broca com o tubo de perfuração, depósito que contém o lubrificante para os rolamentos e orifícios através dos quais passa o fluido de perfuração (PLÁCIDO; PINHO, 2009).
3.3.1.2 Brocas sem partes móveis
As primeiras brocas sem partes móveis a serem utilizadas foram as integrais de lâminas de aço, também chamadas de brocas de rabo de peixe. Estas brocas possuem orifícios, nos quais ocorre a passagem do fluido da coluna para o interior do poço, permitindo uma boa limpeza da lâmina. As brocas de lâminas de aço foram substituídas pelas brocas de cones, visto que a primeira possui uma menor vida útil da lâmina. As brocas de diamantes naturais perfuram pelo efeito de esmerilhamento. Os diamantes naturais são fixados numa matriz metálica especial, apenas os diamantes entram em contato com a rocha durante a perfuração. A aplicação dessas brocas é determinada pelo tamanho e a quantidade de diamantes (THOMAS, 2004).
As brocas de diamante artificiais realizam a perfuração através do cisalhamento. Estas brocas são compostas por pastilhas ou compactos montados sobre bases cilíndricas, instaladas no corpo da broca, são chamadas de brocas PDC (Polycristalline Diamond Compact), mostradas na Figura 3.6. Nas pastilhas estão localizadas finas camadas de partículas de diamantes aglutinadas com cobalto, fixada a outra camada composta de carboneto de tungstênio (THOMAS, 2004).
Figura 3.6 - Broca de diamante artificial PDC
Fonte: Schlumberger (2017).
3.3.2 Alargador
O alargamento (Figura 3.7) consiste em aumentar o diâmetro do poço através da utilização de uma broca com diâmetro maior. Com o objetivo de economizar tempo o alargamento e a perfuração podem ser feitos de maneira simultânea (THOMAS, 2004).
Figura 3.7 - Alargamento durante a perfuração de um poço
Fonte: Schlumberger (2017).
A ferramenta utilizada na operação de alargamento é o alargador (Figura 3.8). Os alargadores são projetados para o escareamento e a estabilização do poço. As partes que compõem o alargador são fabricadas de aço liga especial e tratado termicamente para aumentar sua dureza. Quando alguma parte do alargador sofre desgaste, esta pode ser
substituída de forma simples, não necessitando do uso de ferramentas especiais. A escolha do alargador que será utilizado na perfuração depende do tamanho do furo, tipo de cortadores, tamanho do colar da broca, etc (DRILL STAR, 2016).
Figura 3.8 - Alargador
Fonte: Adaptado de Schlumberger (2017).
Os alargadores de rolos, também conhecidos como alargadores rotativos, são muito utilizados visto que eles proporcionam, de forma mais simples, melhor acabamento na parede do poço, reduz o torque e a vibração. Os alargadores de rolos podem ser de dois tipos, com três contatos ou de seis contatos (DRILL STAR, 2016).
Os alargadores são compostos por algumas partes principais. Na Figura 3.9 é representado um alargador e suas partes que são os cortadores que compõem a camisa, o eixo (Reamer Pin), os parafusos da tampa, o bloco inferior, etc (SCHLUMBERGER 2017).
Figura 3.9 - Partes que compõem o alargador
Fonte: Adaptado de Schlumberger (2017).
A camisa é a parte do alargador que envolve o eixo, ela é composta por cortadores que têm como função promover o desgaste na rocha durante a perfuração. Existem muitos tipos de cortadores, geralmente, cada empresa fabricante de camisas possuem tipos que diferem de outras empresas. Os cortadores podem ser classificados em tipo S, M, H e VH, como mostrado na Figura 3.10. O tipo S possui dentes afiados, usinadas e endurecidos ideal para formações rochosas mais moles. O tipo M possui dentes usinados e severos que são ideais para formações semiduras. O tipo H é formado por insertos de carboneto de tungstênio para formações duras. O tipo VH possui alta densidade de inserções especiais de carboneto de tungstênio ideal para formações muito duras e condições difíceis de perfuração (DRILL STAR, 2016).
Figura 3.10 - Tipos de cortadores
Fonte: Drill Star (2016).
O eixo, também conhecido como Reamer Pin (Figura 3.11), é fabricado de aço de ligado e endurecido com o objetivo de assegurar boas características durante o desgaste.
Possui uma ranhura na sua extremidade impedindo que ele gire. Tem como função dar sustentação a camisa através do encaixe da extremidade do eixo com a ranhura no bloco de apoio do corpo (DRILL STAR, 2016).
Figura 3.11 - Eixo (Reamer pin)
Fonte:Autoria própria.
O conjunto de pinos cruzados de ajuste tem como função retém o pino de escareador principal (eixo) e os cortadores, proporcionando um dispositivo de bloqueio simples, porém seguro. Os bloqueios de rotação de carro são responsáveis por posicionar corretamente o cortador no corpo. Parafusos da tampa da cabeça do soquete e arruelas de trava são dispositivos de travamento secundário para os eixos (ĐÌNH 2017).
3.4 Aço SAE 4140
O aço baixa liga SAE 4140, também conhecido popularmente como aço cromo molibdênio, faz parte da família SAE 41XX . Este possui como principais elementos de liga o cromo (≈1%), o molibdênio (≈0,2%) e em menor teor o manganês, que alcançam alta resistência por meio dos tratamentos térmicos de têmpera e revenido. O aço SAE 4140 possui alta resistência à fadiga, à abrasão, ao impacto e boa resistência à torção. O fato de possuir boa soldabilidade e ter uma melhora significativa nas suas propriedades mecânicas através de tratamentos térmicos faz com que esse aço desperte um grande interesse industrial. O aço SAE 4140 tem um teor de carbono que varia entre 0,38 e 0,43% fazendo deste um aço médio carbono (ASM HANDBOOK, 1990).
Tabela 3.1 - Composição química do aço SAE 4140 (wt%)
C Si Mn P S
0,38 – 0,43 0,15 – 0,35 0,75 – 1,00 0,035 (máx) 0,040 (máx)
Ni Cr Mo V
... 0,80 – 1,10 0,15 – 0,25 ...
Fonte: ASM Handbook (1990).
Este aço é utilizado em aplicações que exigem uma combinação de endurecimento moderado, boa rigidez e ductilidade, mas nas quais as condições de serviço são severas. Algumas aplicações são peças forjadas à quente, trabalho à frio, componentes mecânicos como eixos, virabrequins, juntas homocinéticas, pontas de eixos, bielas, componentes de bombas e engrenagens de grandes dimensões (ASM HANDBOOK, 1990).
O aço SAE 4140 é empregado em peças que exigem elevada dureza, tenacidade e resistência, sendo muito utilizado na fabricação de automóveis, aviões, bielas, eixos, engrenagens, armas, equipamentos pra petróleo, etc (ROCHA, 2004).
3.4.1 Têmpera
Os tratamentos térmicos são operações que consistem no aumento e diminuição da temperatura de forma controlada, afetando as características de aços e ligas especiais. Os principais tratamentos térmicos são têmpera, recozimento, normalização e revenimento. A têmpera consiste no processo de resfriamento do aço a uma velocidade suficientemente rápida para evitar as transformações perlíticas e bainíticas na peça. O resfriamento deve ocorrer após a austenitização para que se obtenha a estrutura metaestável martensítica (SILVA; MEI, 2010).
Durante a transformação martensítica ocorre a transformação da estrutura CFC (Cúbica de Face Centrada) do material em CCC (Cúbica de Corpo Centrado). Na CCC, os átomos de carbono, nitrogênio e demais elementos de liga são impedidos de se difundirem para os seus lugares, de preferência permanecendo em solução; contudo, a presença de elementos intersticiais, em teores acima do limite de solubilidade da fase CCC determina a sua distorção em uma estrutura TCC. Após a transformação, a vizinhança atômica e a composição química permanecem inalteradas (Guimarães, 1983).
Os tratamentos térmicos devem ser realizados em aços utilizados na perfuração de poços de petróleo com a finalidade de melhorar suas propriedades, como a dureza (THOMAS, 2004).
A dureza de um material varia com a profundidade da peça, a dureza do núcleo é diferente da dureza da superfície. Esta variação de dureza é conhecida como temperabilidade, é observado de forma qualitativa que a dureza é maior na superfície e vai diminuindo até chegar o seu núcleo. A Figura 3.12 representa curvas de temperabilidade de ligas de aço. Para estes, a dureza na superfície é igual, pois depende apenas do teor de carbono que não varia. Estas ligas diferem entre si pela quantidade de alguns elementos de liga na sua composição. Pela Figura é possível observar que a temperabilidade dos aços ligas apresenta uma queda mais suave, já aços carbonos apresentam uma queda de dureza mais acentuada (CALLISTER; RETHWISCH, 2012).
Figura 3.12 - Curvas de temperabilidade do ensaio Jominy para cinco aços diferentes com composição e tamanho de grãos conforme indicado
Fonte: Callister e Rethwisch (2012).
A têmpera sofre grande influência da taxa de resfriamento, a taxa de resfriamento depende do meio de resfriamento da amostra. Os meios mais comuns são água, óleo e ar, sendo a água o resfriamento mais brusco e o ar o mais suave. O resfriamento em óleo é mais
adequado para aços com maiores teores de carbono, pois o resfriamento em água pode produzir trincas ou contrações (CHIAVERINI, 2008).
Os principais microconstituintes do aço SAE 4140 após o tratamento de têmpera e revenimento é a martensita e a bainita, embora possa ser formada a ferrita pró-eutetóide (ERICSSON, 1991).
3.4.2 Difração de Raios X
A difração de raios X é uma técnica de análise física de materiais. Através dessa técnica é possível determinar as fases cristalinas presentes em materiais sólidos cristalinos. Quando os átomos se encontram de forma ordenada é possível determinar as fases. O arranjo dos átomos é formado por planos cristalinos separados entre si por distâncias da mesma ordem de grandeza dos comprimentos de onda dos raios-X. A difração de raios X ocorre quando um cristal é submetido a um feixe de raios-X, interagindo com os átomos presentes na amostra (CALLISTER; RETHWISCH, 2012).
Um cristal é um arranjo ordenado e periódico de átomos, formando um sólido ou parte dele. Este arranjo periódico é denominado célula unitária. O estudo do arranjo dos átomos em uma célula unitária é realizado com o auxilio de coordenadas, de acordo com as posições dos átomos em um plano tridimensional (x, y, z), e os ângulos formados entre os mesmos (α, β,ϒ). Essas configurações são denominadas parâmetros de rede, a partir destes parâmetros são possíveis classificar as células unitárias. Por meio da adoção de valores específicos associados às unidades de medidas nos eixos de referências, podem-se obter células unitárias de diversos tipos. O cientista francês A. Bravais propôs que o estudo das estruturas cristalinas poderia ser elaborado com a utilização de sete sistemas cristalinos básicos. A partir desses sete sistemas cristalinos, torna-se possível descrever 14 células unitárias, as quais englobariam qualquer tipo de estrutura cristalina conhecida (redes de Bravais) (CALLISTER; RETHWISCH, 2009).
A difração ocorre quando um feixe de raios-X monocromáticos incide sobre um material cristalino. Quando um feixe incide sobre o átomo, os elétrons deste átomo ficarão excitados e vibrarão com a mesma frequência do feixe incidente, emitindo raios-X em certas direções. O átomo pode ser visto como uma fonte de emissão esférica de radiação, e ao se incidir um feixe de raios-X sobre um cristal, onde os átomos estão regularmente espaçados, cada átomo será uma fonte de emissão esférica de radiação. Podendo haver interferências construtivas ou destrutivas entre as ondas eletromagnéticas se estiverem em fase entre si ou defasadas, respectivamente. Interferências construtivas aumentam a intensidade da radiação
incidente, enquanto interferências destrutivas diminuem a intensidade da radiação e podem caracterizar a maneira com os átomos de um sólido cristalino se encontram no arranjo da célula unitária (MCLACHLAN, 1957).
Para que ocorram as interferências construtivas são estabelecidas as condições através da Lei de Bragg (Equação 1). Os termos da Equação 3.1 são representados por n que é um número inteiro, λ o comprimento de onda do raio-X (angstrom) , d a distância interplanar e θ é o ângulo de incidência ou reflexão do feixe incidente (CALLISTER; RETHWISCH, 2009).
nλ = 2dsenθ (3.1)
Na Figura 3.13 é apresentado o difratograma da amostra do aço SAE submetida a têmpera. É possível observar a presença de três picos principais, o primeiro, e de maior intensidade, está em 2θ = 44,4º, indicando a presença de ferro-α, o segundo pico no ângulo 2θ=64,7° indica a presença de ferro-α e o terceiro pico em 2θ = 82° indica a presença de martensita, correspondentes a orientação cristalográfica (110), (200) e (211) respectivamente. (RASMA, 2015).
Figura 3.13 - Difratograma de raios X do aço SAE 4140 submetido ao tratamento de têmpera
Na Figura 3.14 é apresentado um difratograma do aço 4140 realizado por Senthilkumar et al (2011). Através da Figura 3.14 são observados picos difratados correspondentes às fases ferro .
Figura 3.14 - Difratograma do aço SAE 4140
Fonte: Senthilkumar et al (2011).
Na Figura 3.15 é apresentado um difratograma do aço 4140 realizado por Silva (2012). Pode-se observar a sobreposição de picos difratados correspondentes às fases ferro (ferrita) e ferro ´(martensita) (SILVA, 2012).
Figura 3.15 - Difratogramas das amostras do aço 4140 submetidas ao tratamento convencional, subzero e criogênico
3.4.3 Microscopia Óptica
A microscopia óptica é a técnica mais comum de observação da microestrutura dos aços e ferros fundidos. O princípio consiste em aplicar uma luz visível sobre a amostra que é refletida até o observador. Para a realização dessa técnica alguns cuidados devem ser tomados, como a planicidade da amostra. Antes da realização da microscopia óptica é necessária a preparação das amostras. A preparação pode ser dividida nas seguintes fases, escolha e localização da seção a ser estudada, obtenção de uma superfície plana e polida, ataque da superfície por um reagente químico, exame microscópio para a observação da microestrutura e por fim, as micrografias das amostras (COLPAERT, 2008).
Na Figura 3.16 é mostra a micrografia do SAE 4140 no estado inicial, na qual é possível observar os contornos de grãos e, em seu interior, a presença de lamelas de ferrita e cementita caracterizando a estrutura perlítica (SILVA, 2012).
Figura 3.16 -Microestrutura da amostra aço SAE 4140 como recebido. Observadas em campo claro aumento de 500 vezes.
Fonte: Silva (2012).
Na Figura 3.17 mostra a microestrutura de martensita revenida após o tratamento térmico (DIEHL; DONG; ROCHA, 2017).
Figura 3.17 - Micrografia do aço SAE 4140 após têmpera e revenimento
Fonte: Diehl, Dong e Rocha (2017).
3.4.4 Ensaio de Dureza
O ensaio de dureza consiste na impressão de uma pequena marca na superfície da peça pela aplicação de pressão com uma ponta de penetração. A medida da dureza do material ou da dureza superficial é dada como função das características da marca de impressão e da carga aplicada em cada tipo de ensaio de dureza realizado (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2012).
Figura 3.18 - Ensaio de Dureza Rockwell (HR)
Fonte: Garcia, Spim e Santos (2012).
Antes da realização do ensaio de dureza, algumas precauções devem ser seguidas. O indentador deve estar limpo, livre de poeira, sujeira ou outros materiais estranhos, pois isso
afetará a resultado dos testes. Os assentos e as superfícies de suporte também devem estar limpas, lisas e livres de arranhões profundos e algum material estranho. Todas as partes da máquina devem estar funcionando de forma adequada e em perfeito estado de conservação. A amostra deve apresentar a superfície de teste e a parte inferior lisas, uniformes e livres de camadas de óxidos, materiais estranhos e lubrificantes. A amostra deve possuir uma espessura mínima de 10 vezes maior que a profundidade da impressão para materiais com penetrador de diamante (ASTM, 2016).
A medição de dureza do material imediatamente próximo a uma indentação feita anteriormente, geralmente, aumenta devido ao estresse residual induzido e ao endurecimento causado pelo processo de indentação. Dessa forma, a nova medição provavelmente apresentará um valor maior do que a verdadeira dureza do material. Além disso, se uma indentação for feita muito próxima da borda do material pode haver material insuficiente para restringir a zona de deformação em torno da indentação. Isso pode resultar em uma redução do valor da dureza. Ambos os casos podem ser evitados com um espaçamento adequado entre indentações e a borda do material. A distância entre os centros de dois adjacentes as indentações devem ser pelo menos três vezes o diâmetro da indentação. A distância do centro de qualquer indentação a uma borda da peça de prova deve ser pelo menos duas vezes e meia (ASTM, 2016).
3.4.5 Ensaio de Microdureza
O ensaio de microdureza é utilizado na determinação da dureza de fases ou constituintes do material. O equipamento utilizado é o microdurômetro, este é composto por um porta-amostra, onde a amostra será posicionada, e um microscópio que é utilizado para localizar a parte desejada para a realização da endentação e fazer a medição do tamanho da indentação resultante do teste (ASTM, 2017).
4 MATERIAIS E MÉTODOS
O material utilizado para a realização desse trabalho foi um eixo de um alargador de poço de petróleo (Figura 4.1) com diâmetro de 36,10 mm. O componente foi cedido pela empresa Schlumberger Serviços de Petróleo Ltda. A empresa não tinha conhecimento de qual material era composto o eixo.
Figura 4.1 - Eixo do qual foram retiradas as amostras
Fonte:Autoria própria (2017).
Desse eixo foram retiradas três amostras. A primeira amostra possui espessura de 13,10 mm foi analisada como recebida pela empresa. A segunda amostra com espessura de 12,80 mm foi temperada e resfriada em óleo (Figura 4.2). A terceira amostra de espessura de 15,40 mm foi submetida a têmpera e resfriada em água.
Figura 4.2 - Amostra do eixo temperada e resfriada em óleo
4.1 Análise de Composição Química
A análise de composição química foi realizada no Laboratório de Caracterização de Materiais – LACAM da Universidade Federal de Ceará (UFC). A análise foi realizada através da espectrometria de emissão óptica. O equipamento utilizado foi o espectrômetro da Shimadzu, modelo PDA-7000, utilizando o método PDA (Pulse Height Distribution Analysis).
4.2 Difratometria de Raios X (DRX)
Para realizar a caracterização do material, a microscopia óptica não é suficiente, logo foi necessária a realização da difração de raios X. A análise por Difração de Raios-X (DRX) foi realizada pelo Centro de Síntese e Análise de Materiais Avançados – CSAMA do departamento de Física da Universidade do Estado do Rio Grande do Norte (UERN). A difração foi feita em um Difratômetro de Raios-X do fabricante Rigaku e modelo Miniflex II, utilizando-se radiação Cu-Kα. Com variação 2θ de 40° a 90°.
4.3 Microscopia Óptica
A microscopia óptica foi realizada no laboratório de Ensaios e Caracterização da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). O procedimento foi realizado nas três amostras do eixo.
O tratamento térmico de têmpera foi realizado no laboratório de soldagem da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). A têmpera foi realizada em um forno Mufla da GP cientifica Modelo 2000-F com potência de 3960 kW. As amostras foram aquecidas a 950°C, permanecendo durante 10 minutos no forno. Em seguida foi realizado o resfriamento das amostras, a primeira foi resfriada em água a temperatura de 30°C e a segunda foi resfriada em óleo de têmpera Quenchtex C.
1. Escolha e localização da seção a ser estudada.
O eixo do alargador de poço de petróleo foi cortado com a finalidade de conferir as amostras dimensões suportadas pelo porta-amostra do microscópio. A seção que será estudada corresponde a transversal ao giro do eixo.
2. Obtenção de uma superfície plana e polida.
Nessa etapa foi realizado o lixamento das amostras, a máquina utilizada foi uma lixadeira/politriz motorizada Arotec – Aropol 2V. A sequência de lixas utilizadas foi de granulometria 180, 220, 320, 400, 500, 600, 800, 1000 e 1200. No lixamento, a amostra é submetida a cada lixa pelo tempo necessário a se retirar as marcas da lixa anterior. Foi realizada a rotação das amostras de 90° durante a sequência de lixas. Em seguida foi realizado o polimento das amostras com alumina 1μm.
3. Ataque da superfície por um reagente químico.
No ataque químico foi utilizado o reagente químico Nital 5% (5ml de HNO3 e 95ml de
Álcool Etílico). O ataque foi realizado por imersões das amostras durante 10 segundos. 4. Análise microscópica para a observação da microestrutura.
Após o ataque químico, as amostras foram levadas ao microscópio óptico e foi feito análise se o reagente químico utilizado para o ataque foi adequado.
Foi utilizado o Microscópio Óptico Metalográfico da Olimpus, modelo GX-51 com aumento de 50, 100, 200 500 e 1000 vezes.
5. Registro do aspecto observado (micrografia).
Nessa última fase foram realizadas as fotografias das amostras no microscópio. As imagens das microestruturas foram capturadas utilizando uma câmera SC30 e o programa Anlysis getIT. As imagens foram obtidas de maneira aleatória, evitando as regiões que apresentaram alguma imperfeição decorrente do processo de lixamento e/ou polimento. As micrografias serão apresentadas nos resultados e discursões desse trabalho.
4.4 Ensaio de dureza
O ensaio de dureza foi realizado no laboratório de Ensaios e Caracterização da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA).
O ensaio de dureza foi realizado baseado na Norma ASTM E18 / E18M. Foram realizadas 30 indentações em cada amostra, como entregue, temperada e resfriada em água e temperada e resfriada em óleo. Para o ensaio de dureza foi utilizado um Durômetro Mitutoyo Modelo HR – 300 com visor digital com penetrador de diamante com pré-carga de 10 kgf. As medições de dureza foram realizadas na escala Dureza HRC.
4.5 Ensaio de Microdureza
O ensaio de microdureza foi realizado no laboratório de Ensaios e Caracterização da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA). O procedimento foi baseado na Norma ASTM E384. Para as medições de microdurezas foi utilizado um microdurômetro Shimadzu Modelo M – 1 com visor digital preparado para medir a microdureza Vikers, a carga selecionada foi 490,3 mN e o tempo de permanência foi de 10 segundos.
Nesse ensaio foi utilizado um penetrador piramidal de diamante com base quadrada e ângulo de 136° e distanciamento entre indentações de no mínimo 2,5 vezes a diagonal do prisma formado pela penetração do penetrador seguindo orientação da norma ASTM E384.
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 Análise de Composição Química
Através da análise de composição química da amostra do eixo de alargador de poço de petróleo foi obtida a Tabela 5.1, indicando os elementos que compõem o eixo e sua quantidade.
Tabela 5.1 - Composição química da amostra do eixo (wt%)
C Si Mn P S Ni Cr
0,41712 0,25228 0,77292 0,1278 0,00697 0,07176 0,88384
Mo Cu Nb Al V Ti Fe
0,16529 0,12900 0,00669 0,02068 0,00467 0,00423 97,252 Fonte: Autoria própria (2017).
Foi realizado um comparativo entre as composições químicas da amostra do eixo e as composições presentes no ASM Handbook (1990). Com este comparativo pode-se concluir que o aço utilizado no eixo do alargador de poços de petróleo corresponde ao aço SAE 4140.
Tabela 5.2 - Composição química do Aço SAE 4140 (wt%)
C Si Mn P S
0,38 – 0,43 0,15 – 0,35 0,75 – 1,00 0,035 0,040
Ni Cr Mo V
... 0,80 – 1,10 0,15 – 0,25 ...
Fonte: ASM Handbook (1990).
5.2 Difratometria de Raios X (DRX)
A partir da análise de difratometria de raios X realizada na amostra do eixo foi obtido o difratograma da Figura 5.1.
Figura 5.1 - Difratograma de raios X da amostra do eixo de um alargador de poço de petróleo
Fonte:Autoria própria (2017).
Na Figura 5.1 pode-se observar que existem três picos bem definidos. O primeiro localizado em 45°, o segundo em 65° e o terceiro em 82°, aproximadamente, correspondentes a orientação cristalográfica (110), (200) e (211).
Foi realizada uma pesquisa em outras literaturas, nas quase foram obtidos três difratogramas das amostras do aço SAE 4140. Na Figura 3.13 foi mostrado o difratograma da amostra temperada do aço SAE, realizado por Rasma (2015). É possível observar a presença de três picos principais, o primeiro, está em 2θ = 44,4º, indicando a presença de ferro-α, o segundo pico no ângulo 2θ=64,7° indica a presença de ferro-α e o terceiro pico em 2θ = 82°. Na Figura 3.14 foi apresentado um difratograma do aço 4140 realizado por Senthilkumar et al (2011), no qual são observados picos difratados correspondentes às fases ferro . Na Figura 3.15 foi apresentado um difratograma do aço 4140 realizado por Silva (2012). Pode-se observar a sobreposição de picos difratados correspondentes às fases ferro (ferrita).
Dessa forma, foi possível traçar um comparativo entre o diafratograma da amostra do eixo 4140 (Figura 5.1) com os três dirfratogramas explicados anteriormente. Na Figura 5.1 pode-se observar que existem três picos bem definidos, semelhante ao que ocorre nos três difratogramas da literatura. Com esse comparativo é possível concluir que os picos da amostra do eixo (Figura 5.1) são característicos do ferro-α.
α
5.3 Microcopia Óptica
Através da microscopia óptica foram obtidas as micrografias das amostras do eixo. Na Figura 5.2 é apresentada a micrografia da amostra do eixo como recebido com aumento de 500 vezes.
Figura 5.2 - Micrografia da amostra do eixo, sem tratamento térmico, após o ataque químico com Nital 5%. Ampliação 500x
Fonte: Autoria própria (2017).
Na Figura 5.3 é apresentada a micrografia da amostra do eixo como recebida com a ampliação de 1000x.
Figura 5.3 - Micrografia da amostra do eixo, sem tratamento térmico, após o ataque químico com Nital 5%. Ampliação 1000x
Fonte:Autoria própria (2017).
Através das micrografias da amostra como entregue, pode-se observar a homogeneidade dos grãos e apenas uma fase definida.
Na Figura 5.4 é apresentada a micrografia da amostra do eixo que foi submetida ao tratamento térmico de têmpera e resfriada em óleo.
Figura 5.4 - Micrografia da amostra do eixo, com tratamento térmico de têmpera a 950°C, permanência de 10 minutos, com resfriamento em óleo. Ataque químico com Nital 5%. Ampliação 1000x
Através da micrografia da amostra temperada e resfriada em óleo é possível observar que a micrografia apresenta uma única fase bem definida e que essa fase se assemelha a microestrutura da martensita, quando realizado o comparativo com a micrografia da amostra de aço 4140 (Figura 3.17).
Na Figura 5.5 é apresentada a micrografia da amostra do eixo que foi submetida ao tratamento térmico de têmpera e resfriada em água.
Figura 5.5 - Micrografia da amostra do eixo, com tratamento térmico de têmpera a 950°C, permanência de 10 minutos, com resfriamento em água. Ataque químico com Nital 5%. Ampliação 1000x
Fonte: Autoria própria (2017).
Na micrografia da amostra temperada e resfriada em água foi possível observar que a micrografia apresenta uma única fase bem definida e que essa fase se assemelha a microestrutura da martensita. Esta afirmação foi feita baseada na micrografia (Figura 3.17) realizada por Diehl, Dong e Rocha (2017).
5.4 Ensaio de dureza
O ensaio de dureza foi realizado nas amostras como entregue, temperada com resfriamento em óleo e temperada com resfriamento em água. No ensaio foi utilizada a escala de dureza Rockwell C (HRC). Foram realizadas 30 indentações em todas as amostras, por fim foram calculadas as médias e os desvios padrões referentes a cada amostra, como mostrado na Figura 5.6. Todas as medições de dureza são apresentadas em anexos.
Figura 5.6 – Resultados das medições de dureza como recebida e temperadas
Fonte:Autoria própria (2017).
Através do ensaio de dureza, pode-se observar que a média das durezas da amostra que sofreu têmpera e foi resfriada em água apresenta o maior valor, 58,46 HRC com desvio padrão de 1,21 HRC, isso já era previsto, pois a água é um meio de resfriamento mais brusco do que o óleo. A amostra temperada e resfriada em óleo apresentou a média de 54,19 HRC com desvio padrão de 0,72 HRC. As duas amostras temperadas apresentaram as médias das durezas superiores à amostra do eixo como entregue que foi de 36,16 HRC e desvio padrão de 1,35 HV. As amostras temperadas apresentaram dureza de martensita.
O tratamento térmico de têmpera foi realizado com o objetivo de aumentar a dureza superficial da amostra, visto que o eixo sofre um desgaste severo durante o seu regime de trabalho. Com o intuito de diminuir o desgaste sofrido pelo eixo, aumentando sua vida útil, foi realizado este tratamento térmico. Na têmpera foram realizados dois meios de resfriamentos, visto que o material que formava o eixo era desconhecido.
5.5 Ensaio de microdureza
O ensaio de microdureza foi realizado nas amostras como entregue, temperada em óleo e temperada em água, semelhante ao ensaio de dureza. No ensaio foi utilizada a escala de Microdureza Vickers (HV). Foram realizadas 30 indentações em todas as amostras, por fim
foram calculadas as médias e os desvios padrões referentes a cada amostra, como mostrado na Figura 5.7. Todas as medições são apresentadas em anexos.
Figura 5.7 - Resultados das medições de microdureza das amostras como recebida e temperadas
Fonte:Autoria própria (2017).
Na Figura 5.7 são mostradas as médias das microdurezas das amostras do eixo. A amostra que sofreu têmpera e foi resfriada em água apresenta o maior valor, 719,70 HV e desvio padrão de 42,68 HV. A amostra temperada e resfriada em óleo apresentou a média de 707,67 HV e desvio padrão de 62,89 HV. A amostra do eixo como recebida apresentou média de 352 HV e desvio padrão de 9,99 HV. As duas amostras temperadas apresentaram as médias das microdurezas superiores à amostra do eixo como recebido.
Dessa forma, é possível perceber que as médias de dureza referentes à têmpera resfriada em água e em óleo apresentam uma diferença de 12,03 HRC. Esse valor pode ser considerado baixo, logo a têmpera pode ser realizada em água, visto que é um meio de resfriamento mais simples que o óleo.
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O trabalho consistiu na análise microestrutural do eixo de alargador de poço de petróleo. Ao término do trabalho foi possível concluir que:
Através da análise de composição química por espectrometria de emissão óptica e baseado no volume 1 do ASM Handbook (1990), pode-se concluir que o aço que compõe o eixo do alargador de poço de petróleo corresponde ao aço SAE 4140.
A partir da análise de difração de raios X foi traçado um difratograma e este foi comparado com um diafratograma do aço SAE 4140 encontrado na literatura. No difratograma da amostra do eixo foi observado três picos bem definidos, semelhante ao da literatura. Assim foi possível concluir que os picos são característicos da ferrita.
Na análise por microscopia óptica foram obtidas as micrografias da amostra como recebida pela empresa e temperadas. Em todas as micrografias foi possível observar uma homogeneidade. E nas amostras do eixo que foram submetidas à têmpera, as micrografias provavelmente foi observado martensita.
No ensaio de dureza foram apresentadas as durezas de três amostras do eixo. Foi observado um aumento na dureza das amostras temperadas quando comparadas a dureza da amostra como recebida pela empresa. A média da dureza da amostra resfriada em óleo foi de 54,19 HRC e em água, de 58,46 HRC superiores a dureza da amostra recebida (36,16 HRC). Com este comparativo foi observado que através da têmpera é possível elevar a dureza do eixo, visto que esse componente sofre severo desgaste, durante seu regime de trabalho.
No ensaio de microdureza, semelhante ao que ocorreu no ensaio de dureza, as microdurezas das amostras temperadas apresentaram-se superiores a da amostra como recebida. Por fim, admite-se que é viável a realização do tratamento térmico de têmpera no eixo do alargador como uma solução para aumentar sua vida útil desse componente.
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ANEXO 1 – MEDIÇÕES DE DUREZA E MICRODUREZA NA AMOSTRA DO EIXO COMO ENTREGUE
Tabela 1 - Medições de dureza e microdureza na amostra do eixo como entregue
Eixo como entregue
DUREZA MICRODUREZA Medição HRC HV 1 37 340 2 36,9 351 3 36,9 351 4 38,8 363 5 38,9 351 6 37,6 372 7 35 367 8 37,7 339 9 36,1 349 10 36,9 358 11 37,3 336 12 37,9 353 13 38,2 361 14 36,8 350 15 34,4 367 16 35,4 350 17 35,7 367 18 35,9 339 19 35,4 349 20 35,6 358 21 35,2 364 22 35,1 350 23 36,3 333 24 35,7 350 25 35,8 349 26 34,7 352 27 34,6 348 28 34,6 363 29 34,2 347 30 34,3 363
ANEXO 2 – MEDIÇÕES DE DUREZA E MICRODUREZA NA AMOSTRA DO EIXO TEMPERADO E RESFRIADO EM ÓLEO
Tabela 2 - Medições de dureza e microdureza na amostra do eixo temperado e resfriado em óleo
Têmpera em Óleo DUREZA MICRODUREZA Medição HRC HV 1 53,1 774 2 54,8 774 3 55 765 4 55,2 774 5 54,7 671 6 54,5 763 7 54,2 579 8 53,5 668 9 53,6 734 10 54,8 763 11 53,7 740 12 53,4 740 13 54,1 608 14 54,3 636 15 54,3 718 16 54,4 696 17 54,7 696 18 52,7 707 19 53,2 696 20 55,4 783 21 55,3 707 22 54 573 23 53,8 725 24 53 582 25 53,9 706 26 54,3 824 27 54,8 725 28 54,8 715 29 53,5 701 30 54,7 687
ANEXO 3 – MEDIÇÕES DE DUREZA E MICRODUREZA NA AMOSTRA DO EIXO TEMPERADO E RESFRIADO EM ÁGUA
Tabela 3 - Medições de dureza e microdureza na amostra do eixo temperado e resfriado em água
Têmpera em Água DUREZA MICRODUREZA Medição HRC HV 1 57,5 754 2 57,5 687 3 59,6 747 4 58,7 746 5 59,3 746 6 58,5 782 7 58,1 784 8 56,9 713 9 58 790 10 58,1 743 11 60 689 12 59,1 726 13 59,6 710 14 59 681 15 59,7 717 16 60,1 722 17 58,9 784 18 57,8 649 19 55,8 638 20 56,9 686 21 56,3 727 22 59,7 680 23 59,9 763 24 57,8 672 25 57,3 701 26 56,5 704 27 59,2 665 28 59 668 29 59,5 746 30 59,6 771
