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PERSPECTIVAS E DESAFIOS PARA APLICAÇÃO DA SOLDAGEM
SUBAQUÁTICA MOLHADA NA PETROBRAS
Autores: Ricardo Reppold Marinho1, Marcelo Torres Piza Paes
1, Ezequiel Caires
Pereira Pessoa2, Alexandre Queiroz Bracarense
3, Valter Rocha dos Santos
4, Fernando
Cosme Rizzo Assunção4, Maurício de Jesus Monteiro
5, José Roberto Domingues
6,
1PETROBRAS/CENPES, Rio de Janeiro, RJ, Brasil
2Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Betim, MG, Brasil,
3Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil,
4PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ, Brasil,
5Instituto Nacional de Tecnologia, Rio de Janeiro, RJ, Brasil,
6ESAB Ind. e Com Ltda., Belo Horizonte, MG, Brasil
Trabalho a ser apresentado durante a Rio Welding 2014
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade
dos autores.
RESUMO
Historicamente, os procedimentos de soldagem molhada são certificados (qualificados)
como classe B de acordo com a norma internacional de soldagem subaquática AWS
D3.6M. Por esse motivo, a soldagem molhada pelo processo de eletrodos revestidos é
utilizada apenas em reparos não estruturais ou em situações emergenciais. Um dos
impedimentos para a obtenção de soldas classe A está relacionado com as características
do tipo de eletrodo revestido utilizado. Os eletrodos do tipo rutílico são largamente
utilizados em soldagem molhada devido à boa estabilidade do arco e a facilidade de
operação e manuseio. Entretanto, apresentam defeitos como porosidade e microtrincas
que afetam o alongamento e a ductilidade do metal de solda resultando em reprovação
nos ensaios de tração e dobramento. Já os eletrodos do tipo oxidante são menos
utilizados devido à baixa estabilidade do arco e dificuldades de operação e manuseio.
Estes eletrodos também não alcançam os requisitos exigidos para classe A devido a
baixos valores de limite de resistência e defeitos como trincas na raiz. Outro obstáculo
que dificulta a obtenção de classe A e não está diretamente relacionado com o tipo de
eletrodo é a elevada dureza na zona afetada pelo calor (ZAC). Este artigo discute cada
um desses desafios acima mencionados e descreve os resultados obtidos com o
desenvolvimento de um novo eletrodo tipo oxi-rutílico que tem conseguido em testes de
laboratório e campo alguns importantes resultados no sentido de alcançar a classe A.
Visando a uma maior aceitação futura da soldagem molhada como solda de reparo
permanente, exclusivamente para unidades flutuantes de produção, são oferecidas
sugestões às partes envolvidas quanto à filosofia de qualificação de procedimentos de
soldagem e quanto a modificações em alguns critérios de aceitação.
INTRODUÇÃO
Considerando as restrições de ordem econômica para a docagem das estruturas de
produção flutuantes na costa brasileira (navios e plataformas semi-submersíveis), há
necessidade da disponibilidade de técnicas e de consumíveis para manutenção e reparos
“in situ” evitando assim paradas de produção. A soldagem subaquática molhada pelo
processo “eletrodos revestidos” é um dos métodos de reparo estrutural ‘in situ” já
aplicado em diversas situações tanto pela PETROBRAS como por companhias
estrangeiras e cujas principais vantagens são a simplicidade, a versatilidade e o baixo
custo. No Brasil, intervenções como as de reparo de trincas na monobóia de Marimbá e
na estrutura da plataforma P-27 são exemplos de aplicação onde a soldagem molhada
foi a opção considerada mais recomendada sob critérios técnicos e econômicos[1]
. No
exterior, numerosas intervenções para reparos estruturais por soldagem subaquática
molhada em plataformas foram relatadas, sendo notáveis aqueles realizados em
plataformas fixas do Golfo do México, danificadas por furacões. Conforme recente
publicação[2]
, de 34 plataformas reparadas por esta técnica, 29 permanecem em
operação.
São vislumbradas como situações futuras de aplicação da soldagem molhada
dentre outras: reparos e instalações de componentes nas plataformas fixas em operação,
reparos de trincas e regiões corroídas em plataformas semi-submersíveis e reparos de
trincas de fadiga em componentes estruturais de plataformas semi-submersíveis e em
bolinas de FPSOs.
É verificada internacionalmente a tendência de emprego de estruturas flutuantes
(navios e plataformas semi-submersíveis) na produção de petróleo offshore. Contudo,
consideráveis prejuízos podem ocorrer se for necessária a interrupção da produção para
docar a unidade flutuante visando sua manutenção e reparo. Por exemplo, a parada de
produção por um mês de uma plataforma, com produção média de 50.000 barris/dia,
pode implicar em lucros cessantes da ordem de R$ 300.000.000,00. Portanto, é
importante aperfeiçoar métodos de reparo estrutural operacionalmente simples e
versáteis como a soldagem subaquática molhada para reparos “in loco” pelo processo de
soldagem de eletrodos revestidos. Esta técnica oferece melhores resultados quando
aplicada em águas rasas (profundidades de até 20m), correspondendo às profundidades
máximas dos componentes estruturais das unidades flutuantes quando em operação.
Porém, é necessário que a confiabilidade destes reparos seja reconhecida tanto pelas
operadoras quanto pelas sociedades classificadoras envolvidas para avaliações de
integridade estrutural, sob a ótica da qualidade para uso específico, sejam aceitas.
Ainda, a aplicação da soldagem molhada em instalações flutuantes de produção
aumenta em viabilidade técnica considerando que os aços utilizados nas construções
navais apresentam boa soldabilidade, resultando em menor risco de fissuração a frio
durante a soldagem.
Em soldagem subaquática usualmente referencia-se o código AWS D3.6M:2010
“Underwater Welding Code”[3]
, onde as soldas estruturais são classificadas em duas
categorias. Para as soldas classe A estão presentes requisitos de tenacidade, resistência,
ductilidade, dureza e dobramento em níveis semelhantes aos exigidos pelos principais
códigos de engenharia em soldagem atmosférica que raramente são alcançadas em
soldagem molhada. Para as soldas classe B, conceituadas como soldas com qualidade
estrutural limitada, tanto os testes aplicados na qualificação de procedimentos quanto os
critérios de aceitação são menos rigorosos que os referentes ao tipo A. Para a aceitação
de procedimentos de soldagem que resultam em soldas classe B, onde o nível de
qualidade especificado é aquele adequado à aplicação em questão, estudos adicionais
são usualmente necessários para garantir a integridade estrutural da instalação.
Significativos avanços na tecnologia da soldagem molhada por eletrodos
revestidos foram obtidos recentemente por meio de projetos de pesquisa realizados no
Brasil por PETROBRAS, PUC-Rio, UFMG e ESAB[4]
. Estes projetos tiveram como
objetivo:
- desenvolver um eletrodo oxi-rutílico para soldagem molhada cuja
operabilidade fosse superior à dos eletrodos do tipo oxidante e cuja soldabilidade
metalúrgica (no que se refere à suscetibilidade a trincas por hidrogênio) fosse superior à
dos eletrodos de base rutílica;
- levantar propriedades do eletrodo desenvolvido por meio de testes soldagem
molhada em simulador hiperbárico em pressões equivalentes a 0,5m, 10m e 20m de
profundidade;
- qualificar procedimentos de soldagem molhada com mergulhadores-soldadores
válidos para aplicação até 15m de profundidade, empregando o eletrodo oxi-rutílico nas
posições plana, vertical descendente e sobre cabeça.
Parte dos resultados destas pesquisas foram divulgados em periódicos e
congressos [5-9]
e apresentados no capítulo “principais resultados” a seguir, destacando-
se o desenvolvimento de um eletrodo revestido oxi-rutílico, com teor de hidrogênio
difusível menor que 20ml/100g de metal depositado, com o qual foram produzidas
soldas com baixa porosidade, ausência de microtrincas no metal de solda (MS) e na
zona afetada pelo calor (ZAC). Os valores de ductilidade, assim como os de tenacidade
Charpy são superiores ao mínimo exigido pelo código AWS D3.6M classe A, código de
soldagem subaquática comumente adotado por operadoras e classificadoras .
PRINCIPAIS RESULTADOS
O eletrodo oxi-rutílico desenvolvido, aqui denominado “WW70”, apresentou
resultados promissores no sentido de substituir os eletrodos comerciais do tipo oxidante
e do tipo rutílico existentes no mercado nacional e internacional para reparos nas
profundidades testadas (até 20m), vide tabelas 1 e 2. A tabela 1 apresenta alguns
resultados comparativos obtidos por soldagem mecanizada por gravidade em
laboratório. O teor de hidrogênio difusível do eletrodo WW70 e, portanto, o risco de
fissuração pelo hidrogênio é tão baixo quanto o do eletrodo oxidante comercial testado,
aqui denominado “A1”. Sua tenacidade e sua ductilidade equivalem ou superam àquelas
dos principais eletrodos comerciais do tipo rutílico aqui denominados “W1” e “S1”,
disponíveis no mercado internacional. A resistência mecânica do metal de solda do
eletrodo supera 460 Mpa, permitindo enquadrá-lo na classe AWS E70XX. Os resultados
de propriedades mecânicas mostrados na tabela 2, exceto quanto ao ensaio de
dobramento e dureza na ZAC (não apresentados aqui), atendem aos requisitos do
D3.6M:2010 classe A para soldagem de aços navais com limite de escoamento superior
a 350 Mpa. Foram alcançados, com grande frequência, valores de alongamento
superiores a 18%. O hidrogênio difusível e a porosidade do eletrodo WW 70
mostraram-se pouco sensíveis ao aumento de profundidade até 20m.
Tabela 1 - Comparação de algumas propriedades do metal de solda depositado pelo
eletrodo WW70 com os eletrodos comerciais rutílicos (W1 e S1) e com o eletrodo
oxidante comercial (A1) em testes de laboratório.
Eletrodo
Hdif
(ml/100g)
Prof.: 0,5m
Tenacidade
Charpy 0ºC
(J) Prof.: 20m
Porosidade
(Área%)
Prof.: 20m
L. R.
(Mpa)
Prof.:
0,5m* e
10m**
Alongamento
(%)
Prof.: 0,5m* e
10m**
W1 97,2 35,3 2,36 515* 11,0*
S1 85,4 41,9 2,17 522* 6,6*
A1 20,4 37,3 0,41 456* 24,0*
WW70 21,3 41,3 0,06 490** 18,2**
Hdif=hidrogênio difusível
L.R.=Limite de resistência à tração
Tabela 2 – Propriedades do metal de solda em juntas soldadas em laboratório com o
eletrodo oxi-rutílico desenvolvido (WW70) em posição plana, nas profundidades
equivalentes de 0,5m, 10m e 20m.
Profundidade
equivalente (m)
L.E.
(MPa)
L.R.
(MPa)
Al
(%)
Tenacidade
Charpy 0ºC (J)
Porosidade
(%)
Hdif
ml/100g
0,5 429 500 15,6 46,3 0,00 21,3
10,0 424 490 18,2 47,0 0,07 28,9
20,0 371 495 16,6 41,3 0,06 32,8
L.E.=Limite de escoamento
L.R.=Limite de resistência à tração
Al=Alongamento
Hdif=hidrogênio difusível medido em corpos de prova soldados sob pressão equivalente
a 0,5m 10m e 20m de profundidade
O avanço mais significativo alcançado neste desenvolvimento é o conjunto
consistente de resultados de alongamento (acima de 14%) abrindo novas possibilidades
para a obtenção de soldas molhadas com qualidade estrutural plena (classe A do AWS
D3.6M: 2010). A tenacidade situa-se em patamar pouco superior comparado aos demais
resultados. A baixa porosidade e ausência de microtrincas no metal de solda são as
características principais responsáveis por esse avanço (vide figuras 1 e 2). Os
resultados obtidos, em geral, atendem à maioria dos requisitos do AWS D3.6M: 2010
classe A, são pouco influenciados pela profundidade e são superiores à maioria dos
resultados obtidos na literatura internacional sobre soldagem molhada (figura 2). Nesta
figura, alguns resultados relativos a propriedades dos eletrodos oxi-rutílicos produzidos
em diferentes fases do projeto são comparados com resultados de eletrodos oxidantes,
ácidos e rutílicos obtidos na literatura especializada. Por outro lado, foram obtidos os
seguintes resultados negativos quanto ao atendimento dos requisitos do AWS D3.6M:
2010 classe A:
- inconsistência na obtenção de resultados aprovados no ensaio de dobramento;
- dureza máxima na zona afetada pelo calor do metal de base dos passes de acabamento
superior ao especificado;
- foi constatada uma maior tendência à formação de trincas de raiz na soldagem com o
eletrodo oxi-rutílico comparativamente aos do tipo rutílico testados;
- aprisionamento de escória quando da soldagem na posição vertical descendente;
e maior dificuldade de remoção de escória comparativamente aos eletrodos do tipo
rutílico testados.
Para reduzir o risco de formação de trincas de raiz foi desenvolvido um eletrodo
de base rutílica, denominado WW70RP destinado unicamente à soldagem do passe de
raiz. Testes de laboratório (mecanizados) e de campo (com soldador-mergulhador)
utilizando este procedimento híbrido (raiz com o eletrodo WW70RP e enchimento com
WW70) apresentaram resultados positivos quanto à redução da incidência de trincas de
raiz.
Testes de campo a 5m de profundidade foram realizados com metal de base de
especificação ASTM A 131/A 131M – 08 AH36. Foi utilizado um procedimento
híbrido com eletrodo rutílico no passe de raiz e acabamento com eletrodo oxi-rutílico
objetivando evitar a formação de trincas de raiz. Os resultados de ensaios mecânicos
obtidos estão apresentados na tabela 3 em conformidade com os requisitos para
enquadramento no AWS D3.6M:2010 classe B nas posições plana e sobre-cabeça para
juntas em ângulo. Entretanto, na posição vertical descendente não foram obtidos
resultados satisfatórios devido à presença de descontinuidades do tipo inclusão de
escória acima do especificado. Em relação ao atendimento aos requisitos da classe A, os
corpos de prova falharam no ensaio de dobramento devido à presença de inclusões de
escória e a dureza máxima da ZAC ultrapassou em alguns pontos 325 HV que é o valor
limite especificado pelo AWS D3.6M:2010. Houve aprovação quanto às demais
propriedades mecânicas (tabela 3).
0,5 m
10 m
20 m
Fig. 1 – Macrografias
representativas das juntas soldadas
em laboratório com o eletrodo
WW70 nas profundidades
equivalentes de 0,5m, 10m e 20m.
Fig. 2 - Resultados de tenacidade, alongamento
e porosidade obtidos com os eletrodos oxi-
rutílicos desenvolvidos no projeto de pesquisa
comparados com resultados publicados por
diversos autores na literatura técnica
especializada.[10-15]
.
0 5 10 15 20 25 300
5
10
15
20
25
30
mínimo AWS D3.6 LSS - Class A
mínimo AWS D3.6 HSS - Class A
A
longam
ento
(%
)
Profundidade (m)
0 5 10 15 20 25 30
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Po
rosid
ad
e (
are
a %
)
Profundidade (m)
0 5 10 15 20 25 30
10
20
30
40
50
60
70
En
erg
ia C
ha
rpy 0
oC
(J)
Profundidade (m)
0 5 10 15 20 25 30
10
20
30
40
50
60
70
En
erg
ia C
ha
rpy 0
oC
(J)
Profundidade (m)
rut oxi acid oxi-rut
Tabela 3 – Resultados de testes de campo* com procedimento híbrido (raiz com o
eletrodo WW70RP e enchimento com WW70)
Prof.
(m)
Tração do metal de
solda T.RT.
(Mpa)
T.R.C.
(Mpa)
Charpy 0ºC
(J) MS
Charpy 0ºC
(J) ZAC
Dureza do
Metal de
Solda
Hv10 L.E.
(Mpa)
L.R.
(Mpa)
Along.
(%)
5 449 507 18,6 504
533
>506
>450 46-37-37/40 40-32-32/35 204
* Soldagem em posição plana, profundidade: 5m
T.R.T = Tensão de ruptura em tração transversal
T.R.C. = Tensão de ruptura em cisalhamento
MS = metal de solda
ZAC = zona afetada pelo calor
CONSIDERAÇÕES - QUALIDADE ESTRUTURAL PLENA ( CLASSE A)
Para atingir a qualificação Classe A em soldas molhadas, segundo o código
AWS D3.6M:2010, são grandes os desafios a serem vencidos, em função da ação direta
da água sobre a poça de fusão e sobre a zona afetada pelo calor. Os seguintes requisitos
podem ser considerados os mais críticos na qualificação de procedimentos de soldagem
molhada na classe A:
- ausência de trincas no metal de solda e na zona afetada pelo calor;
- alongamento mínimo no ensaio de tração do metal de solda
- dureza máxima de 325HV10 no metal de solda e na zona afetada pelo calor;
- aprovação total nos quatro corpos de prova no ensaio de dobramento
Ausência de trincas no metal de solda e na zona afetada pelo calor
As trincas em soldas molhadas podem ser de duas naturezas: trincas de hidrogênio
(podem ocorrer tanto ZAC do metal de base quanto no metal de solda) e trincas de raiz
no metal de solda. As trincas de hidrogênio dependem fundamentalmente da
composição química e do teor de hidrogênio difusível (Hdif), uma vez que é
extremamente difícil controlar a velocidade de resfriamento. Trincas de raiz no metal de
solda ocorrem comumente em juntas em ângulo e no ponto de contato com o mata-junta
e a parede do chanfro. Sua formação é decorrente da concentração de tensões residuais
na raiz da solda e facilitada pela presença de inclusões não metálicas, escória e
segregações nesta região. Este problema pode ser reduzido pelo emprego de eletrodos
selecionados ou desenvolvidos especialmente para a soldagem do passe de raiz.
De acordo com o AWS D3.6M:2010 as juntas soldadas devem ser examinadas
macrograficamente em seção transversal com ampliação de 5 X. Nestas condições as
trincas por hidrogênio, mais frequentes em eletrodos rutílicos, podem não ser reveladas
por serem normalmente de comprimento muito pequeno, inferior a 0,5mm. Por outro
lado as trincas de raiz podem facilmente exceder o comprimento máximo admissível
para soldas classe A que é de 1,0mm. As figuras 3, 4 e 5 exemplificam os tipos de
trincas mencionados.
Figura 3 - Distribuição de trincas de hidrogênio na ZAC e no MS em seção
longitudinal de corpo de prova de teste de soldabilidade CTS (“Controlled Thermal
Severity”). Metal de base: 0,21% C e 1,05% de Mn. Profundidade de soldagem
equivalente: 20m. Eletrodo comercial rutílico. Hidrogênio difusível: 90ml/100g [4].
Figura 4 - Trincas de hidrogênio no metal de soda com eletrodo rutílico em visão
tridimensional. Imagem obtida por microtomografia de raios X [4]
.
Figura 5 - Trinca de raiz - junta em ângulo. Eletrodo do tipo oxi-rutílico. Metal de
base: ASTM AH 36. Espessura da chapa: 16 mm. Profundidade de soldagem: 10m [4]
.
Alongamento mínimo no ensaio de tração do metal de solda
O código AWS D3.6M:2010 requer alongamento mínimo de 14% para os aços com
limite de escoamento (LE) acima de 350 MPa e 18% para os aços com LE inferior a 350
Mpa. Os eletrodos do tipo rutílico, usualmente aplicados em soldagem molhada
raramente atendem a este requisito, seja pela presença de trincas no metal de solda ou
porosidade acentuada [5,9,16]
. Por outro lado, eletrodos com comportamento oxidante
depositam metal de solda de melhor ductilidade atingindo mais frequentemente
alongamentos superiores a 18%. Alguns trabalhos apontam o teor de hidrogênio
difusível como o principal fator responsável pelo controle da ductilidade do metal de
solda [5,9]
e sugerem que para satisfazer ao requisito de alongamento do metal de solda é
essencial controlar o hidrogênio difusível (abaixo de aproximadamente 20ml/100g) e a
porosidade (abaixo de aproximadamente 0,5%).
Dureza máxima de 325 HV10 na zona afetada pelo calor
A dureza na ZAC é principalmente influenciada pela composição química do metal
de base e pela taxa de resfriamento. Esta, por sua vez, é sempre muito elevada pela ação
direta da água, sendo pouco influenciada pelo aporte térmico na soldagem molhada com
eletrodos revestidos. Nas condições de soldagem usuais, a taxa de resfriamento expressa
pelo tempo de resfriamento entre 800ºC e 500ºC (Δt8-5) varia entre 1s e 3s,
aproximadamente. Numa abordagem conservadora pode-se admitir que em regiões da
ZAC não reaquecidas por passes subsequentes a microestrutura seja formada por 100%
de martensita. Esta é a situação encontrada na ZAC do metal de base provocada pelos
passes de acabamento. Portanto, numa abordagem conservadora, a dureza máxima
prevista na ZAC em aços C-Mn pode ser estimada pela bem conhecida relação entre
dureza da martensita em função do teor de carbono do aço. Assim, considerando os
teores de carbono e manganês especificados para os principais aços estruturais navais
conforme a norma ASTM A 131 é necessário lançar mão de técnicas especiais para
reduzir sensivelmente a velocidade de resfriamento ou reaquecer as regiões críticas da
ZAC para atender ao requisito para classe A do AWS D3.6M 2010 (dureza máxima
inferior a 325 HV).
Aprovação total nos quatro corpos de prova no ensaio de dobramento
O código AWS D3.6M:2010 requer, para classe A, a aprovação nos 4 testes de
dobramento a 180º a partir de corpos de prova extraídos de uma única junta. A prática
tem revelado enorme dificuldade em se conseguir tal aprovação de forma consistente e
sistemática. Resultados recentes [4,16]
têm demonstrado que a simples presença de um
pequeno defeito aceito pelo código (menor que 1,5 mm) pode levar a falha no teste e,
portanto, impedir a qualificação do procedimento de soldagem. Excepcionalmente,
conforme documentado na figura 6 foi conseguida aprovação nos testes de dobramento
em condição limite onde as decontinuidades atingiram comprimento próximo do limite
(3mm). Considera-se que a aprovação nos testes de dobramento esteja condicionada
pelo desenvolvimento de novos consumíveis resultando em aumento da ductilidade do
metal de solda, redução da dureza da ZAC e ausência de micro-trincas. A grande
influência de pequenas descontinuidades no resultado do teste de dobramento torna este
aspecto da qualificação fortemente dependente da habilidade do soldador/mergulhador e
do desempenho em nível operacional do processo.
Figura 6 - Corpos de prova dobrados de 180º em testes de dobramento lateral mostrando
trincas inferiores a 3mm e, portanto, aprovados. A junta de topo foi soldada em
laboratório na pressão equivalente a 10m de profundidade com eletrodo oxi-rutílico [4]
.
APLICABILIDADE EM UNIDADES FLUTUANTES
Dentre as possíveis aplicações da soldagem molhada para reparos permanentes,
algumas são de extrema dificuldade como aquelas em profundidades superiores a cerca
de 30 m, onde a baixa qualidade atingida tem sido normalmente adequada apenas a
reparos temporários. Outras são inaceitáveis, independente da profundidade, por
exemplo, aquelas que envolvem riscos do tipo vazamento de óleo ou gás, como é o caso
de reparos em dutos. Deve-se distinguir, entretanto, uma classe de aplicação que se
restringe a reparos em águas rasas de estruturas flutuantes onde há uma conjugação
interessante de fatores facilitadores que concorrem para viabilizar a utilização da
soldagem molhada em reparos permanentes:
Soldabilidade dos aços
A norma ASTM A 131/A 131M – 08 “Standard Specification for Structural
Steel for Ships”[17]
estabelece limites de composição química de modo a possibilitar boa
soldabilidade aos aços utilizados em construção naval. O carbono equivalente é limitado
a 0,40 nos aços de baixa resistência em geral e nos aços de alta resistência nas
espessuras inferiores a 50mm. O teor de carbono especificado, em geral é inferior a
0,2%. Alguns autores[10,18]
consideram 0,38 o máximo carbono equivalente possível de
ser soldado em condições subaquáticas com baixo risco de ocorrência de fissuração a
frio. Assim, em termos práticos, a composição química dos aços a serem reparados
deverão em muitos casos ser favorável do ponto de vista da soldabilidade metalúrgica.
Baixa profundidade
A profundidade em que os componentes estruturais serão reparados raramente
deverá ultrapassar 20 m. Resultados apresentados na tabela 2 indicam que com o
desenvolvimento, já alcançado, é possível produzir soldas molhadas com pequena
variação de propriedades mecânicas até esta profundidade.
Resistência à fadiga
Ao considerar a aplicabilidade da soldagem molhada em unidades flutuantes de
produção onde muitas juntas soldadas são submetidas a cargas variáveis com o tempo,
deve ser avaliado o desempenho em serviço das soldas de reparo, notadamente sob
fadiga. Infelizmente, são poucos os dados disponíveis na literatura sobre o
comportamento à fadiga tanto em serviço como em testes de laboratório. Possivelmente,
o estudo mais detalhado sobre o tema foi apresentado no relatório SSC-370 do “Ship
Structure Committee” intitulado “Underwater Repair Procedures for Ship Hulls (Fatigue
and Ductility of Underwater Wet Welds)”[14]
. O gráfico da figura 7 construído a partir
de resultados de testes de fadiga apresentados no relatório SSC-370, mostra que a vida à
fadiga de juntas produzidas por soldagem molhada pode ser equivalente à de soldas ao
ar testadas nas mesmas condições, apesar das diferenças de propriedades mecânicas
estáticas entre as duas modalidades de solda. Acrescenta-se, ainda, que como as soldas
de reparos por soldagem molhada são usualmente de pequenas extensões é possível
utilizar técnicas para aumento da resistência à fadiga a serem aplicadas pós-soldagem
possibilitando até mesmo superar a resistência à fadiga de juntas soldadas ao ar
semelhantes às utilizadas em construção naval. Dentre estas técnicas destacam-se o
adoçamento por desbaste e o martelamento das margens da solda.
105
106
107
10
20
30
40
50
60
708090
100
Soldas de topo sem cobre-junta
limite inferior para 95% de confiança
(soldas ao ar)
curva de referência de soldas ao ar
solda molhada
solda ao ar
Am
plit
ude d
e t
ensão (
ksi)
Nº de ciclos
Figura 7 - Curvas SxN de soldas ao ar e de soldas subaquáticas a partir de dados do
relatório SSC-370 [14]
.
Inspeção em serviço
Em se tratando de áreas restritas onde as soldas de reparo são realizadas, os
planos de inspeção das unidades de produção que possuem juntas reparadas por
soldagem molhada podem conter procedimentos diferenciados tanto em relação aos
métodos de inspeção não destrutiva a serem aplicados quanto à periodicidade das
inspeções, acrescentando confiança no bom desempenho em serviço das juntas de
reparo não classificadas como juntas de qualidade estrutural plena (classe A). Assim,
adotando uma metodologia de “qualidade para uso específico” procedimentos de
soldagem qualificados em classe B podem ser aplicados para reparos permanentes desde
que sejam cumpridas avaliações adicionais dentro de um plano de inspeção específico
para as juntas em questão.
CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO PARA UNIDADES FLUTUANTES
Duas rotas devem ser percorridas no sentido de viabilizar a aplicação da soldagem
molhada em reparos estruturais pede unidades flutuantes de produção de petróleo
(navios e plataformas semi-submersíveis). A primeira é o aperfeiçoamento da técnica e
dos consumíveis de forma a atender aos requisitos da classe A, sendo o principal a
ductilidade do metal de solda, que implica em reprovação no ensaio de dobramento.
Novos projetos de pesquisa devem ser conduzidos segundo sugestões apresentadas por
diversos autores. A segunda rota depende de esforços conjuntos por parte de operadoras
e classificadoras para considerar no contexto das normas de soldagem molhada a
soldagem de reparo em estruturas flutuantes como um caso específico. Com base no
conhecimento estabelecido e eventualmente no levantamento de novos dados técnicos
algumas alterações nos critérios atuais poderiam ser realizadas sem ameaçar a
integridade das estruturas reparadas. Seguem algumas sugestões de alterações a serem
melhor avaliadas para discussão com as sociedades classificadoras, com o comitê de
normas técnicas da PETROBRAS e endereçamento ao subcomitê diretor de soldagem
subaquática da AWS:
a - Criação de uma nova classe de soldas além das tradicionais classes A e B do AWS
D3.6M:2010, de aplicação restrita à qualificação de procedimentos de soldagem para
reparos em estruturas flutuantes de produção de petróleo construídas com aços de
características semelhantes aos aços navais da norma ASTM A 131.
b - A nova classe de solda poderia ser baseada na atual classe B do AWS D3.6M:2010,
introduzindo algumas modificações tornando-a mais severa:
b1 - A exigência de ensaio de tração do metal de solda para todos os tipos de juntas e
estabelecendo como critério de aceitação um valor de alongamento da ordem de 14%,
justificado por ser este o valor especificado para a soldagem molhada de aços de alta
resistência em classe A conforme o AWS D3.6M:2010. No critério vigente não há
exigência de realização de ensaio de tração do metal de solda para soldas classe B.
b2 – a exigência de realização de ensaios metalográficos em seção longitudinal no metal
de solda, passando pelo eixo da solda, para detectar a presença de microtrincas em seção
polida com magnificação da ordem de 50x. Critérios de aceitação de microtrincas
deverão ser definidos. Adicionalmente sugere-se que em seção transversal a amostra
também seja examinada com magnificação da ordem de 50x. Na versão de 2010 o
código exige apenas a realização de uma macrografia em seção transversal observada
com magnificação de 5x.
c - Alternativamente, a nova classe de solda poderia ser baseada na atual classe A do
AWS D3.6M:2010, introduzindo algumas modificações tornando-a menos severa:
c1 – Unificação do critério de aceitação em um valor de alongamento da ordem de 14%,
justificado por ser este o valor especificado para a soldagem molhada de aços de alta
resistência em classe A conforme o AWS D3.6M:2010. Na versão 2010 o código exige
alongamento mínimo de 18% para a soldagem dos aços de baixa resistência.
c2- Utilização dos critérios de aceitação da classe B de descontinuidades em testes não
destrutivos e destrutivos.
c3 – Utilização da metodologia e do critério de aceitação da classe B para os ensaios de
dobramento ( aumentando assim o diâmetro do cutelo) e de dureza (aumentando assim a
dureza máxima aceitável de 325 para 375 HV).
CONCLUSÕES
Projetos de pesquisa realizados no Brasil no período 2007 – 2012 resultaram no
desenvolvimento de um eletrodo oxi-rutílico (WW70). Os resultados de hidrogênio
difusível, porosidade e propriedades mecânicas (com exceção do dobramento) das
soldas realizadas com este eletrodo, entre 0,5m e 20m, mostraram que esta formulação
apresentou ótimos resultados em comparação com resultados disponíveis na literatura
internacional.
Os resultados de propriedades mecânicas, exceto quanto ao ensaio de
dobramento e dureza na ZAC, atendem aos requisitos do D3.6M:2010 classe A para
soldagem de aços navais com limite de escoamento superior a 350 Mpa. Foram
alcançados, com grande frequência, valores de alongamento superiores a 18%.
As principais propriedades mecânicas, o hidrogênio difusível e a porosidade do
eletrodo WW70 mostraram-se pouco sensíveis ao aumento de profundidade até 20m;
Foram identificadas deficiências quanto à operacionalidade do eletrodo WW70
que precisam ser corrigidas.
Nos testes de qualificação de procedimentos a 5m de profundidade com metal de
base ASTM A 131 AH36 os resultados obtidos estão em conformidade com os
requisitos para qualificação no AWS D3.6M:2010 classe B nas posições plana e sobre-
cabeça para juntas em ângulo. Entretanto, na posição vertical descendente não se obteve
a qualificação em classe B devido à presença de descontinuidades do tipo inclusão de
escória acima do especificado.
Em relação à qualificação de procedimentos em classe A, os maiores obstáculos
a serem superados quanto à qualidade do metal de solda são a aprovação no ensaio de
dobramento e a produção de soldas com inclusões de escória menores que 2mm. Outro
importante obstáculo é a obtenção de valores de dureza na ZAC abaixo de 325 HV
(requisito para classe A).
Os testes de laboratório e de soldas realizadas em tanque a 5m por soldador-
mergulhador com um procedimento híbrido (raiz com eletrodo rutílico e enchimento
com oxi-rutílico apresentaram resultados positivos em geral, mas mesmo assim não
alcançaram a qualificação de procedimento devido à presença de inclusões de escória
com tamanho e quantidade ligeiramente superiores aos estabelecidos no AWS
D3.6M:2010.
Visando o reconhecimento da soldagem molhada como técnica de reparo
permanente para unidades flutuantes de produção, sugere-se nova conceituação para a
qualificação de procedimentos e alterações em alguns critérios de aceitação.
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