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  • 100% 50%

    Desenvolvimento de Processos

    Alternativos para o Revestimento

    Interno com Inconel

    625 de Tubos API

    Doutorando: Erwin Werner Teichmann

    Orientador:

    Prof. Dr. Carlos Enrique Nio Bohrquez

    Universidade Federal de Santa Catarina Programa de Ps-Graduao

    em Engenharia Mecnica

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    Introduo: Explorao do Pr-sal

    57% do total de investimentos da

    Petrobrs em

    2010-2015;

    40,5% da produo nacional em 2020;

    leo leve;

    As reservas esto espalhadas entre

    SC e ES;

    rea do

    Pr-sal

    rea do

    Pr-sal

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    Introduo: Explorao do Pr-sal

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    FPSO - Floating Production, Storage and

    Offloading

    So responsveis pela separao,

    armazenamento e

    exportao do leo;

    Existe uma intrincada ligao de dutos

    conectando

    plataformas, poos

    FPSO e outros

    sistemas;

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    Resistncia Mecnica

    Esforos sobre um riser

    Trao

    Compresso

    Mars;

    Ventos;

    Esforos cclicos

    (fadiga);

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    Resistncia Corroso

    leo pesado (sour crude oil) contm Stotal> 1%;

    O H2S no leo bruto (forma lquida ou gasosa) o principal causador fragilizao por H2 em dutos de ao;

    Mesmo poos de leo leve (Pr-sal), precisam da injeo de gua e CO2 para aumentar a presso do

    reservatrio. Em um perodo de 10 a 15 anos as

    bactrias comeam a gerar H2S;

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    Riscos em Caso de Falha

    Como exemplo, alguns nmeros do acidente na Deepwater

    Horizon em 2010 (plataforma da British Petroleum localizada no

    Golfo do Mxico):

    Afetou 25000 km de linha costeira dos EUA; A exploso inicial matou 11 pessoas e feriu 17; Foram necessrios 1700 km de barreira para a absoro de

    leo;

    A BP assumiu aproximadamente U$40 bilhes em custos com multas, limpeza e acordos judiciais. Ela tambm contribuiu

    com U$16 bilhes para a criao de um fundo de proteo para

    desastres;

    Mais de 30.000 pessoas trabalharam nos servios de recuperao e limpeza. At hoje ainda so sentidos os efeitos

    do derramamento.

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    Resumindo

    Requisistos das linhas de dutos de

    instalaes para explorao de petrleo "off-

    shore":

    Resistncia mecnica a trao e compresso, devido ao seu peso prprio e

    elevada presso externa (coluna de

    gua);

    Resistncia fadiga;

    As instalaes devem operar por 25 anos;

    Resistncia corroso e fragilizao por hidrognio;

    Normas

    API

    Revestimento

    Interno

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    Resistncia Mecnica Tubos API

    Preo por kg de ao

    Resistncia

    Mecnica

    Quantidade

    de ao

    Necessria

    Normalmente

    economicamente

    favorvel ao uso de

    aos mais resistentes!

    Ano de comercializao

    1034

    689

    345

    0

    Te

    ns

    o d

    e E

    sco

    am

    en

    to M

    nim

    a (M

    pa

    )

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    Aos para Tubos API - TTM

    Refino de gro mediante deformao controlada abaixo da temperatura de

    recristalizao;

    O refino de gro o nico meio de aumentar simultaneamente resistncia mecnica e

    tenacidade;

    Aumento da resistncia fadiga;

    Teor de carbono mantido baixo, para garantir boa soldabilidade;

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    Especificaes Tubos API

    Os tubos API 5L devem satisfazer muitos requisitos. Por exemplo para o ao API X80:

    Elevada resistncia trao (621 a 827 MPa);

    Excelente tenacidade (energia absorvida no ensaio Charpy a 0 C 129 J, para tubos com at 2 m);

    Boa soldabilidade (o Carbono Equivalente no deve ultrapassar 0,43%);

    Resistncia corroso e fragilizao por hidrognio;

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    Superliga base de nquel, cromo e molibdnio;

    A mais utilizada no mercado de tubos revestidos para a indstria do petrleo devido sua elevada resistncia

    corroso;

    Soldagem dificultada pela baixa molhabilidade (atmosfera ativa tem grande influncia);

    Estudos recentes mostram que at 15% de Fe diludo no afetam de forma significativa a resistncia a corroso;

    A Petrobrs esta mudando de orientao com relao a presena de ferro nos depsitos (passando de 5% a 10%)

    em uma camada email Piza 10/04/2014;

    Materiais para Revestimento: Inconel 625

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    Materiais para Revestimento: Inconel 625

    Inconel 625 segundo a especificao UNS N06625 (Fe API 6A) Elemento % em massa

    C 0,10

    Mn 0,50

    Si 0,50

    P 0,015

    S 0,015

    Cr 20 - 23

    Nb+Ta 3,15 - 4,15

    Co (se especificado) 1,00

    Mo 8 - 10

    Fe Fe 5 5 / Fe 10 10

    Al 0,40

    Ti 0,40

    Ni 58

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    Processo Tipo

    de

    Unio

    Custo

    op.

    Invest. Prod.

    (kg/h)

    Qual.

    Sup.

    Rob. Limitaes

    Co-laminao Met. Exige soldagem, grande rea soldada, investimento inicial muito elevado. Pode ser

    aplicado apenas para tubos de grande espessura e dimetro

    Co-extruso Met. Falta de uniformidade da espessura e limite de escoamento baixo, investimento inicial

    muito elevado.

    Expanso ou

    hidroform.

    Mec. Baixa resistncia de adeso, inspeo difcil, instalao complexa, investimento inicial

    muito elevado. Pode ser aplicado apenas para tubos de grande espessura e dimetro.

    Depsito

    soldado

    Met. 10 Alta diluio e baixa produtividade.

    Asperso

    trmica

    Mec.

    Qum.

    VdW

    5 Pequena espessura do depsito e baixa aderncia.

    Deposio de

    vapor

    Met. 0,1 Custo de operao elevado, pequena espessura da camada depositada e produtividade

    baixa.

    CermaClad Met. ? 500 ? Para tubos com mais de 200 mm de dimetro. Desempenho industrial desconhecido.

    Met.: Unio Metalrgica / Mec.: Unio Mecnica / Qum.: Ligao Qumica / VdW.: Foras de Van der Waals

    Processos de Revestimento Interno de Dutos

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    Processo TIG no Revestimento Interno com

    Inconel 625

    o processo de soldagem mais

    utilizado;

    Produtividade relativamente baixa;

    Apesar da boa estabilidade est sujeito

    a interrupes e

    retrabalhos;

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    Processo TIG no Revestimento Interno com

    Inconel 625

    EPS de Soldagem TIG-HW

    Inconel 625, tubo de ext

    355 mm, L=12 m:

    Vs= 0,42 m/min;

    Arame 1,2 mm;

    2 passes;

    15 dias x 24 h/dia para revestir um tubo;

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    Processo MIG/MAG no Revestimento Interno com

    Inconel 625

    MIG/MAG o processo de soldagem mais aplicado na indstria metal-mecnica e, em geral, tambm na soldagem

    de revestimento;

    Baixa molhabilidade do Inconel impe desafios utilizao do processo MIG/MAG;

    A adio de teores superiores a 20% de CO2 ao argnio melhora a molhabilidade, mas piora a estabilidade do arco

    e pode gerar problemas metalrgicos;

    O MIG pulsado com adio de H2 ao argnio foi testado com sucesso, mas ainda pouco explorado;

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    Processo MIG/MAG no Revestimento Interno com

    Inconel 625

    Soldagem com teores elevados de CO2 produz sensitizao (corroso intergranular):

    Micrografia de

    escapamento em

    ao inox ferrtico

    soldado com Ar +

    8% CO2 (ataque

    cido oxlico).

    1 mm

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    Processo MIG/MAG no Revestimento Interno com

    Inconel 625

    Soldagem com MIG/MAG CC-:

    Macrografia de solda

    com CC- e vs=2,4 m/min

    Aspecto dos cordes e

    perfil de penetrao de

    soldas realizados com

    CC+ e CC-.

    CC+

    CC-

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    Processo Arco Submerso no Revestimento

    Interno com Inconel 625

    Processo de alta produtividade;

    Utiliza um fluxo granulado com uma grande variedade de composies disponveis. O fluxo pode ter grande

    influncia sobre a molhabilidade;

    Para operaes de revestimento so normalmente utilizadas fitas (espessura = 0,5 mm, largura = 30 a 90 mm);

    Utilizado normalmente na posio plana;

    Poucos exemplos de aplicao prtica em posio vertical e nenhum deles em revestimento;

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    Processo Arco Submerso no Revestimento

    Interno com Inconel 625

    Soldagem a arco submerso na posio vertical:

    Soldagem de

    tanques

    criognicos para

    gs natural

    liquefeito.

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    Processos Inovadores de Revestimento Interno

    com Inconel 625 - CermaClad

    Aplicao de p aglomerado, fundido por uma lmpada de luz IR de alta densidade/energia (150 kW a 1 MW):

    Diluio de 2%;

    Alta taxa de deposio(at 500

    kg/h);

    Problemas na aplicao industrial

    ligados ao

    fornecimento da

    lmpada HDIR;

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    Tcnicas de Tecimento em Soldagem

    Justificativas para o uso de tecimento:

    Em passes de raiz, para garantir a fuso adequada das bordas da junta;

    Em passes de preenchimento ou revestimento, para aumentar a largura

    destes e, assim, reduzir o nmero de

    cordes utilizados;

    Na soldagem fora da posio plana, para melhorar o controle da poa de fuso;

    Para melhorar a molhabilidade e o perfil de penetrao da solda.

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    Os procedimentos de soldagem para revestimento interno de

    tubos atualmente aplicados pela indstria apresentam as

    seguintes limitaes:

    Taxa de interrupes de processo relativamente alta;

    Necessidade de processos posteriores de acabamento superficial por usinagem ou refuso;

    Risco de falta de fuso entre o revestimento e o substrato ou entre cordes do revestimento (risco de corroso e de

    reduo da resistncia fadiga);

    Baixa produtividade;

    Justificativa

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    Justificativa

    Alm das deficincias ligadas aos procedimentos, outros

    fatores servem de justificativa para o desenvolvimento do

    projeto:

    Existem poucos fabricantes nacionais de tubos revestidos;

    Interesse demonstrado pela Petrobras no desenvolvimento de processos alternativos de revestimento (reunio no

    CENPES);

    Desenvolvimento de tcnicas que contribuam para o aumento da resistncia fadiga;

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    Justificativa Soldagem na posio vertical descendente

    Falta de fuso

    entre cordes

    Trinca

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    Justificativa Soldagem na posio vertical descendente

    Falta de fuso

    entre cordes

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    Justificativa Soldagem na posio vertical descendente

    Sistema de soldagem com

    arco submerso idealizado:

    1.Tubo

    2.Dispositivo de Soldagem

    3.Fluxo

    4.Trilho

    5.Umbilical 4

    1

    3

    2

    5

  • 100% 50%

    Objetivos

    Os objetivos delineados neste projeto para os processos MIG/MAG e

    Arco Submerso so estudar a influncia:

    Sobre:

    Da mistura gasosa;

    Da polaridade;

    Dos modos de transferncia metlica;

    Do tecimento;

    A estabilidade do arco;

    A geometria do cordo de solda;

    A diluio;

    A incidncia de defeitos;

    O acabamento superficial;

  • 100% 50%

    Objetivos

    Ainda:

    Comparar a robustez e confiabilidade dos processos MIG/MAG e Arco Submerso com aquelas do processo

    TIG hot wire, quando aplicados no revestimento interno de tubos;

    Nota: no se pretende realizar soldas com o processo TIG-

    HW, apenas recuperar os resultados obtidos de um

    fornecedor de tubos revestidos.

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    Metodologia Ensaios Propostos

    A metodologia proposta prev a realizao de campanhas de

    ensaio divididas em duas etapas:

    Etapa1: Ensaios exploratrios de soldagem na posio vertical utilizando arame de ao inox 430 e 1,2 mm sobre

    chapa de ao 1020 e=6,4 mm com os processos MIG pulsado

    CC+, MAG CC- e arco submerso;

    Etapa2: Ensaios utilizando arame Inconel 625 1,14 mm e chapa de ao API 5L X65 e=9,76 mm;

    Os ensaios sero planejados para aplicar o mtodo estatstico de superfcie de resposta, com ajuda do software Minitab;

  • 100% 50% 08:04:54

    Metodologia Ensaios Propostos

    Polaridade Gs / Fluxo Posio Arame

    etapa1

    Arame

    etapa2

    MIG Pulsado Positiva Ar + 5% H2 Vertical

    descendente

    AWS ER

    430Ti 1,2

    mm

    AWS ER

    NiCrMo-3

    1,14 mm

    MAG CC- Negativa Ar + 2% O2 Idem Idem Idem

    Arco Submerso Positiva ESAB 429

    Neutro

    Idem Idem Idem

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    Geometrias de tecimento padro do rob FANUC:

    Metodologia - Tcnicas de Tecimento

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    Recursos Materiais Bancada de ensaios

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    Metodologia Anlise das Soldas Produzidas

    partir das soldas obtidas com as condies otimizadas

    para os processos MIG Pulsado, MAG CC- e Arco

    Submerso, ser analisada a influncia das variveis de

    processo sobre os seguintes aspectos:

    Estabilidade do arco;

    Incidncia de descontinuidades;

    Aparncia visual e superficial;

    Geometria e dimenses dos cordes;

    Aspectos metalrgicos;

  • 100% 50%

    Metodologia Anlise das Soldas Produzidas

    Outros ensaios e anlises:

    Anlise metalogrfica ao MO e MEV da zona fundida e a zona afetada pelo calor para comparar suas caractersticas

    microestruturais com aquelas do metal de base.

    Anlise da robustez dos procedimentos, isto , a sua sensibilidade a perturbaes e variao nas condies de

    soldagem.

    Validao dos resultados mediante confeco de amostras soldadas que sero submetidas a ensaios mecnicos (ensaio

    de dobramento e medio de dureza);

    Anlise ao MEV das superfcies de fratura geradas nos ensaios de dobramento, para associ-las s caractersticas

    microestruturais.

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    Cronograma

    Coleta de informaes e anlise do estado da arte

    Construo e preparao da bancada

    Realizao de Ensaios preliminares

    Elaborao e preparao da qualificao

    Defesa da qualificao

    Ensaios exploratrios

    Planejamento de experimentos

    Realizao dos ensaios planejados

    Anlise dos resultados

    Otimizao

    Realizao dos ensaios de otimizao

    Anlise dos resultados

    Realizao de confirmao e eventuais repeties Planejado

    Analise de resultados e discusso geral dos resultados

    Redao Tese Realizado

    Defesa Tese

    30 322

    Jan Jun

    12 1422 24 264 6 8 10 2812 14 16 18 2050 5240 42 44 46

    Ago

    2013

    Nov

    28 30 32 34 36 38 48

    Set Out Nov Dez Ago Set OutJan Fev JulMar Abr Mai JunAtividades

    24 26

    Jun Jul

    44 4632

    2015

    Dez

    34 36 38

    DESENVOLVIMENTO DE PROCESSOS ALTERNATIVOS PARA O REVESTIMENTO INTERNO COM INCONEL 625 DE TUBOS API

    Fev Mar

    2 4 6 8 10 12 1448 50 52

    2014

    40 42

  • 100% 50%

    Estado Atual do Projeto

    Bancada montada e operacional:

    Sistema de soldagem vertical montado; Software ArcTools instalado no rob; Rob calibrado; Programas de soldagem terminados; Sistema de soldagem com arco submerso operacional; Sistema de aquisio de dados calibrado/verificado;

    Material disponvel:

    Corpos de prova em chapa AISI 1020 esp. cortados; Arame inox 430 e Inconel 625; Misturas de argnio com 5% de H2 e 2% de O2; Chapa de ao API 5L X65 esp. 9,76 mm; Material de consumo geral;

  • 100% 50%

    Estado Atual do Projeto

    Ensaios j realizados:

    Ensaios preliminares com MIG pulsado realizados;

    Ensaios preliminares com CC- realizados;

    Ensaios com arco submerso iniciados (resultados iniciais apontam para dificuldade em se soldar na

    vertical descendente);

  • 100% 50%

    Agradecimentos

  • 100% 50%

    Agradecimento Especial

    Alexandre Meireles Pope, engenheiro

    aposentado do CENPES Petrobras. Uma fonte

    inesgotvel de conhecimentos na rea de petrleo

    e soldagem, mentor e incentivador no

    desenvolvimento do projeto.

  • 100% 50%

    Obrigado!

    Prof. Erwin Werner TEICHMANN

    Departamento Acadmico de Metal Mecnica

    Instituto Federal de Santa Catarina - Campus Florianpolis

    Av. Mauro Ramos, n 950, Centro

    88020-300 Florianpolis, SC

    http://www.ifsc.edu.br

    Phone: +55 48 3221-0600

    Mobile: +55 48 9989-6033

    Skype: erwin.werner.teichmann

    e-mail: [email protected]