qualy erwin v12
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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
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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;
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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;
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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;
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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
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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;
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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);
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Agradecimentos
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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.
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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: erwin@ifsc.edu.br
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