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5/26/2018 Giovani-SoldagemEmOperacao-slidepdf.com http://slidepdf.com/reader/full/giovani-soldagem-em-operacao 1/69 1 SOLDAGEM DE DUTOS EM OPERAÇÃO 08 de novembro de 2013 PUC RJ GIOVANI DALPIAZ

Giovani-Soldagem Em Operacao

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  • 11

    SOLDAGEM DE DUTOS EM OPERAO

    08 de novembro de 2013

    PUC RJ

    GIOVANI DALPIAZ

  • 22

    Objetivo do curso:Discutir sobre os fenmenos envolvidos na soldagem de

    dutos em operao.Rever conceitos de transferncia de calor e metalurgia

    de soldagem.Discutir sobre os problemas relacionados com soldagem

    de dutos em operao.Discutir as normas que orientam esta atividade: API 1104 -

    apndice B (in service welding) e Petrobras N-2163. Conhecer os programas computacionais aplicados.

  • 33

    TCNICAS DE REPARO

  • 44

    TROCA DE TRECHO DE DUTO (com ou sem interrupo defluxo) Segment Replacement; - repara qualquer tipo de defeito

    DUPLA-CALHA (Tipo-A) Reinforcing steel sleeves; com ousem interferncia

    DUPLA-CALHA COM SOLDA CIRCUNFERENCIAL(Tipo-B) Pressure-containing sleeves. reparo permanente paraqualquer tipo de defeito.

    LUVA COM GRAUTEAMENTO DE EPOXI Epoxi Sleeve;

    CONECTOR MECNICO Mechanical Connectors; DEPSITO DE SOLDA Weld Deposit;

    TCNICAS DE REPARO

  • 55

    ESMERILHAMENTO Dressing or Grinding;BRAADEIRA MECNICA APARAFUSADA (com

    ou sem derivao) Mechanical Clamp;BRAADEIRA COM PINO CENTRALIZADOR

    Leak Clamp;LUVA DE MATERIAL COMPOSTO Composite

    Sleeve;TREPANAO DO DEFEITO Hot Tapping;REFORO ESTRUTURAL LOCALIZADO

    Bacalhau Patch.

    TCNICAS DE REPARO

  • 66

    Dutos definies

    Duto: Designao genrica de instalao constituda portubos ligados entre si, incluindo os componentes ecomplementos, destinada ao transporte ou transferncia defluidos, entre as fronteiras de unidades operacionaisgeograficamente distintas.

    Tubulao: Conduto fechado que se diferencia de duto pelofato de movimentar ou transferir fluido sob presso dentrodos limites de uma planta industrial ou instalao deproduo ou armazenamento de petrleo e seus derivados.

  • 77

    Fluxo Interno

    Soldagem de dutos em operao

    Aumenta a taxa de resfriamento do cordo de solda

    Importante: Na soldagem em operao uma chapa fina pode transformar-se em chapa grossa dependendo do fluido e da vazo.

    To

    TqPoa de fuso

    Temperatura To < Tq

    Como agrupar a soldabilidade dos materiais nessa condio?

  • 88

    Em instalaes da PETROBRAS, por exemplo, toda a soldagem em operao

    deve estar de acordo com a Norma Petrobras N-2163

    Soldagem e Trepanao em Equipamentos, Tubulaes e Dutos em Operao

    Alm desta deve seguir a norma API 1104 apndice B

  • 99

    Soldagem em operaoConceito:

    Trabalhos envolvendo a instalao de conexes e reparos estruturais, execuo de soldagem e trepanao em equipamentos, tubulaes industriais e dutos (terrestres ou submarinos), que estejam em operao (pressurizados com ou sem fluxo, com produto ou seus resduos).

  • 1010

    Vantagens da Soldagem em OperaoSoldagem em qualquer condio operacional

    Sem Limite de Presso ou Vazo

    Custo Ambiental Zero

    Ganhos Operacionais Significativos

    Reparo sem perda significativa de produo

  • 1111

    Soldagem em operao

    Instalao de Duplas-CalhasInstalao de Fittings para derivao TrepanaoReparo com deposio por soldagemSoldagem de braadeira aparafusada

    Operaes/reparos mais comuns:

  • 1212

    Situaes envolvendo soldagem em operao

    Instalao de dupla-calha

    Deposio por soldagem

    Operao de trepanao

    Fittings soldados para trepanao

  • 1313

    N-2163 figura A-2

  • 1414

    N-2163 figura A-2

    Cordo longitudinal no toca o tubo pelo uso de cobre junta

    Junta circunferencial toca o tubo, por isso, crtica e tratada como soldagem em operao

  • 1515

    Dificuldades da soldagem em operaoConceitos fundamentais devem ser compreendidos:

    (sero detalhados mais adiante)

    1. Trinca a frio (hydrogen cracking) devido a alta taxa de resfriamento)

    2. Perfurao do duto (burntrough) Para tubos de espessura < 6.35 mm

    Na N-2163 levanta-se outra questo de risco na soldagem em operao:

    3. Decomposio instvel de produtos ou outras restries em relao aos fluidos deve ser considerado.

    Qual o fator mais difcil de controlar?

  • 1616

    1. Avaliao da Trinca Induzida pelo Hidrognio

    Qualificao

    2. Avaliao da perfurao modelo computacional

    Dificuldades da soldagem em operaoComo controlar:

  • 1717

    IMPORTANTE:

    Antes do reparo importante uma avaliao da real necessidade da interveno, ou seja, deve-se saber se a indicao defeito ou descontinuidade.

  • 1818

    Exemplos de defeitos que necessitam reparo

    Sujeito a alteraes conforme norma de projeto do duto

  • 1919

    a)qualquer dano com vazamento;b)sulcos e cavas, quando apresentarem profundidade maior que:

    -12,5 % da espessura nominal da parede, para oleodutos;-10% da espessura nominal da parede, para gasodutos;

    c)mossas que afetam os cordes de solda; mossas contendo ranhuras, sulcos ou cavas; mossas com profundidade > 6 mm em dutos com dimetro 4 ou com profundidade > 6 % do dimetro nominal do duto para dimetro nominal > 4;

    d)mordeduras com as seguintes dimenses:- profundidade > 0,8 mm ou > 12,5 % da espessura (o que for

    menor);- profundidade > 0,4 mm ou entre 6 % e 12,5 % da espessura (o

    que for menor), e com o comprimento > 50 mm em 300 mm contnuos de solda ou 1/6 do comprimento da solda (o que for menor);

    Os seguintes defeitos devem ser removidos ou reparados:

    TIPOS DE DEFEITOS

  • 2020

    e) qualquer tipo de trinca;f) toda solda no aceita pelos critrios de aceitao - testes

    no-destrutivos da norma API 1104 ou pela especificao de fabricao do duto;

    g) reas corrodas cujas dimenses resultem em tenses acima de valores admissveis de acordo com os critrios da norma ASME B31.G;

    h) reas corrodas atravessando soldas;i) Dutos tensionados, com tenso longitudinal maior que

    72% SMYS, para dutos novos, e 54% SMYS para dutos que j sofreram algum tipo de tensionamento.

    Os seguintes defeitos devem ser removidos ou reparados:

    TIPOS DE DEFEITOS

  • 2121

    Reviso de metalurgia da soldagem

  • 2222

    Reviso de metalurgia da soldagem

    Transferncia de calor na soldagem

    Conceito de ciclo trmico

  • 2323

    Registro de ciclos trmicosT

    t

    Conceito de ciclo trmico

  • 2424

    Ciclo Trmico:

    Tempo

    T

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    Distncia

    T

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    m

    x

    LF

    Tf

    Repartio Trmica:

    Conceito de ciclo trmico

  • 2525

    Principais Parmetros

    T

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    Tempo

    T*

    Tempo

    T

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    t8-5

    800

    500

    Por que importante saber o tempo 800-500??

    Conceito de ciclo trmico

  • 2626

    Fatores Controladores do Ciclo Trmico

    espessurada chapa

    energia desoldagem

    processo desoldagem

    temperatura depraquecimento

    tempo

    t

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    T0Tamb

    800

    500

    t8-5

    Tcrit

    E na soldagem em operao??

    A condio de escoamentotambm interferem no ciclo trmico

    Conceito de ciclo trmico

  • 2727

    Ciclo TrmicoEfeito da Espessura

    chapa grossa: fluxo de calor tridimensional

    chapa fina: fluxo de calor bidimensional

  • 2828

    Ciclo TrmicoEfeito da Energia de Soldagem

    Aumentando energia de soldagem: chapa grossa => chapa fina

  • 2929

    Chapa fina ou chapa grossa?

  • 3030

    Transformaes no Estado Slido

    tempoM

    BF

    Pt

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    Zona Crtica

    Zona Super-Crtica (RGG)

    M

    B

    FP

    tempo

    t

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

  • 3131

    Transformaes no Estado SlidoFormao da ZAC em aos Carbono

    Fe3C

    Austenita + Fe3C

    Ferrita + Fe3C

    Austenita

    Lquido

    Distncia

    T

    e

    m

    p

    e

    r

    a

    t

    u

    r

    a

    m

    x

    LF

    Tf

    RGGZAC-IC

  • 3232

    Conceitos importantes:1.Carbono equivalente2.Energia de soldagem

  • 3333

    1.Carbono Equivalente (CE) indicador da soldabilidade:

    2. Energia de Soldagem (Es) calor adicionado por comprimento de cordo de solda

    [Pcm] 0,12%C para 5xB10V

    15Mo

    20Cr

    60Ni

    20Cu

    20Mn

    30SiC Ceq

    [IIW] 0,12%C para 5

    VMoCr15

    NiCu6

    MnC Ceq

    ++

    ++

    ++=

    [mm/s] Sold Vel x 1000]Corrente[A x [V] Tensao

    [kJ/mm] Es =

  • 3434

    Trinca induzida pelo Hidrognio

    TIH

  • 3535

    Fissurao pelo HidrognioFatores controladores:

    Tenses trativas

    Microestruturasusceptvel

    Hidrognio difusvel

    eliminando um dos fatores o problema eliminado

    Fontes de H:Tipo de fluxo ou revestimento do eletrodoUmidade no revestimento, fluxo ou gsMateriais orgnicosProdutos de corrosoAtmosfera

  • 3636

    Difuso e Solubilidade do Hidrognio

    Hidrognio tem alta solubilidade na austenita ()Hidrognio tem alta difusividade na ferrita ()

  • 3737

    Efeito da Temperabilidade na Migrao do Hidrognio

    MB mais tempervel que MS Hidrognio difunde para ZACMS mais tempervel que MB Hidrognio fica no MS

  • 3838

    Fissurao pelo Hidrognio - resumoFatores controladores:

    Tenses trativas

    Microestruturasusceptvel

    Hidrognio difusvel

    eliminando um dos fatores o problema eliminado

    Condio Causa da condio Medidas preventivas

    Hidrognio na junta soldada Presena de umidade ou outras impurezas; umidade intrnseca do processo de soldagem.

    Limpeza da junta, preaquecimento, uso de eletrodos ou processos de baixo hidrognio.

    Microestrutura suscetvel a TIH

    Gro grosseiro, aquecimento seguido de rpido resfriamento

    Preaquecimento, controle da energia de soldagem, uso de passe de revenimento.

    Tenso de trao Tenso residual de soldagem, tenso interna em condio de operao, gap elevado, etc.

    Melhorar o ajuste, minimizar a concentrao de tenses na raiz do cordo de solda.

    A trinca induzida pelo hidrognio - TIH

  • 3939

    Consideraes da N-2163 quanto ao materialdo duto a ser soldado:

    1.4 As recomendaes tcnicas de soldagem descritos nesta Norma se aplicam a tubulaes, dutos e equipamentos fabricados em aos ferrticos [tipo ao-C, C-Mn, C-Mn microligado e termomecanicamente processados Thermal Mechanical Control Process (TMCP)], inoxidveis austenticos, Duplex e Superduplex. So os aos que podem ser soldados em operao segundo a N-2163

    NOTA Os Aos Cr-Mo, Aos Inoxidveis Ferrticos e Martensticos no so tratados nesta Norma. Em geral no devem ser soldados em operao, sendo analisado caso a caso pelo profissional responsvel.

    Devido a trinca induzida pelo hidrognio

  • 4040

    Processos de Soldagem atualmente aplicveis a soldagem em operao

    (na Petrobras s usado TIG e eletrodo revestido)ELETRODO REVESTIDO - Shielded Metal Arc Welding SMAW (MAIS USADO)

    TIG Tungsten Inert Gas Europa - GTAW- Gas Tungsten Arc Welding EUA

    MIG/MAG - Metal Inert Gas/Metal Active Gas -GMAW (Gas Metal Arc Welding) e variaes como STT,

    RMD, etc.

    ARAME TUBULAR FCAW (Flux Cored Arc Welding)

  • 4141

    Processos ao Arco Eltrico aplicveis nasoldagem de dutos em operao

    TIGSMAWShielded-metal arc welding Gas-tungsten arc welding -

    GTAW

    Gas-metal arc welding GMAW ou MIG/MAG

    GMAWFCAW - ARAME TUBULAR

    FCAW

  • 4242

    Anlise do risco de perfurao

    Atravs de software

  • 4343

    Anlise do risco de Perfurao

    Esta a condio para que no haja perfurao: T

  • 4444

    Anlise do risco de Perfurao

    Comparao entre solda bead-on-pipe ( esquerda) e junta de filete ( direita), parmetros de soldagem e condies de operao do duto idnticas.

    Atinge maior temperatura que a junta de filete

  • 4545

    Anlise do risco de Perfurao N 2163

  • 4646

    A reduo da presso praticamente ineficiente para minimizar o risco de perfurao:

    A perfurao ir ocorrer se a temperatura da parede interna for suficientemente alta, mesmo a baixa presso.

    Para duto com gs, a presso maior aumenta a capacidade do gs de extrair calor da parede do tubo. Mais baixa temperatura da parede com a mais alta presso, pois maior ser a condutividade trmica dos gases.As tenses no duto podem se redistribuir ao longo da poa de fuso como se fosse uma corroso por pites (corroso isolada por pites admitida a at 80% da parede do duto) mais seguro o uso de eletrodos com dimetro menor (menor corrente). uma maneira efetiva de limitar corrente, porm diminui a produtividade. Eletrodos com 2 ou 1,6 mm devem ser considerados.

    CONCLUSO: manter temperatura da parede abaixo de 980C e para isso a vazo nem sempre precisa ser mantida e a presso no precisa ser reduzida.

    Anlise do risco de Perfurao

    Relao entre o calor gerado no arco X calor removido pelo duto maior que 1 = perfurao

  • 4747

    Estabelecimento de um procedimento de soldagem adequado

    dimetro e espessura do duto presso e vazo durante a soldagem mnimo aporte trmico

    composio qumica do tubo (CE) tempo de resfriamento t800-500 mximo aporte trmico

    Perfurao?

    Fissurao?

    A busca de um EPS adequado , de um modo geral, um cobertor curto

  • 4848

    1. Obter um pr EPS atravs de diversas rodadas do programa Battele ou PRCI a partir dos seguintes dados:

    Composio qumica do duto (remoo de amostras, anlise com Espectroscopia tica de Emisso de Campo, Certificados de Matria Prima.

    Espessura Real do duto (ultra som) e da calha. Dimetro do duto e da calha. Condies de escoamento (tipo de fluido, vazo, temperatura e presso). Energia de soldagem estimadaRealizar o passo 01 quantas vezes forem necessrias at que se tenha uma dureza estimada satisfatria e temperatura da parede o mais baixa possvel

    2. Com isso se ter o clculo t800/500(tempo de resfriamento entre 800 e 500 C), a dureza estimada da ZAC (equao de yurioca) e a Temperatura mxima alcanada na parede interna (mx de 980C (N-2163))

    3. Com base nos resultados obtidos nos passos 1 e 2, qualificar procedimento e soldador segundo API 1104 apndice B, usando eletrodos revestidos de baixo hidrognio e de preferncia embalados a vcuo. Para espessuras abaixo de 6,35 mm usar preferencialmente eletrodos com dimetro igual a 2,5 mm.

    Passos para estabelecer um EPS apropriado

  • 4949

    Alternativas caso se tenha um software para estimar o T800/500 e a temperatura mxima da parede interna:

  • 5050

    Alguns engenheiros preferem medir o tempo T250/100 para estimar a capacidade de extrao de calor do duto ao invs de estimar o T800/500.

    Consiste em aquecer o duto at 325C e a seguir medir com umcronmetro o tempo de resfriamento entre 250C e 100C

  • 5151

    Avaliao da temperatura mxima da parede interna (perfurao) caso no se tenha um modelo computacional:

    Poderia ser estimada fazendo a soldagem com um tubo pressurizado com nitrognio sem fluxo

  • 5252

    Variveis essenciais na soldagem em operao

    Algumas so diferentes da soldagem convencional

    Segundo API 1104 e N-2163

  • 5353

    API 1104 apndice B

    Variveis Essenciais Limite de resistncia no varivel essencial; Espessura do duto no varivel essencial; Aumento na condio operacional do duto (Taxa de

    resfriamento) varivel essencial; Seqncia de deposio varivel essencial;

    Tambm vale para GROOVE solda com chanfro

  • 5454

    API 1104 - Apndice B

    Preocupao com a Trinca Induzida pelo Hidrognio e avaliao desta na qualificao. Sugere que se pode usar um procedimento de soldagem para um material de maior CE desde que a taxa de resfriamento seja menor (mais elemento de liga e maior T800-500

    Neste caso como o EPS poderia ser avaliado quanto a sua aplicabilidade?

  • 5555

    Algumas restries previstas na N-2163 quanto ao fluido:

    6.1.2 Trabalhos de soldagem no devem ser permitidos em equipamentos, tubulaes e dutos emoperao contendo qualquer um dos seguintes produtos:a) oxignio e misturas de vapores de hidrocarboneto/oxignio e hidrocarboneto/ar;b) ar comprimido;c) perxidos, cloro ou outras substncias qumicas que possam se decompor violentamenteou se tornar perigosas em contato com o calor da soldagem;d) substncias custicas, aminas, nitratos e cidos, se as concentraes e temperaturasprevistas pelo projeto forem tais que as especificaes de fabricao exijam tratamentotrmico ps-soldagem, ou pela elevao da corrosividade (risco de corroso) sob tensodo fluido em funo da temperatura alcanada internamente devido soldagem;e) acetileno, etileno, benzeno e outros hidrocarbonetos insaturados ou mesmo polmerosque possam sofrer decomposio exotrmica e espontnea sob certas combinaes depresso e temperatura;f) hidrognio, a menos que se proceda a uma verificao das condies de projeto e domaterial;g) linhas sob vcuo ou presso menor que a atmosfrica, a menos que uma avaliao sejaconduzida de modo que se determine procedimento operacional seguro;h) linhas com vapor dgua: acima de 300 C ou com presso acima de 20 kgf/cm2, salvocasos em que haja anlise especfica.

  • 5656

    API 1104 apndice B

    Como o API 1104 apndice B teve origem no API 1107 (soldagem de manuteno de dutos), as prticas recomendadas do API 1107 foram mantidas nesse apndice. Portanto should do API 1104 ententido como obrigao shall.(prtica da Petrobras).

    O API 1104 apndice B construdo baseado em dois conceitos fundamentais: perfurao e trinca induzida pelo hidrognio. Portanto suas recomendaes so para evitar esses fenmenos.

    TRINCA INDUZIDA PELO HIDROGNIOOs procedimentos so qualificados em grupos de carbono equivalente e no de tenso de escoamento. A TIH mais em funo do carbono equivalente do que da tenso de escoamento. O carbono equivalente pode variar muito em funo do fabricante mesmo para uma mesma tenso de escoamento.

  • 5757

    API 1104 apndice B

    Os procedimentos so qualificados em grupos de severidade trmica e no de espessura de parede como na soldagem convencional. Esta norma sugere agrupar o CE e condies operacionais do duto, mas no apresenta intervalos (B2.1.1.2);

    PERFURAO Espessura acima de 6,4mm e uso de eletrodo bsico, no esperada

    perfurao; Espessura abaixo de 6,4 pode ser esperado perfurao mtodos

    computacionais devem ser utilizados para determinar o aporte trmico limite;

    Espessura abaixo deste valor pode ser necessrio limitar o aporte trmico;

  • 5858

    Da N-2163:

    Este talvez um dos principais conceitos, intrnsecos na N-2163,que diferenciam a soldagem convencional da soldagem em operao preocupao com a trinca induzida pelo hidrognio. Neste aspecto a N-2163 mais severa que o API 1104, pois no permite usar umprocedimento qualificado para um metal base de maior CE.

    6.2.1.3 Os procedimentos de soldagem devem ser qualificados conforme a norma de projeto doequipamento, tubulao industrial ou duto.NOTA 1 O profissional responsvel pela soldagem deve considerar no procedimento de soldagem orisco de trinca a frio pelo efeito da temperatura de operao e do resfriamento aceleradoimposto pela passagem do fluido.NOTA 2 Na avaliao do risco de trinca a frio deve ser considerado o carbono equivalente [ver Notado 5.2 a)] e a taxa de resfriamento do local onde deve ser executada a soldagem.Procedimentos qualificados para um dado carbono equivalente e uma dada taxa deresfriamento podem ser aplicados para carbonos equivalentes e taxas de resfriamentosinferiores.NOTA 3 A taxa de resfriamento dever ser verificada na faixa de 250 C a 100 C. Esta taxa deve serqualificada no Registro da Qualificao do Procedimento de Soldagem (RQPS) de solda emoperao e descrita na Especificao do Procedimento de Soldagem (EPS), de forma que oprocedimento de medio seja reproduzido na pea a ser soldada.

  • 5959

    Como a qualificao de procedimento segundo API1104 apndice B?

    A qualificao feita utilizando gua em fluxo (Vazo ~ 40 l/min (vazo de torneira)), para simular a pior condio para TIH - trinca induzida pelo hidrognio.gua proporciona resfriamento mais severo do que o encontrado com hidrocarbonetos.

  • 6060

    Ensaios necessrios para a qualificao de procedimento

    Marcas resultantes das indentaes (medida de dureza Vickers 10 Kg)

    Observar os pontos de medio

  • 6161

    InspeoVisual Raiz (internamente)

    LP - RaizPM 12 h (ideal 24 h) aps a soldagem

    US de um modo geral no obrigatrio a sua realizao(Phased array talvez fosse mais apropriado)

    Conexes/DerivaesTeste Hidrosttico

  • 6262

    Programa computacional do Instituto Battelle

    Programa computacional do PRCI

    Modelos de Anlise Trmica para Soldagem em Operao de Dutos

    So dois softwares que verificam,principalmente, o risco de perfurao

  • 6363

    Os softwares permitem fazer previses confiveis de valores detemperatura mxima da parede interna durante a soldagem emoperao.

    Tambm permite avaliar o risco de trinca induzida pelo hidrognio,atravs dos valores do tempo de resfriamento entre 800 e 500 C.

    Assim possvel estimar parmetros desoldagem seguros para execuo da soldagemem operao de dutos.

  • 6464

    Determinao de uma Zona Segura de Soldagem

    Determinar a energia de soldagem crtica sem alcanar o limite de perfurao e sem que a dureza seja excessiva (para

    um determinado nvel de Hdif) com o auxlio do Battelle ou PRCI.

  • 6565

    Simulao pelo Battelle

    Energia x T(800-500)

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3energia de soldagem - KJ/mm

    T

    (

    8

    0

    0

    -

    5

    0

    0

    )

    -

    s

    s

    M4mmM7mmM12mmM16mmP4mmP7mmP12mmP16mmG4mmG7mmG12mmG16mm

  • 6666

    Simulao pelo Battelle

    Concluso grfico anterior:

    Quando a espessura significativa (>12mm) o fluido passa a no ter muita influncia no ciclo trmico.

    A conduo mais efetiva que a conveco

  • 6767

    Software do PRCIThe Pipeline Research Council International

    http://www.prci.org/

    Demonstrao

  • 6868

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