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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
Norma Petrobras N-2163 Soldagem e Trepanao em Equipamentos, Tubulaes e Dutos em Operao
API 1104 - Welding Pipelines and Related Facilities;ASME PCC-2 - Repair of Pressure Equipment and Piping
ANSI/ASME B 31.4 - Liquid Petroleum Transportation Piping systemsANSI/ASME B 31.8 - Gas Transportation and Distribution Piping SystemPipeline In Service Repair Manual J. F. Kiefner, W.A.Bruce, D.R. StephensNorma Petrobras N-2737 - Manuteno de dutos TerrestresNorma Petrobras N-2727 - Manuteno de dutos SubmarinosAPI RP 2200 - Repairing Crude Oil, Liquefied Petroleum Gas, and Product Pipelines [Segurana];API RP 2201 - Procedures for Welding or Hot Tapping on Equipment in Service;
NORMAS E/OU DOCUMENTOS COMPLEMENTARES
6969
FIM