Universidade Federal de Campina Grande – UFCG

Centro de Ciência e Tecnologia – CCT

Unidade Acadêmica de Engenharia Mecânica

Graduação em Engenharia de Petróleo

Seminário:

Uso de aços em dutos para

Indústria de Petróleo

Disciplina: Materiais para a Indústria de Petróleo

Professora: Dr.ª Kássie Vieira Farias

Alunos:

Dilayne Santos Oliveira Matricula: 112150711

Gabriel Alejandro Rivera González Matricula: 112110911

Lucas Mota de Lima Matricula: 112110859

Matheus Rebelo Gomes Rodrigues Matricula: 112110862

Ruth Luna do Nascimento Gonçalves Matricula: 112150421

Setembro 2013

SUMÁRIO

1. Introdução ............................................................................................................... 5

2. Fundamentação Teórica.......................................................................................... 7

2.1 Tubulações industriais ........................................................................................... 7

2.1.1 Definição ............................................................................................................ 7

2.1.2 Classificação ...................................................................................................... 7

2.1.3 Materiais utilizados para fabricação de tubos ..................................................... 7

2.1.3.1 Fatores de influência na seleção de materiais ................................................ 8

2.1.3.2 Comparação de custos de materiais ............................................................... 9

2.1.4 Dutos ................................................................................................................ 10

2.1.4.1 Tipos de Dutovias .......................................................................................... 10

2.1.4.2 Dutos: exploração e explotação .................................................................... 11

2.2. Aços ................................................................................................................... 12

2.2.1 Classificação .................................................................................................... 13

2.2.1.1 Classificação genérica ................................................................................... 14

2.2.1.2 Classificação dos aços por designação normativa ........................................ 14

2.2.1.3 Classificação dos aços quanto ao processamento ........................................ 14

2.2.1.4 Classificação dos aços quanto à microestrutura ........................................... 14

2.2.1.5 Classificação quanto à composição química ................................................. 16

2.2.1.5.1 Aços Carbono ............................................................................................. 16

2.2.1.6 Classificação Quanto às Propriedades.......................................................... 17

2.2.1.6.1 Aços Inoxidáveis ........................................................................................ 17

2.3 Aplicação de aços de alta resistência em dutos de transporte de óleo e gás ..... 18

2.3.1 Efeito dos elementos de liga nos aços ............................................................. 18

2.3.2 Processos de fabricação dos dutos .................................................................. 19

2.3.3 Soldabilidade de aços ARBL ............................................................................ 20

2.4. Dutos de aço na indústria do petróleo ................................................................ 21

2.4.1 Uso dos Aços inoxidáveis ................................................................................. 23

3. Conclusões ............................................................................................................ 25

4. Referências ........................................................................................................... 26

RESUMO

Os dutos de petróleo são condutos de aço-carbono fechados de seção

circular e ocos, e são de fundamental importância no transporte de petróleo e seus

derivados e quando ligados entre si, constituindo as dutovias, que na indústria de

petróleo podem ser os oleodutos e os gasodutos. Os dutos utilizados na extração

são conhecidos como “drill pipes” e são constituídos de aços caros endurecidos,

feitos com propriedades específicas para esta aplicação. Devido a algumas

características, como a baixa resistência à corrosão, o aço-carbono apresenta

limitações na sua utilização, o que leva ao desenvolvimento de novos materiais para

serem utilizados no revestimento dos dutos, como, por exemplo, o uso de películas

poliméricas inertes como revestimento. Assim, com a descoberta de novos campos

que apresentam uma maior concentração de contaminantes, o uso de dutos feitos

de aço inoxidável vem crescendo, pois sua resistência mecânica e à corrosão tem

se mostrado superior aos demais.

Palavras-chave: dutos, aços, petróleo

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1.kINTRODUÇÃO

A utilização de tubos para transporte de materiais pelo homem,

provavelmente, antecede qualquer registro escrito, visto que vestígios ou redes

completas de tubulações foram descobertas nas ruínas da Babilônia, da China, de

Pompéia entre outras cidades antigas. Os primeiros relatos de tubos metálicos

datam de antes da era Cristã, como o chumbo utilizado na rede das termas da Roma

Antiga.

No século XV, na Europa Central, o ferro foi introduzido como material

constituinte de tubulações e, finalmente, em 1825 foi desenvolvido o primeiro tubo

de aço com a finalidade de resistir à pressões elevadas nas linhas de vapor. Os

primeiros oleodutos surgiram nos Estados Unidos, por volta de 1885, o incremento

dessa tecnologia intensificou-se a partir do século XX. Todos os tubos (ou dutos) de

petróleo são condutos de aço-carbono fechados de seção circular e ocos,

especialmente desenvolvidos e construídos, segundo especificações de segurança

API (American Petroleum Institute), para o transporte e distribuição do petróleo e

seus derivados.

A rede dutoviária está em constante evolução. Existem dutos internos, que

estão situados no interior de uma instalação, assim como também há os

intermunicipais, interestaduais ou internacionais. Estas tubulações de aço interligam

píeres, terminais marítimos e fluviais, campos de produção de petróleo e gás,

refinarias, companhias distribuidoras e consumidores. Na maioria dos casos são

subterrâneos, mas há também os aéreos e os submarinos, situados nas imediações

das plataformas de petróleo e dos terminais (ALBUQUERQUE, 2005).

No Brasil, a malha dutoviária permite a circulação de expressivo volume de

petróleo, derivados e gás natural, em todas as regiões do país (FURTADO E

FERNANDES, 2002). Afonso apud Scritoo (2004) descreve, segundo dados da ANP

(Agência Nacional de Petróleo), que no Brasil existem atualmente aproximadamente

25.000 km de extensão de dutos envolvidos na movimentação desses produtos, e a

grande parte está concentrada na região sudeste.

Os dutos desempenham papel fundamental no transporte de petróleo e seus

derivados, interligando áreas de produção, portos, refinarias e centros

consumidores. Sistemas de dutos transportam uma grande quantidade de diferentes

tipos de petróleo e seus derivados a custos mais baixos que outros tipos de modais

(KENJI, 2007).

6

Ainda assim, é possível otimizar este transporte para ter uma redução de

custos, conforme apontam estudos recentes (REKLAITIS, 1992; RELVAS, 2006;

CAFARO, 2008). Existem vários trabalhos presentes na literatura sobre a

programação da operação de transferência e estocagem de produtos utilizando

oleodutos (MÁS & PINTO, 2003).

O transporte em uma rede de dutos é diferente de outros tipos de transporte,

principalmente quanto à dificuldade em estimar de forma precisa o tempo que um

produto leva desde a saída da origem até a chegada no destino. Bateladas dos

produtos são introduzidas na rede através do bombeio em uma determinada vazão,

mas para serem totalmente entregues no destino, é necessário que existam

bateladas subseqüentes para empurrá-las, já que os dutos devem operar sempre

cheios.

O uso de dutos para a transferência de petróleo ou derivados é feito

interligando duas (único duto) ou mais áreas (rede de dutos). As áreas podem ser

portos, refinarias, terminais ou clientes finais. Dada a eficiência do uso dos dutos

como meio de transporte para petróleo ou derivados, há uma grande preocupação

em melhorar a operação deste transporte de modo que sejam minimizadas as

perdas, os custos operacionais ou, ainda, o tempo de transferência (BOSCHETTO,

2006).

7

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Tubulações industriais

2.1.1 Definição

Tubulações industriais são um conjunto de tubos e seus acessórios. Estas

têm diversas aplicações industriais, dentre as quais se tem:

Distribuição de vapor para força e/ou para aquecimento;

Distribuição de água potável ou de processos industriais;

Distribuição de óleos combustíveis ou lubrificantes;

Distribuição de ar comprimido;

Distribuição de gases e/ou líquidos industriais.

Na maior parte das indústrias de processamento, indústrias químicas,

refinarias de petróleo, indústrias petroquímicas, boa parte das indústrias alimentícias

e farmacêuticas, o custo das tubulações pode representar 70% do custo dos

equipamentos ou 25% do custo total da instalação (TELLES, 2008).

2.1.2 Classificação

As tubulações são classificadas em dois grandes grupos:

Tubulações dentro de instalações industriais;

Tubulações fora de instalações industriais.

Das tubulações de dentro de instalações industriais tem-se: as tubulações de

processo; tubulações de utilidades; tubulações de instrumentação e tubulações de

drenagem.

Já nas tubulações fora de instalações industriais tem-se: tubulações de

transporte e tubulações de distribuição.

2.1.3 Materiais utilizados para fabricação de tubos

Atualmente a variedade de materiais utilizados na fabricação de tubos é muito

grande. A ASTM especifica mais de 500 tipos diferentes. Dentre estes destacam-se

os materiais:

Metálicos, divididos em:

Ferrosos: Aços-carbono, Aços-liga, Aços inoxidáveis, Ferro fundido,

Ferro forjado, Ferros ligados e Ferro nodular;

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Não-ferrosos: Cobre, Latões, Cobre-níquel, Níquel e ligas, Metal

Monel, Chumbo e Titânio, zircônio;

Não metálicos:

Materiais plásticos: Cloreto de polivinil (PVC), Polietileno, Acrílicos,

Acetato de celulose, Epóxi, Poliésteres, Fenólicos, etc;

Cimento-amianto;

Concreto armado;

Barro vidrado;

Elastômeros (borrachas);

Vidro;

Cerâmica, porcelana entre outros.

A seleção e especificação do material mais adequado para uma determinada

aplicação pode ser um problema difícil cuja solução depende de diversos fatores.

2.1.3.1 Fatores de influência na seleção de materiais

A seleção adequada é um problema difícil porque, na maioria dos casos, os

fatores determinantes podem ser conflitantes entre si. Como acontece com a

corrosão e o custo.

Os principais fatores que influenciam são:

Fluido conduzido – Natureza e concentração do fluido Impurezas ou

contaminantes; pH; Velocidade; Toxidez; Resistência à corrosão;

Possibilidade de contaminação;

Condições de serviço – Temperatura e pressão de trabalho (Consideradas

as condições extremas, mesmo que sejam condições transitórias ou

eventuais);

Nível de tensões do material – O material deve ter resistência mecânica

compatível com a ordem de grandeza dos esforços presentes. ( pressão do

fluido, pesos, ação do vento, reações de dilatações térmicas, sobrecargas,

esforços de montagem etc;

Natureza dos esforços mecânicos – Tração; Compressão; Flexão; Esforços

estáticos ou dinâmicos; Choque s; Vibrações; Esforços cíclicos etc;

Disponibilidade dos materiais;

Sistema de ligações – Adequado ao tipo de material e ao tipo de montagem.

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Custo dos materiais – Fator frequentemente decisivo. Deve-se considerar o

custo direto e também os custos indiretos representados pelo tempo de vida,

e os consequentes custos de reposição e de paralisação do sistema;

Segurança – Do maior ou menor grau de segurança exigido dependerão a

resistência mecânica e o tempo de vida;

Facilidade de fabricação e montagem – Entre as limitações incluem-se a

soldabilidade, usinabilidade, facilidade de conformação etc;

Experiência prévia – É arriscado decidir por um material que não se conheça

nenhuma experiência anterior em serviço semelhante;

Tempo de vida previsto – O tempo de vida depende da natureza e

importância da tubulação e do tempo de amortização do investimento.

2.1.3.2 Comparação de custos de materiais

A comparação de custos deve ser feita comparando a relação

custo/resistência mecânica, ou seja, a comparação deve ser feita entre preços

corrigidos que serão os preços por kg multiplicado pelo peso específico e dividido

pela tensão admissível de cada material (TELLES, 2008). Na comparação de custos

dos materiais devem ainda ser levados em consideração os seguintes pontos:

Resistência à corrosão (sobreespessura de sacrifício);

Maior ou menor dificuldade de solda;

Maior ou menor facilidade de conformação e de trabalho;

Necessidade ou não de alívio de tensões;

Tabela 1 traz a comparação do custo relativo de alguns dos materiais usados

neste segmento na atualidade.

Tabela 1: Custo relativo dos materiais.

CUSTO RELATIVO DOS MATERIAIS

Materiais Custo Relativo Mateiriais Custo Relativo

Aço-Carbono Estrutural 1,00 Ferro fundido 0,95

Aço-Carbono qualificado 1,15 Alumínio 2,50

Aço-Carbono 1,25Cr – 0,5 Mo 3,10 Latão de Alumínio 7,60

Aço inoxidável tipo 304 11,5 Metal Monel 31,8

Aço inoxidável tipo 316 15,0 Titânio 41,0

Fonte: TELLES (2008).

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2.1.4 Dutos

Os dutos nada mais são que tubulações especialmente desenvolvidas e

construídas de acordo com normas internacionais de segurança, para transportar

petróleo e seus derivados, álcool, gás e produtos químicos diversos por distâncias

especialmente longas, sendo então denominados como oleodutos, gasodutos ou

polidutos (DUTOVIA, 2013).

Dutovia é a designação genérica de uma instalação constituída por tubos

ligados entre si para o transporte de determinados produtos. Pode ser definida ainda

como uma tubulação destinada a conduzir a grandes distâncias produtos ou

materiais. Toda a dutovia deve ser constituída de três elementos essenciais: os

terminais, com os equipamentos de propulsão dos produtos, os tubos e as juntas de

união destes (DUTOVIA, 2013).

Os Dutos Subterrâneos são aqueles enterrados para serem mais protegidos

contra intempéries, contra acidentes provocados por outros veículos e máquinas

agrícolas, e também, contra a curiosidade e vandalismo por parte de moradores

vizinhos à linha dutoviária.

Os Dutos Aparentes são aqueles visíveis, o que normalmente acontece nas

chegadas e saídas das estações de bombeio, nas estações de carregamento e

descarregamento.

Os Dutos Submarinos são assim denominados devido à que a maior parte da

tubulação está submersa no fundo do mar. Este método é geralmente utilizado para

o transporte da produção de petróleo de plataformas marítimas.

2.1.4.1 Tipos de Dutovias

As dutovias podem ser divididas em:

Oleodutos: produtos transportados são, em sua grande maioria derivados do

petróleo como óleo combustível, gasolina, diesel, álcool, GLP, querosene e

nafta, e outros;

Minerodutos: empregado no transporte de produtos como sal-gema, minério

de ferro e concentrado fosfático;

Gasodutos: empregado no transporte de gás natural;

Polidutos: empregado no transporte de outros produtos como, vinho, água,

etc.

11

Nas indústrias de extração de petróleo, os dutos têm importante função e

duas delas são a extração e o transporte. Eles são feitos de várias formas

diferentes, sempre de acordo com o processo de extração ou com o processo de

transporte de fluidos. A descoberta do pré-sal traz novos desafios para a indústria de

exploração de petróleo, e o Brasil está à frente desse desafio. E uma das áreas que

vem recebendo muita atenção é a malha de dutos, que com as melhorias aplicadas,

diminui o custo de produção e auxilia a prevenção de acidentes.

Como dito anteriormente, todos os tubos (ou dutos) de petróleo são condutos

de aço-carbono fechados de seção circular e ocos, especialmente desenvolvidos e

construídos, segundo especificações de segurança API (American Petroleum

Institute), para o transporte e distribuição do petróleo e seus derivados.

2.1.4.2 Dutos: exploração e explotação

Os dutos de extração são conhecidos como “drill pipes”. Eles têm variadas

formas, tamanhos e pesos para facilitar o processo de extração, mas é normalmente

de 30 a 33 pés de comprimento cada tubo. Eles têm o interior oco que permite a

passagem do fluido da extração.

São feitos de aços caros endurecidos para suportar as rochas dos túneis

feitos a partir da retirada do petróleo, e seu interior tem um revestido que visa

garantir a integridade, mesmo sendo observado o desgaste rápido deste

revestimento. Este desgaste é causado pelo contato do cabo que leva as

ferramentas até o fundo do poço e a parede interna do duto de perfuração.

Esses desgastes causados nos revestimentos não podem ser evitados, mas

podem ser reduzidos com a utilização de técnicas de ensaios como o ensaio de

deslizamento, ensaio de desgaste por atrito, ensaio de dobramento e uma técnica

chamada esclerometria. Mas podem ser também reduzidos com revestimentos com

vida útil maior.

Essas técnicas ajudam bastante na manutenção, viabilizando a diminuição de

paradas para garantir maiores lucros e menores gastos. Para que os revestimentos

forneçam uma resistência satisfatória, devem ter uma adesividade suficiente para

manterem-se presos à superfície do “Drill Pipe”.

Os dutos entram no processo de extração depois de vários processos.

Primeiro é mandada uma sonda para o solo e depois decodificada em imagens

12

recebidas por aparelhos chamados hidrofones, achado petróleo incrustado nas

rochas, começa o segundo processo: o de perfuração.

No segundo processo, o solo é perfurado para a instalação de um duto (drill

pipe) que é revestido de cimento, que sustenta as paredes do duto. Durante essa

perfuração, vários processos são feitos até começar a extração. Começada a

extração, são utilizadas bombas para que os fluidos presentes no poço subam para

a superfície, onde são armazenados e transportados para a refinaria. Junto com o

petróleo vem o gás natural, que aparece dissolvido no petróleo e depois separado e

tratado para o uso.

Depois da extração do petróleo, ele é enviado por meio de navios que

chegam até próximo à superfície e são descarregados em dutos. Esses dutos são

classificados em oleodutos, gasodutos, terrestres ou submarinos. Os oleodutos são

utilizados no transporte de petróleo dos navios até as refinarias.

O transporte é feito depois que o navio descarrega petróleo nos dutos e é

enviado por meio de um sistema de pressão, porém há duas desvantagens: não se

pode mudar o caminho, nem parar no caminho dos dutos.

Os gasodutos são utilizados para o transporte de gás natural. São construídas

varias estações para garantir a segurança e possibilitar a manutenção, sempre de

forma subterrânea do gasoduto. As únicas partes na superfície do gasoduto ficam

nas estações.

São utilizados para transporte, também, a construção em terra e submarina,

onde são construídos dutos no fundo do mar. Outra forma de transporte marinho é

feito através de oleodutos diretamente para as refinarias, com dutos longos e

subterrâneos, ligando a plataforma em alto mar até o continente. Os oleodutos e

gasodutos têm a manutenção semelhante, proteção catódica, são revestidos de

concreto (lastramento e proteção mecânica), anticorrosivo, execução de isolamento

térmico em poliuretano expandido e limpeza com nitrogênio.

2.2 Aços

Aços são ligas ferro-carbono em que o percentual mássico de carbono pode

variar de 0,008% e 2,11%. Além destes elementos químicos (ferro e carbono),

outros estão presentes, seja como impureza, intrínseco do processo de obtenção

(Si, Mn, S, P), seja como elemento adicionado para conferir determinadas

propriedades.

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Os aços são um tipo de material metálico que são utilizados na confecção de

peças (engrenagens, eixos, parafusos, porcas, rolamentos, etc.), ferramentas (pás,

martelos, serras, matrizes, punções, etc.) ou estruturas (pontes, edifícios, tanques).

O principal motivo do ferro ser o elemento mais consumido mundialmente é por ser

utilizado na fabricação de aços (e também dos ferros fundidos).

A grande gama de aplicações dos aços se deve ao baixo custo de obtenção,

associado à grande versatilidade de propriedades que se pode obter a partir de

pequenas mudanças na composição química, tratamentos térmicos e/ou no

processamento e, principalmente da elevada ductilidade aliada a grande tenacidade

e elevada dureza.

2.2.1 Classificação

A classificação dos aços não obedece a um único critério, existindo

classificações quanto à composição química, processamento, microestrutura,

propriedades ou mesmo aplicações a que se destinam. Basta uma rápida verificação

dos índices de diversos publicações dedicadas ao assunto e logo se constatará que

os aços estão classificados sob vários critérios quando o desejável seria que se

utilizas-se de um único parâmetro de classificação.

Assim, como exemplos de diferentes tipos de aços frequentemente

encontrados na literatura têm: aços ao carbono, aços para ferramentas, aços

fundidos, aços inoxidáveis, etc. Note-se que os critérios de classificação utilizados

foram, respectivamente, a composição (ao carbono), a aplicação (para ferramentas),

o processamento (fundidos) ou a propriedade (inoxidável).

Existe uma relação entre tais critérios já que o processamento e a

composição determinam a microestrutura do material obtido. Por sua vez, a

microestrutura (junto com a geometria e algumas variáveis do ambiente) determinam

as propriedades que por sua vez determinam o campo de aplicação do material. A

Figura 1 ilustra a interação destes critérios e o texto a seguir discute os tipos de aços

existentes em cada critério mencionado

Figura 1 – Interação entre os critérios de classificação de aço.

Composição Química

Processamento

Microestrutura Propriedades Aplicações

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2.2.1.1 Classificação genérica

Nessa classificação, os aços são ordenados de acordo com o teor de

carbono, conforme segue:

Aço extra-doce: < 0,15%C;

Aço meio-doce: 0,15%C até 0,30%C;

Aço meio-duro: 0,30%C até 0,60%C;

Aço duro: 0,60%C até 0,70%C;

Aço extra-duro: 0,70 até 2,00%C.

2.2.1.2 Classificação dos aços por designação normativa

É interessante salientar que as diversas instituições normativas, tanto

nacionais quanto internacionais, estabeleceram critérios de designação para os

diversos tipos de aço utilizados na indústria. Dentre as mais importantes, encontram-

se as designações ABNT, AISI e SAE.

2.2.1.3 Classificação dos aços quanto ao processamento

Por processamento entende-se o tipo de operação que se executa sobre o

aço visando mudar a forma e/ou a estrutura. Os processamentos que visam impor

uma forma são a conformação mecânica (a frio ou a quente, tal como a laminação,

extrusão, trefilação), a fundição e a consolidação por sinterização (metalurgia do pó).

Assim, existem aços trabalhados (a quente ou a frio), fundidos ou

sinterizados. Os processamentos que visam alterar a estrutura são os tratamentos

térmicos, tais como recozimento, normalização, recristalização, coalescimento e a

têmpera (e revenimento). O processamento altera a microestrutura do aço e

portanto, afeta as propriedades.

2.2.1.4 Classificação dos aços quanto à microestrutura

A classificação de acordo com a microestrutura é típica da área metalúrgica,

existindo os seguintes grupos:

Aços encruados

Estes aços geralmente são de microestrutura predominantemente ferrítica,

com um pouco de perlita, sendo resultantes de processos de deformação a frio.

Normalmente são aços de baixo teor de carbono (inferior a 0,4% C) e com baixa

quantidade de elementos de liga.

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Aços ferríticos-perlíticos

Obviamente os aços ferríticos-perlíticos possuem teor de carbono abaixo de

0,8% (hipoeutetóides), e são resultantes de processos em que houve resfriamento

lento tais como material trabalhado a quente, recozido ou normalizado.

Aços martensíticos

Os aços constituídos de martensita revenida geralmente são aplicados em

situações em que se exige resistência elevada ao longo de toda a seção transversal,

tais como eixos e punções. Os aços martensíticos com carbonetos primários são

aplicados em situações que exigem resistência ao desgaste elevada, tais como em

ferramentas de corte ou de trabalho a quente. A martensita propicia a elevada

resistência e os carbonetos primários propiciam durezas elevadas.

Aços bainíticos

Sob determinadas combinações de resistência e dureza a estrutura bainítica

propicia maior tenacidade que a martensítica, tornando tais aços preferíveis em

situações que se necessite resistência associada à tenacidade.

Aços austeníticos

Uma vez que a austenita não é um constituinte estável em temperatura

ambiente, sua estabilização depende da presença de elementos de liga, tais como o

cromo e o manganês. A austenita, por ser não magnética, encontra aplicação em

situações em que se deseja minimizar efeitos de campos magnéticos induzidos, tais

como em suportes de bússolas.

Além disso, a austenita, quando estabilizada pelo manganês, pode se

transformar em martensita mediante impacto, possuindo elevada resistência ao

impacto e à abrasão, sendo utilizada para revestimentos de moinhos e outros

componentes de equipamentos de moagem (britadores ou martelos).

Há ainda o caso de aços austeníticos inoxidáveis, porém neste caso a

resistência a oxidação é predominantemente devida aos elevados teores de cromo e

níquel presentes em tais aços.

Aços dúplex ou bifásicos

Por aços dúplex costuma-se denominar duas categorias distintas de

estruturas. Na primeira, do tipo austenítico-ferrítica (delta), encontram-se certos aços

inoxidáveis, cuja resistência mecânica e à corrosão é superior àquela obtida nos

inox austeníticos.

16

A segunda categoria consiste de microestrutura ferrítico-martensítica,

resultante de têmpera a partir de temperatura de dentro da zona crítica (entre as

linhas A1 e A3 do diagrama Fe-C). Os aços de baixo carbono com esta estrutura

apresentam combinação de resistência e ductilidade mais elevadas que os

equivalentes ferríticos-perlíticos.

2.2.1.5 Classificação quanto à composição química

Os aços são classificados, quanto à composição química em:

Aços Carbono;

Aços Ligados;

Aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL).

Como dito acima, os aços utilizados na indústria petrolífera são em sua

maioria aços carbono. Baseado neste fato foi especificado apenas esse grupo no

corrente trabalho.

2.2.1.5.1 Aços Carbono

A maior quantidade de aço consumida pertence à categoria dos aços

carbono. Isto se deve ao baixo custo, em relação aos aços ligados e à ampla gama

de propriedades que pode ser obtida mediante variação do teor de carbono e do

estado de fornecimento (encruado, temperado, etc.). Pode-se estabelecer as

seguintes subdivisão dos aços carbono para fins de aplicação.

Baixo carbono (abaixo de 0,3%)

São aplicados em situações que exigem ductilidade elevada, por exemplo,

chapas para estampagem, tubos, fios para arames lisos e farpados, ou telas. Neste

caso o estado de fornecimento pode ser laminado a quente, recozido ou

normalizado. Podem ser aplicados em situações que envolvem exigências quanto à

soldabilidade, pois o baixo carbono é necessário para evitar formação de martensita

que ocorre no resfriamento subseqüente à soldagem.

Os aços de baixo carbono, quando combinados com elementos de liga e

cementados, são aplicados quando se necessita combinar resistência ao desgaste

(dureza superficial) com tenacidade (no núcleo), tais como eixos, engrenagens,

pinos, ferramentas de impacto. Ex.: 8620, 4320.

17

Aços de médio carbono (entre 0,3 e 0,5%C)

Aços de médio carbono são aplicados em produtos forjadospois possuem

ductilidade a quente (para forjamento) associado à média resistência a frio no estado

forjado (ferrítico-perlítico).

Quando combinados com elementos de liga, são utilizados em situações que

exijam alta resistência (obtida mediante têmpera e revenido) mantendo ainda

alguma ductilidade. A temperabilidade é obtida mediante emprego de elementos de

liga. Ex.: eixos e engrenagens de caminhão. Aço 4340, 8640.

Aços de alto teor de C (acima de 0,5%C)

São utilizados em casos que se exige elevados limites de escoamento, tais

como molas e vergalhões de concreto. O alto limite de escoamento é obtido

mediante encruamento ou, se na presença de elementos de liga, mediante têmpera

e revenido.

Quando combinados com elementos de liga, também são utilizados para fins

de obtenção de dureza elevada, através de carbonetos primários, como no caso de

aços ferramentas.

2.2.1.6 Classificação Quanto às Propriedades

De todos os critérios em que se costumam classificar os aços, este é o menos

sistemático, podendo-se destacar os seguintes casos mencionados na literatura:

Aços de alta resistência e baixa liga;

Aços de alta resistência;

Aços inoxidáveis;

Aços indeformáveis (baixa distorção dimensional resultante da têmpera

e revenimento);

Aços para fins elétricos e magnéticos (note-se que esta terminologia

refere-se tanto àpropriedade quanto à finalidade do aço).

2.2.1.6.1 Aços Inoxidáveis

Os aços-inoxidáveis são aqueles que contém um mínimo de 10,5% de Cromo

como principal elemento de liga. São aços onde não ocorre oxidação em ambientes

normais. Alguns aços inoxidáveis possuem mais de 30% de Cromo ou menos de

18

50% de Ferro. Suas características de resistência são obtidas graças à formação de

um óxido protetor que impede o contato do metal base com a atmosfera agressiva.

Alguns outros elementos como níquel, molibdênio, cobre, titânio, alumínio,

silício, nióbio, nitrogênio e selênio podem ser adicionados para a obtenção de

características mecânicas particulares.

Os aços inoxidáveis são divididos em cinco famílias, de acordo com a

microestrutura, estrutura cristalina das fases presentes ou tratamento térmico

utilizado. As cinco famílias são: martensíticos, ferríticos, austeníticos, dúplex

(austenítico e ferrítico) e endurecíveis por precipitação.

2.3 Aplicação de aços de alta resistência em dutos de transporte de óleo e gás

Com a crescente participação do gás natural, assim como a do petróleo na

matriz energética mundial (GASNET, 2013). Torna-se necessário aumentar a

eficiência operacional e reduzir custos, como também aumentar os níveis de

segurança e confiabilidade estrutural em sistemas dutoviários. Paralelamente ao

desenvolvimento de novas metodologias de avaliação de integridade estrutural, tais

requisitos têm estimulado rapidamente a utilização de aços de alta resistência e

baixa liga (ARBL) como uma maneira eficaz para a utilização de sistemas dutoviários

operando a altas pressões e vazões com menor peso e menores custos

construtivos.

Os aços para tubulações na indústria do petróleo são classificados segundo a

API (American Petroleum Institute) em função de sua aplicação, composição

química e resistência mecânica. Os aços utilizados especificamente na fabricação

de tubos para linhas de transmissão seguem a classificação API 5L (Specification for

Line Pipe Steel) (ESTADOS UNIDOS, 2001). Por exemplo, para o aço API 5L X80,

os dois últimos dígitos após a letra X especificam o limite de escoamento mínimo do

material igual a 80 ksi (550MPa).

2.3.1 Efeito dos elementos de liga nos aços

Os elementos de liga são adicionados ao aço carbono, com o objetivo de

melhorar suas propriedades além de, em alguns casos, introduzir novas

propriedades. Os principais efeitos dos elementos de liga na estrutura e nas

propriedades dos aços, podem ser classificadas da seguinte maneira:

19

Elevação da resistência à tração: A maioria dos elementos de liga utilizada

dissolve-se substitucionalmente, em quantidades determinadas. Com isso,

aumenta a resistência à tração ao mesmo tempo em que mantém a

tenacidade e a dutilidade.

Estabilização da austenita e ferrita: Alguns elementos de liga como o nióbio

e o titânio quando adicionados ao aço carbono tendem a estabilizar a

austenita. Outros elementos de liga, como o molibdênio e vanádio, têm um

efeito oposto, uma vez que estabilizam a ferrita. Estes efeitos ocorrem devido

ao aumento da faixa de temperaturas na qual cada fase pode permanecer

como fase estável.

Estabilidade relativa dos carbonetos: Alguns elementos, como o

molibdênio, vanádio, titânio e nióbio, quando adicionados aos aços, formam

carbonetos muito estáveis, os quais são geralmente, mais duros que o

carboneto de ferro, ou seja, elevam a dureza do aço.

Influência no crescimento de grão: O crescimento de grão da austenita tem

lugar, inevitavelmente, durante o tratamento térmico, particularmente a

temperaturas elevadas. A presença de alguns elementos acelera o

crescimento de grão, aumentando com isto a fragilidade da peça. Felizmente,

este crescimento torna-se mais lento, na presença de alguns elementos de

liga como vanádio, refinando o grão.

2.3.2 Processos de fabricação dos dutos

Atualmente existem diversos processos industriais para a produção de tubos,

que podem ser fabricados sem etapas de soldagem do material, ou seja, tubos sem

costura (“seamless”) resultando em tubos sem o cordão de solda ao longo do

comprimento, e tubos com costura (“welded”) que podem ser fabricados com etapas

de soldagem do material. Porém, a maioria das linhas dutoviárias utiliza apenas

dutos com costura.

Tubos produzidos a partir de chapas freqüentemente utilizam o processo de

fabricação denominado de UOE, que consiste inicialmente em conformar a frio a

chapa para um formato de U e seqüencialmente, para o formato de O onde as

partes laterais são fechadas e soldadas pelo processo de arco submerso. Logo

20

após, o tubo é submetido a uma expansão (E) pela aplicação de pressão interna,

cuja finalidade é de ajustar o diâmetro às normas API 5L. Em seguida, uma nova

realização de ensaios não destrutivos é feita na junta soldada. Concluindo o

processo, faz-se uma inspeção dimensional e a pesagem do tubo.

Tubos produzidos em linha contínua a partir de bobinas laminadas costumam

apresentar dois tipos de processos diferentes de produção, o processo SAW espiral-

helicoidal contínuo e processo ERW Longitudinal contínuo. O processo espiral-

helicoidal consiste em dobrar continuamente a bobina laminada na forma de um tubo

ao mesmo tempo em que ocorre a soldagem interna e externa por arco submerso.

Após o dobramento e a soldagem o duto contínuo é cortado, faceado e selado e

então, passa por processos de inspeção.

O processo longitudinal contínuo consiste em unir continuamente as bordas

laterais da bobina laminada ao mesmo tempo em que estas são soldadas por

resistência elétrica em alta freqüência. Após a soldagem o duto contínuo passa por

um tratamento térmico de normalização, um ajuste dimensional, pelo processo de

inspeção por ultra-som e só então é cortado individualmente. Depois de cortado o

tubo é selado e submetido a novos processos de inspeção. cortado individualmente.

Depois de cortado o tubo é selado e submetido a novos processos de inspeção.

2.3.3 Soldabilidade de aços ARBL

O aumento na demanda de energia trouxe a necessidade de tubulações que

pudessem operar em condições muito severas como altas pressões, baixas

temperaturas e meios agressivos. Conseqüentemente, existe também a

necessidade que a junta soldada (metal de solda e ZTA) tenha propriedades

mecânicas compatíveis com o metal de base.

O processo de fabricação dos aços de alta resistência e baixa liga, envolve

laminação controlada e adição de elementos de liga cujo principal objetivo é a

obtenção de um tamanho de grão fino. O resultado deste processamento pode ser

parcialmente destruído durante o processo de soldagem.

No entanto durante a construção e montagem do duto é necessário

determinar cuidadosamente os parâmetros de soldagem que venham a afetar o

desempenho do duto em operação. A soldabilidade, no presente caso pode ser

definida como uma medida da resistência inerente do aço (tubo) para aceitar um

21

passe de raiz sob dadas condições de aporte de calor sem que ocorra trinca ou que

produza uma estrutura susceptível à trinca quando sob condições de tensões

resultantes da manipulação da tubulação. No entanto é conhecido que o processo

de soldagem introduz algum tipo de defeito nas estruturas soldadas, mesmo que não

sejam detectáveis pelos métodos disponíveis de ensaios destrutivos.

Em geral um aço apresenta boa soldabilidade se, depois de soldado, possui

boa tenacidade e o metal de solda não se torne frágil. Os fatores mais importantes

que influenciam na soldabilidade são:

• As transformações produzidas na ZTA.

• A composição química do metal base e do consumível.

• As tensões residuais geradas durante a soldagem.

• O procedimento de soldagem empregado.

Vale ressaltar que a soldabilidade, que aumenta com a diminuição do teor de

carbono e do valor de carbono equivalente, é uma preocupação tradicional dos

usuários de tubos fabricados com os materiais de classe API .

2.4 Corrosão e o uso de aços em dutos na cadeia E&P

As tubulações de aço-carbono, para produção e transporte de produtos

químicos, apresentam limitações na sua utilização, destacando-se a sua baixa

resistência à corrosão, sob ação de calor, que causa desgaste e falha na sua

operação. Esta corrosão pode ser interna, devido à química do líquido ou gás

transportado, ou externa, devido ao ambiente em que a tubulação se encontra

(Touça e Bastian, 2003).

Um volume expressivo de petróleo, derivados e gás natural, é transportado

em todas as regiões do país por meio de tubulações de aço-carbono. No entanto,

este e outros tipos de materiais utilizados para produção e transporte de produtos

químicos, apresentam limitações na sua utilização, entre as quais está sua baixa

resistência à corrosão, sob ação de calor, que causa desgaste e falha na sua

operação, o que pode ocasionar sérios problemas para os setores envolvendo a

indústria de petróleo.

Dessa forma, o desenvolvimento de novos materiais para utilização no

revestimento destes dutos metálicos é de extrema importância, resultando em

durabilidade e economia, especificamente para o setor petrolífero.

22

Mesmo construídos e operados dentro dos padrões máximos de segurança

internacional, os dutos novos e antigos estão sujeitos aos problemas causados pela

corrosão ao longo dos anos, tornando-se quase inevitável a perda de espessura dos

mesmos. O petróleo, quando extraído dos reservatórios, carrega sais dissolvidos,

como cloretos e sulfatos, e gases dissolvidos, como compostos nitrogenados,

compostos oxigenados e compostos sulfurados. Além desses, existem sólidos

suspensos que provocam erosão nas paredes internas dos dutos, acelerando o

processo de corrosão (Thomas, 2001).

Devido ao valor econômico dos materiais transportados no interior dos dutos,

qualquer falha operacional pode significar grandes prejuízos financeiros para as

indústrias, podendo levar até a parada de uma unidade. Dessa forma, combater a

corrosão e garantir a integridade estrutural de um duto é de suma importância para a

indústria, que tem estimulado os centros de pesquisa a desenvolver novas

tecnologias de segurança e prevenção de falhas.

Uma forma de proteção contra corrosão em dutos metálicos é o recobrimento

interno do duto com uma película polimérica inerte (Gentil, 2003). O revestimento

está interposto entre o metal e o meio corrosivo, ampliando assim, a resistência à

corrosão do duto.

Estes revestimentos devem possuir uma série de características para que

possam cumprir as suas finalidades, dentre as quais podem ser mencionadas: boa e

permanente aderência ao tubo; resistência elétrica (resistividade elétrica);

resistência à água, vapor e produtos químicos; resistência mecânica; boa

estabilidade sob efeito de variação de temperatura; resistência à acidez,

alcalinidade, sais e bactérias do solo; boa flexibilidade de modo a permitir o

manuseio dos tubos revestidos e as dilatações e contrações do duto; permitir fácil

aplicação e reparo; durabilidade e economicidade. É praticamente impossível

encontrar um revestimento que atenda a todas estas características com perfeição,

dessa forma, os melhores são aqueles que atendem ao maior número delas.

A aderência entre o recobrimento e o substrato é a principal propriedade que

um filme protetor deve ter. No entanto, outros fatores podem influenciar na vida útil

desse revestimento, como temperatura, elementos abrasivos e elementos

permeabilizastes.

Os tubos empregados na fabricação de dutos submarinos são revestidos com

polietileno ou polipropileno para isolar a água do mar da superfície da tubulação.

23

Porém, os materiais utilizados atualmente no revestimento interno de dutos não

possuem as características necessárias para que suportem, por um longo período,

as adversidades causadas pelos fluidos transportados.

Portanto, o desenvolvimento de novos métodos e materiais que possam

impedir ou pelo menos diminuir o problema da corrosão interna nos dutos é de

grande interesse. De acordo com Vasiliev et al. (2003), novas possibilidades de

melhoras no desempenho de dutos e vasos de pressão surgiram na metade do

século XX e estão associadas com o desenvolvimento de materiais compósitos.

Como forma de reparo de dutos de aço, os materiais compósitos têm mostrado

vantagens sobre outras técnicas em virtude da simplicidade de aplicação, custo e

redução de tempo.

Trabalha-se com a idéia de utilização de aços de alta resistência mecânica

para transporte de petróleo e gás, suportada pelo fator economia, já que tais aços

permitem uma redução na espessura das paredes dos dutos e, consequentemente,

uma economia do material, bem como aumento das pressões de bombeamento dos

fluidos transportados, com ganhos de eficiência no bombeamento, economia de

energia e otimização desses sistemas de transporte.

Contudo, o aumento da resistência mecânica dos aços empregados na

fabricação dos dutos acarreta alguns problemas, visto que na medida em que se

aumenta o grau dos aços empregados há, normalmente, uma perda de resistência à

fratura, perda de resistência à corrosão sob tensão, de resistência à fragilização por

hidrogênio e uma maior sensibilidade à presença de defeitos de fabricação (LIMA

SOBRINHO, 2005).

Uma possível solução para esse problema é a fabricação de dutos de aço de

baixo grau reforçados com camada de material compósito. Mais especificamente,

reforçar tubos de aço com camadas de materiais compósitos à base de resinas

poliméricas e partículas cerâmicas. Isto permite que aços menos resistentes

apresentem a característica de elevada resistência à fratura, possibilitando a

produção de dutos com elevada tenacidade e resistência mecânica, além de outras

vantagens relacionadas com o comportamento próprio de dutos de aço.

2.4.1 Uso dos Aços inoxidáveis

A indústria de óleo e gás enfrenta ambientes extremamente agressivos, o que

exige a utilização de materiais com elevadas resistência à corrosão e tenacidade,

24

propriedades presentes nos diversos tipos de aços inoxidáveis. No Brasil, o uso de

aço inoxidável nesta indústria vem crescendo nos últimos anos com a descoberta de

novos campos com maiores concentrações de contaminantes, que estão dentro de

uma nova fronteira tecnológica de produção, conhecida como Pré-sal.

Por este motivo este segmento tem lançado grandes desafios à cadeia de

fornecedores em alguns itens, como por exemplo, tubos, válvulas, compressores,

bombas, trocadores de calor, flanges e etc, que serão utilizados na confecção de

equipamentos aplicados nas áreas de exploração, upstream, downstream e

produção, onde existe uma exigência de materiais com alta resistência a corrosão

aliada a outras propriedades.

No caso dos tubos de revestimento esta condição de severidade está

associada à concentração de CO2 e à presença de H2S, que apenas permitem a

utilização de aços inoxidáveis supermartensíticos e superdúplex, pois são os aços

mais adequados no momento para atender aos desafios tecnológicos deste novo

cenário de exploração e produção.

Este cenário junto à política do Conteúdo Local vem impulsionando o

desenvolvimento do mercado nacional de forma sustentável, onde há o incentivo

para a instalação de empresas internacionais no Brasil e também proporciona a

ampliação da capacidade produtiva, garantindo a cadeia de fornecedores locais

condições amplas na contratação de bens, sistema e serviços, o que vem

proporcionando um aumento nos investimento nacional para atender os novos

desafios decorrentes desta nova fronteira tecnológica, o que promove o

fortalecimento da indústria brasileira e o consumo de aço inoxidável.

Diversos equipamentos fundamentais para a exploração de petróleo e gás

utilizam ligas de aço inoxidável, como é o caso da Árvore de Natal Molhada (ANM),

conjunto de grandes válvulas que permitem o fluxo de produção de petróleo e gás,

do poço para a superfície, assim como a injeção de líquido e gás da superfície para

o poço.

.

25

3. CONCLUSÕES

Ao desenvolver este trabalho pôde se observar as aplicações dos aços na

fabricação dos dutos, sendo analisados os materiais que o compõe normalmente e

as propriedades que devem ser levadas em conta para seleção do material. Além

disso foi feita uma introdução de como os dutos entram no cenário do petróleo e

gás, sendo analisado tanto do ponto onshore quanto do ponto offshore .

Em relação aos aços relatou-se sobre a origem do mesmo, os diversos tipo

de classificações, em paralelo as classificações, sendo feita uma análise das

características mecânicas. Baseando-se nisto, viu-se como escolher o tipo de aço

correto tendo em vista as condições de operação do duto ou tubulação.

Por fim, foi feita uma análise da utilização dos dutos de aço na indústria

petrolífera, sendo evidenciada algumas condições comuns de operação, e o porquê

não existe um material que seja ideal para estes e sim o melhor material que poderá

ser usado para aplicação em questão.

26

4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Anexo)

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