DESEMPENHO À RESISTÊNCIA A CORROSÃO DE UM AÇO ALTA RESISTÊNCIA BAIXA LIGA

BARRA MANSA 2017 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA PRÓ-REITORIA ACADÊMICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE PETRÓLEO Edilene Roxo Gomes da Silva DESEMPENHO À RESISTÊNCIA A CORROSÃO DE UM AÇO ALTA RESISTÊNCIA BAIXA LIGA Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia de Petróleo do Centro Universitário de Barra Mansa como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia de Petróleo, sob orientação do Prof. Me. José Mauro Moraes Junior. Data de Aprovação: ________________________________________________ Prof. Me. h-1, respectivamente. A partir de 8h de imersão a velocidade de corrosão caiu em ambas soluções, sendo de 0,185 mg. cm-2. h-1 (solução não aerada) e 0,196 mg. cm-2. The results of this survey showed the occurrence of mass loss in all samples, exposed steel solutions, i.

e. in all test conditions occurred corrosion of steel. Until the steel 8:00 immersed in solution, both not aerated as aerated, the corrosion speed was high, 0,0372 mg. cm-2. Loss of mass. Corrosion. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 8 1. Objetivos 9 1. Objetivo Geral 9 1. Velocidade de corrosão 19 2. O Efeito do Oxigênio 20 3 MATERIAIS E MÉTODOS 21 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 25 5 CONCLUSÃO 29 REFERÊNCIAS 30 1. INTRODUÇÃO O crescente processo de desenvolvimento das indústrias energéticas e a constante exploração de fontes de energia, que na maioria dos casos, acontecem de forma acelerada e desordenada. Assim tornou mais comum a implantação de plataformas petrolíferas, também conhecidas como “offshore”. Elas são responsáveis por atuar na extração de petróleo, que corresponde, atualmente, a principal fonte de energia (base energética) do mundo.

Por esta questão, se faz necessário determinar, estudar ou certificar o limite máximo de resistência destes tubos de aço (AMARAL, 2011). Objetivos 1. Objetivo Geral • Avaliar o desempenho do aço API 5L X60 em meios corrosivos. Objetivos Específicos • Avaliar o desempenho quanto a corrosão do aço API 5L X60 na solução de 0,5% Ácido Acético. • Avaliar a influência do teor de oxigênio na solução de 0,5% Ácido Acético na resistência à corrosão do aço API 5L X60. Apesar de muitos historiadores defenderem a hipótese que o ferro foi um elemento descoberto na Idade da Pedra Polida, também conhecida como Período Neolítico (6. a 4. anos a. C. o uso deste elemento foi de forma acidental. Por meio do surgimento de novas técnicas que ofereceram alterações físicas e químicas no elemento, dando a ele propriedades como resistência a corrosão e uma dureza maior (INSTITUTO AÇO BRASIL, 2015).

Em 1856, se descobriu como produzir o aço, por meio do processo nomeado como “Bessemer”. Desta forma, a fronteira entre o ferro e esse novo elemento foi definida em plena Revolução Industrial. O aço surge do aperfeiçoamento e da invenção de fornos, que permitiram corrigir impurezas do ferro, bem como estabelecer propriedades voltadas a resistência, tanto ao desgaste, como a corrosão e o ao impacto (FELÍCIO, 2012; REIS, 2010). O método “Bessemer” foi inventado pelo Henry Bessemer e consistia na conversão do ferro-gusa (líquido) em aço, por meio da utilização de sopro de oxigênio. Os aços de Alta Resistência e Baixa Liga (ARBL), ou também nomeados em inglês de High Strenght Low Alloy (HSLA), possuem alta resistência mecânica, ductilidade, boa soldabilidade e, boa resistência à corrosão atmosférica e a exposição ao meio ambiente, sendo muito utilizados em construções do campo estrutural, naval e/ou petrolífero (SOARES, 2013; ALMEIDA, 2012).

Sua composição química pode variar, mas geralmente apresentam em seu conteúdo Carbono (C) em quantidades entre 0,05% á 0,25%, e Manganês (Mn) até 2%, bem como teores relativamente baixos de elementos liga como o Cromo (Cr), Níquel (Ni), Cobre (Cu), Molibdênio (Mo), Vanádio (V), Nióbio (Nb), Titânio (Ti) e Zircônio (Zr), que raramente excedem os valores de 0,1% e em junção não costumam ultrapassar 5% (ORDÓÑES, 2004). Um aço ARBL é definido como um produto formado, normalmente, por uma quantidade inferior a 0,15% de Carbono, 1,65% de Manganês e níveis inferiores a 0,35% de enxofre, fosforo, entre outros. Além da adição de pequenas quantidades dos chamados elementos de liga (CIMM, 2010). O baixo teor de carbono promove uma melhor soldabilidade, enquanto que o aumento dos elementos de liga em sua composição fornece a resistência aos aços.

Nomeados assim, em razão de sua aplicação e resistência mecânica, sendo utilizados, principalmente, pela indústria de petróleo e gás (ALMEIDA, 2012) Estes aços são especificados e classificados pelo comitê American Petroleum Institute (API), em tradução, Instituto Americano de Petróleo, por meio da norma API 5L - Especificação para dutos, de acordo com sua composição e seu limite de escoamento (ZILIO, 2013; ORDÓÑES, 2004). Nesta norma, também são especificadas as propriedades mecânicas, o processo de fabricação, a composição química, soldagens e controle dimensional (MORAES, 2016). Uma vez que, os tubos API são fabricados a partir de aços microligados, submetidos ao processo de laminação controlada (MARTINS, 2010). Sendo assim, a norma API 5L representa um documento que delimita a especificação técnica dos dutos de petróleo e gás, os quais são classificados de duas formas (MORAES, 2016).

Em primeiro ponto, são nomeados por meio das letras A, B e X, acompanhadas de dois algarismos, que representam o limite de escoamento mínimo do tubo, em unidade inglesa (ksi). E suas propriedades mecânicas e composição química são definidas, também, por esta norma, que requer valores específicos como demonstrado na Tabela 1. Tabela 1 – Composição química percentual em peso para a liga API 5L X60 Elemento Carbono (máx. Manganês (máx. Fósforo (máx. Enxofre (máx. Os grãos de austenita vão sendo gradativamente deformados durante este processo de laminação, se tornando cada vez mais deformados e alongados. O que resulta em grãos finos de ferrita (ferro puro) com tamanho de 3μm a 6μm (ALMEIDA, 2012). Os fatores que irão determinar as propriedades mecânicas e a microestrutura especifica do material, estão diretamente ligadas ao: ciclo térmico empregado na placa do forno; a temperatura no desenfornamento, na laminação de desbaste e acabamento; a taxa de redução a cada passe; a taxa de resfriamento da tira; temperatura de bobinamento; a formação das chapas de acordo com o diâmetro exigido; e os processos de soldagem (CALDEIRA, 2006).

De acordo com Caldeira (2006), a laminação é responsável por determinar a composição química e a microestrutura do aço, visando estabelecer as propriedades mecânicas especificas para determinado tubo. Os tipos de elementos liga adicionados no processo de fabricação, dependem de qual propriedade se quer dar ao aço, bem como para qual aplicação será dada este material (CRUZ, 2006). O Fenômeno de Corrosão Estima-se que aproximadamente 60% das instalações de exploração de petróleo estão sendo implantadas e desenvolvidas em ambientes altamente corrosivos, que apresentam alto grau de salinidade e, níveis elevados de pressões e temperaturas (LOPES, 2017). De acordo com a Gerdau (2015), através do estudo realizado nas diferentes unidades de fábrica DuPont, estimou-se que de 685 falhas, 55% são ocasionadas pela corrosão, enquanto que os outros 45% são referentes a falhas mecânicas dos equipamentos/materiais.

Estes 55%, representam aproximadamente 377 falhas, onde 90% ocorre em meio aquoso, 8% em temperaturas quentes, 1,8% em meios orgânicos e 0,2% por metais líquidos. A corrosão é uma das principais causas de falhas em dutos, oleodutos e gasodutos, que estão presentes ou em frequente exposição à meios agressivos. Está diretamente ligada aos fatores de densidade, frequência, temperatura e pH, assim como às características físicas e químicas do solo, do ar, ou seja, do ambiente onde o material se encontra exposto (AMARAL, 2011). Pode sofrer influência. Também da presença de cobre e íons de cobre (Cu2+ e Cu+), deposição de sólidos ou áreas de estagnação (GENTIL, 1998). Em relação a morfologia, pode-se tratar de uma corrosão uniforme, alveolar, por placas, puntifome, filiforme, intergranular, grafítica, transgranular, dezincificação, por esfoliação, empolamento pelo hidrogênio e em torno do cordão de solda (GIRELLI, 2006).

Demonstradas na imagem (Figura 1) a seguir. Figura 1 – Tipos de morfologia na corrosão Fonte: Amaral (2011, p. O eletrólito em si consiste em uma solução eletricamente condutora, podendo ser constituída de água, sais, ácidos ou bases. As reações que ocorrem nos processos de corrosão eletroquímica são reações de oxidação e redução (ABRACO, 2012). Já os processos de corrosão química podem ser observados no dia-a-dia e em condições normais, mas, se encontram mais frequentes em ambientes industriais, na presença de condições diversas. Por esta questão, são denominados como corrosão seca ou oxidação, sendo menos frequentes na natureza e, geralmente, envolvem operações onde há temperaturas elevadas. Caracterizados basicamente pela ausência de água liquida, presença de temperaturas elevadas e interação direta entre o metal e o meio corrosivo (ABRACO, 2012).

Portanto, o oxigênio, no meio aquoso, atua elevando a taxa de corrosão, onde o gás sofre redução ao mesmo tempo que o metal sofre oxidação, como é possível observar nas seguintes equações (MIGLIACCIO, 2009): H20 + ½ O2 + 2e-  2 OH- (Eq 02) Fe  Fe2+ + 2e- (Eq 03) O teor de oxigênio na água do mar apresenta níveis de 8ml/l que podem ser elevados de acordo com os processos de fotossíntese e movimento de ondas característicos de cada região do ambiente marítimo (GENTIL, 1998). Este elemento é responsável por vários casos de corrosão já observados na indústria de petróleo, podendo estar presente em quase todas as etapas de processo (GIRELLI, 2006). Em águas superficiais, geralmente, há uma maior quantidade de oxigênio e temperaturas elevadas, que contribuem para um meio propício a corrosão.

Já em águas mais profundas, a quantidade de oxigênio tende a ser menor, junto ao nível de temperatura, o que tende a diminuir à ação corrosiva (GENTIL, 1998). Sendo assim, em meio aerado, a corrosão pode ser mais grave, permitindo a redução do oxigênio na área considerada como “catódica” e a oxidação do metal na “anódica” (GENTIL, 1998). O Ácido Acético foi escolhido para este experimento, por se tratar de um líquido incolor corrosivo e inflamável orgânico, sendo assim um meio corrosivo ideal para este tipo de análise. Foram preparados 12 corpos de prova (CPs) de Aço API 5L X60, com identificação individual de 1 a 12. No preparo destes CPs foi utilizado um policorte (cut-off), que com o auxílio de seus discos abrasivos e refrigerados, realizou o corte do material em baixas rotações, evitando o aparecimento de deformações por aquecimento.

Estes discos são considerados abrasivos finos e, normalmente, compostos de metais ou aço inoxidável. Os CPs possuíam dimensões aproximadas de 10mm tanto de altura, quanto largura e diâmetro (10mm x 10mm x 10mm), como é possível observar na Figura 4. A preparação desta solução foi feita pela inserção de gás oxigênio, por cerca de 30 minutos, em uma vazão de 100 mL/min. Foi repetido o processo citado na etapa anterior, onde foi inserido um CP em cada recipiente, usando a mesma base de tempo. Ao concluir cada período de tempo, os CPs foram sendo retirados e pesados na balança analítica. Seus recipientes foram numerados 2, 4, 5, 8, 10 e 11 e seguem o modelo apresentado na Figura 8. Figura 8 – Erlenmeyer’s com solução de 0,5% de Ácido Acético Aerado Desta forma, para os dois tipos de procedimentos que envolveram este experimento, as massas dos CPs foram medidas antes e depois de se submeterem ao contato com as substâncias.

Tabela 3 – Massa e Áreas dos corpos de prova na solução 0,5% Ácido Acético Aerada Corpos de Prova (CP) Massa Inicial (mg) Massa Final (mg) Área (cm²) Tempo (h) Perda de massa [mg/cm2] N° 7(cp 5) 7255 7251 5,70356 1 -0,701 N° 8(cp2) 7446 7443 5,54595 2 -0,540 N° 9(cp 10) 7410 7405 5,883 4 -0,850 N°10(cp 8) 6432 6423 5,24192 8 -1,717 N°11(cp 4) 6727 6716 5,22871 24 -2,104 N°12(cp 11) 7068 7049 5,72909 72 -3,316 A menor taxa de perda de massa nesta solução, foi observada no CP que apresentava 5,545 cm² de área e massa inicial de 7446 mg, que após 2 horas de exposição, alcançou a massa final de 7443 mg. Enquanto que a maior perda de massa foi observada no CP constituído por uma área de aproximadamente 5,729 cm² e massa inicial de 7068 mg, que quando submetido a solução por um período 72h, chegou a massa final de 7049 mg.

É possível constatar que a menor perda de massa, 0,540 mg/cm², é superior à da solução 0,5% Ácido Acético, que corresponde a 0,192 mg/cm², o que pode vir a evidenciar que oxigênio atua como um elemento que acelera o processo corrosivo dos corpos. Este fato também se demonstra nos outros tempos, exceto nos intervalos de 1 e 4 horas, devido, provavelmente, a algum problema no experimento. Uma explicação para estes resultados seria o fato dos cortes dos CPs terem sido feitos por máquinas robustas, sem precisão, em que o ideal seria o uso de maquinas de corte laboratoriais, não disponíveis no centro universitário. Gentil (2003) descreveu que a corrosão do aço na presença de oxigênio, de início, é rápida, porém, tende a diminuir com a formação da camada protetora.

A qual funciona como barreira à difusão do oxigênio. Acredita-se, também, que este fato ocorre devido a uma concentração crítica, na qual a velocidade de corrosão passa a decrescer. A formação de um filme de superfície é possível, pois apesar do produto de corrosão ser bem solúvel em água, o banho não foi agitado. A hipótese da diminuição da velocidade de corrosão devido à saturação do meio por produto de corrosão também é possível. cm-2. h-1 e um crescimento retilíneo, livre de variações. Já neste trabalho, foi possível observar a velocidade de 0,0251 mg. cm-2. h-1 e um crescimento não linear, caracterizado pela redução da velocidade da corrosão, a qual tornou o processo corrosivo lento.

As amostras sofreram cortes irregulares, o que dificultou bastante o cálculo da área superficial. CONCLUSÃO Por meio de todos os dados que foram levantados, bem como apresentados no decorrer deste presente projeto de pesquisa e conforme já demonstrado em diversos tipos de trabalhos publicados, foi possível concluir que apesar do aço API 5L ser projetado e desenvolvido para resistir a certos níveis de corrosão, ainda não estão completamente livres destes fenômenos, ainda mais, em ambientes agressivos, com características físicas, químicas ou biológicas, danosas a estes materiais. Concluindo que o aço API 5L X60 sofreu corrosão uniforme nos dois tipos de meios, dotados de caráter ácido, em que foi possível constatar uma velocidade de corrosão superior nas primeiras 8 horas, a qual em seguida passou a decrescer, devido a formação da película protetora do material.

Conclui-se ainda que o teor de oxigênio dissolvido teve uma importante influência na velocidade de corrosão do aço API 5L X60 na solução aerada, apresentando velocidades superiores de corrosão, bem como significativas perdas de massa, em comparação a solução não aerada. A presença de oxigênio pode ser considerada um agravante do processo de corrosão, visto que este elemento atuou determinando e/ou ditando a velocidade das atividades corrosivas, assim como influenciou a formação da película protetora do aço. f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Mecânica Integral). Universidade Estadual Paulista. Guaratinguetá, 2012. AMARAL, R. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica). Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2006. CIMM. Centro de Informação Metal Mecânica.

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