Experiência de campo com aços duplex em água do mar e a importância do controle de qualidade destes materiais

Cynthia Andrade - Profissional Independente

Flávia Maciel F. Guedes - Petrobras/CENPES

INTERCORR 2016 – 16 a 20/05/16

SUMÁRIO

• Aços Inoxidáveis Duplex – Considerações Técnicas

• Problemas Associados ao Processamento e Soldagem dos Aços Duplex

• Histórico de Falhas de Bombas de Incêndio

• Histórico de Falhas de Tubulações que operam com água do mar

• Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex

• Conclusões e Recomendações

Aços Inoxidáveis Duplex – Considerações Técnicas

• Os aços inoxidáveis duplex e superduplex apresentam uma microestrutura bifásica constituída de ferrita () e austenita (), idealmente em frações volumétricas aproximadamente iguais , no entanto, as ligas comerciais apresentam frações de ferrita variando entre 35% e 60%.

Duplex

Superduplex

• Este equilíbrio micro estrutural é obtido através do controle da temperatura de processamento, velocidade de resfriamento e composição química.

Maior teor de elementos de liga, principalmente de nitrogênio para acelerar a formação da austenita e para obtenção de uma maior resistência à

corrosão por pite associada a uma elevação das propriedades mecânicas.

Principal diferença dos SDSS em relação aos DSS

Aços Inoxidáveis Duplex versus Superduplex

PRENW = %Cr + 3,3 (%Mo + 0,5 %W) + 16 x %N

Condições para Manutenção da Resistência à Corrosão dos Aços Duplex

• Atendimento à Composição Química (PREN)

• Atendimento ao Balanço Adequado das fases Austenita/Ferrita com PREN similar entre as fases;

• Ausência de Fases Intermetálicas (Ex: Nitretos de Cromo, fase Sigma, entre outras)

• Controle e verificação de soldagem (cuidados especiais no que tange a reparos)

Histórico de Falhas em Bombas de Incêndio

Descrição do Equipamento

• Bomba tipo Centrífuga Vertical com Eixo Prolongado → São bombas de simples ou múltiplos estágios que possuem vários tubos guia de eixo bem como buchas de mancais intermediários e eixos divididos. Os eixos são unidos por meio de luvas de acoplamento.

• Material: Aço Duplex, sem proteção catódica.

• Colunas e eixos com extensão entre 30 e 40 metros, sendo cerca

de 4 a 8 metros submersas.

• Testadas semanalmente por 1 h e o hipoclorito só é dosado no teste, porém sem controle da dosagem.

• O motor fica na superfície (plataforma) → durante paradas a temperatura da água é a ambiente, ou seja, entorno de 25oC.

Principais Problemas Detectados • Coluna Segmentada ou Tubos da Coluna

Principais Problemas Detectados em Bombas de Incêndio

• Crivo

Os depósitos encontrados evidenciam problemas na dosagem do hipoclorito. É esperado que sob os depósitos se formem alvéolos e/ou pites, pois o “biofouling” se comporta como uma fresta para os materiais inoxidáveis.

Acoplamento Eixo

Região com condição de fresta entre eixo e acoplamento apresenta corrosão significativa, além das faces entre os acoplamentos.

Principais Problemas Detectados em Bombas de Incêndio

• Detalhe da Corrosão do Eixo

Este centralizador mancaliza os eixos intermediários.

Corrosão em diversos pontos, em especial no contato com a coluna segmentada.

Nesta local, entre o centralizador e os eixos, usa-se bucha de mancal em material não-metálico, agravando a condição de fresta.

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• Centralizador (Mancal Intermediário)

Identificação do Mecanismo de Falha das Bombas de Incêndio

Mancal Intermediário

Eixo Coluna Segmentada

- Material fundido.

- Presença de inclusões.

- Pouca quantidade de fases intermetálicas.

- Peça devidamente tratada termicamente.

- Material laminado.

- Presença de inclusões.

- Ausência de fases intermetálicas.

- Peça devidamente tratada termicamente.

- Material fundido.

- Presença de inclusões e vazios de fundição (rechupes).

- Presença significativa de fases intermetálicas.

- Peça não tratada termicamente de forma adequada.

Fases intermetálicas

Análise Micro estrutural – Microscopia Óptica

Rechupe

Interface Austenita/Ferrita

Fases Intermetálicas

Ferrita Austenita

Análise via MEV/EDS: Método Line Scan na amostra atacada para mostrar a variação na quantidade dos elementos de liga ao longo da linha. A fase intermetálica é rica em cromo e provoca a depleção do mesmo ao seu redor.

Linha analisada

Elementos Químicos: Cromo Ferro Molibdênio Níquel

Distância (µm)

Inte

nsi

dad

e (

UA

)

Análise da Fase Intermetálica por MEV

Coluna Segmentada (Tubos)

Determinação da Temperatura Crítica de Pites (TCP) – ASTM G 150

PREN 32

PREN 34

PREN 35

PREN 36 D

up

lex

Resumo dos Problemas das Bombas de Incêndio tipo Centrífuga Vertical com Eixo Prolongado

• Material Fundido de má qualidade (vazios, inclusões, intermetálicos);

• Emprego de material cujo percentuais de N e C encontravam-se em desacordo com os valores estabelecidos pelas normas DIN 14462 e 14463 e falha no tratamento térmico aplicado nas peças analisadas;

• O aço Duplex desta norma são de 1ª geração, isto é, não possuem N como elemento de liga → baixíssima resistência à corrosão em água do mar;

• Deposição de “Biofouling” que funciona como frestas;

• Descontrole da Cloração (inexistente ou excessiva).

- O aço inoxidável duplex (22Cr e 25Cr) não é adequado para esta aplicação, pois tende a sofrer corrosão (por frestas e pites) em água do mar sob condições de baixa velocidade e nas temperaturas da costa brasileira, independente de ser laminado, fundido ou centrifugado. Verificou-se, contudo, que o material fundido é mais susceptível à corrosão localizada e à falhas.

- Além do mais, o Projeto de bombas de incêndio empregadas com inúmeras geometrias que favorecem a corrosão por frestas (união metal-metal e união metal-não metálico), limita a seleção de materiais para a fabricação das bombas, principalmente as de acionamento diesel-hidráulico, onde a temperatura da água do mar pode atingir cerca de 50ºC ;

Conclusões – Bombas de Incêndio

- Recomenda-se não especificar os aços duplex para esta instalação. Como alternativa, pode-se empregar a Norma ISO 21457 que especifica os seguintes materiais:

- Ligas de níquel-alumínio-bronze; - Aço inoxidável superduplex, com proteção catódica. - No caso de opção pelo aço superduplex com proteção catódica, recomenda-se, ainda, avaliar a possibilidade de revestir por pintura as regiões com geometria de frestas, ou eliminar estas regiões usando eixos e acoplamentos roscados com graxa para formar uma barreira entre o material e o meio corrosivo.

Recomendações – Bombas de Incêndio

Histórico de Falhas em Linhas de Captação e Resfriamento com Água do Mar

SISTEMAS DE CAPTAÇÃO E RESFRIAMENTO: Operam com água do mar aerada e clorada e o material empregado foi o SDSS – UNS 32750 ou 32760

Características da Água do Mar em Sistemas de Injeção

O ÁGUA DO MAR NATURAL APRESENTA AS SEGUINTES CARACTERÍSTICAS CORROSIVAS :

PRESENÇA DE O2 DISSOLVIDO

(8 mg/L)

+

MICRORGANISMOS (deficiência da cloração)

+

ÁCIDO HIPOCLOROSO (HOCl) E ÍON HIPOCLORITO (OCl-) (teor de cloro livre entre 0,5 mg/L a 1,0 mg/L)

+ TEMPERATURA

15 a 20°C – captação Até 40°C – após bombas de injeção

RELATO DAS FALHAS EM Plataforma ”A”

LOCAL: As falhas iniciaram após cerca de 3 meses de operação e ocorreram ao longo dos tubos e na região das juntas soldadas de 40 linhas).

MATERIAL : Superduplex S32760 (25Cr-7Ni-3,5Mo), mas foi identificada a utilização inadequada de material ASTM A312 Gr TP 316 em trechos retos de tubulação, em curvas, reduções, flanges e também de consumíveis de soldagem.

RELATO DAS FALHAS EM Plataforma “B”

LOCAL: Ocorreram na região das juntas soldadas em superduplex (soldas de campo), após três meses de operação (29 linhas).

MATERIAL : Superduplex S32760 (25Cr-7Ni-3,5Mo), não sendo encontradas evidências de troca de material e/ou de consumíveis de soldagem.

RELATO DAS FALHAS EM Plataforma “C”

LOCAL: Sistema de captação de água do mar (linha que vai para overboard após trocadores de placa). Falhas ocorreram na região da ZTA da junta soldada (soldas de ajustes na tubulação realizadas em campo) após 6 meses da operação. Destaca-se que a temperatura de operação da água do mar neste trecho atinge 40ºC.

MATERIAL : Superduplex ASTM A 790 (UNS 32750) (25Cr-7Ni-3,5Mo).

RELATO DAS FALHAS EM Plataforma “D”

LOCAL: Sistema de injeção de água do mar na tomada de vent ¾”, linha 12”. Detectada trinca na ZTA.

MATERIAL : Superduplex ASTM A 790 (UNS 32750) (25Cr-7Ni-3,5Mo).

Causas Principais das Falhas Precoces das Tubulações do Sistema de Captação de Água do Mar (superduplex)

• Incompatibilidade do meio corrosivo (água do mar clorada) e da temperatura de operação com o material empregado (aço superduplex), sendo o limite da Norma ISO 21457, 20ºC, 0,7 mg/L de cloro residual;

• Presença de frestas nas tubulações (flanges, depósitos, etc)

• Presença de soldas nas tubulações que normalmente corresponde à região mais suscetível ao ataque corrosivo, devido à dificuldade de se manter as propriedades mecânicas (ex.: tenacidade) e de resistência à corrosão originais do metal de base após a soldagem.

• Provável não atendimento dos requisitos de soldagem (descontrole de parâmetros de soldagem e insuficiência de purga), revelados pela precocidade das falhas (pouco tempo de operação).

- O uso do superduplex não é adequado para tubulações soldadas em sistemas de captação e resfriamento de água do mar aerada com presença de cloro livre e em temperatura superior a 20°C.

- Os materiais recomendados para este serviço são:

- Plástico Reforçado com Fibra de Vidro (PRFV) - trechos de

baixa pressão;

- Aço carbono revestido internamente com Polietileno – trechos de alta pressão.

Conclusões – Linhas de Captação e Resfriamento

- Implementar uma política de controle de qualidade do

material durante a fabricação e recebimento dos equipamentos construídos em aços superduplex, pois como se viu, a maioria das falhas esteve relacionada ao não cumprimento das Especificações Técnicas.

Recomendações

Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex

- Os aços duplex e superduplex possuem bom potencial de uso na indústria de óleo e gás, no entanto, os riscos de emprega-los recaem sobre problemas relacionados à qualidade do material, como presença de defeitos de fabricação, tratamentos térmicos incorretos, etc;

- O risco é agravado se o material for fundido, deformado a frio ou soldado, pois o torna altamente suscetível à precipitação de fases deletérias (intermetálicas) e ao desbalanço da microestrutura ferrita/austenita;

- A presença dessas não conformidades tende a reduzir a tenacidade (fragilização pelo hidrogênio) e a resistência a corrosão desses materiais devido à depleção de Cr e Mo nas regiões próximas à dos precipitados.

Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex

- Assim, quando se opta pela utilização de materiais duplex principalmente em válvulas, bombas de incêndio, captação e/ou injeção de água do mar onde esses aços estão no seu limite de aplicação, é fundamental que sejam especificados, previamente, testes para controle de qualidade na fabricação e desenvolvidos métodos para verificação da sua qualidade no recebimento.

Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex - ASTM A 923 - 14

- Apresenta três métodos de testes, porém não determina a natureza da fase deletéria, mas sim a presença ou ausência de fase intermetálica que impacte negativamente as características de tenacidade e de resistência a corrosão do material.

- Quando o método de teste A é especificado como um teste de aceitação, os materiais que não passarem neste critério deverão ser testados pelo Método B ou Método C.

Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex - ASTM A 923 - 14

- É importante ressaltar que o Método C, teste de corrosão com sol. de cloreto férrico 10% por 24 h irá detectar a perda de resistencia a corrosão associada à depleção de Cr e Mo. Sabe-se que uma microestrutura afetada sofre significativa perda de massa.

mdd – mg / dm2 / day

- A presença ou ausência de ataque corrosivo não é necessariamente uma medida da performance do material em outros ambientes corrosivos, e particularmente, não prevê a resistência à outras formas de corrosão que não as associadas a precipitação de fases intermetálicas.

Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex ASTM G 150

- O teste de Temperatura Crítica de Pites (TCP), conforme ASTM G 150 (teste eletroquímico) é útil para comparar materiais quanto a sua qualidade e à perda de resistência à corrosão, mas tende a apresentar limitações quanto à determinação da temperatura máxima para a ocorrência de corrosão localizada, pois não reproduzem exatamente as condições reais de exposição em campo.

- O teste de Temperatura Crítica de Frestas (TCF) seria mais realista que o TCP na definição do limite da temperatura máxima de uso, porém para determinar essa temperatura com precisão é fundamental padronizar os parâmetros críticos que influenciam na iniciação de frestas que são: tipo dispositivo de frestas, acabamento superficial do cupom e pressão aplicada, dentre outros parâmetros.

ASTM G150 – “Standard Test Method for Electrochemical Critical Pitting Temperature Testing of Stainless Steels”

Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex – ISO DIS 17781

- Norma em desenvolvimento, cujo escopo inclui prover metodologias de teste para controle de qualidade, assim como, os critérios de aceitação para materiais obtidos por diferentes processos de fabricação e suas juntas soldadas.

- Inclui uma vasta gama de graus de materiais duplex, desde “lean” duplex, “standard”, “super” and “hyper”.

- Esta norma é baseada na experiência de operadoras de óleo e gás offshore incluindo aplicações de materiais duplex nas instalações de superfície, assim como, submarinas para serviço com hidrocarbonetos, água do mar ou estrutural.

Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex – ISO DIS 17781

- São apresentadas nesta proposta de norma, as condições e critérios de

aceitação para os testes de corrosão a que devem ser submetidos os

materiais duplex, assim como, as condições e critérios de aceitação para

os testes de avaliação da microestrutura (checagem da presença de fases

intermetálicas e precipitados, assim como a contagem do teor de ferrita) e

avaliação da tenacidade (Charpy).

- Tendo em vista que diversos parâmetros da microestrutura do material

podem influenciar os resultados dos testes recomenda-se a aplicação de

três diferentes métodos para aceitação dos materiais.

Importância do Controle de Qualidade para os Materiais Duplex – ISO DIS 17781 versus ASTM A 923

• A norma ASTM A923 sugere somente um tipo de ataque eletrolítico (solução de NaOH) para identificação dos intermetálicos, enquanto a norma em andamento, ISO DIS 17781, recomenda um número significativo de possibilidades de ataque químico, o que aumenta a chance de identificação da presença de intermetálicos.

• A norma ISO DIS 17781 (em elaboração) adota critérios de aceitação mais rígidos, como uma maior exigência nos requisitos de energia absorvida nos testes Charpy, sobretudo para materiais que serão aplicados em sistemas submarinos devido à proteção catódica (risco de fragilização pelo H).

• A norma ISO DIS 17781 (em elaboração) inclui a avaliação da corrosão localizada entre os critérios de aceitação para os testes de corrosão.

- Aos colegas da Petrobras (CENPES e Unidades Operacionais) que

colaboraram nas discussões técnicas, disponibilização de dados e pelas

importantes informações que contribuíram para enriquecer esta

apresentação.

Agradecimentos