soldagem de dutos (api)

7/28/2019 Soldagem de Dutos (API)

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SOLDAGEM DE TUBULAÇÕES:METALURGIA, PROCEDIMENTOS E DESAFIOS

Eng. Ricardo Fedele, MSc.Engenheiro de Aplicação da Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda

Prof. do Dep. de Eng. Mecânica e Metalúrgica da Escola de Engenharia Mauá[email protected]

(Artigo publicado na Revista METALURGIA & MATERIAIS – Vol.58 – Nº 521- 05/2002)

RESUMO

A soldagem tem sido o processo de junção mais empregado na construção e montagem dedutos desde o ínicio da engenharia de tubulações. O aumento da demanda mundial por alguns insumos importantes tais como o óleo e o gás tem motivado a expansão econstrução de muitos dutos soldados. Para reduzir os custos dos projetos, novos aços dealta resistência e consumíveis de soldagem compatíveis têm sido pesquisados bem comonovas técnicas de soldagem em alta velocidade. Devido à inerente competição no segmentode dutos, é certo que os contratantes e os engenheiros devem estar completamenteatualizados. Não somente para ter sucesso técnico em seus projetos mas para sobreviver nesse negócio.

ABSTRACT

Welding has been the most employed process to join pipes in the field since the beginning of pipeline engineering. The increasing worldwide demand for some important industrial inputslike oil and gas has prompted expansion and construction of many welded pipelines. Toreduce project costs, new high strength steels and matching filler metals have beenresearched as well as high speed welding techniques. Due to the inherent competition in the pipeline segment it is well known that contractors and engineers must be completely updated, not only to have success with the projects but mainly to survive in this business.

Boehler Thyssen Técnica de Soldagem Ltda. 1



1. INTRODUÇÃO

A transmissão e distribuição de importantes insumos para a sobrevivência de um país sãonormalmente realizadas através de sistemas integrados, compostos por dutos e tubulações.Por estes sistemas, a água, os óleos combustíveis, o gás natural, o gás liqüefeito depetróleo, os minérios e muitas outras substâncias são transportadas das regiões denascente ou extração até as indústrias de transformação ou usuários finais. Tecnicamente,essas tubulações podem receber diferentes nomes, tais como, aguodutos, gasodutos,oleodutos, minerodutos, etc, dependendo da substância que está sendo escoada em seuinterior.

O aumento da demanda dos insumos transportados por estas tubulações tem sido

incentivado pela evolução tecnológica dos vários segmentos industriais, ocorrida de maneiraintensa e global nas últimas décadas. Assim, as redes de transmissão e distribuição jáexistentes têm se tornado obsoletas, obrigando a realização de elevados investimentos naampliação ou montagem de novas linhas. Além disso, a necessidade de abastecer centrosconsumidores em ascensão e de canalizar insumos provenientes de locais de extraçãorecém descobertos também tem contribuído para o crescimento da rede dutoviária.

A soldagem representa um papel fundamental neste cenário pois é o processo de fabricaçãomais empregado na montagem de tubulações. Como exemplo palpável da importância dasoldagem, observa-se que a maior parte dos 3,22 milhões de quilômetros de tubulaçõesinstaladas atualmente nos Estados Unidos foi construída por este método. Entretanto,mesmo considerando toda a experiência já adquirida, a tecnologia de soldagem detubulações encontra-se em constante desenvolvimento, atualizando-se para atender osrequisitos de soldabilidade de novos materiais e as crescentes necessidades de aumento daprodutividade.

Para isso, o estudo das características dos novos aços e o conhecimento da metalurgia dasoldagem tornam-se fatores essenciais, permitindo o desenvolvimento de metais de adiçãocompatíveis e a elaboração de procedimentos de soldagem adequados. A experiência decampo também é fundamental para a compreensão de importantes condições de contorno edeve ser sempre levada em consideração.

2. METAIS DE BASE

Geralmente, os materiais selecionados para a construção de tubulações atendem aosrequisitos das normas API 5L ou DIN 17172 ou EN 10208-2 (Tabela 1). Essas normasclassificam os diferentes tubos em subgrupos de acordo com seus valores mecânicos,facilitando a seleção do material adequado para cada aplicação. Em princípio, a utilizaçãode tubos com maiores propriedades mecânicas contribui para a redução de custos totais dosprojetos. Torna-se possível selecionar menores espessuras de parede, mantendo-se amesma pressão de serviço. Tem-se ainda a diminuição do peso dos tubos e da quantidadede solda depositada em cada junta. Adicionalmente, existe a possibilidade dodimensionamento de linhas com maiores pressões de trabalho, reduzindo o número de

estações de compressão necessárias para o bombeamento do fluído ao longo do traçado.




Tabela 1 – Propriedades mecânicas dos aços mais utilizados para fabricação de tubos.

Classificação do aço

API 5L EN 10208-2 DIN 17172

LE (mínimo)(N/mm2)

LR (mínimo)(N/mm2)

Alongamento(%)

A 207 331 28L210 210 320 26

StE 210.7 210 320 26B 241 413 23

L245MB 245 415 22StE 240.7 240 370 24X 42 289 313 23

L290MB 290 415 21StE 290.7 (TM) 290 420 23

X 46 317 434 22L320M 320 460 21

StE 320.7 (TM) 320 460 21X 52 358 455 21

L360MB 360 460 20StE 360.7 (TM) 360 510 20

X 56 386 489 20L385M 385 530 19

StE 385.7 (TM) 385 530 19X 60 413 517 19

L415MB 415 520 18StE 320.7 (TM) 415 550 18

X 65 448 530 18L450MB 450 535 18

StE 445.7 (TM) 445 560 18X 70 482 565 18

L485 485 570 18StE 480.7 (TM) 480 600 18

X 80 550 620 18L555MB 555 625 18

StE 550.7 (TM) 550 690 18

LE = Limite de escoamento, LR = Limite de resistência

Tais vantagens tem incentivado o desenvolvimento de novos aços alta-resistência- baixa-liga (ARBL) para a fabricação de tubos. Até os anos 70, esses aços eram produzidos peloprocesso de laminação a quente seguido de normalização, visando obter umamicroestrutura composta de finas lamelas de ferrita, perlita e grãos maiores de ferrita (ASTM

7-8). Nos anos 70, este processo foi modificado para operações de conformação termo-mecânica (TM), permitindo a produção de aços X-70, com reduzidos teores de




carbono, e adições de elementos nióbio e vanádio. A microestrutura passou a apresentar maior uniformidade, com grãos mais refinados de ferrita (ASTM 10-11). Esta tecnologia foiaperfeiçoada nos anos 80, com a introdução do processo de resfriamento controlado(accelerated cooling), juntamente com o conceito de laminação termo-mecânica. Foi entãopossível produzir o aço X-80, com teores de carbono ainda mais reduzidos, melhorando suasoldabilidade. Neste caso, a microestrutura apresentava-se mais refinada, do tipo ferrítica-bainítica. Nos últimos anos, adições de molibdênio, cobre e níquel tem sido testadas comsucesso em conjunto com processos modificados de resfriamento controlado, objetivando odesenvolvimento de tubos da classe X-100 (Figura 1).

Figura 1 – Evolução dos aços para a fabricação de tubos de grandes diâmetros (ref.2)

3. SOLDAGEM COM ELETRODOS CELULÓSICOS

O desenvolvimento desses aços com maior resistência mecânica acarreta sempre apesquisa e o aperfeiçoamento de metais de adição compatíveis, visando atender aos novosrequisitos estabelecidos e a manutenção da viabilidade operacional de soldagem. Assim,existem atualmente metais de adição apropriados para a soldagem de cada classe da aço

(Tabela 2).




Tabela 2 – Seleção de eletrodos revestidos para a soldagem de tubulações (ref.4).

Eletrodos Revestidos Celulósicos (AWS A5.5)Aços conformeAPI 5L E 6010* E 7010-P1(G) E 7010-A1 E 8010-P1(G) E 9010-G

AB

X 42X 46X 52X 56X 60

X 65X 70X 80

Eletrodos Revestidos Básicos (AWS A5.5)Aços conformeAPI 5L E 8018-G** E 8018-G E 9018-G E 10018-G E 11018-G

AB

X 42X 46X 52X 56X 60X 65X 70X 80X 100

*AWS A5.1**Eletrodo especial para o passe de raiz

Somente para o passe de raiz

Para os demais passes ou preenchimento total da junta

No caso da soldagem manual de tubos no campo, os metais de adição mais empregadossão eletrodos revestidos celulósicos. Eles possuem um arco elétrico bastante agressivo,garantindo a penetração total da solda e fusão completa das paredes do tubo. Tambémproduzem uma escória mais fina, facilmente destacável, possibilitando a soldagem naposição vertical descendente. Além disso, requerem menos cuidados em relação aomanuseio e armazenamento, em comparação aos outros tipos de eletrodos revestidos.

Nas soldagens com consumíveis celulósicos, costuma-se selecionar o eletrodo E6010 paraa deposição do primeiro passe de solda (passe de raiz), não importando a especificaçãomecânica do tubo. Este eletrodo deposita um metal com menor resistência mecânica, mascom elevados valores de tenacidade quando comparados aos dos metais depositados pelos




outros eletrodos celulósicos. Por isso, é o mais indicado para absorver as tensões térmicase mecânicas de soldagem, também provenientes da movimentação relativa dos tubos,garantindo a ausência de trincas na raiz. Em seguida, os demais passes de solda sãodepositados com eletrodos que apresentam valores de resistência mecânica superiores aosvalores do metal de base. Seleciona-se então, os eletrodos celulósicos E7010-X, E8010-Xou E9010-X para os passes de enchimento e cobertura da junta, de acordo com os valoresdo limite de escoamento e de resistência do tubo. Tal procedimento é conhecido comosoldagem celulósica combinada e foi utilizado, por exemplo, na construção do GasodutoBolívia-Brasil (E6010 + E8010-G).

Ao final da soldagem, a resistência mecânica da junta é dada pela proporcionalidade entreas propriedades dos metais depositados e as respectivas espessuras de depósito. Como a

espessura do passe de raiz é praticamente insignificante em relação à espessura total dasolda, considera-se que a resistência mecânica final da junta esteja associada ao metaldepositado pelo eletrodo de enchimento. Contudo, este conceito deve ser repensado para asoldagem de tubos com espessuras reduzidas (abaixo de 10mm), uma vez que a espessurade depósito do primeiro passe tende a representar uma fração considerável da espessuratotal da junta. Principalmente em aços baixo carbono (<0,10%), com pequenas frações deperlita, nos quais a diluição do metal de adição com o metal de base (50%-50%) provoca odecréscimo da resistência mecânica do metal de solda. Nestes casos, aconselha-se autilização de um mesmo eletrodo para o preenchimento total da junta. É importante ressaltar que todos os procedimentos de soldagem devem ser previamente qualificados de acordocom normas específicas. Dentre elas, utiliza-se mais freqüentemente a norma API 1104.

Entretanto, os eletrodos celulósicos apresentam uma limitação quanto aos valores detenacidade, sendo indicados para a soldagem de tubos somente até a classe X-70 ousimilar. Isto porque o revestimento destes eletrodos é composto por aproximadamente 30%de materiais orgânicos que se queimam durante a soldagem. Logo, a escória formada sobrea poça de fusão não apresenta características metalúrgicas apropriadas para melhorar aqualidade do metal líquido, deixando-o com elevados teores de oxigênio, hidrogênio e outroselementos indesejáveis.

4. SOLDAGEM COM ELETRODOS BÁSICOS

Para a soldagem manual de tubos da classe X-80 e X-100, aconselha-se a utilização deeletrodos com revestimento básico, apropriados para a soldagem na posição verticaldescendente (BVD-Basic Vertical Down). Esta nomenclatura está associada ao caráter básico da escória que se forma sobre a poça de fusão durante a soldagem. O equilíbriometalúrgico metal-escória é atingido de maneira semelhante ao que ocorre na produção deaço em um conversor siderúrgico, mesmo considerando certas barreiras cinéticas, como oreduzido intervalo de tempo em que o metal permanece no estado líquido em contato com aescória. Neste processo, ocorrem algumas reações de desoxidação importantes e o metalde solda passa a apresentar menores teores de oxigênio em comparação àquelesdepositados por eletrodos com revestimento celulósico. Consequentemente, tem-se ummetal de solda com elevados valores de tenacidade (Figura 2).




Figura 2 – Valores típicos de tenacidade dos metais de solda após soldagem de tubo API5L X-80 (ref.1).

Esse ganho em tenacidade é imprescindível para a soldagem dos tubos com altaresistência, principalmente devido à elevada susceptibilidade ao trincamento que essesmateriais apresentam. Tal fragilização está diretamente relacionada à fração demicroestrutura frágil, a concentração de tensões e a quantidade de hidrogênio presente na junta soldada. Deste modo, os metais de solda mais tenazes conseguem absorver grandeparte do efeito das tensões térmicas e mecânicas de soldagem, solicitando menor esforçodo metal de base no instante da solidificação ou mesmo nas situações de movimentaçãorelativa dos tubos. Além disso, o metal depositado a partir de eletrodos básicos possuireduzidos teores de hidrogênio difusível (HD< 5ml/100g de metal), contribuindo para evitar otrincamento.

Do ponto de vista operacional, os eletrodos básicos podem ser utilizados na soldagemvertical descendente, igualmente aos eletrodos celulósicos. Eles apresentam umasuperioridade quanto a taxa de deposição (kg/h) e um maior rendimento (% em peso)durante a soldagem. Ao contrário dos eletrodos básicos convencionais, os eletrodos básicosBVD não necessitam de ressecagem inicial, nem conservação em estufas, podendo ser

utilizados diretamente a partir da embalagem de fornecimento. A ressecagem é necessáriasomente para os eletrodos que ficam expostos por mais de 10 horas às condições




ambientais. Este procedimento visa controlar o teor de umidade do revestimento do eletrodoem níveis reduzidos, evitando possíveis problemas de porosidade ou de trincas induzidaspor hidrogênio.

Por outro lado, devido à reduzida quantidade de hidrogênio presente em seu arco elétrico,este perde a agressividade e a capacidade penetração. Então, maiores aberturas de raizsão necessárias (2 a 3 mm) em relação àquelas requeridas para a soldagem com eletrodoscelulósicos (1,6 a 2 mm). Neste caso, o volume do chanfro é aumentado e,consequentemente, uma maior quantidade de eletrodos é necessária para completar aunião.

A solução mais interessante para este impasse é o emprego do procedimento misto

celulósico-básico, o qual resume-se em utilizar eletrodos celulósicos para a deposição doprimeiro e segundo passe, garantindo a penetração total da solda e, posteriormente,eletrodos básicos do tipo E8018-G, E9018-G, E10018-G ou E11018-G para a deposição dosdemais passes de enchimento e cobertura. Este procedimento também oferece umaredução do tempo total de soldagem pois a velocidade de deposição do passe de raiz comeletrodo celulósico é bastante superior àquela conseguida com eletrodo básico. Adicionalmente, o tempo gasto para a remoção da escória do passe de raiz também émenor no caso da utilização de eletrodos celulósicos. Como exemplo da utilização destatécnica, pode-se citar o Gasoduto alemão Werne–Schlüchtern, construído em 1992-93, comaproximadamente 250 Km de extensão. Utilizou-se o tubo GRS 550 (~API 5L X-80) com48”de diâmetro e 18,3 mm de espessura (Figura 3).

Figura 3 – Soldagem do gasoduto alemão Werne–Schlüchtern (~API 5L X-80) com oprocedimento de soldagem combinado celulósico-básico. (Passe de raiz: E6010; Passe

quente: E9010-G; Passes de enchimento e cobertura: E10018-G)




5. SOLDAGEM SEMI-AUTOMÁTICA E AUTOMÁTICA

Em projetos com possibilidade de soldagem seqüencial dos tubos em terreno plano, utiliza-se preferencialmente os processos de soldagem semi-automáticos ou automáticos do tipoMIG/MAG ou Arame Tubular. Com eles, consegue-se obter uma excelente combinaçãoeconômica de elevada produtividade associada a um reduzido número de soldadores.Principalmente quando os parâmetros de soldagem são controlados por computador edispositivos de avanço orbital são empregados. As propriedades mecânicas das juntassoldadas são boas e índice de reparos apresenta-se relativamente baixo, de maneirasemelhante ao processo Eletrodo Revestido.

Os metais de adição empregados são geralmente arames sólidos ou tubulares, com

diâmetros variando em torno de 0,9 a 1,2mm. De modo análogo ao discutido para oseletrodos revestidos, prefere-se adotar um arame de menor resistência mecânica e maior tenacidade para a deposição do passe de raiz. Em seguida, seleciona-se um outro aramepara o enchimento e acabamento de acordo com os valores mecânicos do tubo que estásendo soldado. O gás de proteção normalmente utilizado é o gás carbônico puro (CO2). Noentanto, combinações Argônio/CO2 (75%/25%) podem ser utilizadas para a deposição dopasse de raiz e do passe de cobertura, nos quais existe uma maior preocupação com aconfiguração geométrica do cordão de solda.

Do ponto de vista metalúrgico, os metais de adição em forma de arame maciço seassemelham muito aos eletrodos revestidos básicos quando se discute a quantidade dehidrogênio presente no metal de solda. Assim, a utilização desses arames ajuda a evitar oaparecimento de trincas a frio na junta soldada. Já o metal depositado por arames tubularescom proteção por CO2 apresenta teores um pouco mais elevados de hidrogênio. Contudo, orisco de trincamento ainda é bastante reduzido.

6. METALURGIA DA SOLDAGEM

É importante mencionar que a soldagem dos tubos de resistência elevada envolve semprealgumas recomendações especiais, principalmente em relação à um importante problemade soldabilidade, conhecido como trincamento a frio induzido por hidrogênio.

O modelo mais aceito para explicar esta fragilização foi proposto por Granjon em 1972.Segundo ele, a poça de fusão absorve o certa quantidade de hidrogênio presente naatmosfera do arco elétrico durante a soldagem. Com a solidificação, o metal de soldaadquire uma microestrutura austenítica e parte do hidrogênio absorvido é perdida devido àqueda da sua solubilidade neste reticulado. Em seguida, a austenita se transforma em ferrita+ cementita, e a solubilidade do hidrogênio cai drasticamente. Este então migra por difusãopara regiões ainda austenitizadas do metal de base. No resfriamento, estas regiões tendema temperar, apresentando uma microestrutura martensítica. Deste modo, obtêm-sehidrogênio associado à uma microestrutura frágil. A partir daí, o hidrogênio pode secombinar formando gás em microtrincas já existentes, promovendo a propagação destasdevido ao aumento da pressão interna. Já Troiano e Oriani acreditam que o hidrogênio

diminui a energia de coesão entre os átomos do reticulado nos contornos de grão einterfaces, fragilizando o material.




Para a prevenção deste fenômeno, aconselha-se eliminar as principais fontes de hidrogênio,utilizando eletrodos revestidos em condições apropriadas e gases de proteção semcontaminação de vapor de água. Em tubulações com aços de resistência elevada, aplica-seo preaquecimento da junta com a manutenção de uma temperatura interpasse mínima aolongo de toda a soldagem. Este procedimento visa fornecer condições para que o hidrogêniopresente no metal difunda para o ambiente, evitando o trincamento a frio. Além disso, ocorreuma redução na velocidade de resfriamento da junta, diminuindo a porcentagem demartensita formada. Consequentemente, tem-se uma microestrutura menos frágil, commenor susceptibilidade à formação de trincas. A temperatura de preaquecimento dependedos teores de elementos endurecedores presentes no aço e da espessura do tubo, sendoinfluenciada pelo Carbono Equivalente (CE). A Figura 4 mostra um exemplo desta relação,obtida a partir de um teste de implante, para o caso da soldagem com eletrodos revestidos

celulósicos.

Figura 4 – Relação entre a composição química do aço (Carbono Equivalente) e atemperatura de preaquecimento da junta na prevenção do trincamento, a partir de um testede implante (ref.1).





7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Em meio ao desenvolvimento de novos materiais, com características metalúrgicasdiferenciadas, e novos processos de soldagem, com melhores desempenhos econômicos,verifica-se a necessidade do contínuo aperfeiçoamento dos profissionais envolvidos com osegmento de tubulações. Por outro lado, são tantas as novidades que uma completaatualização nas áreas de siderurgia, laminação, montagem, inspeção, soldagem,revestimentos e outras, torna-se praticamente impossível. Assim, para obter sucesso nestanova realidade, é importante que a definição de fornecedor e cliente torne-se maisabrangente, de modo que ambos formem uma única equipe e realizem o projeto emconjunto. Essa idéia tem apresentado excelentes resultados, permitindo maior agilidade natransferência de tecnologia e garantia do cumprimento dos cronogramas dos projetos.

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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