Corrosão sob tensão por sulfeto em arames de aço SAE 1070 empregados na armadura de tração de dutos flexíveis : efeito de defeitos superficiais induzidos

Abstract

Os dutos flexíveis unbonded (camadas não aderentes) podem ser caracterizados como uma estrutura tubular de multicamadas de materiais metálicos e não metálicos, cada qual desempenhando uma função específica para garantir seu desempenho e sua integridade estrutural. Sua função é fazer a conexão entre o poço no fundo do mar à plataforma. Portanto, estão sujeitos a esforços mecânicos somados à ambientes corrosivos. Nesse sentido, é essencial o conhecimento dos limites suportados pelos materiais que estão sendo utilizados para a confecção dos dutos flexíveis. Com as reservas de petróleo e gás diminuindo, juntamente com o elevado consumo de combustíveis fósseis no mundo, a indústria de petróleo e gás necessita transitar para ambientes de extração cada vez mais agressivos, ricos em sulfeto de hidrogênio, dióxido de carbono e cloretos somados a níveis elevados de pressão. Com isso, novos requisitos de projeto exigem materiais de maior resistência mecânica que, em geral, particularmente os metálicos, são mais suscetíveis ao fenômeno da Corrosão sob Tensão por Sulfeto, nos ambientes acima citados, comparados aos materiais de menor resistência mecânica. Portanto, é importante a seleção de materiais resistentes à corrosão associada e a esforços mecânicos, visando minimizar os riscos de falhas catastróficas. Defeitos superficiais podem surgir durante etapas de produção do arame, durante a confecção do duto, bem como, durante a instalação e operação. Neste trabalho, foi realizada a usinagem de entalhes que simulam defeitos na superfície de arames que compõem a armadura de tração do duto, na intenção de estudar os possíveis danos causados ao material em questão, por estes entalhes (com valores de 1,5 e 2,0 medidos pela variável Kt – “fator de concentração de tensões”). Foram realizados testes de flexão à quatro pontos, tendo como base as diretrizes da norma NACE TM0316-2016, em três diferentes concentrações de misturas gasosas para cada Kt (220, 700 e 1100 ppm - “partes por milhão” de H2S com balanço de CO2). Os resultados mostraram que as amostras não romperam apenas para a concentração gasosa de 220 ppm H2S/CO2, em ambos os Kt’s. Porém, apenas o Kt de 1,5 mostrou resultado isento de falha, pois o Kt de 2,0 acabou apresentando fissuras no sentido longitudinal dos arames, surgindo a partir do entalhe usinado. Com isso, é possível dizer que foi encontrada uma condição limite, entre as variáveis impostas (2 Kt’s e 3 misturas gasosas de H2S/CO2), que não levou a armadura de tração à ruptura nas condições estudadas nesse trabalho.

The flexible pipes with non-adherent layers (unbonded) can be characterized as a multi-layer tubular structure of metallic and non-metallic materials, each one performing a specific function to guarantee its performance and its structural integrity. Its function is to make the connection between the well at the bottom of the sea and the platform. Therefore, they are subject to mechanical efforts added to corrosive environments. In this sense, it is essential to know the limits supported by the materials that are being used for the manufacture of flexible pipes. With oil and gas reserves decreasing, along with the high consumption of fossil fuels in the world, the oil and gas industry needs to transition to increasingly aggressive extraction environments, rich in hydrogen sulfide, carbon dioxide and chlorides added to high levels of pressure. With this, new design requirements require materials with greater mechanical resistance which, in general, particularly metallic ones, are more susceptible to the phenomenon of Sulfide Stress Corrosion, in the environments mentioned above, compared to materials with lower mechanical resistance. Therefore, it is important to select materials that are resistant to associated corrosion and mechanical stress, aiming to minimize the risks of catastrophic failures. Surface defects can arise during wire production stages, during pipeline construction, as well as during installation and operation. In this work, the machining of notches that simulate defects on the surface of the wires that make up the traction reinforcement of the pipeline was carried out, with the intention of studying the possible damage caused to the material in question by these notches (with values of 1.5 and 2.0 measured by the variable Kt – “stress concentration factor”). Four-point bending tests were performed, based on the guidelines of the NACE TM0316-2016 standard, in three different concentrations of gaseous mixtures for each Kt (220, 700 and 1100 ppm - “parts per million” of H2S with CO2 balance). The results showed that the samples did not break only for the gaseous concentration of 220 ppm H2S/CO2, in both Kt's. However, only the Kt of 1.5 showed a failure-free result, as the Kt of 2.0 ended up showing cracks in the longitudinal direction of the wires, arising from the machined notch. With this, it is possible to say that a limit condition was found, among the imposed variables (2 Kt's and 3 gaseous mixtures of H2S/CO2), which did not lead the tensile armor to rupture under the conditions studied in this work.