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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
PRÓ-REITORIA DE POS-GRADUAÇÃO E PESQUISA
NÚCLEO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE
MATERIAIS
MESTRADO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
ERIVALDO DIAS DE SOUZA
ANÁLISE DE CORROSÃO POR MEIO DE PERDA DE MASSA E
ESPESSURA EM AÇOS PELA AÇÃO DA ÁGUA PRODUZIDA DE
POÇOS PETROLÍFEROS
São Cristóvão - (SE)
2010
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ERIVALDO DIAS DE SOUZA
ANÁLISE DE CORROSÃO POR MEIO DE PERDA DE MASSA E
ESPESSURA EM AÇOS PELA AÇÃO DA ÁGUA PRODUZIDA DE
POÇOS PETROLÍFEROS
Dissertação de Mestrado apresentada ao
Núcleo de Pós-Graduação em Ciência e
Engenharia de Materiais da Universidade
Federal de Sergipe, para obtenção do grau
de Mestre em Ciência e Engenharia de
Materiais.
Área de Concentração: Caracterização, Propriedades e Desenvolvimento de
Materiais
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Andrade Macedo
São Cristóvão - (SE)
2010
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FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
S725a
Souza, Erivaldo Dias de
Análise de corrosão por meio de perda de massa e espessura em aços
pela ação da água produzida de poços petrolíferos / Erivaldo Dias de Souza. –
São Cristóvão, 2010.
143 f. : il.
Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) -
Universidade Federal de Sergipe, Pró-Reitoria de Pós-Graduação e Pesquisa,
Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, 2010.
Orientador: Prof. Dr. Marcelo Andrade Macedo
1. Corrosão em aços. 2. Perda de massa. 3. Poços petrolíferos. I. Título.
CDU 620.139-034.14
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
PRÓ-REITORIA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS
BANCA EXAMINADORA
Marcelo Andrade Macedo
Orientador - UFS
José Gerivaldo dos Santos Duque
Examinador - UFS
Wilton Walter Batista
Examinador - UFS
ANÁLISE DE CORROSÃO POR MEIO DE PERDA DE MASSA E ESPESSURA EM
AÇOS PELA AÇÃO DA ÁGUA PRODUZIDA DE POÇOS PETROLÍFEROS
Este exemplar corresponde à redação final da Dissertação de Mestrado
defendida pelo aluno Erivaldo Dias de Souza, aprovada pela comissão
julgadora em 25 de fevereiro de 2010.
___________________________________
Presidente da Banca
DEDICATORIA
Aos meus queridos pais: Luiz Dias de Souza
e Odete José de Souza (in memorian), pelo
amor infinito. A minha esposa Mônica Valéria
Ramos e aos meus filhos Luiz Eduardo D. R.
e Antônio Eduardo D. R. pela benção divina
desta família.
AGRADECIMENTOS
Quero externar meus sinceros agradecimentos a todos que contribuíram
direta ou indiretamente para realização deste trabalho, em especial:
À Unidade de Negócios Sergipe-Alagoas da Petróleo Brasileiro S.A., por ter
me dado a possibilidade e condição de realizar o desenvolvimento da
pesquisa em suas instalações;
Aos Engenheiros Roberto Carlos de Paula Girão, Fernando Augusto de Paiva
e Raimundo Peixoto Marques por terem me apoiado e incentivado no
desenvolvimento deste trabalho;
Ao Supervisor José Ariberto de Oliveira pelo apoio irrestrito na fabricação do
circuito de teste, sem o qual, não seria possível o desenvolvimento desta
pesquisa;
Ao Engenheiro Professor Marcelo Martins da SULZER DO BRASIL S/A
DIVISÃO FUNDINOX pela doação das amostras de aço inox duplex e vasta
bibliografia sobre o tema e aos engenheiros Rafael Hideo Enomoto e Roberto
Montargil Rocha da Petrobras pela doação das amostras de aço carbono e
aço inox respectivamente;
Aos colegas Márcio Erick Gomes da Silva, Ives Cruz dos Santos, Luciano
Diel, Guilhermino Oliva Souza e Matheus Batista Bodnar pelo apoio e
incentivo no desenvolvimento deste trabalho;
Ao supervisor e ao técnico de inspeção do Laboratório de Metalografia da
Petrobras – UN-SEAL, José Sergio de Oliveira e Marcelo Vasconcelos
Andrade pelo apoio na análise e acompanhamento dos corpos de prova;
Ao supervisor Carlos Ivan de Moura pela ajuda incondicional na instalação e
manutenção do circuito de teste;
Ao Laboratório de análise de Fluídos da sede da UN-SEAL, nas pessoas de
Anselmo Carvalho Lessa, Jairo Amâncio de Jesus e Lydia Cecília Oliveira
Henriques Santos pelo apoio na caracterização da água produzida;
Ao ITP – Instituto de tecnologia e pesquisa – UNIT, pelo apoio na
caracterização da água produzida;
Ao meu orientador Prof. Dr. Marcelo Andrade Macedo, pela orientação deste
trabalho e pela sua amizade;
Aos colegas de Mestrado, Silvio, Jorge, Mara, Paulo e Henrique pela amizade
e companheirismo;
Aos colegas do ENGP/EIPA da Petrobras na UN-SEAL pelo apoio;
A Minha esposa e filhos pelo apoio e compreensão.
RESUMO
Este trabalho foi desenvolvido objetivando o estudo do efeito da corrosão por meio
da água que está associada à produção do petróleo, principalmente em poços de
campos maduros, como é o caso da UN-SEAL. Ressalta-se que esta água é
conhecida na indústria do petróleo como água produzida. A amostra da água
produzida utilizada foi a do campo de produção de Siririzinho I do ativo de produção
de Sergipe Terra que apresentou em sua análise físico-química, altos teores de
salinidade dentre outros compostos que a torna um meio extremamente agressivo à
corrosão para os materiais utilizados na indústria do petróleo. Nesta pesquisa os
materiais estudados foram os aços: carbono ASTM A283 Gr. C, o inox ASTM A240
tipo 316L sem e com revestimento de cromo duro e o inox duplex ASTM A890 Gr.
1B. As amostras utilizadas possuíam suas composições químicas emitidas pelos
fabricantes de acordo com a norma ASTM, além disto, ensaios de microdureza e
ensaios metalográficos com o uso da microscopia óptica foram utilizados na
caracterização destes materiais. Para o estudo do efeito do ataque da água
produzida nos materiais, foi projetado e construído um circuito de teste, o qual
permitiu a inserção de corpos de prova para monitoramento e coleta de dados dos
parâmetros de massa e de espessura, além do acompanhamento visual da corrosão
ao longo do teste. Os corpos de prova foram usinados em duas formas geométricas
(disco e placa retangular) de modo a permitir e facilitar a realização dos ensaios de
medição de massa, medição de espessura através do ultra-som e da medição de
profundidade. De posse dos dados coletados foi possível calcular através de
critérios estabelecidos pela norma NACE RP 0775, a taxa de corrosão uniforme por
perda de massa e por seu desenvolvimento a taxa de corrosão por perda de
espessura, que é a mesma forma utilizada para o cálculo da taxa de corrosão por
pites segundo a norma Petrobras N-2364. Através das taxas de corrosão obtidas no
estudo, pode-se avaliar quais as possíveis perspectivas de aplicação dos materiais
em contato com o fluido corrosivo.
Palavras Chave: Corrosão. Água produzida. Circuito de teste. Corrosão em aço
carbono e inox.
ABSTRACT
This work was carried out aiming the study of the corrosion effect by the water
produced, which is associate to the production of oil, mainly in wells in mature fields,
such as the UN-SEAL. It is noteworthy that this water is known in the petroleum
industry as water produced. The sample of produced water used was of the
production field of Siririzinho I on-shore in Sergipe, which showed in its physical-
chemical analysis, high levels of salinity among other compounds, which makes it an
extremely aggressive corrosion for materials used in the petroleum industry. In this
research the materials used in this work were the carbon steel ASTM A283 Gr C, the
stainless steel ASTM A240 type 316L with and without coating of hard chrome and
the duplex stainless steel ASTM A890 Gr 1B. The sample used had chemical
compositions issued by manufacturers according to ASTM, in addition,
microhardness tests and metallographic tests with the use of optical microscopy were
used to characterize these materials. For the study of effect of the water produced
attack in the materials, was designed and built a test circuit, which allowed the
insertion of samples for monitoring and data collected of mass and thickness
parameters , and the monitoring visual corrosion during the test. The samples were
machined in two geometric shapes (rectangular plate and disk) to enable and
facilitate the testing of weight and thickness measurement by applying the ultrasound
technique and of the depth measurement. From the collected data was possible to
calculate by established criteria using the standard NACE RP 0775, the rate of
uniform corrosion by mass loss and by its development the rate of corrosion by
thickness loss, that is the same form used for the calculation of corrosion rate by pit
in agreement with the standard Petrobras N- 2364. By comparing the corrosion rates
obtained in the study, can better evaluate the possible perspectives of application of
the materials in contact with the corrosive fluid.
Keywords: Corrosion. Water produced. Test circuit. Corrosion in carbon steel and
stainless steel.
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
UFS = Universidade Federal de Sergipe
S/A = Sociedade Anônima
UN-SEAL= Unidade de Negócios Sergipe e Alagoas
ASTM = American Society Testing for Material
NACE = National Association of Corrosion Engineers
ENGP = Engenharia de Produção
EIPA = Engenharia de Instalações, Processamento e Automação
ITP = Instituto de Tecnologia e Pesquisa
UNIT = Universidade Tiradentes
HV = Hard Vickers
HRC = Hard Rockwel C
TAL = Tanque de Água Livre
LGN = Liquefeito Gás Natural
BCP = Bomba de Cavidade Progressiva
BCS = Bomba Centrífuga Submersa
PREN = Pitting Resistance Equivalent Number
ATP = Ativo de Produção
ST = Sergipe Terra
EMI = Engenharia de Manutenção e Inspeção
MI = Manutenção e Inspeção
SOP = Suporte Operacional
OM = Oficina Mecânica
ASME = American Society of Mechanical Engineers
NBR = Norma Brasileira
ASTM = American Society for Testing and Materials
CCC = Cúbico de Corpo Centrado
CFC = Cúbico de Face Centrada
SG = Separador de Gás
AISI = American Iron and Steel Institute
ISO = International Standard Organization
ET = Especificação Técnica
CP = Corpo de Prova
TP = Tipo
FAFEN = Fábrica de Fertilizantes do Nordeste
LISTA DE SÍMBOLOS
km: quilometro
MPa: mega Pascal
Hz: Hertz
V: Volt
cm: centímetro
m: metro
% :porcentagem
kg: quilograma
Kgf: quilograma força
Gr: grau
Co: Company
MMbbl/d: million blue barril liter per day (milhões de barril por dia)
Ksi: kilopounds square inchs
m
3
/s: metro cúbico por segundo
Pa: Pascal
m/s: metro por segundo
cP: centipoise
kg/m
3
: quilograma por metro cúbico
cm
2
: centímetro quadrado
m
3
/h: metro cúbico por hora
mca: metro de coluna de água
rpm: rotações por minuto
cv: cavalo vapor
kgf/cm
2
: quilograma força por centímetro quadrado
min: minuto
µ: micra
°C: grau Celsius
mol/L: mol por litro
mm: milímetro
d: dia
g: grama
g/cm
3
: grama por centímetro cúbico
α: alfa
γ
: gama
σ: sigma
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – Esquemático do sistema de produção de óleo .....................................28
FIGURA 2 – Pilha galvânica entre ferro e cobre .......................................................32
FIGURA 3 – Sistema de bombeio mecânico.............................................................36
FIGURA 4 – Poço produtor por bombeio centrífugo submerso.................................36
FIGURA 5 – Fluxograma do processamento primário de fluídos..............................37
FIGURA 6 – Espectro de freqüências sonoras..........................................................43
FIGURA 7 – Configuração clássica para o exame por ultra-som “pulso-eco”...........44
FIGURA 8 – Planejamento do procedimento experimental.......................................46
FIGURA 9 – Desenho do projeto de fundição da amostra do material aço inox duplex
..................................................................................................................................47
FIGURA 10 – Detalhe do corpo de prova tipo 1 (Arruela).........................................48
FIGURA 11 – Detalhe do corpo de prova tipo 2 (Chapa)..........................................48
FIGURA 12 – Vista de planta....................................................................................61
FIGURA 13 – Isométrico do circuito..........................................................................62
FIGURA 14 – Vista lateral.........................................................................................62
FIGURA 15 – Detalhe do conjunto montado do corpo de prova tipo 1......................63
FIGURA 16 – Detalhe do conjunto montado do corpo de prova tipo 2......................63
FIGURA 17 – Modelagem do circuito de teste..........................................................64
FIGURA 18 – Circuito de teste..................................................................................64
FIGURA 19 – Micrografia da ferrita – perlita, ataque por nital 2% em etanol 100x...81
FIGURA 20 – Micrografia da ferrita – perlita, ataque por nital 2% em etanol 500x...82
FIGURA 21 – Micrografia da ferrita – perlita, ataque por nital 2% em etanol 1000x.82
FIGURA 22 – Micrografia da austenita – fase (
γ
), ataque por ácido oxálico 100x...84
FIGURA 23 – Micrografia da austenita – fase (
γ
), ataque por ácido oxálico 500x...84
FIGURA 24 – Micrografia da austenita – fase (
γ
), ataque por ácido oxálico 1000x.85
FIGURA 25 – Micrografia da ferrita – austenita, ataque por ácido oxálico 100x.......86
FIGURA 26 – Micrografia da ferrita – austenita, ataque por ácido oxálico 500x.......86
FIGURA 27 – Micrografia da ferrita – austenita, ataque por ácido oxálico 1000x.....87
FIGURA 28 – CPs do aço inox 316L com revestimento de cromo............................90
FIGURA 29 – Corpos de prova do aço inox 316L.....................................................91
FIGURA 30 – Corpos de prova do aço inox duplex...................................................91
FIGURA 31 – Corpos de prova do aço carbono........................................................91
Figuras da primeira retirada dos corpos de prova
FIGURA 32 – Visão geral da retirada dos corpos de prova ......................................92
FIGURA 33 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após retirada do circuito de teste..............93
FIGURA 34 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo................................................................................................................93
FIGURA 35 – CP-2 aço inox 316L - após retirada do circuito de teste .....................94
FIGURA 36 – CP-2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo...................................................................................................................94
FIGURA 37 – CP-3 aço inox duplex - após retirada do circuito de teste...................95
FIGURA 38 – CP-4 aço carbono - após retirada do circuito de teste........................95
FIGURA 39 – Corpos de prova prontos para retorno ao circuito de teste.................95
Figuras da segunda retirada dos corpos de prova
FIGURA 40 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após retirada do circuito de teste..............96
FIGURA 41 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo................................................................................................................97
FIGURA 42 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................97
FIGURA 43 – CP-2 aço inox 316L - após retirada do circuito de teste .....................97
FIGURA 44 – CP-2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................98
FIGURA 45 – CP-2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo...................................................................................................................98
FIGURA 46 – CP-3 aço inox duplex - após retirada do circuito de teste...................99
FIGURA 47 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................99
FIGURA 48– CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo...................................................................................................................99
FIGURA 49 – CP-4 aço carbono - após retirada do circuito de teste........................100
FIGURA 50 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície de estudo100
FIGURA 51 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo .......................................................................................................................100
Figuras da terceira retirada dos corpos de prova
FIGURA 52 – CP-1 aço inox 316L + Cr - antes da decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................101
FIGURA 53 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................101
FIGURA 54 – CP- 1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo................................................................................................................102
FIGURA 55 – CP-2 aço inox 316L - antes da decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................102
FIGURA 56 – CP-2 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................102
FIGURA 57 – CP- 2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo .......................................................................................................................103
FIGURA 58 – CP-3 aço inox duplex - antes da decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................103
FIGURA 59 – CP-3 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................104
FIGURA 60 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo...................................................................................................................104
FIGURA 61 – CP-4 aço carbono - antes da decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................105
FIGURA 62 – CP- 4 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................105
FIGURA 63 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo .......................................................................................................................105
Figuras da quarta retirada dos corpos de prova
FIGURA 64 – CP-1 aço inox 316L + Cr - antes da decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................106
FIGURA 65 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................106
FIGURA 66 – CP- 1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo................................................................................................................107
FIGURA 67 – CP-2 aço inox 316L - antes da decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................107
FIGURA 68 – CP-2 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................107
FIGURA 69 – CP- 2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo .......................................................................................................................108
FIGURA 70 – CP-3 aço inox duplex - antes da decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................108
FIGURA 71 – CP-3 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................109
FIGURA 72 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo...................................................................................................................109
FIGURA 73 – CP-4 aço carbono - antes da decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................110
FIGURA 74 – CP- 4 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................110
FIGURA 75 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo .......................................................................................................................110
Figuras da quinta retirada dos corpos de prova
FIGURA 76 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................111
FIGURA 77 – CP- 1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo................................................................................................................111
FIGURA 78 – CP-2 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................112
FIGURA 79 – CP- 2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo .......................................................................................................................112
FIGURA 80 – CP- CP-3 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................113
FIGURA 81 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo...................................................................................................................113
FIGURA 82 – CP- 4 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................114
FIGURA 83 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo .......................................................................................................................114
FIGURA 84 – CP-5 aço inox 316L + Cr - na retirada do circuito de teste .................115
FIGURA 85 – CP-5 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................115
FIGURA 86 – CP-6 aço inox 316L - na retirada do circuito de teste.........................115
FIGURA 87 – CP-6 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................116
FIGURA 88 – CP-7 aço inox duplex - na retirada do circuito de teste.......................116
FIGURA 89 – CP-7 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................116
FIGURA 90 – CP-8 aço carbono - na retirada do circuito de teste............................117
FIGURA 91 – CP-8 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................117
FIGURA 92 – CP-9 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................118
FIGURA 93 – CP- 9 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo................................................................................................................118
FIGURA 94 – CP-10 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................119
FIGURA 95 – CP- 10 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo...................................................................................................................119
FIGURA 96 – CP-11 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo .......................................................................................................................119
FIGURA 97 – CP- 11 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo...................................................................................................................120
FIGURA 98 – CP- 12 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
..................................................................................................................................120
FIGURA 99 – CP- 12 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo .......................................................................................................................120
Fim das figuras da quinta retirada dos corpos de prova
FIGURA 100 – Gráfico da variação da espessura do aço inox 316L +Cr .................122
FIGURA 101 – Gráfico da variação da espessura do aço inox 316L........................122
FIGURA 102 – Gráfico da variação da espessura do aço inox duplex......................123
FIGURA 103 – Gráfico da variação da espessura do aço carbono...........................123
FIGURA 104 – Gráfico com a variação de massa do aço inox 316L + Cr.................125
FIGURA 105 – Gráfico com a variação de massa do aço inox 316L ........................125
FIGURA 106 – Gráfico com a variação de massa do aço inox duplex .....................126
FIGURA 107 – Gráfico com a variação de massa do aço carbono...........................126
FIGURA 108 – Gráfico da produção de petróleo (m
3
) no Brasil................................138
FIGURA 109 – Gráfico da produção de LGN (m
3
) no Brasil......................................138
FIGURA 110 – Gráfico de curvas de viscosidade.....................................................139
FIGURA 111 – Diagrama de Moody..........................................................................141
FIGURA 112 – Gráfico de comprimento equivalente e coeficiente de resistência ....142
FIGURA 113 – Gráfico com curvas características da bomba..................................143
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Análise elementar do óleo cru típico (% peso) .....................................27
TABELA 2 – Classificação devido à composição do produto de corrosão................34
TABELA 3 – Propriedades mecânicas – ASTM A283 Gr. C .....................................40
TABELA 4 – Requisitos para composição química – ASTM A283 Gr. C (% em peso)
..................................................................................................................................40
TABELA 5 – Propriedades mecânicas – ASTM A 240 tipo 316L ..............................41
TABELA 6 – Requisitos para composição química – ASTM A240 tp 316L (% em
peso) .........................................................................................................................41
TABELA 7 – Propriedades mecânicas – ASTM A 890 Gr. 1B...................................42
TABELA 8 – Requisitos para composição química – ASTMA 890 Gr.1B (% em peso)
..................................................................................................................................42
TABELA 9 – Espessura nominal dos corpos de prova por material..........................49
TABELA 10 – Dados do processo de cromagem......................................................50
TABELA 11 – Lista de material de tubulação............................................................51
TABELA 12 – Capacidade do circuito de teste..........................................................53
TABELA 13 – Rugosidade relativa............................................................................55
TABELA 14 – Cálculo de interação...........................................................................58
TABELA 15 – Dados de operação do circuito de teste .............................................60
TABELA 16 – Dados de plaqueta da bomba.............................................................60
TABELA 17 – Parâmetros do ensaio de microdureza...............................................66
TABELA 18 – Composição química do aço carbono.................................................67
TABELA 19 – Composição química do aço inox 316L..............................................67
TABELA 20 – Composição química do aço inox duplex ...........................................67
TABELA 21 – Características do lixamento e polimento superficial das amostras para
ensaio metalográfico .................................................................................................69
TABELA 22 – Reagentes aplicados no ataque superficial das amostras para ensaio
metalográfico.............................................................................................................70
TABELA 23 – Relações de volumes para cálculos da alcalinidade...........................71
TABELA 24 – Classificação de corrosividade ...........................................................74
TABELA 25 – Soluções de decapagem química.......................................................76
TABELA 26 – Parâmetros de operação do equipamento de ultra-som.....................79
TABELA 27 – Medidas de microdureza ....................................................................80
TABELA 28 – Resultados da análise química da água produzida ............................88
TABELA 29 – Resultado da segunda análise química da água produzida ...............88
TABELA 30 – Medições iniciais dos corpos de prova...............................................90
TABELA 31 – Taxa de corrosão por perda de espessura ........................................124
TABELA 32 – Medição de massa final para os CPs 9, 10, 11 e 12...........................127
TABELA 33 – Taxa de corrosão por perda de massa...............................................127
TABELA 34 – Taxa de corrosão por pites.................................................................128
TABELA 35 – Ascensão da produção Brasileira com a entrada da Petrobras..........137
TABELA 36 – Propriedades físicas da água .............................................................140
.
SUMÁRIO
RESUMO
ABSTRACT
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
LISTA DE SIMBOLOS
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABELAS
1. INTRODUÇÃO......................................................................................................24
2. OBJETIVO............................................................................................................26
2.1 Objetivos específicos ......................................................................................26
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................27
3.1 Petróleo...........................................................................................................27
3.2 Água produzida...............................................................................................29
3.3 Corrosão.........................................................................................................30
3.3.1 Princípios da corrosão ...........................................................................30
3.3.2 Formas de corrosão...............................................................................32
3.4 Corrosão na produção de petróleo e gás........................................................34
3.4.1 Corrosão de equipamentos por água produzida ..................................35
3.5 Aços carbono e inox .......................................................................................37
3.5.1 Aços carbono.........................................................................................37
3.5.2 Aços inox ...............................................................................................38
3.5.2.1 Aços inox duplex .........................................................................38
3.6 Revestimento de cromo duro..........................................................................39
3.7 Aços avaliados................................................................................................40
3.7.1 Aço carbono ASTM A283 Gr. C.............................................................40
3.7.2 Aço inox ASTM A240 tipo 316L .............................................................40
3.7.3 Aço inox duplex ASTM A890 Gr.1B.......................................................41
3.8 Ensaio não destrutivo - Técnica de medida por ultra-som ..............................42
4. MÉTODO EXPERIMENTAL..................................................................................45
4.1 Procedimento experimental.............................................................................45
4.2 Projeto e desenvolvimento do circuito de teste...............................................50
4.2.1 Materiais do circuito de teste ................................................................51
4.2.2 Capacidade volumétrica .......................................................................53
4.2.3 Cálculo da pressão e da velocidade .....................................................53
4.2.3.1 Tubulação de descarga de diâmetro nominal de 1” e 3” ............56
4.2.3.2 Tubulação de sucção de diâmetro nominal de 1”.......................57
4.2.4 Bomba centrífuga..................................................................................60
4.2.5 Desenhos do projeto.............................................................................61
4.3 Ensaios de caracterização aplicados..............................................................64
4.3.1 Ensaio de microdureza .........................................................................65
4.3.2 Composição química dos aços apresentadas pelos fabricantes...........66
4.3.3 Ensaio de metalografia .........................................................................68
4.3.4 Ensaios de análise química da água produzida....................................70
4.4 Dados a serem coletados das amostras no circuito de teste..........................73
4.5 Ensaio de corrosão por perda de massa ........................................................74
4.6 Ensaio de corrosão por perda de espessura...................................................77
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................................80
5.1 Caracterizações das amostras dos aços carbono, inox e inox duplex............80
5.1.1 Caracterização de microdureza .............................................................80
5.1.2 Caracterização de metalografia .............................................................81
5.2 Caracterização da água produzida .................................................................87
5.3 Ensaio dos corpos de prova no circuito de teste.............................................90
5.3.1 Análise dos corpos de prova 1, 2, 3 e 4 no circuito de teste..................92
5.3.2 Análise dos corpos de prova 5, 6, 7 e 8 no circuito de teste..................114
5.3.3 Análise dos corpos de prova 9, 10, 11 e 12 no circuito de teste............117
5.3.4 Análise da variação de espessura dos corpos de prova........................121
5.3.5 Análise da variação de massa dos corpos de prova..............................124
5.3.6 Análise da corrosão por pite nos corpos de prova.................................127
5.4 Correlações dos dados coletados entre as amostras .....................................128
6. CONCLUSÕES ....................................................................................................129
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................130
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.....................................................................131
ANEXOS...................................................................................................................137
24
1. INTRODUÇÃO
A corrosão tem sido um desafio para ciência ao longo dos anos, sendo ela
um fenômeno natural que ocorre nos materiais desde o início de sua fabricação até
o fim de sua vida útil. A engenharia em suas diversas áreas tem tentado adequar
materiais que possam resistir melhor ao efeito da corrosão, notadamente, nas
últimas décadas a ciência em engenharia de materiais tem proporcionado grandes
avanços nesta área, através da pesquisa e do desenvolvimento de novas técnicas
de caracterização o que tem possibilitado um melhor entendimento sobre os
fenômenos macro e micro que ocorrem nas estruturas dos diversos tipos de
materiais.
A indústria do petróleo dentre os diversos seguimentos da cadeia
produtiva da industrialização moderna é sem dúvida um dos que mais fomenta a
pesquisa e o desenvolvimento de novos materiais ou a pesquisa do uso de materiais
existentes em novas áreas de aplicação, seja por questões de segurança
operacional, seja para redução de custos diretos e indiretos ou mesmo para
viabilizar a implantação de novos projetos que a cada dia se tornam cada vez mais
desafiadores para a engenharia. Em virtude disto e de acordo com a demanda
crescente mundial pela produção de petróleo, esta indústria tem sido forçada a
melhorar suas especificações buscando atingir novos patamares da ciência e
engenharia de materiais não só para os campos de produção novos, mas também
para os campos de produção existentes.
Sendo assim, aliado a esta nova necessidade onde os esforços são de
todos, mesmo os campos de produção considerados maduros como é o caso da
UN-SEAL, ainda são fontes expressivas de produção, porém o que se observa
nestes casos é uma crescente quantidade de água associada ao petróleo, seja
devido a fatores do reservatório ou a projetos auxiliares de melhoria de produção. No
entanto essa produção crescente de água acarreta em alguns aspectos operacionais
que devem ser levados em consideração, como avaliação da planta de processo
para atender a esta nova demanda de água produzida, o comprometimento de
custos operacionais, no qual, se deixa de extrair apenas o petróleo para extrair
petróleo e água, a necessidade do desenvolvimento de novos projetos para
aproveitamento ou descarte da água excedente e ampliação dos sistemas de
25
tratamento de água por questões ambientais.
Outro aspecto não menos ruim que os anteriores está no fato da água
apresentar contaminantes que a tornam extremamente corrosiva, o que tem levado a
indústria do petróleo a tentar conciliar esta nova realidade de produção com os
materiais aplicados a máquinas e componentes.
O presente trabalho procurou desenvolver um estudo sobre o
comportamento de alguns materiais em contato com a água produzida. Neste
trabalho, o seu desenvolvimento tomou como premissa a aplicação de materiais
comerciais para avaliação do fenômeno de corrosão, os quais já são utilizados em
algumas áreas na indústria de petróleo. Foram escolhidas ligas metálicas, sendo
uma de aço carbono, uma de aço inox da família dos aços austeníticos onde foram
utilizadas amostras sem e com revestimento de cromo duro e por fim uma liga de
aço inox duplex. A água utilizada foi a do campo de produção de Siririzinho – I,
situado na cidade de Siririzinho a cerca de 50km da capital Aracaju-SE. Ressalta-se
também que para um maior controle de todo o processo um circuito de teste foi
projetado para inserção das amostras dos materiais e acompanhamento das
medições.
O desenvolvimento está baseado na análise das taxas de corrosão
medidas nas amostras, por medição de perda de massa, medição por perda de
espessura através da técnica de ultra-som e por medição de profundidade.
O objetivo das respostas obtidas com o desenvolvimento deste trabalho é
ajudar a entender melhor o fenômeno da corrosão nos materiais utilizados, bem
como ajudar nas especificações destes materiais para componentes e equipamentos
mecânicos levando-se em conta os aspectos de custo de aquisição, segurança,
manutenção, confiabilidade, risco ambiental entre outros, principalmente para as
instalações de processamento onde ocorra a água produzida.
26
2. OBJETIVO
O presente trabalho tem como ênfase a análise do fenômeno corrosivo
por água produzida, que está associada ao processo de extração do petróleo, em
ataque aos seguintes materiais: aço carbono ASTM A283 Gr. C, aço inox ASTM
A240 tipo 316L, sem e com revestimento de cromo, e o aço inox duplex ASTM A890
Gr. 1B.
2.1 Objetivos específicos
Projetar e construir um circuito de teste;
Avaliar a taxa de corrosão para os materiais: ASTM A283 Gr. C; ASTM
A240 tp 316L sem e com revestimento de cromo duro e o ASTM A890
Gr. 1B.
27
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Petróleo
O petróleo foi e ainda contínua sendo, sem dúvida, uma das maiores
fontes de energia do mundo, sendo fonte principal de riqueza de vários povos e
principal componente da matriz energética de muitos países.
Sua origem é proveniente da decomposição de matéria orgânica e esta
decomposição, para que se forme o petróleo, não pode ocorrer aleatoriamente.
Existem condições termoquímicas favoráveis para que uma decomposição orgânica
possa gerar petróleo.
A matéria orgânica pode ser proveniente de compostos vegetais ou
animais, os sedimentos como argila são os componentes que irão gerar o ambiente
favorável para decomposição e por fim as condições termoquímicas que permitirão
que toda a reação ocorra. Deve-se levar em conta o fato de que estes elementos
são determinantes no resultado do petróleo formado. São estes elementos que irão
favorecer a formação de um petróleo leve, ou pesado ou mesmo a formação de gás
em um reservatório (THOMAS et al., 2001).
O petróleo é um composto que possui uma grande variedade de
componentes, sua análise pode resultar em uma centena de compostos químicos,
notadamente ele é classificado como hidrocarboneto em função da alta porcentagem
de carbono e hidrogênio presente.
Segundo Thomas et al. (2001), apesar da grande variedade de petróleo
existente, suas análises elementares são semelhantes, o que pode ser sumarizado
na Tabela I.
TABELA 1 – Análise elementar do óleo cru típico - % peso (THOMAS et al., 2001).
Hidrogênio 11 - 14%
Carbono 83 - 87%
Enxofre 0,06 - 8%
Nitrogênio 0,11 - 1,7%
Oxigênio 0,1 - 2%
Metais até 0,3%
Contudo a extração do petróleo está geralmente acompanhada de água, e
que em muitos casos com alta salinidade, o que faz dessa água um agente
28
extremamente corrosivo para os equipamentos. Além da água encontrada, gás,
sedimentos e outros contaminantes também acompanham o petróleo em sua
extração (CUNHA, 2007). Na Figura 1 é apresentado um esquema básico de
produção de óleo.
Água para
Tratamento
Óleo Tratado
para Refinarias
Gás
Tanque de
Conjunto
Tanque de
Água Livre
Separador
de Gás
Poço Injetor
Poço Injetor
Poço Produtor
FIGURA 1 – Esquemático do sistema de produção de óleo (GOMES, 2009).
No esquema da Figura 1 pode-se ver claramente o reservatório com suas
regiões onde estão contidos o óleo e a água, as colunas de subsuperfície dos poços
de injeção e do poço de produção com seus respectivos equipamentos de cabeça de
poço, além dos equipamentos de tratamento primário de superfície.
Na configuração apresentada o petróleo juntamente com a água extraídos,
em forma de emulsão, são levados para o vaso separador de gás (SG), onde é
retirada a fração de gás contida na emulsão, logo em seguida a emulsão passa pelo
tanque de água livre (TAL), onde é feita a separação da água e do petróleo.
Posteriormente a água segue para tratamento para reinjeção através dos poços
injetores e o petróleo para o tanque de conjunto onde ficará armazenado até ser
embarcado para as refinarias.
Como complemento ver anexo 1 para visualizar Tabela com incremento
da produção de petróleo no Brasil após a criação da Petrobras em 03 de outubro de
1953 e anexo 2 para visualizar produção atual de petróleo e LGN (Gás Natural
Liquefeito) do Brasil respectivamente.
29
3.2 Água produzida
A designação de água produzida é dada à água que é extraída junto com
o petróleo do reservatório por ocasião do processo de extração do petróleo.
A água produzida associada à extração de petróleo pode ter origem em
acumulações de água, chamadas aqüíferos, que podem estar adjacentes às
formações portadoras de hidrocarbonetos ou pode ser devida à água injetada em
projetos que visam aumentar a recuperação de óleo (THOMAS et al., 2001). Ela é na
verdade um subproduto do que se pretende produzir, que são os hidrocarbonetos,
petróleo e gases.
A quantidade de água associada varia muito durante a vida produtiva dos
poços, podendo alcançar valores da ordem de 50 a 100% em volume no final da vida
produtiva destes (ROSA, 2003).
De todo o processo de exploração e produção de óleo, a água produzida
representa o maior volume a ser descartado. Durante a vida econômica de um
campo de produção, o volume de água pode ser maior que 10 vezes o volume de
hidrocarbonetos produzidos (FONSECA, 1999).
Segundo Souza e Furtado (2006), a Petrobras manipula, atualmente, mais
de 3 MMbbl/d de água, entre injeção, reinjeção e produção.
A composição da água produzida é muito complexa e altamente variável.
Consiste de água (H
2
O), que é, naturalmente, o maior componente, e de menores
quantidades de constituintes orgânicos e inorgânicos. Produtos de corrosão,
bactérias e grãos de rochas de formação podem também estar presentes juntamente
com o óleo e gases dissolvidos (FONSECA, 1999).
A água produzida com o petróleo apresenta de um modo geral,
características muito corrosivas aos equipamentos de superfície e aos de
subsuperfície, devido à elevada salinidade e elevados teores de gases dissolvidos
(H
2
S e CO
2
), sólidos em suspensão e óleo residual. Ressalta-se, no entanto que não
apresenta oxigênio dissolvido (FONSECA, 1999).
Portanto sobre a ótica da engenharia, especialmente para a engenharia de
materiais, o desafio está em consociar a aplicação de materiais resistentes à água
produzida com custos melhores de projetos.
30
3.3 Corrosão
A corrosão é sem dúvida um assunto fascinante, tema de uma vasta
literatura científica, sendo possível encontrar bibliografias com as mais variadas
abordagens sobre o assunto. Neste tópico do trabalho, o intuito é tentar esclarecer
um pouco do fenômeno associado ao escopo da pesquisa, com foco na corrosão
metálica.
Uma das definições de corrosão aceita universalmente é a do Gentil
(2007), que define corrosão como a deterioração de um material, geralmente
metálico, por ação química ou eletroquímica do meio ambiente associada ou não a
esforços mecânicos.
Ainda segundo Gentil (2007), a deterioração devido à interação físico-
química do material e o seu meio, representa alterações indesejáveis, tais como
desgaste, variações químicas ou modificações estruturais, tornando-o inadequado
para o uso. Portanto, diante do efeito da deterioração que ocorre no material, se este
aspecto não for levado em conta no momento da especificação do material em seu
projeto os efeitos de um acidente podem ser catastróficos.
3.3.1 Princípios da corrosão
O fenômeno essencial de corrosão é o mesmo para todos os metais e
ligas, diferindo apenas em grau, mas não em natureza. A corrosão pode de um
modo geral, ser classificada como corrosão seca ou corrosão aquosa. A última
requer a presença de água (RAMANATHAN).
A corrosão aquosa é um processo complicado que pode ocorrer de várias
formas e ser afetada por diferentes variáveis químicas, eletroquímicas e
metalúrgicas (SHOESMITH, 1987). Pode ser assumido que, em praticamente todos
os casos de corrosão aquosa a reação é essencialmente de natureza eletroquímica
(MAREK, 1987; RAMANATHAN). Isto significa que há fluxo de eletricidade de
algumas áreas do metal para outras áreas do mesmo metal ou entre metais
diferentes, através da solução aquosa, que é capaz de conduzir eletricidade
(RAMANATHAN).
Na prática para se conhecer melhor sobre a corrosão eletroquímica é
31
necessário entender o fenômeno sobre o ponto de vista de um conjugado metal e
solução eletrolítica que é conhecido como eletrodo. O processo se inicia com a
imersão de um metal em uma solução eletrolítica, onde se verifica o estabelecimento
de uma diferença de potencial entre as duas fases, a sólida e a líquida. Esta
diferença de potencial é, simultaneamente, de natureza elétrica e de natureza
química, e por isso se denomina diferença de potencial eletroquímico (GENTIL,
2007).
O princípio está baseado na diferença de potencial entre as camadas de
cargas elétricas de sinais contrários, que existem na interface metal-solução. A
teoria de Grahame para esta dupla camada elétrica admite que num determinado
momento, o metal pode apresentar uma carga elétrica numa região de sua superfície
que apresente deficiência ou excesso de elétrons. A região da interface, que
pertence à solução, contém moléculas do eletrólito que apresentam dipolos. Estes
dipolos se orientam na interface de acordo com o sinal da carga existente na
superfície metálica e nela ficam adsorvidos. Na superfície metálica ficam também
adsorvidos alguns íons existentes na solução, seja do metal ou do solvente. Alguns
íons do metal existentes na solução, que não estão adsorvidos, ficam solvatados,
isto é, ficam envolvidos pelas moléculas polares do solvente e se situam em regiões
mais afastadas da superfície metálica (GENTIL, 2007).
Portanto no início do processo se o potencial dos íons metálicos na rede
cristalina do metal for maior que o potencial dos íons metálicos em solução, haverá a
tendência espontânea de aqueles íons passarem para a solução e o metal ficar com
um excesso de carga elétrica negativa, pois os elétrons não podem existir livres na
solução e permanecem no metal. O potencial elétrico do metal, por isso, decresce e
a passagem de íons metálicos para a solução torna-se mais difícil até que se chegue
ao equilíbrio, nestas condições o metal terá adquirido um potencial elétrico negativo
em relação à solução e terá se corroído. No caso contrário, quando o potencial dos
íons metálicos em solução for maior que o dos íons na rede metálica, a reação
ocorrerá de forma inversa, os íons em solução passam para o metal, que fica com
um excesso de carga positiva e com o potencial elétrico mais elevado até o equilíbrio
o metal não está sendo corroído. Considerando um terceiro caso, quando o potencial
de íons metálicos do metal e da solução forem iguais não haverá transferência de
íons de uma fase para outra. Portanto exceto para o terceiro caso, sempre que dois
32
metais estiverem imersos em uma solução eletrolítica com potenciais elétricos
diferentes e se estiverem ligadas por um condutor metálico ocorrerá a formação de
uma pilha galvânica, onde haverá transferência de elétrons do metal de maior
densidade de elétrons para o de menor densidade de elétrons (GENTIL, 2007).
Este fenômeno pode ser observado claramente na Figura 2, onde
apresenta uma pilha galvânica entre duas placas metálicas, sendo uma de ferro e a
outra de cobre, imersas em um eletrólito.
FIGURA 2 – Pilha galvânica entre ferro e cobre (GENTIL, 2007).
Na pilha galvânica, Figura 2, o ferro funciona como anodo cedendo
elétrons para o cobre, liberando íons de Fe
++
na solução, vindo a se corroer,
enquanto o cobre funciona como catodo recebendo elétrons e tendo os íons de Fe
++
da solução aderidos a sua superfície, portanto não se corroendo.
A equação redox ou de oxirredução da pilha será:
Fe Fe
++
+ 2e (Oxidação) (01)
Cu
++
+ 2e Cu (Redução) (02)
Fe + Cu
++
Fe
++
+ Cu (Oxirredução) (03)
O fenômeno observado na pilha galvânica entre o ferro e o cobre de
oxidação e redução respectivamente pode ser explicado pelo potencial intrínseco
que cada metal possui. O potencial de cada metal está relacionado com a energia
liberada ou cedida quando é corroído (RAMANATHAN).
3.3.2 Formas de corrosão
Há anos cientistas em corrosão e engenheiros têm classificado as formas
33
de corrosão em grupos específicos de acordo com os aspectos similares de
corrosão (CRAIG e POHLMAN, 1987).
Fontana e Greene (1967)
1
, citados na bibliografia de Craig e Pohlman
(1987), apresentaram uma classificação de tipos de corrosão baseada em
características visuais da morfologia do ataque.
Posteriormente Craig e Pohlman (1987), propuseram uma classificação de
corrosão, onde esta, se baseava nos mecanismos de ataque.
De acordo com Gentil (2007), as formas (ou tipos) de corrosão devem
considerar a aparência ou forma de ataque e as diferentes causas da corrosão e
seus mecanismos.
Portanto, segundo Ramanathan, as diferentes formas de corrosão podem
ser classificadas de acordo com:
a) Classificação baseada no meio:
Corrosão atmosférica, corrosão pela água do mar, corrosão subterrânea,
corrosão por metal fundido, corrosão por sal fundido, corrosão por gases de escape
de produtos de combustão, corrosão bacteriológica, corrosão termo galvânica,
corrosão por corrente extraviada, corrosão por célula de concentração, corrosão sob
tensão, corrosão por atrito e corrosão-erosão.
b) Classificação baseada na causa do ataque:
Corrosão em frestas, corrosão bimetálica, corrosão por colisão, corrosão
por célula de concentração, formação de trincas e corrosão-erosão.
c) Classificação baseada no produto de corrosão:
c.1) Natureza do produto de corrosão:
Corrosão tubercular, oxidação superficial do ferro, escamação, formação
de manchas por oxidação superficial e esfoliação.
c.2) Composição do produto de corrosão:
A Tabela 2 apresenta uma classificação para alguns materiais baseada na
composição do produto de corrosão.
1
M.G. FONTANA and N.D. GREENE, Corrosion Engineering, McGraw Hill, 1967.
34
TABELA 2 – Classificação devido à composição do produto de corrosão
(RAMANATHAN).
Produto de corrosão Classificação
Óxido Oxidação
Sulfeto Sulfuração
Nitretos Nitretação
Carboneto Carbonetação
Haletos, boretos, hidretos,
nitratos, sulfatos, carbonatos,
compostos complexos, etc.
Ainda não denominados
d) Classificação baseada em fatores mecânicos:
Corrosão sob tensão, corrosão sob fadiga, corrosão por atrito e corrosão-
erosão.
e) Classificação pela localização do ataque:
Corrosão intergranular, corrosão transgranular, corrosão interdendrítica,
corrosão uniforme, corrosão por pite, corrosão seletiva, corrosão interna, cavitação e
fragilização cáustica.
f) Classificação pela cinética:
Corrosão linear, corrosão parabólica, corrosão logarítmica, corrosão
catastrófica.
3.4 Corrosão na produção de petróleo e gás
A produção de petróleo e gás, seu transporte e refino, apresentam vários
problemas ao longo de sua cadeia, no entanto, a corrosão é um dos maiores
apresentados. Os custos com paradas, reposição de materiais, construções e
pessoas envolvidas no controle da corrosão são altos (DONHAM, 1987).
De um modo geral toda a cadeia de produção de petróleo e gás está
susceptível ao processo de corrosão. O petróleo e o gás possuem associados uma
série de compostos que agem de forma muito agressiva sobre os materiais dos
equipamentos.
Os agentes corrosivos presentes no petróleo e no gás são o dióxido de
35
carbono (CO
2
), o gás sulfídrico (H
2
S), polissulfetos, ácidos orgânicos e elementos
sulfurosos. Em adição a estes agentes, têm-se ainda, as altas temperaturas e
pressões elevadas que são encontradas (DUNLOP, 1987). Além disto, existe
também a água produzida que está associada ao petróleo em sua extração, com
altos teores de cloretos.
O controle da corrosão através do uso de revestimentos, da aplicação de
novas técnicas de metalurgia, da construção e uso de materiais não metálicos, da
aplicação da proteção catódica, do uso de inibidores e outros métodos
desenvolvidos pela ciência, têm permitido o aparecimento de indústrias cujo objetivo
reside em desenvolver melhores técnicas de controle de corrosão (DONHAM, 1987).
Notadamente os meios de controle não se aplicam a um uso geral, mas quando
aplicados conseguem mitigar a corrosão e reduzir seus custos. Neste aspecto, a
indústria do petróleo tem trabalhado de todas as formas no combate e controle da
corrosão.
3.4.1 Corrosão de equipamentos por água produzida
A produção de água em campos maduros é algo indesejável, no entanto,
inevitável porque está geralmente associada ao petróleo em forma de emulsão. Por
outro lado, é possível a reutilização desta água após seu tratamento em sistemas de
reinjeção o que permite aumentar a recuperação do petróleo da formação.
Um grande número de equipamentos está susceptível a corrosão pela
água produzida, desde os de subsuperfície aos equipamentos de processamento
primário na superfície, ou mesmo, os de outros sistemas que de alguma forma
possam ter como fluído a água produzida.
Para se ter uma idéia dos equipamentos de subsuperfície, pode-se
destacar: a coluna de produção composta por tubos de produção, mandris, tubos
comando, packer, bombas de fundo tipo BCS, bombas tipo BCP, hastes de bombeio,
válvulas entre outros.
As Figuras 3 e 4 permitem ter uma idéia sobre os equipamentos de
subsuperfície do poço.
36
FIGURA 3 – Sistema de bombeio mecânico (THOMAS et al., 2001).
FIGURA 4 – Poço produtor por bombeio centrífugo submerso (THOMAS et al.,
2001).
Para os equipamentos de superfície, podemos destacar: os manifolds de
produção e os de água produzida, as tubulações e acessórios, as válvulas, os vasos
separadores, os vasos tratadores, os filtros, os tanques de processo e
armazenamento, as bombas entre outros.
A Figura 5 apresenta um fluxograma simplificado de um processo primário
37
onde se podem visualizar alguns equipamentos de superfície.
FIGURA 5 – Fluxograma do processamento primário de fluidos
(THOMAS et al., 2001).
3.5 Aços carbono e inox
Os aços são materiais extremamente versáteis com grande aplicação na
indústria, conseguindo associar boa resistência mecânica e ductilidade. Ele possui
uma importância muito grande na vida do homem, pois está muito presente em seu
dia-a-dia em quase tudo que o rodeia.
3.5.1 Aços carbono
O aço carbono segundo Chiaverini (1982), é a liga ferro – carbono
contendo geralmente 0,008% até aproximadamente 2,11% de carbono, além de
outros elementos residuais, resultantes dos processos de fabricação.
O aço carbono é o material de uso geral para os equipamentos de
processo, isto é, um material que, ao contrário dos outros materiais, não tem casos
específicos de uso, sendo empregado em todos os casos, exceto quando alguma
circunstância proíba ou não recomende o seu emprego (TELLES, 2003).
Em relação à corrosão dos aços carbono, como o ferro é um metal
próximo da extremidade anódica da série galvânica e dificilmente passivável,
raramente existe, para o aço carbono, um serviço onde a corrosão seja inteiramente
38
nula. Portanto pode-se dizer que o aço carbono só apresenta boa resistência à
corrosão em meios fortemente alcalinos, (exceto em corrosão sob tensão com soda
e potassa cáusticas), em meios neutros desaerados, e em meios de total ausência
de água ou umidade. Logo é quase sempre necessário uma sobre espessura para
corrosão, a menos que exista pintura ou algum revestimento anti-corrosivo
adequado (TELLES, 2003).
3.5.2 Aços inox
Os aços inox são ligas a base de ferro que contém no mínimo 10,5% de
cromo. Com o aumento do cromo na liga, o aço inox consegue aumentar
extraordinariamente sua resistência à corrosão (DAVISON et al., 1987).
Embora a resistência à corrosão dos aços inoxidáveis seja, em geral,
muito boa, isso não significa que sejam imunes a qualquer oxidação e muito menos
a qualquer processo corrosivo (TELLES, 2003). Sua resistência é conseguida devido
a uma camada passivadora que ocorre através da formação de uma película de
óxidos e hidróxidos de cromo na superfície do metal. Segundo Davison et al. (1987),
os aços inoxidáveis são susceptíveis ao ataque por corrosão localizada (DAVISON
et al., 1987).
De acordo com Martins (2007), os aços inoxidáveis austeníticos e
austeno-ferríticos possuem moderada resistência à corrosão e propriedades
mecânicas relativamente pobres, e os aços inox martensíticos exibem propriedades
contrárias às dos aços acima citados, o mesmo acontecendo para os aços inox
endurecíveis por precipitação.
3.5.2.1 Aços inox duplex
Os aços inoxidáveis duplex ferrítico-austeníticos têm microestruturas que
consistem em frações aproximadamente iguais destas duas fases, apresentando a
fase ferrítica como matriz e a fase austenítica precipitada com morfologia
arredondada. São ligas Fe-Cr-Ni-Mo, contendo até 0,30% em peso de nitrogênio na
forma atômica. Estes aços são caracterizados por uma combinação favorável das
propriedades dos aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos: têm elevada resistência
39
mecânica, boa tenacidade, resistência à corrosão muito boa em diversos meios e
excelente resistência à corrosão sob tensão e à fadiga. Esta combinação de
propriedades é obtida, em geral, pelo aumento dos teores de cromo e molibdênio em
relação aos aços austeníticos e com o aumento do teor de nitrogênio. Sua
resistência equivalente à corrosão por pite (PREN) varia de 35 a 40, o que confere a
este tipo de material grande aplicação na indústria de petróleo (COLPAERT, 2008;
MARTINS, 2007). Além disto, os aços inoxidáveis duplex apresentam limite de
escoamento duas ou mais vezes superior ao dos aços austeníticos, o que resulta em
significante redução de espessura de paredes de equipamentos em projetos [Silva,
2006].
3.6 Revestimento de cromo
O cromo como elemento de liga é de fato, o mais importante e
indispensável nos aços para conferir resistência à corrosão, e quando usado em
elevados teores, acima de 10%, torna-se o mais eficiente de todos, para a maioria
das condições de uso, embora os aços ao cromo e ao cromo-níquel não sejam
resistentes em certos meios, como ácido clorídrico (CHIAVERINI, 1982).
Como revestimento, o cromo também melhora a resistência a corrosão.
Este revestimento ocorre pela eletrodeposição que consiste na deposição eletrolítica
do metal que se encontra sob a forma iônica em um banho. A superfície a revestir é
colocada no cátodo de uma célula eletrolítica (NUNES e LOBO, 2007).
Observa-se também um acréscimo da dureza superficial do material
quando revestido com cromo, isto ocorre devido à camada passivadora ser formada
pelo óxido de cromo, que por sua vez possui alta dureza.
40
3.7 Aços avaliados
3.7.1 Aço carbono ASTM A283 Gr. C
Este material segundo a ASTM é um aço carbono fornecido em chapas
para uso geral. A especificação ASTM A283 possui quatro graus, todos em função
do teor de carbono da liga. O grau “C” limita o carbono em até 0,24%.
Na indústria do petróleo é largamente aplicado na fabricação de
equipamentos estáticos de processo. A descrição das propriedades mecânicas e
requisitos para composição química são descritos nas Tabelas 3 e 4,
respectivamente.
TABELA 3 - Propriedades mecânicas – Material ASTM A283 Gr. C
(NORMA ASTM A283 Gr. C, 2007).
Limite de resistência, ksi [MPa] 55-75 [380-515]
Limite de escoamento, mínimo, ksi [MPa] 30 [250]
Alongamento em 8” [200mm] mínimo, % 22
Alongamento em 2” [50mm] mínimo, % 25
TABELA 4 - Requisitos para composição química – Material ASTM A283 Gr. C - %
em peso (NORMA ASTM A283 Gr. C, 2007).
Carbono, máximo 0,24
Manganês, máximo 0,90
Fósforo, máximo 0,035
Enxofre, máximo 0,04
0,40
Silício:
Chapas de 1 ½” [40mm] e abaixo, máximo
Chapas acima de 1 ½” [40mm]
0,15-0,40
Cobre, mínimo % quando cobre é especificado 0,20
3.7.2 Aço inox ASTM A240 tipo 316L
A especificação ASTM A240 cobre chapas de aços inoxidáveis ao cromo,
ao cromo-níquel e ao cromo-níquel-manganês, sendo estes materiais aplicados em
vasos de pressão e também em uso geral. Para o material tipo 316L pode-se
41
considerar o aço liga como sendo ao cromo-níquel-manganês, na indústria do
petróleo é largamente aplicado na fabricação de equipamentos estáticos de
processo. A descrição das propriedades mecânicas e requisitos para composição
química são descritos nas Tabelas 5 e 6, respectivamente.
TABELA 5 - Propriedades mecânicas – Material ASTM A240 tipo 316L (NORMA
ASTM A240 tipo 316L, 2008).
Limite de resistência, mínimo ksi [MPa] 70 [485]
Limite de escoamento, mínimo, ksi [MPa] 25 [170]
Alongamento em 2” [50mm] mínimo, % 40
Dureza máxima, Brinell [Rockwell B] 217[95]
TABELA 6 - Requisitos para composição química – Material ASTM A240 tipo 316L - %
em peso (NORMA ASTM A240 tipo 316L, 2008).
Carbono 0,030
Manganês 2,00
Fósforo 0,045
Enxofre 0,030
Silício 0,75
Cromo 16,0-18,0
Níquel 10,0-14,0
Molibdênio 2,00-3,00
Nitrogênio 0,10
3.7.3 Aço inox duplex ASTM A890 Gr.1B
A especificação ASTM A890 cobre um grupo de aços inoxidáveis duplex
fundidos (austeníticos / ferríticos). As ligas de aços inox duplex oferecem uma
combinação entre propriedades mecânicas e resistência a corrosão, quando
balanceada corretamente sua composição e corretamente tratado termicamente. Na
indústria de petróleo este material é empregado em equipamentos tais como:
válvulas e bombas que operam com água com altos teores de salinidade. A
descrição das propriedades mecânicas e requisitos para composição química são
descritos nas Tabelas 7 e 8, respectivamente
42
TABELA 7 - Propriedades mecânicas – Material ASTM A890 Gr. 1B (NORMA
ASTM A890 Gr. 1B, 2007).
Limite de resistência, mínimo ksi [MPa] 100 [690]
Limite de escoamento,(0,2% offset) mínimo,
ksi [MPa]
70 [485]
Alongamento em 2” [50mm] mínimo, % 16
TABELA 8 - Requisitos para composição química – Material ASTM A890 Gr.1B - % em
peso (NORMA ASTM A890 Gr. 1B, 2007).
Carbono, máximo 0,04
Manganês, máximo 1,0
Silício, máximo 1,0
Fósforo, máximo 0,04
Enxofre, máximo 0,04
Cromo 24,5-26,5
Níquel 4,7-6,0
Molibdênio 1,7-2,3
Cobre 2,7-3,3
Nitrogênio 0,10-0,25
Convencionalmente neste trabalho adotaremos a seguinte designação:
aço carbono para o material ASTM A283 Gr. C, aço inox 316L para o material ASTM
A240 tipo 316L e aço inox duplex para o material ASTM A890 Gr. 1B para um
melhor entendimento do texto do trabalho.
3.8 Ensaio não destrutivo - técnica de medida por ultra-som
Os ensaios não destrutivos são assim caracterizados por não causarem
nenhum dano ao objeto que se pretende analisar.
A técnica de ultra-som é uma das mais aplicadas técnicas de ensaios não
destrutivos, sendo utilizadas na inspeção de materiais para detecção e avaliação de
descontinuidades internas, na detecção de descontinuidades superficiais, na
medição de espessuras e avaliação de corrosão e, menos frequentemente, para
determinar propriedades físicas, estrutura, tamanho de grão e constantes elásticas
de materiais (SANTIN, 2003).
O som é caracterizado por ondas mecânicas, diferentemente de ondas
eletromagnéticas que se propagam no vácuo, as ondas mecânicas para se
propagarem necessitam de um meio. O som pode ser classificado tomando-se como
referência o ser humano em infra-som, som audível e ultra-som, conforme espectro
43
de freqüências sonoras apresentado na Figura 6 (SANTIN, 2003).
FIGURA 6 – Espectro de freqüências sonoras (SANTIN, 2003).
Existem várias maneiras de geração de ondas ultra-sônicas segundo
Santin (2003), elas podem ser geradas por:
Efeito piezelétrico;
Choques ou atritos mecânicos;
Excitação térmica;
Processos eletrostáticos;
Processos eletrodinâmicos;
Processos magnetostrictivos.
Neste trabalho, o aparelho utilizado usa como princípio de geração de
ondas ultra-sônicas o efeito piezelétrico. Sabe-se que este efeito baseia-se no
princípio de que certos cristais geram corrente elétrica quando deformados
mecanicamente. De modo inverso, quando aplicado uma corrente elétrica alternada
em alguns cristais estes se deformam mecanicamente gerando ondas com
freqüências iguais as freqüências elétricas.
Portanto a técnica de ultra-som se baseia em emitir feixes de onda ultra-
sônicas na amostra e avaliar através das reflexões as características da amostra
conforme já citadas. Este mecanismo é realizado através de um transdutor, que
possui elementos internos de emissão e recepção de ondas ultra-sônicas (SANTIN,
2003).
44
A Figura 7 mostra uma configuração clássica para o exame por ultra-som.
FIGURA 7 – Configuração clássica para o exame por ultra-som “pulso-eco”
(SILVA e MEI, 2006).
O transdutor emite um pulso de onda de ultra-som que é transmitido à
peça por um meio de acoplamento, como por exemplo, a glicerina. Essa onda será
refletida por uma descontinuidade interna ou pela interface peça-ar, na superfície
oposta da peça. Torna-se evidente que os ecos das descontinuidades atingirão o
detector em tempo mais curto que o eco da superfície oposta, chamado de eco de
fundo, por percorrerem espaços mais curtos (SILVA e MEI, 2006). No entanto deve
ser ressaltado que o foco deste trabalho em utilizar a técnica de ultra-som não está
em observar possíveis descontinuidades internas dos corpos de prova, mas apenas
utilizar a técnica para realizar medições de espessuras dos corpos de prova.
Um aspecto importante do ultra-som é o fato de que a velocidade das
ondas é praticamente constante em cada material, logo o tempo de percurso pode
ser convertido em posição na peça. Em função disto o ultra-som é utilizado para
medida de espessura e detecção de sua redução como, por exemplo, por corrosão.
45
4 MÉTODO EXPERIMENTAL
4.1 Procedimento experimental
Todo o experimento foi planejado de modo a se obter os parâmetros de
medição de massa e de espessura das amostras dos materiais: aço carbono, aço
inox 316L sem e com revestimento de cromo e o aço inox duplex. Para análise de
corrosão destes materiais o meio utilizado foi à água produzida coletada do campo
de Siririzinho do ativo de produção de Sergipe Terra da unidade de negócio Sergipe
e Alagoas da Petrobras.
Neste caso, para se obter as medições de massa, de espessura ou de
profundidade dos corpos de prova havia dois caminhos a serem tomados; um deles
seria através da inserção dos corpos de prova em circuitos de tubulação nas plantas
de processo de campo, o outro, seria através do desenvolvimento de um projeto de
um circuito de teste, o qual poderia simular as condições de campo para os corpos
de prova.
Diante das duas possibilidades e da dificuldade apresentada devido à falta
de controle dos parâmetros de campo, tais como: parada da planta por shut-down,
variação de temperatura do fluido, alteração das características do fluido, possível
alteração da linha por mudança de projeto entre outros. A pesquisa foi direcionada
para a segunda opção, onde foi elaborado o projeto de um circuito de teste com a
finalidade de proporcionar o levantamento de todas as informações necessárias para
a análise comparativa de corrosão entre os materiais da pesquisa. Além disto,
ensaios de caracterização também foram realizados, com o intuito de ampliar o
entendimento de todo o processo.
Para se ter uma visão mais geral de todo o planejamento experimental,
pode ser visto na Figura 8 um fluxograma que detalha o procedimento adotado.
46
FIGURA 8 – Planejamento do procedimento experimental.
As amostras dos materiais: aço carbono e aço inox 316L por se tratarem
de materiais laminados e de uso mais comum na indústria, foram obtidas em chapas
de 80mm x 100mm com espessuras de 4,76mm e 1,5mm respectivamente, através
de órgãos operacionais da Petrobras. Sendo que o primeiro material foi encontrado
na oficina da caldeiraria da UN-SEAL/ATP-ST/MI em Carmópolis e o segundo
material foi cedido pela FAFEN/SE (Fábrica de Fertilizantes do Nordeste).
47
Para a amostra do material aço inox duplex, este, nos foi enviado como
doação pela SULZER DO BRASIL S/A DIVISÃO FUNDINOX, através do engenheiro
Dr. Marcelo Martins.
O material do aço inox duplex nos foi enviado em forma de paralelogramo
com as seguintes dimensões 100mm x 80mm x 15mm. A Figura 9 mostra o desenho
do projeto de fundição das amostras, realizado pela FUNDINOX. Deve ser
ressaltado que as amostras foram fundidas em moldes de areia de sílica,
aglomerados com resina do tipo fenólica-uretânica, de cura (polimerização) ao ar.
FIGURA 9 – Desenho do projeto de fundição da amostra do material aço inox duplex
(SULZER DO BRASIL S/A DIVISÃO FUNDINOX).
48
Os corpos de prova utilizados na pesquisa foram retirados das amostras
dos materiais em dois formatos, o tipo 1 e o tipo 2. Estas formas construtivas de
corpos de prova foram utilizadas para facilitar a coleta de dados.
Seguem nas Figuras 10 e 11 os desenhos com os detalhes dos formatos
dos corpos de prova utilizados, tipo 1 e tipo 2 respectivamente.
FIGURA 10 – Detalhe do corpo de prova tipo 1 (Arruela).
FIGURA 11 – Detalhe do corpo de prova tipo 2 (Chapa).
49
A Tabela 9 mostra um resumo por tipo e espessura nominal dos corpos de
prova por material.
TABELA 9 – Espessura nominal dos corpos de prova por material.
Material Aço carbono
Aço inox 316L
Aço inox 316L c/ Revest.
de Cr.
Aço inox
duplex
CP tipo 1 (espessura
em mm)
4,76 1,5 1,5 3,2
CP tipo 2 (espessura
em mm)
4,76 1,5 1,5 3,2
Os materiais foram usinados na oficina mecânica da UN-SEAL/SOP/OM
em Aracaju, para obterem as formas apresentadas nas figuras 10 e 11, além disto,
houve também a necessidade de usinagem do corpo de prova do aço inox duplex
por ocasião do ensaio de microdureza.
Todas as amostras foram usinadas para obtenção dos corpos de prova
tipo 1. Para o corpo de prova tipo 2 apenas a amostra de aço inox duplex foi usinada
em sua espessura, quanto aos demais materiais, suas amostras já correspondiam
dimensionalmente aos corpos de prova desejados.
Deve ser ressaltado que não houve nenhum acabamento superficial nos
corpos de prova após o processo de usinagem para inserção no circuito de teste, os
mesmos foram utilizados com acabamento superficial de usinagem.
No processo de usinagem foram utilizadas as seguintes máquinas
operatrizes:
Serra de corte fabricante: STARRETT, modelo: ST-3420, acionada
por motor elétrico 220V / 60Hz. Com serra STARRETT, modelo:
GLADIATOR powerband –II M42, Ref.: PB II 27/6 – 10G, com
fluído de corte de óleo solúvel.
Plaina limadora fabricante: Indústrias Emanoel Rocco, modelo:
Rocco – 900, com número de identificação: 1294 e série: M. Com
ferramenta de corte em aço rápido – Bits, velocidade de corte:
60rpm.
Torno horizontal fabricante: Nardini, modelo: NZ325AT série:
D4JEQ455, acionado por motor 220V / 60 Hz.
Em referência ao revestimento de cromo realizado em alguns corpos de
50
prova do aço inox 316L, o processo adotado foi o de cromagem eletrolítica para
aplicação superficial de uma fina camada de cromo duro. Os corpos de prova tipo 1
e tipo 2 do aço inox 316L foram enviados para empresa Cromonorte – Cromagem e
Retificação Ltda em Recife-PE, para realização do revestimento de cromo. Na
Tabela 10 pode-se ver um resumo:
TABELA 10 - Dados do processo de cromagem (CROMONORTE - CROMAGEM e
RETIFICAÇÃO LTDA).
Material do substrato Aço inox 316L
Tipo de revestimento Cromo duro industrial
Processo de cromagem Eletrolítico
Composição química do revestimento
Ácido crômico
(H
2
CrO
4
)
, Ácido sulfúrico
(H
2
SO
4
)
e água
Temperatura do processo 55°C
Espessura do revestimento 20 -30µm
4.2 Projeto e desenvolvimento do circuito de teste
O circuito de teste foi desenvolvido no software Microstation Versão 8.0
em um computador HP Compaq com processador Intel
R
Duo Core
TM
2. Foram
observados os seguintes critérios para o projeto:
ET-3000.00-1200-200-PCI-001 Rev. L – 2007 – Especificação de
engenharia ET-200.03 Materiais de tubulação para instalações de
produção e facilidades de processo, Especificação técnica da
Petrobras;
ASME B16.5 – 2003 – Pipe flanges and flanged fittings, The
American Society of Mechanical Engineers;
ET-3200.00-1221-540-PNE-001 Rev. D – 2008 – Revestimento
interno para vasos, tanques e tubulações de água produzida,
Especificação técnica da Petrobras – UN-SEAL.
51
4.2.1 Materiais do circuito de teste
A seguir uma lista com os materiais empregados e suas especificações
técnicas:
TABELA 11 – Lista de material de tubulação.
Lista de material de tubulação
Item
Descrição Quantidade
1
Tubo aço carbono, DN 3", sch 40, API 5L Gr B, sem costura,
padrão ASME B36.10, extremidade solda topo, revestido
internamente com material orgânico
3950mm
2
Tubo aço carbono, DN 4",sch 40, API 5L Gr B, sem costura,
padrão ASME B36.10, extremidade solda topo, revestido
internamente com material orgânico
200mm
3
Tubo aço carbono, DN 20", sch 20, API 5L Gr B, sem costura,
padrão ASME B36.10, extremidade solda topo, revestido
internamente com material orgânico
2000mm
4
Tubo(niple reto) aço carbono, DN 1", sch 40, API 5L Gr B, sem
costura, padrão ASME B36.10, uma extremidade lisa uma
extremidade rosca
1080mm
5
Tubo aço carbono, DN 1/2", sch 80, API 5L Gr B, sem costura,
padrão ASME B36.10, extremidade solda topo
220mm
6
Curva aço carbono, DN 3", ASTM A 234 Gr WPB, padrão ASME
B16.9, 90°, raio longo, extremidade solda topo ASME B16.25,
revestida internamente com material orgânico
5 un.
7
Joelho aço carbono, DN 1", ASTM A 105, padrão ASME B16.11,
90°, classe 6000, extremidade encaixe solda
1un.
8
Niple de redução excêntrica, DN 3"X1", tubo condução, aço
carbono, ASTM A 234 Gr WPB, sem costura, extrem. lisa
1un.
9
Flange, tipo sobreposto, DN 3", aço carbono, ASTM A105,
padrão ASME B 16.5, face ressalto, classe 150, revestido
internamente com material orgânico
10 un.
10
Flange, tipo sobreposto, DN 4", aço carbono, ASTM A105,
padrão ASME B 16.5, face ressalto, classe 150, revestido
internamente com material orgânico
4 un.
11
Flange, tipo pescoço, DN 3", aço carbono, ASTM A105, padrão
ASME B 16.5, face ressalto, classe 150, revestido internamente
com material orgânico
2 un.
12
Válvula esfera, DN 1", aço carbono, tipo passagem plena, corpo
em ASTM A 105, obturador em AISI 410, corpo-sede com
revestimento orgânico, extremidade encaixe para solda com niple
sch 40, padrão ISO 17292, classe 800
1 un.
13
Válvula esfera, DN 1", aço carbono, tipo passagem plena, corpo
em ASTM A 105, obturador em AISI 410, corpo-sede com
revestimento orgânico, extremidade encaixe para solda com niple
sch 80, padrão ISO 17292, classe 800
2 un.
52
14
Válvula globo, DN 1", aço carbono, corpo em ASTM A 105,
obturador-sede em AISI 304, corpo-obturador-sede com
revestimento orgânico, extremidade encaixe, padrão ISO 1873,
classe 800
1 un.
15 Mangueira transparente, DN 3/4" 830mm
16 Mangueira transparente, DN 1" 1000mm
17 Mangote DN 1", ponta rosca 500mm
18
Parafuso estojo, aço liga, ASTM A193 Gr B7, Zn-Ni, rosca
contínua ASME B1.1, padrão ASME B18.2.1, com duas porcas
sextavadas, tipo pesada, aço carbono, ASTM A194 Gr 2H, Zn-Ni,
padrão ASME B18.2.2, tamanho 5/8"x4"
40 un.
19
Parafuso estojo, aço liga, ASTM A193 Gr B7, Zn-Ni, rosca
contínua ASME B1.1, padrão ASME B18.2.1, com duas porcas
sextavadas, tipo pesada, aço carbono, ASTM A194 Gr 2H, Zn-Ni,
padrão ASME B18.2.2, tamanho 1/2"x2 1/4"
12 un.
20 Chapa ASTM A36, espessura 6,3 mm 1m²
21
Bujão, DN 1 1/2", tipo hexagonal, ASTM A105, padrão ASME
B16.11, classe 3000, extrem. Rosca ASME B1.20.1 NPT
8 un.
22 Barra de teflon, DN 1 1/2" 600mm
23
Junta vedação, circular, tipo anel plano, lisa, p/ flange face
ressalto, papelão hidráulico não amianto (fibra aramida e NBR),
PADRÃO asme b16.21, classe 150, espessura 1,6 mm
7 un.
24
Tê para tubo, aço carbono, ASTM A 234 Gr. WPB, padrão ASME
B16.9, estremidade solda de topo, com revestimento orgânico
1 un.
25
Meia luva, aço carbono, DN 1", ASTM A 105, padrão ASME
B16.11, classe 3000, extremidade encaixe solda, com
revestimento orgânico
3 un.
26
União, aço carbono, DN 1", ASTM A 105, padrão ASME B16.11,
classe 3000, extremidade encaixe solda, com revestimento
orgânico
3 un.
27 Chapa ASTM A36, espessura 8 mm 0,36 m²
28 Chapa ASTM A36, 6,3x1200x1200mm
29 Barra chata ASTM A36, 6,3x50x1200mm
30 Cantoneira perfil "L", aço carbono, 58x58x8mm 3060mm
31
Luva, PVC rígido, DN 1", ASTM D 1784 classe 12454,
extremidade rosca
2 un.
32
Tampão, PVC rígido, DN 1", ASTM D 1784 classe 12454,
extremidade rosca
3 un.
Em virtude de ter sido aplicado para confecção do circuito os materiais em
aço carbono, materiais estes, que não resistiriam à ação corrosiva da água
produzida, todo o circuito foi revestido internamente seguindo os requisitos da
especificação técnica ET-3200.00-1221-540-PNE-001, sendo aplicado como
revestimento a resina orgânica Nova Coating – IPC ME 35 do fabricante 3M. Com
uma espessura de 300
µm.
53
4.2.2 Capacidade volumétrica
Para a verificação da capacidade do circuito de teste, foram realizados os
cálculos parciais dos componentes do circuito. A Tabela 12 apresenta um resumo
desta verificação.
TABELA 12 – Capacidade do circuito de teste
Capacidade do circuito de teste
Item
Descritivo
Diâmetro
Interno (mm)
Comprimento Trecho
reto (mm)
Volume parcial
(m³)
01 Reservatório diâmetro nominal 20"
488,96 2000 0,3755
02 Tubulação diâmetro nominal 4" 102,26 200 0,0016
03 Tubulação diâmetro nominal 3" 77,92 3950 0,0188
04 Curvas diâmetro nominal 3" 77,92 900 0,0043
05 Tubulação diâmetro nominal 1" 26,64 1080 0,0006
06 Curvas diâmetro nominal 1" 26,64 60 0,0000
07 Mangueira diâmetro nominal 1" 25,40 1000 0,0005
08 Mangote diâmetro nominal 1" 25,40 500 0,0003
09 Mangueira diâmetro nominal 3/4" 19,00 830 0,0002
Volume total (m³)
0,4019
Portanto como capacidade total do circuito de teste foi encontrado o
volume de 0,4019m³ ou (401,9L).
4.2.3 Cálculo da pressão e da velocidade
Além da capacidade volumétrica do circuito de teste, dois outros
parâmetros também foram calculados: a pressão de operação e a velocidade do
fluido. Um resumo desta análise é apresentado a seguir.
Inicialmente têm-se que calcular a altura manométrica total do sistema
para que se possa determinar o ponto de operação da bomba, este ponto é obtido
pela interseção entre a curva de altura manométrica do sistema calculada com a
curva de altura manométrica da bomba que é fornecida pelo fabricante do
equipamento. Uma vez determinado o ponto de operação na curva da bomba, com
este mesmo ponto, é obtido também a vazão do fluido no sistema.
Como esclarecimento, a altura manométrica do sistema e da bomba
também são conhecidas como Head do sistema e Head da bomba, respectivamente.
A seguir apresentamos a equação para cálculo da altura manométrica
total do sistema.
54
( ) ( )
sd
hh
g
V
ZZ
PP
H +++−+
−
=
2
2
2
12
12
γ
(04)
Onde:
H = Altura manométrica total do sistema (m);
P
2
= P
1
= Pressão nos reservatórios (Pa);
Z
2
= Altura estática de descarga (m)
Z
1
= Altura estática de sucção (m)
V
2
= Velocidade do jato livre na descarga (m/s);
g = 9,81m/s²;
h
d
= Perda de carga na linha e acessórios da descarga (m);
h
s
= Perda de carga na linha e acessórios da sucção (m).
De posse da equação da altura manométrica do sistema, calculamos
inicialmente as parcelas ainda não conhecidas, como segue, para o cálculo das
perdas de carga.
Sabemos que a equação de Darcy-Weisbach em função da vazão
volumétrica pode ser escrita como:
5
2
0826,0
D
QL
fh
total
= (05)
Onde:
L
total
= Comprimento da linha (trecho reto) + Comprimento equivalente (acessórios e
conexões) (m);
Q = Vazão volumétrica (m³/s);
D = Diâmetro interno da tubulação(m);
f = Fator de atrito, sendo o fator de atrito calculado em função do número de
Reynolds e da relação entre a rugosidade absoluta e o diâmetro da tubulação, esta
relação na verdade representa a rugosidade relativa.
)(Re,
D
ff
ε
=
(06)
55
Sabemos ainda que:
µ
ρ
VD
=Re (07)
Onde:
Re = Número de Reynolds;
ρ = Massa específica (kg/m³);
V = Velocidade de escoamento do fluido (m/s);
D = Diâmetro interno da tubulação (m);
µ = Viscosidade absoluta (cP).
De posse do Crane co. (1988), é possível obter a massa específica e a
viscosidade absoluta considerando o fluido como água.
Da Tabela A-6 do Crane co. (1988), considerando temperatura = 35ºC
(95ºF), temos ρ = 993,92 Kg/m³, (vide anexo 4).
Do gráfico A-3 do Crane co. (1988), considerando temperatura = 35ºC
(95ºF), temos µ = 0,7 cP = 0,0007 Kg/m.s, (vide anexo 3).
No entanto, ainda não é possível calcular o número de Reynolds em
virtude de não se conhecer a velocidade de escoamento do fluido.
Em referência a rugosidade relativa da tubulação, em face da inexistência
do coeficiente de atrito absoluto (ε) tabelado para tubulação em aço carbono com
revestimento interno em resina orgânica, adotaremos o valor de ε = 0,1mm, sendo
este parâmetro adotado na engenharia de modo conservativo, portanto, a
rugosidade relativa para os diâmetros de 3” e 1” são conforme Tabela 13.
Para tubulação Ø3”, tem-se o diâmetro nominal D = 0,0762m
Para tubulação Ø1”, tem-se o diâmetro nominal D=0,0254m
TABELA 13 – Rugosidade relativa
ε/D (3") ε/D (1")
0.001312
0.003937
56
Em função de não se ter os valores dos números de Reynolds calculados
para tubulação de sucção e de descarga não é possível determinar o fator de atrito
(f), através do diagrama de Moody A-24 do Crane co. (1988), (vide anexo 5).
Prosseguindo a análise, podemos calcular parcialmente os fatores devido
às perdas de carga localizadas nas tubulações de descarga e sucção, h
d
e h
s
,
respectivamente. Para estas tubulações tem-se que determinar o comprimento
equivalente de trecho reto devido aos acessórios instalados, somando-se a estes os
trechos dos tubos. Mais uma vez a título de esclarecimentos, seguem as dimensões
internas dos diâmetros usados no circuito de teste.
Para tubulação Ø3” com Schedule de 40 o diâmetro interno
D = 0,0779m
Para tubulação Ø1” com Schedule de 40 o diâmetro interno
D = 0,0266m
4.2.3.1 Tubulação de descarga de diâmetro nominal de 1” e 3”:
01 válvula globo de diâmetro nominal de 1”. Nota-se que não há como
determinar o comprimento equivalente da válvula uma vez que esta
determinação está vinculado a vazão volumétrica do sistema, ou seja, a perda
de carga localizada devido à válvula é proporcional ao fechamento da mesma;
Curvas de 90º de diâmetro nominal 3”, com diâmetro interno de 0,0779m, de
acordo com o ábaco da p. 62 de Telles (1998), o comprimento equivalente é
L
eq
= 2,0 m, como são 05 (cinco) curvas, logo L
eq
= 10,0 m;
01 ampliação concêntrica de 3” x 1”. Como ângulo de abertura do trecho de 1”
para o trecho de 3” é θ/2 = 75,7º, o que resulta no cálculo do coeficiente de
resistência da transição (
2
K
) através do uso da Fórmula 4 na p. A-26 do
Crane co. (1988), a saber:
4
22
2
)1(
β
β
−
=K (08)
57
onde
2
1
d
d
=
β
(09)
Sendo d
1
o menor diâmetro e d
2
o maior diâmetro de acordo com o
apêndice A-26 do Crane co., (1988). Portanto substituindo, temos K
2
= 64, de posse
de
2
K
e utilizando o gráfico A-30 do Crane co. (1988), temos L
eq
= 5,5 m, (vide
anexo 6).
Comprimento da tubulação de Ø3” de descarga(trecho reto): L
RETO
= 6,812 m.
Portanto: L
total descarga
Ø3” = L
td
Ø3” = 22,312m (10)
L
total descarga
Ø1” = L
td
Ø1” = L
eq da válv. Globo
(11)
4.2.3.2 Tubulação de sucção de diâmetro nominal de 1”:
01 válvula esfera de diâmetro nominal de 1”. Como ângulo de abertura do
tubo para a válvula é θ = 0º , em virtude da válvula ser do tipo passagem
plena, isto implica que β = 1 e K
1
= 3 de acordo com apêndice A-28 do Crane
co. (1988), portanto utilizando o gráfico A-30 do próprio Crane co. (1988),
encontramos L
eq
= 0,0762 m.
Comprimento da tubulação de descarga (trecho reto): L
RETO
= 0,135 m.
Portanto: L
total sucção
Ø1” = L
ts
Ø1” = 0,2112 m (12)
Fica evidenciado pelo desenvolvimento desta memória de cálculo a
importância de se conhecer inicialmente a vazão volumétrica e a velocidade do
fluído na tubulação para determinação da altura manométrica total do sistema, no
entanto, a vazão só é obtida neste caso pela interseção das curvas de altura
manométrica do sistema com a da bomba, o que gera uma interdependência da
altura manométrica com a vazão e vice-versa.
Sendo assim tem-se que realizar cálculos de interação, atribuindo valores
para vazão para que se possa calcular a altura manométrica do sistema que
58
coincida em um ponto na curva da altura manométrica da bomba, este ponto será o
de operação da bomba.
A Tabela 14 apresenta um resumo da interação realizada, considerando a
abertura da válvula globo, válvula de controle de vazão do sistema, de ¾ aberta.
Conforme apresentado na p. A-27 do Crane co. (1988), tem-se o coeficiente de
resistência da válvula K
1
= 340, de posse deste valor e utilizando o ábaco A-30 da
mesma bibliografia, encontra-se o L
eq
= 9,143m, e utilizando o fator multiplicador de
(3) para abertura de ¾ da válvula globo, segundo Mattos e Falco (1998), p. 77, tem-
se como comprimento equivalente total para a válvula L
eq
= 9,143m x 3 = 27,429m,
Portanto: L
total descarga
Ø1” = L
td
Ø1” = 27,429m (Válvula Globo) (13)
Nota-se que por definição Z
1
e Z
2
serão:
Z
1
= (1200-432)- (88,9/2) = 723,55 mm = 0,72355 m (14)
Z
2
= 768 mm = 0,768 m (15)
E que as áreas da seção transversal da tubulação de 1” e 3” serão
respectivamente As e Ad:
As = 5,57 cm² (16)
Ad = 47,7 cm² (17)
TABELA 14 – Cálculo de interação
Q(m³/h) Vs(m/s) Vd(m/s) Hu(m) Res Red hs(m) hd(m)
0,75 0,374028
0,043675751 0,315328657
14126,63
4830,935
0,001989992
0,259532
1,5 0,748055
0,087351502 1,037892039
28253,26
9661,871
0,007277685
0,948738
2,25 1,122083
0,131027254 2,211972843
42379,89
14492,81
0,01586308 2,06745
2,625 1,309096
0,152865129 2,994689425
49443,21
16908,27
0,021591414
2,814029
2,9 1,44624 0,168879571 3,644796983
54622,97
18679,62
0,026352296
3,434103
3 1,49611 0,174703005 3,897377805
56506,52
19323,74
0,028201031
3,675021
3,5 1,745462
0,203820172 5,126057433
65924,28
22544,37
0,037146519
4,840694
4 1,994813
0,23293734 6,681254978
75342,03
25764,99
0,048517902
6,322143
4,5 2,244165
0,262054507 8,309716622
84759,78
28985,61
0,060382045
7,868046
5 2,493517
0,291171675 10,24786323
94177,54
32206,24
0,074545735
9,713017
5,12 2,553361
0,298159795 10,74350423
96437,8 32979,19
0,078166869
10,18484
5,5 2,742869
0,320288842 12,39058001
103595,3
35426,86
0,090200339
11,75275
6 2,99222 0,34940601 14,73647278
113013 38647,48
0,107345858
13,98585
6,5 3,241572
0,378523177 17,28612399
122430,8
41868,11
0,125982292
16,4129
59
Diante das condições apresentadas pode-se concluir que o regime de
escoamento é turbulento.
Com os parâmetros de vazão, velocidade, altura manométrica, número de
Reynolds e perda de carga calculados, resta-nos agora, obter as pressões de
sucção, descarga e pressão no ponto médio do circuito, ponto (a). Isto pode ser feito
com aplicação da equação de Bernoulli.
Sendo (a) adotado como ponto médio do circuito de teste entre a bomba e
o reservatório.
−−+=
s
s
s
h
g
V
Z
P
P
2
2
1
1
γ
γ
(18)
Substituindo temos P
s
= 0,031 Kgf/cm² (manométrica);
−++=
g
V
hZ
P
P
d
dd
2
2
2
2
γ
γ
(19)
Substituindo temos P
d
= 1,056 Kgf/cm² (manométrica);
−++=
g
V
hZ
P
P
a
aa
2
2
2
2
γ
γ
(20)
Substituindo temos P
a
= 0,045 Kgf/cm² (manométrica);
Onde:
L
total a-2
= L
trecho reto a-2
+ L
eq. 3 curvas 90º
= 3,624 + 6 = 9,624 m, (21)
Logo a perda de carga até o ponto a é h
a
= 0,014m, (22)
A Tabela 15 apresenta um resumo com todos os parâmetros do circuito de
teste calculados.
60
TABELA 15 – Dados de operação do circuito de teste
Dados de operação do circuito de teste
Vazão do sistema Q = 5,12m³/h
Velocidade de sucção do fluido Vs = 2,55m/s
Velocidade de descarga do fluido Vd = 0,30m/s
Altura manométrica Hu = 10,74(m)
Número de Reynolds na sucção Res = 96.437,80
Número de Reynolds na descarga Red = 32.979,19
Perda de carga na sucção hs = 0,08m
Perda de carga na descarga hd = 10,18m
Perda de carga no ponto médio (a) ha = 0,014m
Pressão de sucção Ps= 0,031 Kgf/cm²(g)
Pressão de descarga Pd= 1,056 Kgf/cm²(g)
Pressão no ponto médio Pa= 0,045 Kgf/cm²(g)
4.2.4 Bomba centrífuga
A bomba utilizada é do tipo centrífuga, fabricada pela SCHNEIDER
motobombas cujo modelo é BC-30SM. A Tabela 16 apresenta os dados de plaqueta
retirados do equipamento.
TABELA 16 – Dados de plaqueta da bomba (SCHNEIDER MOTO BOMBAS)
Fabricante: SCHNEIDER motobombas
Modelo: BC-30SM
Limites
Pressão
(mca)
Vazão
(m3/h)
Pressão máx.
(mca)
Min.
2 1,8 ------
Máx.
18 6,6 19
Rotação:
3450rpm
Bocais
Rotor:
98mm
Sucção:
3/4"
Potência:
1/2cv
Descarga:
3/4"
O material de construção da carcaça da bomba é em PVC, sendo seu
rotor do tipo fechado fabricado em Noryl
R
,
com selo mecânico constituído de aço inox
AISI-304, buna N e cerâmica. Seu acionamento é feito através de um motor elétrico
IP-21 JET PUMP, 2 pólos, 60Hz, eixo de aço inox AISI-316, bifásico 220V. Para
maiores detalhes ver anexo 7 com dados técnicos de catálogo do equipamento e
suas curvas características.
61
4.2.5 Desenhos do projeto
Na Figura 12 pode-se observar uma vista da planta de todo o circuito de
teste. Neste desenho percebe-se os locais aonde foram instalados os corpos de
prova tipo 1 e tipo 2, além do desenho permitir também uma visualização do lay-lout
de seus componentes na instalação, tais como: reservatórios, válvulas e da bomba
centrífuga.
FIGURA 12 – Vista de planta
A Figura 13 apresenta uma vista em isométrico do circuito, enquanto a
Figura 14 apresenta uma vista lateral.
62
FIGURA 13 – Isométrico do circuito
FIGURA 14 – Vista lateral
63
A Figura 15 apresenta a fixação dos corpos de prova tipo 1 e a Figura 16
a fixação dos corpos de prova tipo 2.
FIGURA 15 – Detalhe do conjunto montado do corpo de prova tipo 1
FIGURA 16 – Detalhe do conjunto montado do corpo de prova tipo 2
A Figura 17 a seguir, apresenta uma visualização completa através de
uma modelagem realizada com a utilização do software SolidWorks
®
(2009) para o
circuito de teste.
64
FIGURA 17 – Modelagem do circuito de teste
A Figura 18 a seguir, apresenta uma visualização do circuito de teste em
operação.
Figura 18 – Circuito de teste
4.3 Ensaios de caracterização aplicados
Os ensaios aplicados para caracterizar os materiais foram os de
microdureza, e os ensaios metalográficos. Em relação à composição química dos
materiais foram adotados os valores informados nos respectivos certificados de
65
qualidade emitidos pelos fabricantes. Para caracterização da água produzida foi
realizado uma análise química.
4.3.1 Ensaio de microdureza
A dureza é uma importante propriedade mecânica dos materiais. Segundo
Callister (2006), a dureza consiste em uma medida da resistência de um material a
uma deformação plástica localizada, que pode ser devido a uma pequena impressão
ou a um risco. Esta análise permite quantificar e comparar o quanto um material
possui maior dureza que outro.
O ensaio de microdureza foi realizado no laboratório de magnetismo e
filmes do departamento de física da Universidade Federal de Sergipe, sendo
utilizado um microdurômetro do fabricante Shimadzu modelo DUH-211S integrado
com um software DUH-211 da própria Shimadzu.
As medidas foram realizadas de acordo com a escala Vickers (HV) de
dureza no qual segundo Callister (2006) um penetrador de diamante muito pequeno
e com geometria piramidal é forçado contra a superfície do corpo de prova. As
cargas aplicadas podem variar de 1 a 1000g e a impressão resultante é observada
sob um microscópio e medida, essa medida é então convertida em um número
índice de dureza. No caso do equipamento utilizado no ensaio, as medidas eram
fornecidas diretamente através do software integrado ao equipamento. Deve ser
ressaltado que a escala Vickers além da Knoop são considerados como métodos de
medição de microdureza em virtude do range da carga aplicada e do tamanho do
penetrado ser muito pequenos. O modo de teste empregado foi o de Load-unload
com taxa de penetração e de retirada constante.
O ensaio é iniciado com a limpeza e colocação da amostra sobre o
suporte do equipamento, em seguida é ajustado o foco da superfície da amostra na
ocular para correção da altura do penetrador sobre a amostra, uma vez feito isto, e
ajustado os parâmetros de teste o processo é iniciado através do software do
equipamento. A Tabela 17 apresenta os parâmetros do ensaio de microdureza
empregados.
66
TABELA 17 - Parâmetros do ensaio de microdureza.
Parâmetros do ensaio de microdureza
Material
Força de
penetração (mN)
Força
mínima (mN)
Taxa de
penetração (mN/s)
Tempo de aplicação da
carga (s)
Aço inox
316L + Cr.
200 1,96 14,01 5
Aço inox
316L
200 1,96 14,01 5
Aço inox
duplex
200 1,96 14,01 5
Aço carbono
200 1,96 14,01 5
Para realização do ensaio, as amostras dos materiais: aço carbono e aço
inox duplex, tiveram que sofre ajustes de acabamento superficial em virtude de
possuírem inicialmente em suas faces muitas irregularidades, o que poderia causar
erros de medição.
4.3.2 Composição química dos aços apresentadas pelos fabricantes
A análise química de um material permite identificar e quantificar o quanto
possui de cada elemento dentro da liga do material. Esta análise é de fundamental
importância, segundo Telles (2003), as propriedades de um aço são grandemente
influenciadas mesmo que seja por pequenas variações em sua composição química.
Para os materiais aço carbono e o aço inox 316L aplicados nesta
pesquisa, os respectivos corpos de prova foram coletados de chapas que possuíam
certificados de qualidade, emitidos pelos fabricantes, portanto, foram adotados os
valores das composições químicas informadas em seus respectivos certificados.
No tocante ao material aço inox duplex, que foi doado para pesquisa, a
FUNDINOX enviou a composição química do material, que foi adotada neste
trabalho, juntamente com os parâmetros do tratamento térmico aplicado.
A Tabela 18 apresenta a composição química para o aço carbono
conforme seu certificado de qualidade de número 7A06606, emitido pela Companhia
siderúrgica de Tubarão cuja corrida de fabricação do material é a de número
2568580L.
67
TABELA 18 – Composição química do aço carbono (COMPANHIA SIDERÚRGICA
DE TUBURÃO).
MATERIAL C Si Mn P S Al Cu Ni Cr Mo V Nb N Sn Ti B
A283 Gr. C 0,14 0,205 0,73 0,2 0,0083 0,028 0,006 0,003 0,021 0,001 0,001 0,0001 0,0023 0,001 0,001 0,0002
COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%) em peso
A Tabela 19 apresenta a composição química para o aço inox 316L
conforme seu certificado de qualidade de número 243476, emitido pela ACESITA
S.A., cuja corrida de fabricação do material é a de número 700370J. O material,
segundo o fabricante, foi solubilizado entre 1050 e 1150°C seguido de resfriamento
rápido.
TABELA 19 - Composição química do aço inox 316L (ACESITA S.A.).
MATERIAL C Mn Si P S Cr Ni Mo N2 (PPM) Ti Cu Co
A240 tp 316L 0,016 1,340 0,410 0,030 0,002 16,580 10,270 2,089 346 0,004 0,036 0,062
COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%) em peso
O aço inox duplex, após a sua fundição cuja corrida de fabricação foi a de
número M-3150, sofreu um tratamento térmico com solubilização a temperatura de
patamar de 1110°C, mantido por 4h e depois resfriad o em água. A Tabela 20
sumariza a composição química do aço inox duplex, conforme apresentado pela
Sulzer do Brasil S/A divisão Fundinox.
TABELA 20 - Composição química do aço inox duplex (SULZER DO BRASIL S/A
DIVISÃO FUNDINOX).
MATERIAL C Cr Ni Mn Si Mo S P Cu N
A890 Gr.1B 0,031 25,49 5,72 0,83 0,8 1,87 0,007 0,025 2,81 0,19
COMPOSIÇÃO QUÍMICA (%) em peso
Deve-se atentar ao fato de que o elemento ferro (Fe) entra como balanço
na composição química destes materiais.
68
4.3.3 Ensaio metalográfico
O ensaio metalográfico é sem dúvida uma ferramenta muito importante no
estudo e na caracterização de materiais, que permite obter informações sobre a
microestrutura do material, tais como: tamanho e a forma do grão; identificação de
fases; permite que as associações entre as propriedades e a estrutura (e os
defeitos) sejam compreendidas da forma apropriada, a fim de prever as
propriedades dos materiais uma vez que essas relações tenham sido estabelecidas;
projetar ligas com novas combinações de propriedades; determinar se um material
foi ou não tratado termicamente da maneira correta e realizar investigação sobre o
modo de uma fratura mecânica (CALLISTER, 2006).
O ensaio é caracterizado por algumas etapas:
Corte da amostra;
Embutimento da amostra;
Lixamento e polimento da superfície da amostra que será
analisada;
Ataque por reagente químico da superfície da amostra;
Visualização da amostra através de microscópio.
O corte da amostra é o primeiro passo a ser dado no ensaio metalográfico,
é nesta etapa que se define qual a região ou superfície a ser analisada, pois esta
pode resultar de um corte perpendicular ou longitudinal ao plano de laminação do
material, no caso de corpos de prova laminados.
Para os cortes das amostras foi utilizado uma cortadeira metalográfica do
fabricante Panambra, modelo Mesotom. O disco de corte usado foi de carborundum
do fabricante Arotec modelo AA2 15/25 HRC, sendo usado o fluido de corte de óleo
solúvel em água.
O embutimento realizado nas amostras possui como característica
principal facilitar o manuseio da amostra para a operação seguinte de lixamento e
polimento. O material foi fixado em uma matriz de baquelite da marca Prazis do
fabricante Arotec S.A, para isto foi utilizado uma embutideira metalográfica do
fabricante Prazis modelo EMB-30.
Na embutideira a amostra e o pó de baquelite são prensados à 180
69
kgf/cm
2
, sobre uma temperatura de 170°C a um tempo de 15m in, resultando em
uma matriz sinterizada de baquelite, tendo em uma de suas faces a amostra do
material que será analisado.
A próxima etapa é o lixamento seguido do polimento que tem a função de
promover um acabamento superficial plano e espelhado, de modo a garantir que a
superfície da amostra não tenha defeitos tais como: planos divergentes, riscos ou
aranhões que possam induzir a erros de interpretações na análise.
O equipamento utilizado para o lixamento e o polimento foi uma politriz
que associa diversos tipos de discos de lixas com vários fluídos abrasivos com
granulométrias específicas para garantir o acabamento final.
Na Tabela 21 segue um resumo com o tipo de disco utilizado, o
lubrificante / abrasivo e o tempo de aplicação.
TABELA 21 – Características do lixamento e polimento superficial das amostras
para ensaio metalográfico (ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS, 1976).
DISCO LUBRIFICANTE / ABRASIVO
TEMPO DE
APLICAÇÃO
MD - PIANO 220
ÁGUA 2 min
MD - LARGO
DIAPRO ALEGRO LARGO - 9µm (dureza
abaixo de 45 HRC)
3 min
MD - DAC DIAPRO DAC - 3µm 3 min
MD - NAP DIAPRO NAP B - 1µm 3 min
MD - CHEN OP AN - 0,02µm 1 min
Na seqüência vem o ataque químico que tem a função de revelar a
superfície da amostra apresentando sua microestrutura. O reagente químico é
colocado em um vidro de relógio e em seguida a amostra já embutida no baquelite é
colocada com a superfície a ser analisada voltada para o reagente.
Deve ser salientado que nas amostras de aços inoxidáveis a decapagem
se da através de uma reação eletroquímica com uma ddp de 6V, sendo o reagente
químico o catodo e a amostra o anodo, a Tabela 22 apresenta os reagentes
utilizados.
70
TABELA 22 – Reagentes aplicados no ataque superficial das amostras para
ensaio metalográfico (ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS, 1976).
Reagente químico
Materiais Tempo
Aço inox 316L
Aço inox 316L com revestimento de cromo
Ácido oxálico
Aço inox duplex
10 a 15s
Nital 2% em etanol
Aço carbono 15s
A última etapa do ensaio metalográfico é a verificação da microestrutura
em um microscópio. Neste trabalho foi utilizado um microscópio ótico do fabricante
Olympus modelo BX51M que possui uma ampliação de até 1000 vezes.
4.3.4 Ensaios de análise química da água produzida
Os ensaios de análise físico-química propostos para caracterizar a água
produzida utilizada nesta pesquisa foram:
pH
Hidroxila (OH
-
);
Carbonato (CO
3
2-
);
Bicarbonato (HCO
3
-
);
Alcalinidade (CaCO
3
);
Cloretos (Cl
-
);
Sulfato (SO
4
2-
);
Metais (Bário, cálcio, estrôncio, ferro, magnésio, potássio, sódio);
Demanda química de oxigênio - DQO.
O ensaio de demanda química de oxigênio foi realizado no laboratório da
UNIT / ITP - Universidade Tiradentes / Instituto de Tecnologia e Pesquisa em
Aracaju, todos os demais foram realizados no laboratório de água e fluidos na sede
da UN-SEAL.
A amostra foi adquirida através de um ponto de coleta da adutora de
descarte de água da estação coletora de Siririzinho-I (SZ-I) com Tag 12”-PCW-B9-
116, sendo colocada em um frasco plástico e posteriormente armazenada para envio
ao laboratório. Logo em seguida foram coletados 800 litros de água produzida para
71
uso no circuito de teste.
No laboratório as análises de pH, hidroxila, carbonato, bicarbonato e
alcalinidade foram feitas utilizando um único método, o de titulação potenciométrica,
que segundo a norma N-1451 (2006), da Petrobras, o método consiste em uma
titulação de neutralização a um pH preestabelecido, sendo o ponto final determinado
potenciometricamente. Para estas análises, o laboratório adotou o procedimento
conforme a norma N-1451 (2006), onde inicialmente uma alíquota da amostra foi
filtrada com o uso de papel de filtro número 41 e posteriormente medido seu pH
através do pHmetro do fabricante Metrohm modelo Brinkmann.
De modo simplificado, o procedimento é aplicado da seguinte forma, a
amostra é titulada com solução de ácido clorídrico (HCl) 0,02 mol/L até o pH 8,1 que
é considerado como primeiro ponto de inflexão da curva de titulação e registrado o
volume consumido (P) neste pH. A análise prossegue titulando a amostra até o pH
de 4,5 que é o segundo ponto de inflexão da curva de titulação e neste ponto se
registra o volume de ácido acumulado (T). De posse dos valores dos volumes
consumidos de ácido clorídrico (P) e (T) e utilizando a Tabela 23, e as equações 23,
24 e 25, pode-se calcular as concentrações dos compostos hidroxila, carbonato e
bicarbonato.
Deve ser registrado que o pH encontrado inicialmente na amostra era
abaixo de 8,1, sendo assim o valor adotado para (P) foi zero.
TABELA 23 - Relações de volumes para cálculos da alcalinidade (NORMA
PETROBRAS N-1451, 2006).
Volumes de Solução-Padrão de Ácido correspondentes aos Ânions
P e T
Hidroxila (OH
-
) Carbonato (CO
3
2-
) Bicarbonato (HCO
3
-
)
P = zero zero zero T
P < 1/2 T zero 2P T - 2P
P = 1/2 T zero 2P zero
P > 1/2 T 2P -T 2(T-P) zero
P = T T zero zero
Equações:
mg/L de (OH
-
) =
1
1000.17..
V
CV
(23)
72
mg/L de (CO
3
2-
) =
1
1000.30..
V
CV
(24)
mg/L de (HCO
3
-
) =
1
1000.61..
V
CV
(25)
Onde:
V = volume de ácido obtido através da Tabela 23, em mL;
C = concentração da solução-padrão de ácido mol/L;
V
1
= volume da amostra, em mL;
P = volume de HCl consumido até o 1º ponto de inflexão (pH 8,1);
T = volume total de HCl acumulado até o 2º ponto de inflexão (pH 4,5).
Para o cálculo da alcalinidade total em (CaCO
3
) aplica-se a seguinte
equação:
mg/L de (CaCO
3
) =
1
500..
V
CT
(26)
Onde seus parâmetros já são conhecidos.
Para análise de cloretos, o método adotado foi o de Mohr. Método clássico
volumétrico direto.
O processo consiste em promover uma reação química entre uma solução
padrão de nitrato de prata - AgNO
3
(titulante) e o cloreto presente na amostra,
usando o cromato como indicador.
Após a adição de nitrato de prata na solução de cloreto, percebe-se que
inicia a precipitação do cloreto de prata. O ponto final da reação é observado pela
mudança da coloração da mistura em virtude da formação do cromato de prata, este
é o momento onde se registra o volume gasto de nitrato de prata, para que se possa
calcular a concentração de cloretos.
Para determinação do teor de sulfato a técnica aplicada foi a de
espectrometria de absorção molecular, sendo utilizado o espectrofotômetro de
73
absorção molecular do fabricante HACH modelo DR-2010.
A amostra é introduzida em um recipiente próprio do equipamento, o qual
fornece uma leitura direta do teor de sulfato.
Para determinação dos metais presentes na amostra a técnica aplicada foi
a de espectrometria de emissão atômica, sendo utilizado o espectrofotômetro de
emissão atômica (ICP)/(OES) Inductively Coupled Plasma / Optical Emission
Spectrometry, do fabricante Jobin yvon Horiba modelo Ultima 2.
O equipamento usa a técnica baseado em fontes de plasma. A amostra é
introduzida no equipamento, o qual irá fornecer energia que resultará em aumento
da temperatura da amostra. Este fornecimento de energia promove a quebra das
ligações químicas, vindo a ocorrer este processo de modo intermitente dentro da
região de emissão. Segundo Skoog (2002), esta técnica não só convertem os
componentes das amostras em átomos ou íons elementares, mas também nesse
processo excitam uma fração dessas espécies a altos estados eletrônicos. A rápida
relaxação dessas espécies excitadas é acompanhada pela produção de linhas
espectrais que são detectadas pelo equipamento.
Para determinação da demanda química de oxigênio (DQO), amostras da
água produzida foram enviadas ao laboratório da UNIT / ITP. O método aplicado
para análise seguiu os critérios conforme Standard methods for examination of water
and waste water – 5220. Segundo definição da norma NBR-10357 (1988), a
demanda química de oxigênio é a medida da quantidade de oxidante químico
enérgico necessário para oxidar a matéria orgânica de uma amostra, expressa em
unidades equivalentes a miligramas de O
2
por litro. Como princípio do método de
acordo com a NBR-10357 (1988), as matérias orgânicas e inorgânicas da amostra
são oxidadas em meio ácido por uma quantidade conhecida de um agente oxidante
forte. A quantidade da matéria oxidada, expressa como equivalente em oxigênio, é
proporcional à quantidade do agente oxidante consumido.
4.4 Dados a serem coletados das amostras no circuito de teste
Todos os dados coletados dos corpos de prova instalados no circuito de
teste irão subsidiar de informações fundamentais o estudo de corrosão, objetivo
deste trabalho. Estes dados coletados vão ajudar no entendimento e interpretação
74
do processo.
Os parâmetros observados nos corpos de prova serão:
Variação de massa;
Variação de espessura;
Aspecto visual da corrosão;
Tipo de corrosão atuante;
Comparação das taxas de corrosão entre os materiais;
Classificação da corrosividade.
4.5 Ensaio de corrosão por perda de massa
O ensaio de corrosão por perda de massa é realizado para quantificar
através da diferença entre a massa inicial do corpo de prova antes do processo de
corrosão com sua massa após o processo de corrosão em um determinado período.
Esta análise permite, por exemplo, estimar a vida de um equipamento,
quando se conhece a taxa de corrosão de seu material em um determinado meio
(GENTIL, 2007).
A Norma NACE RP 0775 (2005), estabelece a classificação da
corrosividade para taxa de corrosão uniforme como apresentado na Tabela 24.
TABELA 24 – Classificação de corrosividade (NORMA NACE RP 0775, 2005).
Taxa de corrosão
uniforme (mm/ano)
Taxa de corrosão
por pite (mm/ano)
Corrosividade
<0,025 <0,13 Baixa
0,025 a 0,12 0,13 a 0,20 Moderada
0,13 a 0,25 0,21 a 0,38 Alta
> 0,25 > 0,38 Severa
De acordo com a norma NACE RP 0775 (2005), a taxa de corrosão
uniforme usualmente expressa em mm/ano pode ser calculada com o uso da
seguinte equação:
75
ρ
..
.10.65,3
5
tS
m
T
C
∆
= (27)
Onde:
T
C
= Taxa de corrosão uniforme (mm/ano);
∆
m
= Variação de massa (g);
S
= Área do corpo de prova sujeita ao ataque corrosivo (mm
2
);
t
= Tempo de exposição em dias (d);
ρ = Massa específica do material do corpo de prova (g/cm
3
).
Devido ao fato dos corpos de prova utilizados apresentarem duas formas
construtivas, isto faz com que ocorra uma diferença das respectivas áreas em
contato com o meio corrosivo. Sendo assim, apresentamos a seguir as equações
para o cálculo das áreas que ficarão expostas ao ataque pela água produzida.
Para o corpo de prova tipo 1 (arruela), o cálculo da área consiste na
diferença entre a área do circulo maior e a área do circulo menor. Somando-se a
esta área resultante, a área ao longo do perímetro do circulo maior. A equação 28
representa este cálculo.
hRrRS
..2)(
22
ππ
+−= (28)
Onde:
R = Raio maior (mm);
r = Raio menor (mm);
h
= espessura da arruela (mm).
Para o corpo de prova tipo 2 (chapa), o cálculo da área consiste na
determinação da região exposta ao fluido, sendo está área conforme Figura 16 uma
região de geometria circular, haja vista, que o corte na geratriz inferior do tubo irá
representar a figura de um circulo. A equação 29 representa este cálculo.
2
.rS
π
= (29)
Onde:
r = Raio da área circular (mm);
76
Os ensaios foram realizados no laboratório de metalografia do ENGP/EMI
utilizando para medição da massa dos corpos de prova a balança analítica do
fabricante Chyo modelo JK – 200 com incerteza de 0,0001g.
Após a retirada programada dos corpos de prova tipo 1 do circuito de teste
para medição de massa, estes devem passar por um processo de limpeza e
decapagem química, antes de serem medidos na balança. A limpeza ocorre para
retirada de graxas e óleo, e a decapagem para retirada da camada de óxido formado
em sua superfície para que não haja erros na medição da massa coletada do corpo
de prova. Deve ser ressaltado que ambos os processos ocorrem por ação química.
Para limpeza os corpos de prova são imersos em um recipiente contendo
THINNER – METAL CHEK – TMC-10 por um período de 10 minutos, em seguida os
corpos de prova serão decapados conforme Tabela 25.
TABELA 25 – Soluções de decapagem química (ANNUAL BOOK OF ASTM
STANDARDS, 1976)
Material Solução Tempo
Solução de Clarke
Ácido clorídrico (HCl): 1L
Trióxido de antimônio
(Sb
2
O
3
):20g
Aço carbono
Cloreto estanoso (SnCl
2
):50g
1 a 25 min
100 ml de ácido nítrico (HNO
3
)
20 ml ácido hidrofluorico (HF),
reagindo com água para formar
Aço Inox e aço
inox duplex
1000 ml
5 a 20 min
Uma vez realizado a limpeza e a decapagem, o corpo de prova é lavado
em água corrente e seco com o uso de um secador de cabelo do fabricante GE de
1500W, para posteriormente ser medido sua massa.
Após a pesagem os corpos de prova serão novamente instalados no
circuito de teste para mais um período de ensaio até o encerramento do teste.
Vale salientar que uma outra bateria de corpos de prova tipo 1, idênticos,
também foram instalados em um outro local no circuito de teste, porém só deverão
ser removidos por ocasião do término dos ensaios, e suas taxas serão comparadas,
ao final, aos corpos de prova que ficaram sujeitos a retiradas periódicas para
medição.
77
4.6 Ensaio de corrosão por perda de espessura
O ensaio tomará como base as medições de espessuras realizadas pela
técnica de ultra-som. O interesse deste estudo é o de comparar as medições das
taxas de corrosão feitas por perda de massa com as taxas medidas por perda de
espessura dos corpos de prova. Para tanto, partindo-se da equação 27 que é
utilizada para o cálculo da taxa de corrosão por perda de massa, pode-se relacionar
a variação da massa com a variação da espessura do corpo de prova para a área
exposta ao processo corrosivo.
Sabendo que:
if
mmm −=∆ (30)
Onde:
ρ
..
fff
hSm = (31)
ρ
..
iii
hSm = (32)
Como
h
i
>
h
f
, logo substituindo em 30 teremos:
)..()..(
ρρ
iiff
hShSm
−=∆− (33)
Sabendo que as áreas expostas do corpo de prova susceptíveis a
corrosão inicias e finais serão as mesmas:
S
f
=
S
i
(34)
Logo:
)(.
fi
hhSm
−=∆
ρ
(35)
Portanto substituindo a equação 35 na equação 27 e promovendo o ajuste
dimensional necessário, encontramos a equação final para o cálculo da taxa de
corrosão em função da medição de espessura do corpo de prova.
78
t
hh
T
fi
C
)(
.365
−
= (36)
Onde:
C
T = taxa de corrosão (mm/ano);
h
i
= espessura inicial do corpo de prova (mm);
h
f
= espessura final do corpo de prova (mm);
t
= tempo de exposição em dias (d).
Há de se notar que a equação 36 é a mesma adotada segundo Gentil
(2007) e a norma Petrobras N-2364 (2003) para o cálculo da taxa de corrosão por
pites. Onde a variação de espessura (∆h) é a profundidade da cavidade corroída,
sendo esta profundidade para efeito de cálculo de taxa de corrosão por pite a
máxima encontrada. A equação então pode ser representada da seguinte forma:
t
y
T
C
.365
=
(37)
Onde:
C
T
= taxa de corrosão (mm/ano);
y = profundidade máxima dos pites (mm);
t
= tempo de exposição em dias (d).
Para realização das medições de espessura por ultra-som nos corpos de
prova tipo 2 (5, 6, 7 e 8) o equipamento utilizado foi o medidor digital
microprocessado do fabricante Krautkramer modelo DM4 DL específico para
medição de espessura. A técnica utilizada é do tipo pulso-eco, e o equipamento
possui precisão de 0,01mm. O transdutor utilizado é o modelo DA 301 com
freqüência de 5MHz. A Tabela 26 apresenta alguns parâmetros de operação do
equipamento.
79
TABELA 26 - Parâmetros de operação do equipamento de ultra-som
(SANTIN, 2003; SITE 1)
FABRICANTE
MODELO
FAIXA DE
ESPESSURA (mm)
TEMPERATURA
MÁX. (°C)
CARACTERÍSTICAS
ADICIONAIS
Krautkramer DM4 DL 0,64 a 500mm -10°C a 50°C
Resolução de
0,01mm
Para os corpos de prova que apresentaram corrosão localizada foi
utilizado para medição de profundidade um microscópio ótico do fabricante Olympus,
modelo 216765 com ampliação de 100X.
80
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Caracterizações das amostras dos aços carbono, inox e inox duplex
Neste capítulo abordaremos os resultados dos ensaios realizados para
caracterização dos materiais, conforme já descrito em todo o capítulo 4, além das
análises dos corpos de prova sobre o efeito da corrosão pela água produzida.
5.1.1 Caracterização de microdureza
Adotando como número índice de dureza a média entre as medidas
encontradas para cada material, pode se perceber que de acordo com a Tabela 27,
o revestimento de cromo na superfície do aço inox 316L provoca um aumento do
índice de dureza do material. Um outro aspecto que deve ser observado é o fato da
variação encontrada nas medidas no aço inox 316L com revestimento de cromo, o
que denota que o revestimento pode não ser totalmente uniforme ao longo da
superfície da amostra. Nota-se que o aço inox duplex apresenta maior índice de
dureza 411 HV e o aço inox 316L sem revestimento de cromo o menor 222 HV,
entre os materiais analisados. Para o aço carbono e aço inox 316L com revestimento
de cromo seus respectivos índice de dureza foram 244 HV e 306 HV.
TABELA 27 – Medidas de microdureza
MEDIDAS DE MICRODUREZA VICKERS (HV)
Número de
medições
Aço inox 316L +
Cr.
Aço inox
316L
Aço inox
duplex
Aço
carbono
1 322,608 214,141 414,414 249,494
2 322,071 228,538 401,242 226,382
3 320,912 225,595 406,513 235,602
4 308,194 219,439 419,200 238,874
5 278,512 223,197 403,865 228,966
6 306,199 220,866 392,528 233,929
7 284,145 221,84 406,355 270,627
8 331,976 221,48 431,704 257,914
9 285,534 223,931 413,785 238,019
10 302,228 220,143 421,180 265,146
Média
306 222 411 244
Desvio padrão 19 4 11 15
81
5.1.2 Caracterização de metalografia
Nas análises metalográficas aplicadas, foram obtidas imagens das
microestruturas dos materiais em três formas de ampliações: 100x, 500x e 1000x.
Na análise metalográfica aplicada ao aço carbono pode-se perceber em
suas Figuras 19, 20 e 21 apresentadas, uma configuração clássica para uma liga
Ferro – Carbono, onde se observam duas diferentes fases na microestrutura, a fase
mais clara que é a matriz composta de ferrita (Fe α) e uma outra fase, a mais escura,
que é formada por perlita, sendo esta perlita um composto de ferrita + cementita (Fe
α + Fe
3
C).A liga apresenta baixo teor de carbono, segundo sua composição 0,14%
de C, o que classifica o aço em hipoeutóide. Sua rede cristalina é do tipo CCC
devido à fase de ferrita (Fe α).Fica evidenciado na microestrutura a precipitação da
perlita na região de contorno de grão, onde há maior nível de energia de ligação
atômica devido as mudanças de orientação do policristal.
As Figuras 19, 20 e 21 mostram a microestrutura do aço carbono aplicado
neste trabalho.
FIGURA 19 – Micrografia da ferrita – perlita, ataque por nital 2% em etanol 100x.
200µm
82
FIGURA 20 – Micrografia da ferrita – perlita, ataque por nital 2% em etanol 500x.
FIGURA 21 – Micrografia da ferrita – perlita, ataque por nital 2% em etanol 1000x.
40µm
20µm
83
O aço inox 316L é um aço da família dos austeníticos possuindo apenas a
fase austenítica (Fe
γ
). No entanto, o que se verifica na micrografia realizada na
amostra do material foi o aparecimento de uma fase sigma (σ) mais escura,
precipitada na estrutura do material, proveniente de sua fabricação. Esta fase (σ)
pode apresentar no material uma fragilização preferencialmente intergranular.
Os aços inoxidáveis austeníticos são aços com estrutura cristalina CFC e
que se encontram em condição metaestável a temperatura abaixo de 912°C e acima
de 1394°C, portanto, necessita de elementos estabil izadores para reter a austenita
em sua estrutura. Segundo Colpaert (2008), os principais elementos estabilizadores
da austenita são: níquel, manganês, carbono, cobalto, cobre e nitrogênio, podendo
ser observado alguns destes elementos na composição química do material.
Segundo Martins (2007), os aços inoxidáveis austeníticos possuem boa
resistência a corrosão, no entanto, são susceptíveis a corrosão localizada. Diante
disto, deve-se evitar trabalhar com estes aços a temperaturas entre 450°C e 850°C
para que não ocorra o fenômeno da sensitização, que é a formação de carbonetos
de cromo nos contornos de grãos da microestrutura, o que propicia o aparecimento
de um tipo especial de corrosão, a corrosão intergranular, devido à formação de
regiões anódicas, com ausência de cromo e regiões catódicas com cromo (TELLES,
2003).
Um outro aspecto, que pode ser observado na Figura 24, é o
aparecimento de pequenos pontos escuros na microestrutura, o que pode
representar descontinuidades em sua rede cristalina.
Na seqüência as Figuras 22, 23 e 24 apresentam a microestrutura do aço
inox 316L aplicado no trabalho.
84
FIGURA 22 – Micrografia da austenita – fase (
γ
), ataque por ácido oxálico 100x.
FIGURA 23 – Micrografia da austenita – fase (
γ
), ataque por ácido oxálico 500x.
200µm
40µm
85
FIGURA 24 – Micrografia da austenita – fase (
γ
), ataque por ácido oxálico 1000x.
O aço inox duplex utilizado neste trabalho é um aço fundido com
microestrutura bifásica composta por uma matriz ferrítica (Fe α), região mais escura
e pela fase austenítica (Fe
γ
) precipitada, região mais clara da Figura. Percebem-se
claramente na estrutura pontos escuros provenientes de vazios na microestrutura, o
que é característico de microestruturas oriundas de fusão.
Pode-se perceber que a morfologia dos grãos de austenita é arredondada
e que não foram encontrados evidências da formação da fase sigma (σ) na amostra.
Assim como os aços inoxidáveis austeníticos a fase austenítica do inox duplex
também deve ser estabilizada para temperatura ambiente.
Nas Figuras seguintes 25, 26 e 27 se verifica a microestrutura do aço inox
duplex utilizado neste trabalho.
20µm
86
FIGURA 25 – Micrografia da ferrita – austenita, ataque por ácido oxálico 100x.
FIGURA 26 – Micrografia da ferrita – austenita, ataque por ácido oxálico 500x.
200µm
40µm
87
FIGURA 27 – Micrografia da ferrita – austenita, ataque por ácido oxálico 1000x.
5.2 Caracterização da água produzida
Como se pode perceber na Tabela 28, que apresenta um resumo do
resultado da análise química inicial realizada na água produzida, as principais
características físico-químicas da água produzida do campo de Siriri a serem
destacadas são: a elevada concentração de íons cloreto (Cl
-
), classificando-a como
água salina; a elevada concentração de íons cálcio (Ca
2+
) e magnésio (Mg
2+
),
classificando-a como uma água de elevada dureza e a proximidade da neutralidade,
visto que o pH é próximo de 7.
Outro íon de destaque e que possui elevada concentração é o sulfato
(SO
4
2-
), este ânion na presença dos cátions bário (Ba
2+
) e estrôncio (Sr
2+
) interagem
formando sais muito pouco solúveis.
20µm
88
TABELA 28 – Resultados da análise química da água produzida
(LABORATÓRIO DE ÁGUA E FLUÍDOS DA UN-SEAL; * UNIT – ITP).
Parâmetros Valor
pH 6,68
Cloretos (mg/L) 82.072,10
Salinidade (mg NaCl/L) 135.418,97
Bário (mg/L) 2,83
Cálcio (mg/L) 1.040,60
Estrôncio (mg/L) 33,45
Ferro (mg/L) 2,81
Magnésio (mg/L) 850,08
Potássio (mg/L) 862,05
Sódio (mg/L) 40.858,60
Hidróxido (mg/L) 0,00
Carbonato (mg/L) 0,00
Bicarbonato (mg/L) 620,17
Alcalinidade (mg CaCo
3
/L) 508,34
Sulfato (mg/L) 181,80
DQO* (mg/L O) 4.930,00
Após 74 dias de operação, toda a água produzida do circuito de teste foi
substituída. Esta substituição foi programada para ocorrer na metade do período do
teste, com o objetivo de garantir ao ensaio que a água produzida permaneceria com
suas características físico-químicas iniciais ao longo de todo o teste. Deve ficar claro
que a água introduzida era parte da água que foi coletada inicialmente. Nesta
ocasião, foi retirada uma amostra da água produzida que estava sendo descartada
para uma segunda análise, a Tabela 29 apresenta um resumo desta análise.
TABELA 29 – Resultado da segunda analise química da água produzida
(LABORATÓRIO DE ÁGUA E FLUÍDOS DA UN-SEAL).
Segunda análise
Parâmetros Valor
pH 7,5
Cloretos (mg/L) 81.724,90
Salinidade (mg/L) 134.846,10
Bário (mg/L) 1,5
Cálcio (mg/L) 989,60
Estrôncio (mg/L) 32,10
Magnésio (mg/L) 1.191,30
Potássio (mg/L) 936,20
Sódio (mg/L) 56.333,60
Hidróxidos (mg/L) 0,00
Carbonatos (mg/L) 0,00
89
Bicarbonatos (mg/L) 53,80
Alcalinidade total (mg/L) 44,10
Sulfatos (mg/L) 188,10
Dentre as características que podemos verificar com variação significativa
entre a análise inicial da água produzida e esta segunda análise são:
pH: Percebe-se um aumento do pH o que pode ser atribuído a entrada de
oxigênio (O
2
) no circuito de teste, o oxigênio em contato com a água na
presença de elétrons promove a formação dos íons (OH
-
), responsável
pela elevação do pH.
O
2
+ H
2
O + 4e
-
4HO
-
(38)
Bicarbonato (HCO
3
-
): foi verificado uma grande redução na concentração
de bicarbonato. A eliminação do íon bicarbonato do meio pode ser
realizada acidificando o meio, porém como pode ser verificado através da
Tabela 29, ocorreu um aumento no pH descaracterizando assim a perda
do íon bicarbonato via formação de CO
2
. Diante disto, a perda de
bicarbonato pode ser devido à formação do íon carbonato com posterior
decantação com algum cátion presente no meio.
Alcalinidade: em face da redução de concentração do íon bicarbonato e a
não modificação da concentração do íon carbonato na solução fica
evidenciado a redução da alcalinidade ocorrida entre a análise inicial
Tabela 28 e a segunda análise Tabela 29.
Como comentários gerais podemos destacar que praticamente não houve
variação de cloretos e conseqüentemente da salinidade comprovando que
não houve perdas por evaporação no circuito. Em referência aos metais
magnésio, potássio e sódio foi percebido um aumento nas respectivas
concentrações, porém sem uma causa provável.
90
5.3 Ensaio dos corpos de prova no circuito de teste
Para início do estudo do processo de corrosão os corpos de prova tiveram
que ser avaliados quanto a sua massa e dimensões. Na Tabela 30 segue resumo
das medidas iniciais levantadas.
TABELA 30 – Medições iniciais dos corpos de prova.
Medições iniciais dos co
rpos de prova
(Sequência de númeração no sentido do fluxo da válvula globo de ø1" para o reservatório)
Dimensões (mm)
Corpo de prova Material Massa (g)
Esp.
D. maior D. menor
1 Aço inox 316L + Cr 9,8867 1,58
34,05 9,95
2 Aço inox 316L 9,8304 1,54
34,04 9,86
3 Aço inox duplex 19,6234 3,17
34,03 9,97
4 Aço carbono 28,6970 4,72
34,02 10,08
Dimensões (mm)
Corpo de prova Material Massa (g)
Esp.
Largura comprimento
5 Aço inox 316L + Cr 96,0421 1,61
79,50 99,50
6 Aço inox 316L 95,2995 1,56
79,07 99,85
7 Aço inox duplex 193,1872 3,05
76,66 100,92
8* Aço carbono 283,25 4,84
79,26 98,50
Dimensões (mm)
Corpo de prova Material Massa (g)
Esp.
D. maior D. menor
9 Aço inox 316L + Cr 9,8469 1,60
34,07 10,00
10 Aço inox 316L 9,6962 1,50
33,92 10,12
11 Aço inox duplex 19,5458 3,26
33,84 9,98
12 Aço carbono 28,7621 4,73
34,09 10,06
* Para aferição da massa do corpo de prova 8, a balança utilizada foi a balança analítica de precisão
do fabricante BEL equipamentos analíticos LTDA. Cap. Máx. 4100g Min. 200g precisão de 0,01g.
Nesta etapa também foi realizado registro fotográfico dos corpos de prova
como segue:
FIGURA 28 – CPs do aço inox 316L com revestimento de cromo
1 9
5
91
Os números ao lado dos corpos de prova estão vinculados a coluna “corpo
de prova” da Tabela 30.
FIGURA 29 – Corpos de prova do aço inox 316L
FIGURA 30 – Corpos de prova do aço inox duplex
FIGURA 31 – Corpos de prova do aço carbono
2 10
6
3 11
7
4 12
8
92
5.3.1 Análise dos corpos de prova 1, 2, 3 e 4 no circuito de teste
Deve ser ressaltado que as medições iniciais de massa, dimensões e
espessura pelo ultra-som, além do registro fotográfico dos corpos de prova, foram
feitas momentos antes do início da operação do circuito de teste em 10/09/2009.
Na seqüência o registro fotográfico da primeira retirada dos corpos de
prova, após 15 dias de operação do circuito de teste em 25/09/2009.
FIGURA 32 – Visão geral da retirada dos corpos de prova
A seguir Figuras 33 e 34 com as fotos do corpo de prova número 1 –
material aço inox 316L com revestimento de cromo duro.
Foi verificado que nos corpos de prova 1 e 2 cujos materiais são aço inox
316L com e sem revestimento de cromo duro respectivamente, não houve qualquer
tipo de corrosão na face superior destes corpos de prova. No entanto, como
apresentado nas Figuras 34 e 36, houve formação de corrosão por fresta nas faces
opostas dos corpos de prova, vale ressaltar que estas faces ficam apoiadas sobre o
suporte de teflon, o que sugere a suceptibilidade destes materiais a este tipo de
corrosão no meio em estudo.
Segundo Telles (2003), a corrosão por fresta é um tipo de corrosão
localizada que acontece quando pequenas quantidades de um líquido corrosivo
ficam retidas ou estagnadas em frestas, cavidades ou quaisquer espaços
confinados, em geral. Nesses espaços confinados, o fluxo do líquido corrosivo é
difícil ou mesmo nulo, e o suprimento de oxigênio fica, assim, diminuído,
93
possibilitando a corrosão por pilha de aeração diferencial, ou por pilha de
concentração iônica diferencial. No interior da fresta, ocorrem reações
eletroquímicas que modificam a composição do eletrólito, tornando-o mais ácido. A
diminuição do pH permite a ruptura da camada passivadora dos aços inoxidáveis,
resultando em intensa corrosão localizada (TELLES, 2003).
FIGURA 33 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após retirada do circuito de teste
FIGURA 34 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo
As Figuras 35 e 36 apresentam as fotos dos corpos de prova número 2 –
material aço inox 316L sem revestimento de cromo duro.
Início de formação
de corrosão por
fresta.
94
FIGURA 35 – CP-2 aço inox 316L - após retirada do circuito de teste
FIGURA 36 – CP-2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
Não foi encontrado evidências de corrosão no corpo de prova 3 cujo o
material é o aço inox duplex, no entanto, para o corpo de prova 4 cujo o material é o
aço carbono pode-se perceber um início de corrosão generalizada.
Foram coletadas apenas as Figuras 37 e 38, quando da retirada dos
corpos de prova do circuito de teste respectivamente.
Início de formação
de corrosão por
fresta.
95
FIGURA 37 – CP-3 aço inox duplex - após retirada do circuito de teste
FIGURA 38 – CP-4 aço carbono - após retirada do circuito de teste
Na Figura 39 pode-se perceber que foi inserido entre todos os corpos de
prova e seus respectivos suportes de teflon uma fina película de borracha nitrílica
com o objetivo de eliminar as frestas.
FIGURA 39 – Corpos de prova prontos para retorno ao circuito de teste
1
2
3
4
96
Quanto ao aspecto amarelado de todas as amostras quando de sua
retirada, isto se deve a uma fina película de hidróxido de ferro depositado sobre os
corpos de prova, resultado do teor de ferro encontrado na água.
A seguir o registro fotográfico da segunda retirada dos corpos de prova,
para medição de massa do circuito de teste em 23/10/2009.
Nesta segunda retirada das amostras para análise foi possível verificar
uma evolução da corrosão por fresta nas superfícies opostas às de estudo dos
corpos de prova 1 e 2 cujos materiais são aço inox 316L com e sem revestimento de
cromo duro respectivamente, de acordo com as Figuras 41 e 45. As superfícies de
estudo destes corpos de prova não apresentaram sinais de corrosão como pode ser
visto nas Figuras 42 e 44.
As Figuras 40, 41 e 42 são do corpo de prova número 1 – material aço
inox 316L com revestimento de cromo duro.
FIGURA 40 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após retirada do circuito de teste
97
FIGURA 41 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo
FIGURA 42 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície de
estudo
As Figuras 43, 44 e 45 são do corpo de prova número 2 – material aço
inox 316L sem revestimento de cromo duro.
FIGURA 43 – CP-2 aço inox 316L - após retirada do circuito de teste
Aumento da área
de corrosão por
fresta.
Até este momento não
há indícios de
corrosão na superfície
em estudo.
98
FIGURA 44 – CP-2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície de estudo
FIGURA 45 – CP-2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
O corpo de prova 3 cujo o material é o aço inox duplex apresentou
corrosão localizada na região do chanfro do parafuso de fixação de acordo com a
Figura 47, no entanto, nem na superfície de estudo e nem na superfície oposta à de
estudo houve sinais de corrosão. Vale ressaltar que segundo Martins (2007), a
corrosão nos aços inoxidáveis duplex em meio à água produzida com altos teores de
íons cloretos, ficam sujeitos à corrosão por pite, que nucleiam principalmente nas
interfaces ferrita / austenita e crescem para o interior da ferrita.
As Figuras 46, 47 e 48 são do corpo de prova número 3 – material aço
inox duplex.
Não há indicio de
corrosão.
Aumento da área
de corrosão por
fresta.
99
FIGURA 46 – CP-3 aço inox duplex - após retirada do circuito de teste
FIGURA 47 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 48 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
Em relação ao corpo de prova 4 com o material aço carbono, pode se
Encontrado ponto de
corrosão localizada.
Superfície sem
corrosão.
Superfície sem
corrosão.
Ranhuras de
usinagem.
100
verificar a continuidade de corrosão uniforme. A corrosão ocorre de forma
generalizada sobre toda a superfície do corpo de prova. As Figuras 49, 50 e 51 são
do corpo de prova número 4 – material aço carbono.
FIGURA 49 – CP-4 aço carbono - após retirada do circuito de teste
FIGURA 50 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície de estudo
FIGURA 51 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo
Corrosão uniforme
em toda superfície.
Corrosão uniforme
em toda superfície.
Surgimento de
linhas claras e
linhas escuras.
101
A seguir o registro fotográfico da terceira retirada dos corpos de prova,
para medição de massa do circuito de teste em 23/11/2009.
Pode-se verificar nesta terceira retirada das amostras para análise que
houve a formação de pontos de corrosão por pites na superfície de estudo do corpo
de prova 1, conforme Figura 53, cujo o material é o aço inox 316L com revestimento
de cromo duro. Já o corpo de prova 2 de mesmo material que o corpo de prova 1,
porém, sem o revestimento de cromo, não apresentou indícios de formação de
corrosão na superfície de estudo, conforme Figura 56. Ambos os corpos de prova
apresentaram evolução da corrosão em placas nas respectivas superfícies opostas
as de estudo.
As Figuras 52, 53 e 54 são do corpo de prova número 1 – material aço
inox 316L com revestimento de cromo duro.
FIGURA 52 – CP-1 aço inox 316L + Cr - antes da decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 53 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo
Início de formação
de pontos de
corrosão por pites.
102
FIGURA 54 – CP- 1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície
oposta a de estudo
As Figuras 55, 56 e 57 são do corpo de prova número 2 – material aço
inox 316L sem revestimento de cromo duro.
FIGURA 55 – CP-2 aço inox 316L - antes da decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 56 – CP-2 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de
estudo
Placas de
corrosão.
Superfície sem
corrosão.
103
FIGURA 57 – CP- 2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
O corpo de prova 3 com o material aço inox duplex apresentou nesta
etapa o início de formação de corrosão localizada na superfície oposta a de estudo
como pode ser visto na Figura 60. Em sua outra face não houve indícios de corrosão
de acordo com a Figura 59, ressalta-se que a área de corrosão verificada no chanfro
do corpo de prova onde fica o parafuso de fixação não apresentou evolução.
As Figuras 58, 59 e 60 são do corpo de prova número 3 – material aço
inox duplex.
FIGURA 58 – CP-3 aço inox duplex - antes da decapagem química, superfície de
estudo
Placas de
corrosão.
104
FIGURA 59 – CP-3 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 60 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
Para o corpo de prova 4 com o material aço carbono se verificou a
continuidade de corrosão uniforme em todo o corpo de prova.
As Figuras 61, 62 e 63 são do corpo de prova número 4 – material aço
carbono.
Superfície sem
corrosão.
Início de pontos de
corrosão por fresta.
Sentido circular
da corrosão.
105
FIGURA 61 – CP-4 aço carbono - antes da decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 62 – CP- 4 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
FIGURA 63 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo
Corrosão uniforme
em toda superfície.
Corrosão uniforme
em toda superfície.
106
A seguir o registro fotográfico da quarta retirada dos corpos de prova, para
medição de massa do circuito de teste em 05/01/2010.
Nesta etapa pode-se verificar o incremento da corrosão na superfície de
estudo do corpo de prova 1 tanto por aumento do número de pites quanto por placas
de corrosão de acordo com a Figura 65. Este fato não foi verificado no corpo de
prova 2 conforme Figura 68, o que evidencia que a película de revestimento de
cromo pode estar propiciando micro aberturas resultando no surgimento de corrosão
por fresta entre as faces do revestimento e do material no corpo de prova 1. Em
relação às superfícies opostas as de estudo, em ambos os corpos de prova foi
verificado uma certa estabilidade da corrosão já existente.
As Figuras 64, 65 e 66 são do corpo de prova número 1 – material aço
inox 316L com revestimento de cromo duro.
FIGURA 64 – CP-1 aço inox 316L + Cr - antes da decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 65 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo
Aumento da corrosão
por pites e o
aparecimento de
placas de corrosão.
107
FIGURA 66 – CP- 1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície
oposta a de estudo
As Figuras 67, 68 e 69 são do corpo de prova número 2 – material aço
inox 316L sem revestimento de cromo duro.
FIGURA 67 – CP-2 aço inox 316L - antes da decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 68 – CP-2 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de
estudo
Placas de
corrosão.
Superfície sem
corrosão.
108
FIGURA 69 – CP- 2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
Em relação ao corpo de prova 3 foi verificado o surgimento de uma
corrosão profunda em placa na superfície oposta a de estudo, além da corrosão
localizada já existente conforme Figura 72.
As Figuras 70, 71 e 72 são do corpo de prova número 3 – material aço
inox duplex.
FIGURA 70 – CP-3 aço inox duplex - antes da decapagem química, superfície de
estudo
Placas de
corrosão.
109
FIGURA 71 – CP-3 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 72 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
Para o corpo de prova 4 mais uma vez o que se verificou foi a ocorrência
da corrosão uniforme em todo o corpo de prova de acordo com as Figuras 74 e 75.
As Figuras 73, 74 e 75 são do corpo de prova número 4 – material aço
carbono.
Surgimento de
corrosão profunda
em placa.
Formação de
corrosão localizada
por pites.
Corrosão por
fresta.
Superfície sem
corrosão.
110
FIGURA 73 – CP-4 aço carbono - antes da decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 74 – CP- 4 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
FIGURA 75 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo
Corrosão uniforme
em toda superfície.
Corrosão uniforme
em toda superfície.
111
A seguir o registro fotográfico da quinta e última retirada dos corpos de
prova, para medição de massa do circuito de teste em 28/01/2010. Nesta etapa além
dos corpos de prova (1, 2, 3 e 4) foram retirados todos os outros, para as avaliações
finais do teste.
No enceramento dos testes pode se perceber que o corpo de prova 1
apresentou na superfície de estudo pontos de corrosão por pites, na superfície
oposta corrosão por placas. O corpo de prova 2 não apresentou sinais de corrosão
na superfície em estudo, mas apresentou na superfície oposta corrosão por placas.
As Figuras 76 e 77 são do corpo de prova número 1 – material aço inox
316L com revestimento de cromo duro.
FIGURA 76 – CP-1 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 77 – CP- 1 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície
oposta a de estudo
Placas de corrosão.
Pites de corrosão.
112
As Figuras 78 e 79 são do corpo de prova número 2 – material aço inox
316L sem revestimento de cromo duro.
FIGURA 78 – CP-2 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 79 – CP- 2 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
Para o corpo de prova 3 a superfície em estudo não apresentou corrosão,
mas há sinais de corrosão por fresta na região de fixação do parafuso. Em sua
superfície oposta há corrosão por fresta.
As Figuras 80 e 81 são do corpo de prova número 3 – material aço inox
duplex.
Superfície sem
corrosão.
Placas de corrosão.
113
FIGURA 80 – CP-3 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 81 – CP- 3 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
O corpo de prova 4 apresentou corrosão uniforme em ambas as
superfícies.
As Figuras 82 e 83 são do corpo de prova número 4 – material aço
carbono.
Ponto de corrosão
por fresta.
Superfície sem
corrosão.
Placas de corrosão.
114
FIGURA 82 – CP- 4 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
FIGURA 83 – CP- 4 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a de
estudo
5.3.2 Análise dos corpos de prova 5, 6, 7 e 8 no circuito de teste
Esta análise ocorreu ao final do teste. Os corpos de prova 5, 6 e 7
apresentaram corrosão localizada, o corpo de prova 8 apresentou corrosão
uniforme. Em todos os corpos de prova do tipo 2 no momento da retirada do circuito
de teste foi encontrado um resíduo de um composto metálico. Em função da
comparação da segunda análise com a primeira, onde ocorreu redução da
concentração de bicarbonato e elevação do pH, além do fato do resíduo apresentar
características magnéticas, pode-se pressupor que o deposito seja uma mistura de
carbonato e óxidos de ferro precipitados.
As Figuras 84 e 85 são do corpo de prova número 5 – material aço inox
316L com revestimento de cromo duro.
Corrosão uniforme
em toda superfície.
Corrosão uniforme
em toda superfície.
115
FIGURA 84 – CP-5 aço inox 316L + Cr - na retirada do circuito de teste
FIGURA 85 – CP-5 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo
As Figuras 86 e 87 são do corpo de prova número 6 – material aço inox
316L sem revestimento de cromo duro.
FIGURA 86 – CP-6 aço inox 316L - na retirada do circuito de teste
Material depositado
sobre o corpo de
prova.
Material depositado
sobre o corpo de
prova.
Corrosão por pite.
116
FIGURA 87 – CP-6 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de
estudo
As Figuras 88 e 89 são do corpo de prova número 7 – material aço inox
duplex.
FIGURA 88 – CP-7 aço inox duplex - na retirada do circuito de teste
FIGURA 89 – CP-7 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo
Material depositado
sobre o corpo de
prova.
Placa de corrosão.
Corrosão por pite.
Placa de corrosão.
117
As Figuras 90 e 91 são do corpo de prova número 8 – material aço
carbono.
FIGURA 90 – CP-8 aço carbono - na retirada do circuito de teste
FIGURA 91 – CP-8 aço carbono - após a decapagem química, superfície de estudo
5.3.3 Análise dos corpos de prova 9, 10, 11 e 12 no circuito de teste
Esta análise ocorreu ao final do teste. Para o corpo de prova 9 a superfície
em estudo não apresentou qualquer sinal de corrosão, no entanto, para a superfície
oposta foi verificado corrosão por placas. O corpo de prova 10 apresentou em sua
superfície de estudo um ponto inicial de corrosão por pite e na superfície oposta
corrosão por placa. O corpo de prova 11 não apresentou qualquer sinal de corrosão.
Por fim o corpo de prova 11 apresentou corrosão uniforme em ambas as superfícies.
Material depositado
sobre o corpo de
prova.
Corrosão uniforme.
118
As Figuras 92 e 93 são do corpo de prova número 9 – material aço inox
316L com revestimento de cromo duro.
FIGURA 92 – CP-9 aço inox 316L + Cr - após a decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 93 – CP- 9 aço inox 316L + Cr - após decapagem química, superfície
oposta a de estudo
As Figuras 94 e 95 são do corpo de prova número 10 – material aço inox
316L sem revestimento de cromo duro.
Superfície sem
corrosão.
Placas de
corrosão.
119
FIGURA 94 – CP-10 aço inox 316L - após a decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 95 – CP- 10 aço inox 316L - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
As Figuras 96 e 97 são do corpo de prova número 11 – material aço inox
duplex.
FIGURA 96 – CP-11 aço inox duplex - após a decapagem química, superfície de
estudo
Início de
corrosão por
pite.
Placas de
corrosão.
Superfície sem
corrosão.
120
FIGURA 97 – CP- 11 aço inox duplex - após decapagem química, superfície oposta
a de estudo
As Figuras 98 e 99 são do corpo de prova número 12 – material aço
carbono.
FIGURA 98 – CP- 12 aço carbono - após a decapagem química, superfície de
estudo
FIGURA 99 – CP- 12 aço carbono - após decapagem química, superfície oposta a
de estudo
Superfície sem
corrosão.
Corrosão uniforme
em toda superfície.
Corrosão uniforme
em toda superfície.
121
5.3.4 Análise da variação de espessura dos corpos de prova
Após a análise de todos os registros fotográficos e de posse das medições
de espessuras feitas pelo o ultra-som, seguem para uma melhor visualização as
Figuras 100, 101, 102 e 103 com os gráficos contendo a variação destas
espessuras.
Em análise as curvas dos gráficos de variação de espessura dos
materiais, percebe-se que o comportamento das ligas de aços inoxidáveis Figuras
103, 104 e 105 são muito próximas, com pequenas variações. Ressalta-se que no
início do teste, em contato com a água produzida, todos os corpos de prova em inox
apresentaram grande variação na medição de espessura, como pode ser verificado
através das medidas coletadas da segunda medição de ultra-som, o que pode
pressupor o fato da perda da camada passivadora destes materiais. No entanto no
decorrer do teste uma nova camada foi formada, permitindo que em medições
seguintes, espessuras maiores possam ser encontradas, daí em diante o que se
verifica é uma certa estabilidade entre redução e aumento da espessura para estes
materiais.
Ao final do teste, quando da retirada e limpeza dos corpos de prova 5, 6 e
7, verificou-se que praticamente não houve variação entre a espessura inicial e final
medidas pelo ultra-som destes materiais, ressaltando se tratar de espessura
uniforme, pois, houve perda de espessura pontual devido a corrosão por pite sofrida
por estes materiais, como pode ser verificado nas Figuras 85, 87 e 89 mas que não
foi detectado pelo ultra-som em virtude do ponto da corrosão está em uma região
fora do alcance do instrumento .
Já para o aço carbono, fica claro sua instabilidade em manter uma
camada passivadora uma vez que se verificam picos e em seguida vales em sua
curva ao longo do gráfico, o que confirma a fragilidade do material ao meio. Ao final
do teste após a retirada e limpeza do corpo de prova 8 foi verificado uma perda de
espessura deste material.
122
Espessuras do CP 5 tipo II
ASTM A240 tp 316L + Cr
1,5
1,55
1,6
1,65
1,7
1,75
1,8
0 20 40 60 80 100 120 140
Tempo (d)
Espessura (mm)
FIGURA 100 – Gráfico da variação da espessura do aço inox 316L +Cr.
Espessuras do CP 6 tipo II
ASTM A240 tp 316L
1,5
1,55
1,6
1,65
1,7
1,75
0 20 40 60 80 100 120 140
Tempo (d)
Espessura (mm)
FIGURA 101 – Gráfico da variação da espessura do aço inox 316L.
123
Espessuras do CP 7 tipo II
ASTM A890 Gr 1B
2,85
2,9
2,95
3
3,05
3,1
3,15
3,2
3,25
3,3
0 20 40 60 80 100 120 140
Tempo (d)
Espessura (mm)
FIGURA 102 – Gráfico da variação da espessura do aço inox duplex.
Espessuras do CP 8 tipo II
ASTM A283 Gr. C
4,68
4,7
4,72
4,74
4,76
4,78
4,8
4,82
4,84
4,86
0 20 40 60 80 100 120 140
Tempo (d)
Espessura (mm)
FIGURA 103 – Gráfico da variação da espessura do aço carbono.
Para o cálculo da taxa de corrosão por perda de espessura pelas
medições de ultra-som a Tabela 31 apresenta um resumo. Deve ser observado que
os corpos de prova 5, 6, e 7 apresentaram corrosão localizada, porém estes pontos
ficaram fora do alcance do instrumento, em uma outra análise fora da região em
estudo, ainda assim, as taxas de corrosão destes corpos de prova também serão
calculadas mediante as medições de profundidade obtidas pelo microscópio para
outra avaliação.
124
TABELA 31 – Taxa de corrosão por perda de espessura
Taxa de corrosão por perda de espessura
Corpo de
prova
Espessura inicial
(mm)
Espessura final
(mm)
Tempo de
exposição (d)
Taxa de corrosão
(mm/ano)
5 1,61 1,64 140 -0,078
6 1,56 1,56 140 0,000
7 3,05 3,09 140 -0,104
8 4,84 4,71 140 0,339
Fica evidente que praticamente não houve corrosão, a exceção do corpo
de prova 8 no tocante as medições por ultra-som. Vale ressaltar que a taxa de
corrosão negativa encontrada para os corpos de prova 5 e 7 podem ser atribuídas
ao erro do instrumento ou mesmo devido ao fato da superfície da chapa em estudo
não ser totalmente uniforme em sua espessura.
De acordo com a classificação de corrosividade pela taxa de corrosão por
pite da norma NACE RP 0775 (2005), e conforme os valores calculados na Tabela
31 a corrosividade para o corpo de prova 8 é considerada alta.
5.3.5 Análise da variação de massa dos corpos de prova
Em relação ao parâmetro de massa medido nos materiais, as Figuras 104,
105, 106 e 107 apresentam os gráficos com as variações ocorridas nos corpos de
prova 1, 2, 3 e 4 respectivamente.
Ressalta-se que devido ao fato de ter ocorrido redução de massa nos
corpos de prova 1, 2, 3 e 4, isto não implica que a corrosão tenha atacado os
materiais de modo uniforme, como de fato não ocorreu neste trabalho, a exceção do
corpo de prova 4.
125
Evolução da massa do CP 1 ASTM A240 tp 316L + Cr
9,5000
9,5500
9,6000
9,6500
9,7000
9,7500
9,8000
9,8500
9,9000
9,9500
0 20 40 60 80 100 120 140
Tempo (d)
Massa (g)
FIGURA 104 – Gráfico com a variação de massa do aço inox 316L + Cr.
Evolução da massa do CP 2 ASTM A240 tp 316L
9,3000
9,4000
9,5000
9,6000
9,7000
9,8000
9,9000
0 20 40 60 80 100 120 140
Tempo (d)
Massa (g)
FIGURA 105 – Gráfico com a variação de massa do aço inox 316L.
126
Evolução da massa do CP 3 ASTM A890 Gr. 1B
19,5400
19,5600
19,5800
19,6000
19,6200
19,6400
0 20 40 60 80 100 120 140
Tempo (d)
Massa (g)
FIGURA 106 – Gráfico com a variação de massa do aço inox duplex.
Evolução da massa do CP 4 ASTM A283 Gr. C
26,5000
27,0000
27,5000
28,0000
28,5000
29,0000
0 20 40 60 80 100 120 140
Tempo (d)
Massa (g)
FIGURA 107 – Gráfico com a variação de massa do aço carbono.
Para os corpos de prova 9, 10, 11 e 12 quando comparado suas massas
iniciais de acordo com a Tabela 30 e finais de acordo com a Tabela 32, pode-se
perceber que também houve redução de massa.
127
TABELA 32 – Medição de massa final para os CPs 9, 10, 11 e 12.
Medições de massa
Corpos de prova medidas em (g)
Medições
CP 9* Tipo I CP 10* Tipo I
CP 11 Tipo I
CP 12 Tipo I
Data Hora
Final 9,6384 9,4880 19,5358 27,1671 28/1/2010
13:45
* Encontrado pontos de corrosão localizados
Portanto em todos os corpos de prova do tipo 1 (1, 2, 3 e 4) e (9, 10, 11 e
12) que foram inseridos no circuito teste, tiveram redução de massa. Os corpos de
prova 9 e 10, assim como os corpos de prova 1, 2 e 3, também apresentaram
corrosão localizada.
Segundo Gentil (2007), a taxa de corrosão calculada pela perda de massa
só pode ser utilizada para corrosão uniforme. A seguir a Tabela 33 apresenta um
resumo com as taxas de corrosão por perda de massa
TABELA 33 – Taxa de corrosão por perda de massa.
Taxa de corrosão por perda de massa
Corpo
de
prova
Massa
inicial
(g)
Massa
final (g)
Diametro
maior
(mm)
Diâmetro
menor
(mm)
espessura
(mm)
Superfíce
em
estudo
(mm
2
)
Tempo de
exposição
(d)
Massa
específica
(g/cm
3
)
Taxa de
corrosão
(mm/ano)
4 28,6970
27,3291
34,02 10,08 4,72 1333,65 140 7,850 0,341
12 28,7671
27,1671
34,09 10,06 4,73 1339,82 140 7,850 0,397
Em relação à corrosividade ambos os corpos de prova 4 e 12, que são de
mesmo material, aço carbono, apresentaram corrosividade severa.
5.3.6 Análise da corrosão por pite nos corpos de prova
Para o cálculo das taxas de corrosão por pites segue o resumo na Tabela
34. Vale lembrar que a exceção do aço carbono os outros materiais sofreram
corrosão localizada.
128
TABELA 34 – Taxa de corrosão por pites
Taxa de corrosão por Pite
Corpo de
prova
Profundidade máxima do pite
(mm)
Tempo de exposição
(d)
Taxa de corrosão
(mm/ano)
1* 0,110 140 0,287
2 0,390 140 1,017
3 0,190 140 0,495
5* 0,450 140 1,173
6* 0,255 140 0,665
7* 0,200 140 0,521
9 0,055 140 0,143
10* 0,520 140 1,356
* Encontrado pites na superfície em estudo
De acordo com a corrosividade em função da taxa de corrosão por pite
podemos classificar os materiais da seguinte forma: o corpo de prova 9 com
corrosividade moderada, o corpo de prova 1 com corrosividade alta e os corpos de
prova 2, 3, 5, 6, 7 e 10 com corrosividade severa.
5.4 Correlações dos dados coletados entre as amostras
Diante de todo o estudo é imprescindível elaborar uma correlação entre os
aspectos avaliados de corrosão nos materiais.
Não foi possível correlacionar o ensaio de perda de massa x ensaio por perda
de espessura para os materiais aço inox 316L com e sem revestimento e o
aço inox duplex uma vez que nos corpos de prova destes materiais não houve
a perda de massa nem a perda de espessura de modo uniforme;
A correlação do ensaio por perda de massa x perda de espessura para o
material aço carbono entre os corpos de prova 4, 8 e 12 deixa evidente uma
boa aproximação entre os ensaios;
As taxas de corrosão localizadas apresentadas na tabela 32 em comparação
as taxas de corrosão por perda de espessura para os corpos de prova 5, 6 e 7
deixa evidente que a corrosão localizada é muito mais severa para os
materiais do que a corrosão uniforme.
129
6 CONCLUSÕES
O circuito de teste operou satisfatoriamente, dentro do previsto e atendeu
plenamente ao trabalho da pesquisa;
Não houve corrosão uniforme em nenhum dos corpos de prova dos seguintes
materiais: aço inox 316L sem revestimento e com revestimento de cromo duro
e no material aço inox duplex. A corrosão apresentada nestes materiais foi do
tipo corrosão por fresta e/ou pite;
Para o corpo de prova 1 do material aço inox 316L com revestimento de
cromo, além de corrosão por fresta, foi verificado também a ocorrência de
corrosão por pite neste corpo de prova, o que sugere que houve falha do
revestimento de cromo duro, uma vez que nos outros corpos de prova 5 e 9
com revestimento não houve corrosão por pite;
Para os corpos de prova do material aço inox 316L com e sem revestimento
de cromo duro, a superfície em estudo destes corpos de prova a exceção do
corpo de prova 1, apresentaram boa resistência a corrosão ao fluido da
pesquisa.
Para o material aço carbono em todos os seus corpos de prova 4, 8 e 12,
ocorreram corrosão uniforme;
O material aço carbono não é recomendado para aplicação direta ao fluido da
pesquisa, pois foi verificado a ocorrência de corrosão severa;
Em referência ao corpo de prova 11 do material aço inox duplex não foi
verificado nenhum indício de corrosão neste corpo de prova;
O material aço inox duplex para superfície em estudo possui boa resistência à
corrosão ao fluido da pesquisa, no entanto, foi verificado que é susceptível a
corrosão por fresta.
130
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Realizar um estudo com materiais, levando em consideração o aspecto do
acabamento superficial dos corpos prova;
Realizar um estudo de corrosão onde se possa variar a temperatura do meio;
Desenvolver algum circuito teste para estudo com gases, como por exemplo o
H
2
S (Gás sulfídrico) ou o CO
2
.(Gás carbônico).
131
8. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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ASTM A240/A 240M, Standard Specification for chromium-Nickel Stainless
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_____. – ASTM A890/A 890M, Standard Specification for Castings, Iron-
Chromium-Nickel-Molybdenum Corrosio-Resistant, Duplex (Austenitic/Ferritic)
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ANNUAL BOOK OF ASTM STANDARDS – METALLOGRAPHY; Nondestructive
testing by American Society for Testing and Materials – Library of congress
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determinação da demanda química de oxigênio (DQO) – Métodos de refluxo
aberto, refluxo fechado – titulométrico e refluxo fechado – calorimétrico
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ARAÚJO, Paulo Barbosa de. Petróleo por que sabotado?: A história do petróleo
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Mechanical Engineers, 2003.
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Silva et al. 8ª ed. – Rio de Janeiro: LTC, 2008.
BARD, Allen J.; FAULKNER, Larry R. Eletrochemical Methods: Fundamentals
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BEZERRA, Brunno S. L. Estudo para prevenção de falhas de hastes de bombeio
de petróleo através de aplicação de revestimento NiCr - Dissertação (Mestrado
em Engenharia de Processos) – Universidade Tiradentes Aracaju – SE, 2007.
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físico-químicas: recomendações das Normas ISO para terminologia e símbolos
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técnica: André Luiz V. da Costa e Silva – 4ª edição – São Paulo: Edgard Blucher,
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gravitacional de emulsões de petróleo – Dissertação de Mestrado em Engenharia
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506-332&Category_Code=CTGBASIC&Product_Count=9>. Acesso em: 23 junho
2009, 10:00h.
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Bookman, 2002. p 252-267.
Software Microstation
®
versão 2008 da Microsoft.
_____. SolidWorks
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versão 2009 da SolidWorks Corporation.
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Cu-Al-Ni em fluido produzido de campo terrestre de petróleo - Dissertação
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ed. – Rio de Janeiro: Interciência, 2003.
_____. Tubulações industriais; Materiais, Projeto, Montagem – 10º ed. – Rio de
Janeiro: LTC-Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2001.
TELLES, Pedro Carlos da Silva; BARROS, Darcy G. Paula. Tabelas e gráficos para
projetos de tubulações – 6º ed. – Rio de Janeiro: Interciência, 1998.
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Fundamentos de engenharia de petróleo – Rio de Janeiro, RJ: Interciência:
Petrobras, 2001.
136
VAN VLACK, Lawrence Hall. Princípios de ciência dos materiais: São Paulo:
Editora Blucher, 2007.
137
ANEXO 1
Comparação da produção de petróleo Brasileira antes e após a entrada da
Petrobras no mercado.
TABELA 35 – Ascensão da produção Brasileira com a entrada da
Petrobras (ARAÚJO, 2008).
PRODUÇÃO BRASILEIRA DE PETRÓLEO BRUTO
1954 321.450 metros cúbicos
1961 5.533.380 metros cúbicos
PRODUÇÃO MÉDIA DIÁRIA DE PETRÓLEO NO
BRASIL
1954 2.500 barris
1961 100.000 barris
FUROS DIVERSOS - MÉDIA ANUAL
1955 (antes) 40
1957 (depois) 225
RESERVAS BRASILEIRAS DE PETRÓLEO
1954 50 milhões de barris
1961 750 milhões de barris
ECONOMIA DE DIVISAS
1955 32,5 milhões de dólares
1961 193,5 milhões de dólares
138
ANEXO 2
A seguir os quadros da estratificação atual da produção de petróleo e
LGN no Brasil.
0
1.000.000
2.000.000
3.000.000
4.000.000
5.000.000
6.000.000
7.000.000
8.000.000
9.000.000
10.000.000
J
ane
i
r
o
Fe
verei
r
o
Mar
ç
o
Abril
Maio
Jun
h
o
Ju
l
h
o
Ag
osto
Se
te
m
b
r
o
Ou
tu
b
ro
Novembro
Dez
e
mbro
Mês
metro cúbico
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
FIGURA 108 – Gráfico da produção de petróleo (m
3
) no Brasil (ANP, 2009)
LGN (m
3
)
0
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
500.000
J
a
neir
o
Fev
er
eiro
Ma
r
ço
Abr
i
l
M
a
io
J
u
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J
ulho
Ag
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Se
t
embr
o
Ou
t
ub
r
o
Nove
m
b
r
o
Deze
m
b
r
o
Mês
metro cúbico
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
FIGURA 109 – Gráfico da produção de LGN (m
3
) no Brasil (ANP, 2009)
139
ANEXO 3
FIGURA 110 – Gráfico de curvas de viscosidade (CRANE Co, 1988)
140
ANEXO 4
TABELA 36 – Propriedades físicas da água
141
ANEXO 5
FIGURA 111 – Diagrama de Moody (CRANE Co, 1988)
142
ANEXO 6
FIGURA 112 – Gráfico de comprimento equivalente e coeficiente de resistência
(CRANE Co, 1988)
143
ANEXO 7
FIGURA 113 – Gráfico com curvas características da bomba (SCHNEIDER
MOTOBOMBAS)
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