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Júlio F. Baumgart Baumgarten en, Mestre Eng. de Materiais & Processos Avançados
Desde 1999
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 10. 11. 12. 13. 13.
Merc Mercad ado o bras brasil ilei eiro ro da Indús Indústri triaa de de Óleo Óleo & Gás Gás Tipos Tipos de Uni Uniões ões ap apli lica cado doss em Equi Equipa pame ment ntos os Esp Espec ecia iais is Fornec Fornecedor edores es Petr Petrobr obras as & Fa Fabri brican cantes tes de Fixa Fixador dores es Naci Nacionai onaiss Clas Cl asse sess de de Fix Fixad ador ores es e sua sua Impo Import rtân ânci ciaa Normas de Referênci ncia Proc Proces essos sos env envol olvi vidos dos na Fabr Fabric icaç ação ão de de Fixa Fixador dores es Prop Propri ried edad ades es a ser serem Cont Contrrol olad adas as Ensa Ensaio ioss par para Anál Anális ise e de de Ma Materi teriaais Cuidados Cuidados na prepar preparaç ação ão de de amos amostr tras as e ensai ensaios os reali realiza zados dos Cert Certif ific icado adoss de Quali Qualidad dade e Ensaios Ensaios Complem Complement entar ares es (MEV (MEV / EDS) EDS) Anális Análise e de Fal Falhas has em em Fixad Fixador ores es Anál Anális ise e Concl Conclusi usiva va
CONTEÚDO PROGRAMÁTICO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 10. 11. 12. 13. 13.
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1. Merc Mercad ado o bras brasil ilei eiro ro da da Indú Indúst stri riaa de Óleo Óleo & Gás Gás -
O me mercado de de Pe Petróleo & Gás mantém pleno crescimento em todo mundo.
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No Bras Brasiil é uma das das ár áreas que que mais recebe investimentos. investimentos. Governo, Empresas Privadas nacionais e internacionais investem muito dinheiro, pois o Brasil tem uma das maiores reservas de petróleo & gás. gás.
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De acord ordo com um um es estudo da PFC Energy 50, 50, com o desenvolvimento das reservas recém-descobertas (pré-sal), até 2030 o Brasil será o país com maior crescimento de produção de petróleo p etróleo & gás, fora fora da OPEP. OPEP.
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Com base em Dados da Agência Nacional do Petróleo Petróleo (ANP), a Produção de Petróleo Petróleo no Brasil, em 2011 atingiu a marca de 2,36 milhões bpd com 30,57 % da produção na América Latina. Latina .
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O mercado Offshore foi responsável por mais de 91,0% da produção nacional em 2011, com as descobertas do pré-sal, pode aumentar ainda mais a diferença diferença com o mercado Onshore.
PRODUÇÃO DE PETRÓLEO: PETRÓLEO: OFFSHORE OFFSHORE x ONSHORE ONSHORE
Fonte: Agência Nacional do Petróleo (ANP)
Offshore
Offshore
Onshore
Offshore x Onshore
Evolução da Exploração Offshore
Estrutura Submarina para Exploração
PRODUÇÃO POR OPERADOR
) P N A ( o e l ó r t e P o d l a n o i c a N a i c n ê g A : e t n o F
89,97%
3,35%
3,10%
2,55%
0,89%
Fonte: McKinsey, Onip, Petrobras e Prominp, publicado na Edição 1019 Revista Exame - 27/06/2012.
INVESTIMENTOS PREVISTOS
2. Tipos de Uniões aplicados em Equipamentos Especiais Uniões ou junções mecânicas são formas usuais para fixar sistemas e componentes de máquinas e equipamentos. No mercado de Petróleo & Gás as principais uniões utilizadas são:
2.1 Roscadas: Parafusos, Porcas, Estojos, Tirantes 2.2 Sem Rosca / Especiais: Rebites, Pinos, Anéis de pressão, Arruelas, Ilhoses aço/mola, Engates rápidos, Plástico moldado, Metal conformado, Adesivos 2.3 Soldagem: MIG, MAG, TIG, ER, Arco submerso, Brasagem
3.1 FORNECEDORES DE EQUIPAMENTOS
Óleo &Gás
3.2 FABRICANTES NACIONAIS DE FIXADORES
4. Classes de Fixadores para Equipamentos Offshore As principais Classes de Fixadores utilizados nas Montagens de Equipamentos de exploração de Petróleo & Gás são: 4.1 Fixador Grau B7 (subsea + alta pressão) 4.2 Fixador Grau B7M (aplicação em H2S) 4.3 Fixador Grau L7 (subsea + alta pressão) 4.4 Fixador Grau L7MP, L7SP 4.5 Porca Grau 2, 2H, 2HM
4.6 Porcas Grau 6, 6F 4.7 Porcas Grau 7, 7M
5.1 Principais Normas de Referência para Materiais As principais Normas Internacionais e Brasileiras utilizadas como referência para a Especificação dos Materiais são: 4.1 ET-3000.00-150-251-PAZ-001 : Especificação Técnica - Fixadores em aços de alta resistência para utilização submarina. 4.2 ASTM A193 / A193M - 12a: Standard Specification for Alloy-Steel and Stainless Steel Bolting for High Temperature or High Pressure Service and Other Special Purpose Applications. 4.3 ASTM A194 / A194M - 12 Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Nuts for Bolts for High Pressure or High Temperature Service, or Both. 4.4 ASTM B637 – 12: Standard Specification for Precipitation-Hardening and Cold Worked Nickel Alloy Bars, Forgings, and Forging Stock for Moderate or High Temperature Service 4.5 ANSI/API Spec 6A: Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment, Twentieth Edition
5.1 Principais Normas de Referência para Materiais Continuação..... 4.6 ASTM A29 / A29M - 12: Standard Specification for Steel Bars, Carbon and Alloy, Hot-Wrought, General Requirements for 4.7 ASTM A320 / A320M - 11a: Standard Specification for Alloy-Steel and Stainless Steel Bolting for Low-Temperature Service 4.8 ASTM A788 / A788M - 11: Standard Specification for Steel Forgings, General Requirements 4.9 ASTM A574 - 12: Standard Specification for Alloy Steel Socket-Head Cap Screws 4.10 ASTM F912 - 11: Standard Specification for Alloy Steel Socket Set Screws 4.11 ASTM A540 / A540M - 11: Standard Specification for Alloy-Steel Bolting for Special Applications 4.12 ISO J404: Chemical Compositions of SAE Alloy Steels
5.2 Principais Normas de Referência para Ensaios de Materiais As principais Normas Internacionais utilizadas como referência para a realização dos Ensaios de Materiais são: 5.1 ASTM E3 - 11: Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens 5.2 ASTM E7 - 03(2009): Standard Terminology Relating to Metallography 5.3 ASTM E10 - 12: Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials 5.4 ASTM E18 - 11: Standard Test Methods for Rockwell Hardness of Metallic Materials 5.5 ASTM E45 - 11a: Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel 5.6 ASTM E112 - 10: Standard Test Methods for Determining Average Grain Size 5.7 ASTM A370 - 12: Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products 5.8 ASTM E384 - 11e1: Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials
5.2 Principais Normas de Referência para Ensaios de Materiais Continuação ....... 5.9 ASTM E381 - 01(2006): Standard Method of Macroetch Testing Steel Bars, Billets, Blooms, and Forgings 5.10 ASTM A751 - 11: Standard Test Methods, Practices, and Terminology for Chemical Analysis of Steel Products 5.11 ASTM F812 / F812M - 07: Standard Specification for Surface Discontinuities of Nuts, Inch and Metric Series 5.12 ASTM A962 / A962M - 12: Standard Specification for Common Requirements for Bolting Intended for Use at Any Temperature from Cryogenic to the Creep Range 5.13 ASTM B766 - 86(2008): Standard Specification for Electrodeposited Coatings of Cadmium 5.14 ASTM A194 / A194M - 12 Standard Specification for Carbon and Alloy Steel Nuts for Bolts for High Pressure or High Temperature Service, or Both
6. Processos envolvidos na Fabricação de Fixadores Para a fabricação de Fixadores aplicados na Indústria de Óleo & Gás, vários processos devem ser empregados, sendo que a cada etapa cuidados especiais devem ser observados para garantir a integridade dos Componentes. -
Fusão & Conformação das Barras de Aço Baixa Liga (Aciaria)
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Corte dos Segmentos de Aço
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Forjamento à Quente
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Usinagem em Tornos CNC
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Laminação da Rosca
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Tratamentos Térmicos
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Tratamentos de Superfície Linha de Tratamentos Térmicos
Corte dos segmentos
Forjamento à quente
Aquecimento para conformação
Resfriamento
Tratamentos Térmicos
Usinagem / Laminação da Rosca
Galvanoplastia
PROCESSO DE FABRICAÇÃO
7. Propriedades a serem Controladas nos Fixadores Para a garantia da qualidade na aplicação dos Fixadores destinados ao mercado de Óleo & Gás, as Normas Internacionais especificam uma série de requisitos ( propriedades) que deverão ser atendidas pelos Componentes. -
Composição Química da Matéria Prima
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Macroestrutura da Matéria Prima
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Microestrutura Tratada
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Dureza Brinell HBW / Rockwell C
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Microdureza Vickers (mHV)
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Propriedades Mecânicas Monotônicas
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Propriedades Mecânicas Dinâmicas
Metalografia Quantitativa Digital
8. Ensaios para Análise de Materiais de Fixadores A partir dos Testes Especificados em Normas, são realizados os seguintes Ensaios Técnicos objetivando o Controle do Processo de Fabricação.
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Espectrometria de Emissão Ótica (Análise Química)
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Macrografia Digital da Microestrutura da Matéria Prima
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Metalografia Quantitativa Digital para determinação da Matriz Metalúrgica, Tamanho de Grão, Nível de Inclusões Não Metálicas, Descarbonetação
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Ensaios de Dureza Brinell HBW / Rockwell C
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Ensaios de Microdureza Vickers nas Zonas de Bandeamento
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Ensaio de Tração (Tensão de Ruptura, Lim. Escoamento, Alongamento)
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Ensaio de Impacto Charpy (Sub-zero -18 C / -73 C / -101 C)
Ensaio de Microdureza Vickers
Espectrometria de Emissão Ótica
Metalografia Quantitativa
Ensaio de Impacto Charpy Digital
Laboratórios de Ensaios
Máquina Universal de Ensaios Mecânicos Carga 100 Toneladas
65 Toneladas 20 segundos
Dispositivo de Compressão - ASTM A 194M : 12
Ensaio de Prova de Carga em Porcas
Laboratórios de Ensaios
9. Principais Cuidados nos Ensaios dos Materiais A garantia e confiabilidade dos resultados é fundamental para a segurança na aplicação de Fixadores Especiais. Para tanto, cuidados extremos devem ser tomados para que os resultados representem a realidade das propriedades controladas. -
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Corte e Usinagem das Amostras para Inspeção * Local de retirada das Amostras deve ser representativo * Retirar o material sem alterar a microestrutura * Usinar o material sem alteração das propriedades do aço Metalografia Ótica Quantitativa * Evitar a formação de estruturas falsas no material (artefatos) * Interpretação correta da microestrutura (conhecimento técnico) * Empregar Software de análise quantitativa de imagens (Digimet Plus 4G) Ensaio de Dureza * Calibrar o Equipamento segundo requisitos RBC * Ter um perfeito apoio para a Amostra * Leitura deve ser realizada por Técnico habilitado (ideal uso de software)
9. Principais Cuidados nos Ensaios dos Materiais Continuação ...... -
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Ensaio de Tração * Calibrar o Equipamento segundo requisitos RBC * Usinar o material sem alteração das propriedades do aço * Utilizar velocidade de ensaio conforme Norma ASTM A 370-12 * Utilizar Software para determinação da relação Tensão x Deformação Ensaio de Impacto Charpy * Calibrar o Equipamento segundo requisitos RBC * Usinar com o máximo cuidado o Entalhe em “V” (Eletroerosão) * Controlar a Temperatura com Termopar Calibrado RBC Análise Química via Espectrometria * Calibrar o Equipamento com Padrões Primários * Lixar adequadamente a Amostra * Utilizar Software para o cálculo da Composição Química
10. Certificado de Ensaio dos Materiais Segundo Normas de referência Petrobras, os Certificados de Aprovação dos Materiais e Componentes (Fixadores) devem conter informações relativas a qualidade dos produtos inspecionados, reportando todos os resultados dos ensaios realizados. -
Especificação do Componente DESCRIÇÃO DAS AMOSTRAS PRODUTO/BITOLA: PARAFUSO SEXTAVADO 15/8” x 31/2” MATERIAL: Aço ASTM A 193 Gr B7 (105k / Tipo I - SAE 4140) CÓDIGO DO PRODUTO: BBPFS080160 LOTE: 061028027S OC: 4500400879 QUANTIDADE DE AMOSTRAS: 04 Procedimento 10000837514 COR - 000-05 PROCEDIMENTOS (Cliente X): Procedimento 10000317515 PDC000-06
10. Certificado dos Materiais -
Macrofoto do Componente identificando os locais de inspeção
Região A
Região C
Região B
10. Certificado dos Materiais -
Resultados da Metalografia Quantitativa
10. Certificado dos Materiais -
Resultados do Ensaio de Dureza Rockwell C
10. Certificado dos Materiais -
Resultados da Microdureza Vickers, em caso de Bandeamento
10. Certificado dos Materiais -
Resultados do Ensaio de Tração
10. Certificado dos Materiais -
Resultados do Ensaio de Impacto Charpy (Sub-zero)
10. Certificado dos Materiais -
Resultados da Análise Química
11. Ensaios Complementares Em casos especiais, são utilizados ensaios complementares nos produtos ou corpos de prova testados, objetivando caracterizar principalmente a microestrutura e suas fases metalúrgicas. Um exemplo típico é o emprego do Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) e Microsonda Eletrônica (EDS) para Análise Química.
Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV) Mapeamento Químico de Inclusões
12. Modos de Falhas em Fixadores Como pode ser observado há uma série consistente de ensaios de materiais para inspeção e aprovação de Fixadores aplicados em equipamentos de Óleo & Gás. Porém, falhas ainda ocorrem resultando normalmente em sérios danos tecnológicos, ambientais e consequentemente financeiros.
As principais Falhas em Fixadores estão relacionados com os seguintes fatores: -
Hidrogenização em Contorno de Grão Microsegregação na estrutura metalúrgica Corrosão Intergranular Bandeamento com Martensita Não Revenida Falta de Tenacidade (Baixa Resiliência) Defeitos associados a Conformação & Laminação da Rosca Erros de Montagem ou Instalação Sobrecarga mecânica ( picos de carga)
Hidrogenização em Fixador
Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV)
Corrosão Intergranular em Fixador
13. Análise Conclusiva Com o exposto, concluímos que a Análise de Materiais é fundamental para a garantia da segurança dos Fixadores instalados em Equipamentos de Exploração de Petróleo. Inúmeras variáveis são pesquisadas a cada Lote de Produção, sendo que as análises devem ser conduzidas por Equipe Técnica altamente qualificada e equipamentos adequados e certificados, objetivando minimizar os riscos de Falhas em Campo.
Com um perfeito Controle da Qualidade são garantidos: -
Redução dos Riscos Ambientais (vazamentos)
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Segurança na Extração e Produção de Petróleo (acidentes )
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Aumento de Produtividade (menores tempos de paradas )
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Redução de Custos (custos de manutenção )
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Melhoria da Competitividade da Petrobras com Produção Sustentável