Uso do aço inoxidável na área Offshore. Flávio Augusto dos Santos Serra CENPES/EB-E&P/FP

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1 Uso do aço inoxidável na área Offshore Flávio Augusto dos Santos Serra CENPES/EB-E&P/FP

2 ENGENHARIA BÁSICA DO E&P

3 INDEX Uma breve descrição das unidades Offshore Metodologia de seleção de materiais Normas aplicáveis Diretrizes corporativas Condições específicas do projeto Principais agentes corrosivos Mecanismos de corrosão e o papel do aço inox Materiais inoxidáveis usuais Desafios nos novos projetos Usos consagrados dos aços inox Nova perspectiva de uso: Inconel 625 Novo material: aços criogênicos Problemas e dificuldades com o uso dos aços inoxidáveis.

4 TIPOS DE PLATAFORMAS Navio plataforma (FPSO) Plataforma Fixa Plataforma Semi-submersível Árvore de NATAL (POÇO)

5 Equipamentos subsea C

6 Processamento primário

7 Processamento primário Poços Produtores Compressão e Tratamento de Gás Separação e Tratamento de Óleo elevação artificial gás combustível exportação de gás remoção e injeção de CO 2 exportação de óleo Tratamento de Água Produzida descarte

8 Diretrizes do E&P Metodologia de seleção de materiais para uso na área Offshore Diretrizes corporativas Book de Diretrizes Considerações específicas de cada projeto Condições operacionais Balanço CAPEX (investimento) x OPEX (manutenção) Normas aplicáveis: Norsok M-001 EEMUA

9 Diretrizes do E&P Diretrizes do E&P: O E&P corporativo é responsável pela elaboração/revisão das diretrizes e gerencia o que atualmente se conhece como BOOK de DIRETRIZES. As diretrizes estão subdivididas em três grandes áreas: Instalações marítimas, Instalações terrestres, Instalações de pequenos porte.

10 Diretrizes do E&P Diretrizes do E&P: O E&P corporativo é responsável pela elaboração/revisão das diretrizes e gerencia o que atualmente se conhece como BOOK de DIRETRIZES. Diretrizes de Projeto e Engenharia do E&P utilizadas para Instalações Marítimas (Off-Shore), estão atualmente subdivididas em dois volumes: Volume I REQUISITOS CORPORATIVOS DE PROJETO. Volume II DIRETRIZES PARA PROJETO BÁSICO. Em planejamento o Volume III DIRETRIZES PARA PROJETO DE DETALHAMENTO

11 Diretrizes do E&P Diretrizes do E&P: Sistema GAUDI (Gerenciamento Automatizado e Unificado das Diretrizes para Projetos de Instalações do E&P Item sobre Automação e Instrumentação: preocupação com o material de tubing: Connections and Tubing:Principais mudanças: Mínimo de 2,5%Molibdênio será exigido para os tubings; Abre espaço para usar tubings em bobinas.

12 Normas aplicáveis Normas aplicáveis: Atualmente o conjunto de normas para seleção de materiais para área OFFSHORE restringe-se a: NORSOK M-001: Materials selection A Norsok é uma entidade normativa Norueguesa que publica normas para área OFFSHORE. Reflete a experiência dos operadores no Mar do Norte. Foco tanto para o Top-side como Subsea. ISO 21457: Petroleum, petrochemical and natural gas industries - Selection and corrosion control foi oil and gas production systems A ISO é a entidade normativa mundial. A norma ISO é basicamente criada em cima da NORSOK M-001. A ISO ainda está em fase de draft.

13 Normas aplicáveis Normas aplicáveis: Atualmente o conjunto de normas para seleção de materiais para área OFFSHORE restringe-se a: EMUA Publication nº 194: Guidelines for materials selection and corrosion control for subsea oil and gas production equipment É uma entidade que reune os operadores de plantas de processo, operadores de plantas de geração de energia, operadoras de plataformas de processo, operadores de terminais e outras plantas ao redor do mundo. O documento trata dos princípios e práticas relacionadas a seleção de materiais e controle da corrosão para equipamentos subsea.

14 Normas aplicáveis Norsok M-001: A principal norma para área do TOP SIDE atualmente (ISO ainda não foi oficialmente lançada) A norma M-001 visa: Dar diretrizes e requisitos para:» Avaliação de corrosão e seleção de materiais,» Selecionar materiais adequados para determinados serviços,» Proteção contra a corrosão,» Limites de projeto para materiais específicos,» Requisitos de qualificação para novos materiais e novas aplicações para os materiais. Por ser uma norma de uma entidade europeia cita normas americanas, europeias (DIN principalmente) e ISO; além de outras normas NORSOK.

15 Normas aplicáveis Norsok M-001: A principal norma para área do TOP SIDE atualmente (ISO ainda não oficialmente lançada). A norma M-001 está estruturada em capítulos: General principles for materials selection and corrosion protection» Fornece diretrizes e considerações gerais para seleção de materiais Materials selection for specific applications/ systems» Trata da seleção de materiais para determinados serviços (ex: Sistema de captação de água do mar) Design limitations for candidate materials» Fornece as limitações de alguns materiais Qualification of materials and manufacturers» Requisitos para qualificação de materiais e fornecedores

16 Normas aplicáveis Norsok M-001: General principles for materials selection and corrosion protection (pontos para atenção) A NORSOK pede que sejam avaliados vários itens na seleção de materiais. Deste itens é importante ressaltar a avaliação das condições anormais de operação como: Problemas na injeção de inibidor, Problemas nas unidades de remoção de CO 2 /H 2 S e/ou desidratação. Nos projetos PB este estudo (denominado análise de sensibilidade de risco é feito).

17 Normas aplicáveis Norsok M-001: General principles for materials selection and corrosion protection (pontos para atenção) Corrosão externa: A NORSOK considera que as superfícies externas estão permanentemente molhadas e com líquido saturado com sais de cloretos. Em casos de possibilidade de corrosão sob tensão de aços inoxidáveis sugere pintar para reduzir o risco.

18 Normas aplicáveis Norsok M-001: General principles for materials selection and corrosion protection (pontos para atenção) Inibidor de corrosão: A NORSOK não recomenda trabalhar com inibidor de corrosão para poços, arvores de natal submarinas e tubulações sub sea, quando estes foram construídos em aço carbono ou baixa liga. O uso de inibidor de corrosão não permite relaxar nos requisitos de material resistente ao H2S conforma ISO

19 Normas aplicáveis Norsok M-001: General principles for materials selection and corrosion protection (pontos para atenção) Corrosão sob isolamento: A NORSOK recomenda pintar as linhas quando isoladas, mesmo as de aço resistente a corrosão (CRA). A única exceção são as tubulações de Titânio: Corrosão galvânica: A NORSOK apresenta algumas sugestões para minimizar a corrosão galvânica em tubulações, tais como:» Uso de um Spool de separação (de material não condutor ou revestido com material não condutor) entre os dois trechos de tubulação,

20 Normas aplicáveis Norsok M-001: General principles for materials selection and corrosion protection (pontos para atenção) Proteção com uso do depósito de solda (weld overlay): O depósito em Inconel 625 pode ter um teor máximo de ferro de 10% na superfície acabada. Quando utilizar depósito de solda (weld overlay) para serviço com água do mar e situação com frestas, preocupar-se com a corrosão por fresta do material depositado.

21 Normas aplicáveis Norsok M-001: Materials selection for specific applications/systems (pontos para atenção) Avisa que os requisitos são baseados na experiência dos operadores no Mar do Norte. Tem um item específico para material de completação de poços (5.3 Well completion) e outro para facilidades de processo (5.5 Process facilities). Apresenta tabelas de seleção de materiais para poços (Tabela 2) e outra para Facilidades de produção (Tabela 3).

22 Normas aplicáveis Norsok M-001: Materials selection for specific applications/systems (pontos para atenção) A Norsok apresenta uma tabela (tabela 3) com os materiais sugeridos para cada sistema. Pontos a considerar: O aço inox 316 é citado para várias aplicações. Aços austeno-ferríticos (Duplex e Superduplex) e o superausteníticos são citados.

23 Normas aplicáveis

24 Normas aplicáveis

25 Normas aplicáveis Norsok M-001: Materials selection for specific applications/systems (pontos para atenção) Parafusos: item 5.6. Item 5.6: Considerações gerais: Pede revestimento do tipo galvanizado ou que ofereça proteção similar. Proíbe o uso do revestimento cadmiado (aparentemente para subsea). Parafusos para equipamentos: Remete a especificações ASTM (tabela 4).

26 Normas aplicáveis

27 Normas aplicáveis Norsok M-001: Materials selection for specific applications/systems (pontos para atenção) Na introdução do capítulo 5.5 Process facilities sugere uma padronização dos materiais de tubulação onde não aparece o AISI 304 (coerente com os requisitos das diretrizes do E&P).

28 Normas aplicáveis Norsok M-001: Materials selection for specific applications/systems (pontos para atenção) A ausência de molibdênio do AISI 304 torna-o mais susceptível a corrosão em meio marinho.

29 Normas aplicáveis Norsok M-001: Materials selection for specific applications/systems (pontos para atenção) Sistema para serviço com água do mar (item 5.5.3). Aços inoxidáveis: Superaustenitico e Super Duplex.

30 Normas aplicáveis Norsok M-001: Materials selection for specific applications/systems (pontos para atenção) Sistema para serviço com água do mar (item 5.5.3). Não descreve as limitações para o uso dos aços inoxidáveis em água do mar sujeito a cloração. Estas irão aparecer no item 6 (Design limitations for candidate materials).

31 Normas aplicáveis Norsok M-001: Materials selection for specific applications/systems (pontos para atenção) Sistema para serviço com água do mar (item 5.5.3). Aço Super duplex 25%Cr e 6Mo mesma limitação: 1,5 mg/m 3 em água do mar. Aparentemente a unidade está errada, os dados da literatura geralmente referem-se a mg/litro (1 mg/m 3 = 0,001 mg/litro). Exemplo: Recommended maximum chlorine dose at different temperatures for superduplex stainless steel. Temperatura (ºC) Maximum chlorine (mg/l) ,5 Fonte: Corrosion 2003, paper 255.

32 Normas aplicáveis Norsok M-001: Design limitations for candidate materials (pontos para atenção) Gerais: Aços carbono e baixa liga: razão entre o limite de escoamento e o de resistência 0,9. Para materiais a serem soldados a tensão mínima de escoamento não deve ser superior a 560MPa (embora possa ser aceito valores maiores). Materiais para propósito de resistir a pressão Clad ou weld overlay com espessura mínima de 3mm, Tabela 6 com maiores detalhes Tabela 7 para serviço com H 2 S

33 Normas aplicáveis

34 Normas aplicáveis

35 MECANISMOS DE CORROSÃO Principais agentes corrosivos para corrosão na área do E&P: CO 2 presente em maior ou menor teor no óleo. H 2 S Pode ter duas fontes: Natural (oriundo do petróleo), Biogênico (oriundo de processos biológicos relacionados a injeção de água para recuperação). Oxigênio Não presente na água produzida, mas ocorre como contaminação. Cloretos Ocorre em maior ou menor grau na água produzida. Ácidos orgânicos Ácidos como ácido acético podem ocorrer na água de formação (valores de 60 ppm são comuns para muitos campos 1 ). 1-Fonte: Key issues related to modeling of internal corrosion of oil and gas pipelines: A review. Corrosion Science, n.49, 2007.

36 MECANISMOS DE CORROSÃO PONTOS TRATADOS: Corrosão pelo CO 2 : O CO 2 é o principal agente corrosivo encontrado nos campos do Pré-Sal. Uso dos aços inoxidáveis é grande. Corrosão pelo H 2 S: avaliado usualmente quanto ao risco de corrosão sob tensão. Corrosão pela água do mar: Toda plataforma tem seu sistema de captação de água do mar. Uso do aço inoxidável é limitado pela corrosão por frestas. Cloretação faz a diferença.

37 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pelo CO 2 : mecanismo. A corrosão pelo CO 2 é devida a dissolução do CO 2 na água formando o ácido carbônico (H 2 CO 3 )

38 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pelo CO 2 : mecanismo. A corrosão pode ser minimizada pela formação de uma camada protetora de carbonato de ferro (FeCO 3 ). FONTE: MATERIALS AND CORROSION, 2009, V.60,,N.1.

39 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pelo CO 2 : Materiais utilizados. A corrosão pelo CO 2 x % Cromo: efetividade do uso dos aços inoxidáveis. Condições: 3.0 MPa CO 2, 5%NaCl, 2,5 m/s, 96h. FONTE: Ueda, M F.N. Speller Award Lecture: Development of corrosion-resistance alloys for the Oil and Gas Industry: Based on spontaneous passivity mechanism. CORROSION, v.62, n.10, 2006.

40 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pelo CO 2 : Materiais utilizados. A corrosão pelo CO 2 X % Cromo: Aços baixa liga Cromo-Molibdênio.

41 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pelo CO 2 : Materiais utilizados. A corrosão pelo CO 2 X % Cromo: Aços baixa liga Cromo-Molibdênio.

42 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pelo H 2 S: Teores na área do E&P usualmente muito baixos (usualmente na ordem < 5 ppm). Efeito positivo ou negativo com relação à corrosão pelo CO 2. FONTE: Smith & Pacheco PREDICTION OF CORROSION IN SLIGHTLY SOUR ENVIRONMENTS. In: CORROSION 2002 Teor de H 2 S: A maior preocupação é quanto a questão da corrosão sob tensão. A avaliação do risco é segundo norma NACE MR 0175/ISO

43 MECANISMOS DE CORROSÃO

44 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pela água do mar 1. A corrosão pela água do mar é basicamente devida a presença do O 2. Reação catódica :O H2O + 4e 4OH 2. O teor de oxigênio influencia muito a taxa de corrosão. 3. O efeito dos cloretos é destruir a proteção da camada de óxido formada.

45 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pela água do mar: Modelo de corrosão. Trabalho publicado na revista Desalination em Levou em consideração os fatores que afetam a reação catódica.

46 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pela água do mar

47 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pela água do mar: materiais utilizados. Materiais usuais nos projetos E&P: FRP e aço carbono com revestimento interno. Corrosão por frestas como principal limitação para o uso dos aços inoxidáveis. A Norsok M-001 apresenta as limitações do emprego do aço inox.

48 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pela água do mar: materiais utilizados. Corrosão por frestas explica o porque dos limites para o uso dos aços inoxidáveis da NORSOK.

49 MECANISMOS DE CORROSÃO Corrosão pela água do mar: outro limitador para uso dos aços inoxidáveis cloração.

50 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Materiais usuais para emprego em plataformas: Aço inox: Classes: Ferríticos (ex: 405) Austeníticos (ex: 316) Martensíticos (ex: 410) Austeno-ferríticos (duplex e superduplex) Super austeníticos Mais empregados: Austeníticos (316) Austeno-ferríticos (duplex e superduplex) Super-austeníticos (904)

51 Fonte: Stainless steels and specialty alloys for modern pulp and paper mills. NiDi reference Book Series n MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS

52 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Materiais usuais para emprego em plataformas: Aço inox:

53 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Materiais usuais para emprego em plataformas: Aço inox: comparação pelo PRE FONTE: Which stainless steel should be specified for external applications? International Molybdenum Association

54 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Materiais usuais para emprego em plataformas: Aço inox: Limitações: Corrosão sob tensão por Cloretos:» A maior preocupação é quanto a questão da corrosão sob tensão.» A avaliação do risco de CST é segundo norma Norsok M-001 (TABELA 6).

55 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Temperaturas definidas para ambientes Saliníferos, mas sem definir o que seja este ambiente.

56 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Uma sugestão para considerar um ambiente como Saliníferos: Regiões onde possa ocorrer acúmulo de sais. FONTE: Which stainless steel should be specified for external applications? International Molybdenum Association

57 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Outro critério: Hunds & Turnbull ( Threshold temperature for stress corrosion cracking of Duplex stainless steel under evaporative seawater conditions Corrosion, v.64,n.2, Considerar a exposição a um ciclo alternado de úmido/seco e adotar como temperatura limite 70 C.

58 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Alguns dados mostram limites um pouco mais rigorosos para o aço inox 316 que o limite da NORSOK (60ºC):

59 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS Materiais usuais para emprego em plataformas: Aço inox: Limitações: Corrosão por Frestas ou Pits:» Menor resistência à corrosão por Frestas. Menor resistência mecânica (qdo comparado com o aço carbono)» Caso dos austeníticos» Duplex e superduplex tem alta resistência mecânica

60 MATERIAIS INOXIDÁVEIS USUAIS

61 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS EQUIPAMENTOS: o uso do aço inoxidável se da caso a caso, considerando a composição do meio, temperatura e pressão. Materiais empregados em projetos: Aço DUPLEX (31803), Aço SuperDuplex (32750/60), Aço inox 316, Aço carbono com clad em AISI 316. TUBULAÇÕES: o uso está limitado as especificações contidas na diretriz do E&P.

62 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS Book de Diretrizes: Especificações em aço inoxidável.

63 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS Usos consagrados dos aços inoxidáveis pela diretriz (não passíveis de reavaliação caso a caso): AISI 316. Tubing, Linhas de injeção de produtos químicos, Fluidos hidraulicos, Ar de instrumentos, Gás para instrumentos, Linhas de nitrogênio, Linhas de querosene de aviação, Linhas de diesel (a montante da centrífuga).

64 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS Equipamentos subsea AMN Unidade de produção (FPSO) Flowline e Riser Coluna de injeção de água Coluna de produção óleo/gás

65 Coluna de injeção de água Gravel packer Materiais Nobres 316L Super Duplex Alloy 625 Alloy 686 C-2000 alloy Alloy 59 Alloy 22

66 Coluna de produção Coluna de produção ou tubing Materiais utilizados: aço carbono, 13Cr, 13Cr-5Ni-2Mo, 22Cr, 25Cr e Ti AMN (Árvore de Natal Molhada) Totalmente revestida com Alloy 625

67 Flowline e riser Normalmente: linha flexível ou aço carbono Existem estudos: 12Cr soldável, 22Cr, 25, Clad 825, Clad 625 e Ti

68 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS 1. Critério básico para a seleção de materiais A corrosão basicamente pelo CO 2 : avaliação deve ser feita caso a caso considerando a fração molar de CO 2 e a pressão do sistema. A avaliação da necessidade de requisitos para serviço com H 2 S deve ser feita considerando a pressão parcial de H 2 S. 2. Unidade de remoção de H 2 S/CO 2 (unidade de amina): Linhas ricas em CO 2 : idem abordagem acima. Linhas de amina rica e pobre: A avaliação é feita pelo API RP 581, considerando: A concentração da solução de amina, O teor de gás ácidos na solução, Temperatura, Presença de produtos de degradação da amina.

69 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS 2. Unidade de remoção de H 2 S/CO 2 (unidade de amina): Linhas de amina rica e pobre:

70 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS 2. Unidade de remoção de H 2 S/CO 2 (unidade de amina): Linhas de amina rica e pobre:

71 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS 2. Unidade de remoção de H 2 S/CO 2 (unidade de amina): Linhas de amina rica e pobre: Aço carbono quando a análise via o API 581 permitir, Aço inox 316 para temperaturas até 60ºC e aço superduplex para temperaturas acima de 60ºC.

72 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS Nova perspectiva de uso para os aços especiais: Aço carbono com weld overlay em Inconel 625. Informações gerais: Desenvolvimento recente (uso nos projetos do pré-sal), Foco: substituição aos aços inox Duplex e Superduplex importados, Tubos revestidos com solda (weld overlay),

73 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS Nova perspectiva de uso para os aços inox: Aço carbono com weld overlay em Inconel 625. Informações gerais: Curvas obtidas com dobramento por aquecimento por indução. Requisitos rígidos de qualidade para garantir ausência de fase frágil e trincamento.

74 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS Trinca em curva de aço com clad de 625 Clad 625 Aço Carbono Estrutura martensítica

75 DESAFIOS NOS NOVOS PROJETOS Book de Diretrizes: novo material: Aço ao níquel: 9%Ni (ASTM A 333 Gr 8). Uso no sistema de injeção de CO 2 (preocupação com baixas temperaturas em situações transientes).

76 DIFICULDADES E PROBLEMAS Aços com alto teor de enxofre: impacto do sulfeto de manganês na corrosão localizada. Camada passivada nas regiões das inclusões com mais defeitos mais susceptível a falhas. Nestas regiões defeituosas acúmulo de cloretos, levando a formação de pites. Nos pites acidificação local, impossibilitando a repassivação.

77 DIFICULDADES E PROBLEMAS Efeito do teor de enxofre: caso prático. Segundo informação da SANDVICK, um aço inox 316 comum possui cerca de 0,007%S. Fonte: Low manganese 316L SS for ultra-high purity servic. In: 2 nd International Symposium on Orbital welding in high purity industries.1998 FONTE: M. Oberndorfer et all Application Limits of Stainless Steels in the Petroleum Industry. SPE Annual Technical Conference and Exhibition,1999

78 DIFICULDADES E PROBLEMAS FONTE: J.O. PARK et all Role of manganese sulfide inclusions on Pit initiation of Super Austenitic Stainless Steels. CORROSION, v.59, n.1, FONTE: M. Oberndorfer et all Application Limits of Stainless Steels in the Petroleum Industry. SPE Annual Technical Conference and Exhibition,1999

79 DIFICULDADES E PROBLEMAS Efeito da decapagem na corrosão dos aços inoxidáveis FONTE: Asami&Hashimoto AN X-RAY PHOTO-ELECTRON SPECTROSCOPIC STUDY OF SURFACE TREATMENTS OF STAINLESS STEELS. CORROSION SCIENCE, v.19, pg 1007 a 1017, 1979.

80 DIFICULDADES E PROBLEMAS FONTE: Praba Karunakaran and Mark Wilson Cuidado na soldagem de aço carbono próximo a tubulações e equipamentos em aço inoxidável. Preparação de superfície com ferramentas inadequadas pode contaminar o metal, levando a corrosão. CASE STUDY: FABRICATION SURVEYS IN ENSURING THE INTEGRITY OF OFFSHORE INSTALLATIONS

81 DIFICULDADES E PROBLEMAS Controle na soldagem dos aços Duplex e Superduplex: faixa de controle estreita. Elevado Heat input (resfriamento lento): fase sigma. Baixo heat input (resfriamento rápido): nitretos de cromo. Fonte: High performance stainless steels. NiDi.

82 DIFICULDADES E PROBLEMAS A non destructive approach to assess the confidence in 22 Cr Duplex Stainless Steels In:Stainless Steel World Conference Importância da qualidade do material recebido:

83 DIFICULDADES E PROBLEMAS A non destructive approach to assess the confidence in 22 Cr Duplex Stainless Steels In:Stainless Steel World Conference Trincamento por CST por cloretos a temperatura ambiente, Presença de cloretos confirmada (7 to 22%) na superfície interna. Tensões residuais devido a solda. Presença de fase sigma oriunda de problema de fabricação.

84

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