DESGASTE DE AÇOS AISI 316 E 1045 METALIZADO SUBMETIDOS A ENSAIOS DE ABRASÃO

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1 V CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA V NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING 25 a 28 de agosto de 2008 Salvador Bahia - Brasil August 25 28, Salvador Bahia Brazil DESGASTE DE AÇOS AISI 316 E 1045 METALIZADO SUBMETIDOS A ENSAIOS DE ABRASÃO CÓDIGO DO RESUMO: CON Resumo: Investigou-se a resistência ao desgaste abrasivo de hastes metálicas de unidades de bombeamento de petróleo submetidas ao contato de deslizamento com poliuretano (PU, Shore A 84±1). Foram realizados ensaios de desgaste por deslizamento em laboratório utilizando dois aços distintos, sugeridos pela norma API 11B para confecção dos corpos-de-prova estacionários extraídos de hastes cinlíbricas: aço AISI 316 (HV 0,05 353±19) and aço AISI 1045 metalizado (HV 0,05 892±12). Os contracorpos ratativos foram confeccionados de Poliuretano com geometria cilindrica com feratriz angular de 105º. Os ensaios acelerados forma realizados nas condições seca e lubrificada com óleo de rícno (viscosidade absoluta 3,125x10-4 m 2 /s a 31 o C) contaminado com 10 % de SiO 2 (Æ = 282 mm). A influência do par pv (pressão de contato-velocidade de deslizamento) foi investigada aplicando-se duas pressões de contato Hertzianas, 0,184 MPa e 0,088 MPa e duas velocidades, 0,4 m/s e 0,9 m/s ao contracorpos de PU, que deslizava contra o corpo-de-prova metálico estacionário. A distância de deslizamento foi unidirecional de 12 km. A taxa de desgaste destes aços foi calculada através de variação de massa dos corpos-de-prova após cada ensaio. A morfologia do desgaste foi caracterizada por Microscopia Eletrônica de Varredura. Os principais mecanismos de desgaste identificado foi abrasão a dois e a três corpos e desgaste adesivo do Poliuretano. As taxas de desgaste foram associadas à pressão de contato, à distância de deslizamento e à dureza do material através de uma Equação de Archard modificada. Não houve uma relação linear entre as velocidades de deslizamento e as taxas de desgaste. A presença de lubrificante contaminado por SiO 2 resultou em aumento da taxa de desgaste, em até duas ordens de grandeza, devido à ação das partículas abrasivas. O aço AISI 1045 metalizado apresentou maior resistência ao desgaste abrasivo que o aço AISI 316. Palavras-chave: Indústria de Petróleo; Tribologia; Desgaste; Abrasão; Aço AISI 316; Aço AISI 1045 metalizado. 1. INTRODUÇÃO A unidade de bombeio é o equipamento, na Indústria de Petróleo, que converte o movimento de rotação de um motor em movimento alternado ( reciprocating ) das hastes. O bombeamento mecânico com hastes é o método de elevação artificial de óleo mais utilizado em todo mundo. Utilizam-se diversos materiais na fabricação de hastes, sejam aços ou fibra de vidro, sendo que as hastes de fibra de vidro são menos utilizadas em relação às de aço, por razões de custo de aquisição, sendo aplicadas em poços com maiores problemas de corrosão e cargas elevadas, Thomas [2001]. As hastes polidas, localizadas no topo da coluna de uma unidade de bombeamento de petróleo, têm como objetivo proporcionar melhor vedação na cabeça do poço em conjunto com a caixa de vedação ( stuffing box ). O movimento alternado, o óleo e as partículas abrasivas presentes durante este processo fazem com que a haste sofra desgaste superficial, podendo minorar significativamente a sua resistência mecânica, comprometida pelo peso próprio das hastes, forças de empuxo, de aceleração e de atrito e peso da coluna do fluido, Thomas [2001]. Observa-se, em campo, que diversas hastes estão sujeitas ao desgaste promovido pela presença de areia, detritos de rochas dos reservatórios ou partículas de desgaste das próprias hastes e retentores. Uma baixa resistência ao desgaste das hastes pode gerar danos econômicos e ambientais, através da ocorrência de vazamentos e contaminação do meio ambiente. Por outro lado, um aperto excessivo na caixa de engaxetamento associa-se ao atrito no sistema haste-retentor, com desperdício de energia de bombeamento. Este estudo avalia o comportamento tribológico dos aços AISI 316 e AISI 1045 com camada de revestimento Cromo e Níquel, aplicados em hastes polidas, através de ensaios tribológico na configuração cilindro-contra-cilindro de geratriz angular (Aço-Poliuretano) analisando-se a influência de fluidos contaminados por partículas de areia submetidos a dois níveis de pressão de contato e velocidades de deslizamento aplicados durante os ensaios em laboratório.

2 2. EXPERIMENTAL 2.1. Materiais Aços AISI 316 e 1045 Metalizado Hastes polidas fabricadas de aço AISI 316, dureza HV 0,05 353±19 e rugosidade Ra de 0,264±0,080 µm, foram utilizadas neste estudo. Sua utilização se dá em poços com corrosividade acentuada. Esse aço inoxidável contém cromo e níquel em sua composição química e apresenta uma microestrutura austenítica, como a ilustra-se na Fig. 1. Resiste bem a ambientes corrosivos, tem elevado custo e baixa resistência à abrasão, ou seja, se desgasta rapidamente quando em contato com partículas abrasivas como areia, por exemplo. Atualmente, no Brasil, tem-se utilizado hastes de aço AISI 1045 com uma camada de revestimento (metalização) à base de cromo e níquel objetivando-se uma majoração na resistência ao desgaste desse componente, a um custo menor e dureza maior que o aço inoxidável AISI 316. No presente estudo utilizou-se o aço AISI 1045 revestido, de dureza superficial de HV 892±12 e rugosidade Ra de 0,290±0,025 µm, obtido pelo processo de Aspersão Térmica (Thermal Spray Metal). Na Figura 1 é apresentada a micrografia da seção transversal de uma dessas hastes, destacando-se o revestimento com presença de poros. Figura 1. Microestrutura dos aços. AISI 316 e seção transversal de uma haste de aço AISI 1045 metalizado evidenciando a camada de revestimento de níquel e cromo (região clara), ampliação de 200x. Os corpos-de-prova dos aços AISI 316 e AISI 1045 metalizado foram obtidos através do seccionamento de hastes polidas de unidade de bombeio de petróleo e posterior usinagem para adquirir uma configuração de disco bipartido, Fig. 2, com 31,7 mm de diâmetro e 10,0 mm de espessura. Figura 2. Corpos-de-prova de aços AISI 316 e AISI 1045 metalizado haste polida e amostras seccionadas, (c) morfologia obtida discos bipartidos.

3 Poliuretano O poliuretano (PU) utilizado é um elastômero termoplástico. Dados de análise térmica deste material foram apresentados por LIMA DA SILVA e colaboradores [2006], eles constataram que em torno de 251,47 o C teve início a degradação de um dos segmentos deste composto (Fig. 3a). A temperatura de fusão de 278,51 C foi identificada no gráfico DSC da Fig. 3. O PU adquirido comercialmente foi utilizado como contracorpo, selecionado devido à sua resistência à abrasão, entre as melhores situadas, em relação aos polímeros. Por apresentar grande versatilidade, o poliuretano pode ser utilizado em diferentes segmentos da indústria e se apresenta sob a forma de espumas flexíveis ou rígidas e elastômeros, VILARIM [2003]. Figura 3. Análise térmica do poliuretano: Curva termogravimétrica (TGA) e curva calorimétrica (DSC) dos ensaios experimentais, LIMA DA SILVA e colaboradores (2006). A dureza e resistência à tração do poliuretano, Tab. (1), apresentaram dispersão menor que 4 % contra uma dispersão no alongamento de 26 %. Tabela 1. Propriedades mecânicas do Poliuretano utilizado nos ensaios experimentais LIMA DA SILVA e colaboradores (2006) Alongamento Módulo de Resistência a Dureza Coeficiente Young tração de Poisson Poliuretano 129± 26% 1 GPa 12 ± 0,7 MPa 84±1 ShA 0,35 As amostras de poliuretano utilizadas para a confecção dos contracorpos foram obtidas de um tarugo de 60,0 mm de diâmetro, de onde foram extraídos, através da usinagem em torno mecânico, cilindros com geratriz angular de 105 (intensificação na pressão de contato), com 14,0 mm de espessura, 36,0 mm e 9,0 mm de diâmetros externo e interno, respectivamente, conforme morfologia apresentada na Fig. 4. Figura 4. Contracorpo de poliuretano, representação esquemática; após torneado. As amostras de poliuretano e dos aços foram limpas com aparelho de ultra-som, secadas e pesadas em balança digital (máx. 220 g e d=0,1 mg) antes e após a realização dos ensaios. As taxas de desgaste dos corpos-de-prova de aço AISI 316 e AISI 1045 metalizado foram calculadas através da equação de Archard [Hutchings, 1992], onde o coeficiente de desgaste dimensional (k a ) é encontrado através da relação expressões Eq. (1) e Eq. (2): KW Q= (01) H

4 Onde: Q = (V/d), ou seja, volume desgastado por unidade de distância de deslizamento; K = constante de proporcionalidade; H = dureza; Segundo Hutchings (1992), a expressão da Eq. (2), onde k a é igual a K/H, é mais utilizada na engenharia. Logo: Q k a = (02) W Lubrificante de Óleo de Mamona com Contaminante Abrasivo Além da elevada dureza, resistência mecânica e tenacidade, o desgaste dos materiais pode ser reduzido tanto pela melhora no acabamento superficial das superfícies em contato, como também na introdução de lubrificante entre as superfícies (Chiaverini, 2005). O óleo de rícino foi utilizado nos ensaios como lubrificante, apresentando viscosidade absoluta de 3,125x10-4 m 2 /s a 31 o C. A adição de 10 % de contaminante abrasivo de areia (SiO 2 ), diâmetro médio de 282 mm, foi necessária para simular as condições reais de campo, já que a areia é um dos responsáveis pelo desgaste prematuro das hastes polidas Ensaio Tribológico Cilindro-contra-Cilindro de geratriz angular Para a realização dos ensaios de abrasão acelerados foi utilizada uma bancada desenvolvida em laboratório, a qual fornece bons resultados e boa repetitividade. Na Fig. 5, ilustra-se a configuração cilindro de PU com geratriz angular-contra-cilindro estacionário de Aço durante um ensaio a seco, Fig. 5, termômetro digital utilizado para medir a temperatura ambiente e a temperatura próxima ao contato e Fig. 5(c), esboço esquemático do par tribológico ensaiado. Todos os ensaios deste trabalho foram realizados utilizando esta configuração, com eixos das amostras paralelos entre si nas condições seca e lubrificada, como detalhado no esquema da Fig o Figura 5. Configuração do ensaio a seco; Termômetro digital; (c) Esquema do contato aço-polímero. Os contracorpos de PU deslizavam contra os corpos-de-prova de aço AISI 316 ou AISI 1045 metalizado, os quais permaneciam estacionários. A influência do par pv (pressão de contato - velocidade de deslizamento) foi investigada aplicando-se duas pressões de contato, 0,184 MPa (10,0 N) e 0,088 MPa (2,3 N) e duas velocidades: 0,4 m/s e 0,9 m/s. A distância de deslizamento foi constante e unidirecional de 12 km. O esquema apresentado na Fig. 6 ilustra a configuração dos ensaios tribológicos. Para os ensaios lubrificados, utilizou-se um recipiente para o armazenamento do óleo com abrasivo, uma válvula reguladora de vazão do fluido, estabelecida em 0,033 ml/min, e um mangueira polimérica para direcionar o fluido lubrificante até a região de contato.

5 Figura 6. Representação esquemática do dispositivo de ensaio: localização do fio termopar e óleo lubrificante contaminado por partículas (ensaio lubrificado). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Temperatura Na Figura 7, são apresentados os gráficos de variação de temperatura, Tc-Ta, em função da distância de deslizamento. A diferença entre a temperatura Tc, a 4,0±0,5 mm do contato e a ambiente, e Ta pode ser usada como uma medida indireta do atrito. Observa-se a importância da associação do aumento de temperatura, ou seja, maior atrito, à maior pressão de contato. Por outro lado, não houve variações significativas de Tc-Ta para o mesmo par tribológico quanto à mudança de velocidade. Tal majoração na temperatura do contato é uma função do aumento no coeficiente de atrito e relaciona-se à resistência à abrasão do par tribológico submetido ao desgaste. (c) (d) Figura 7. Gráficos de variação de temperatura durante a realização dos ensaios de deslizamento PU- Aço AISI 316/1045 metalizado a seco e lubrificado com contaminante utilizando-se duas velocidades e pressões de contato.

6 3.2. Taxas de Desgaste Influência da Pressão de Contato, Velocidade de Deslizamento e Lubrificação com Contaminante de SiO 2 As taxas de desgaste dos corpos-de-prova metálicos estão apresentadas na Fig. 8. Depreende-se que Para ambas as velocidades e ambas as pressões de contato ensaiadas, o desgaste do aço AISI 316 na presença de lubrificante contaminado com partículas de SiO 2 foi da ordem de m 2 /N, enquanto, no contato de deslizamento seco, sem a presença de lubrificante, suas taxas de desgaste flutuaram de a m 2 /N, demonstrando a baixa resistência à abrasão desse aço inoxidável no contato com o PU em presença de um lubrificante contaminado com SiO 2 ; Para ambas as velocidades e ambas as pressões de contato ensaiadas, o desgaste do aço AISI 1045 metalizado na presença de lubrificante contaminado com partículas de SiO 2 foi da ordem de a m 2 /N, mesma taxa obtida para o contato de deslizamento seco, sem a presença de lubrificante, demonstrando uma boa estabilidade na resistência à abrasão desse aço 1045 metalizado no contato com o PU a seco, ou em presença de um lubrificante contaminado com SiO 2. Taxa de desgaste [m 2 /N] 1E-12 1E-13 1E-14 1E-15 1E-16 0,9 m/s 0,4 m/s 316C2,3N 316lubC2,3N 1045C2,3N 1045lubC2,3N 316C10N 316lubC10N 1045C10N 1045lubC10N X Axis Title Figura 8. Taxas de desgaste dos aços AISI 316 e 1045 metalizado para as velocidades de deslizamento 0,4 m/s e 0,9 m/s Morfologia do Desgaste Lupa e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Na Figura 9 estão apresentadas imagens das superfícies dos aços AISI 316 e 1045 metalizado, obtidas por lupa. A condição do ensaio com lubrificante e contaminante abrasivo permite fácil visualização do desgaste nestes aços. Antes do Ensaio Após Ensaio Lubrificado (c) AISI 1045 Metalizado AISI mm 1 mm (d) 1 mm 1 mm Figura 9. Aspecto superficial do aço AISI 316 e (c) e AISI 1045 metalizado e (d).

7 V Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 25 a 28 de agosto 2008, Salvador-Bahia Nas Fig. 10 e 11 estão apresentadas imagens das superfícies desgastadas dos aços AISI 316 e AISI 1045 metalizado, respectivamente, as quais foram obtidas por MEV e com auxílio de análise química por EDX. As setas indicam a direção e o sentido do deslizamento do contracorpo PU sobre o corpo-de-prova metálico. AISI 316 2,3 N 10,0 N (c) (d) (e) (i) (f) (j) (g) (k) 0,9 m/s Ensaio Lubrificado com Óleo Contaminado por Abrasivo 0,4 m/s 0,9 m/s Ensaio a Seco 0,4 m/s (h) (l) Figura 10. Aspecto superficial do aço AISI 316 nas condições a seco e lubrificado com óleo contaminado.

8 V Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 25 a 28 de agosto 2008, Salvador-Bahia AISI 1045 Metalizado 2,3 N 10,0 N (e) (f) 0,4 m/s (c) (g) (d) (h) (i) (l) (j) (m) (k) (n) 0,9 m/s Ensaio Lubrificado com Óleo Contaminado por Abrasivo 0,9 m/s Ensaio a Seco 0,4 m/s Figura 11. Aspecto superficial do AISI 1045 metalizado nas condições seco e lubrificado com óleo contaminado.

9 De acordo com as imagens das Fig. 10 e 11, os mecanismos de desgaste observados foram de abrasão a dois corpos, para a condição não lubrificada e de abrasão a dois e a três corpos para a condição lubrificada com óleo de mamona contaminado por partículas abrasivas para ambos os aços estudados. A partir da Fig. 10, observa-se que a maior pressão de contato aplicada ao aço AISI 316 provocou maior área superficial desgastada. Nos ensaios lubrificados, pode-se observar que o tamanho e profundidade da cratera formada nas superfícies dos aços estudados são proporcionais à pressão de contato. Além disto, o debri de tamanho elevado (>50 µm), identificado na Fig 10.(l), foi conseqüência da condição mais severa do ensaio (0,9 m/s e 0,184 MPa). Na Figura 11, o aço AISI 1045 apresentou menor área superficial desgastada, quando comparado às imagens da Fig. 10 (aço AISI 316). A camada de metalização a base de Cromo e Níquel promoveu a resistência ao desgaste deste material. Todavia, como foi analisado, este revestimento apresenta muitos poros, que podem ser decorrentes do processo de revestimento deste material. Além disto, através de gráficos obtidos por EDS (Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios-X), é identificada a presença de Silício no revestimento superficial das amostras submetidas a ensaio a seco, o que indica que o mesmo não é oriundo da contaminação do óleo (areia) e que ele pode ser o facilitador para a formação dos poros. 4. CONCLUSÕES O ensaio de abrasão forneceu resultados satisfatórios. Para todas as condições estabelecidas, o aço AISI 1045 metalizado obteve melhores resultados, apresentando valores de taxa de desgaste e calor dissipado abaixo dos encontrados para o aço AISI 316. A substituição do aço AISI 316 pelo AISI 1045 metalizado, na fabricação de hastes polidas, implicaria em maiores reduções de custos. A influência da pressão de contato sobre os materiais foi percebida através da resposta de temperatura. A temperatura próxima ao contato aumentou com a maior pressão de contato indicando que houve elevação no coeficiente de atrito. Uma faixa na taxa de desgaste foi identificada, 1x10-15 a 1x10-14 (m 2 /N), na qual engloba os dois materiais estudados em todas as condições, com exceção do aço AISI 316 na condição de lubrificado com contaminante abrasivo. Isto indica que este material não deve ser aplicada em condições de operação com presença de partículas abrasivas. 5. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à empresa Petrobras pelo apoio financeiro, ao departamento de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PPGEM/UFRN) e ao suporte técnico dos responsáveis e técnicos dos laboratórios da UFRN: Metrologia, Caracterização de Materiais, Oficina Mecânica, Materiais Cerâmicos e Metais Especiais, Mecânica dos Fluidos, Processamento em Plasma, Núcleo de Ensino e Pesquisa em Petróleo e Gás Natural (NEPGN) pelas análises de MEV (CTPETRO/FINEP/INFRA I). e especialmente a todos integrantes da base de pesquisa GET Grupo de Estudos de Tribologia/UFRN. 6. REFERÊNCIAS Lima da Silva, R. C., Santana, J.S., Silva Jr., J.F., Silva, A.O., Medeiros, J.T.N., 2006, Tribological study of the damage mechanics of polymer-metal contacts used in implants. Materials Science Forum, 514 (2006) Hutchings, I. M., 1992, Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials. Edward Arnold. Vilarim, R., 2003, Compósito de resina poliuretano derivada de óleo de mamona e fibras vegetais. Tese de doutorado apresentada a Universidade de São Paulo. Thomas, J.E., 2001, Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Editora Interciência, Rio de Janeiro. Chiaverini, V, Aços e Ferros Fundidos, 7ª Edição, Associação Brasileira de Metalurgia ABM, São Paulo, DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no presente trabalho.

10 CODE: CON WEAR OF STEEL AISI 316 E 1045 METALIZED SUBMITED ABRASION TESTS Abstract: The abrasive wear of polished rods sliding against Polyurethane (PU Shore A 84±1) was investigated. Sliding wear testings were carried out in Laboratory using two different steels suggested by API 11B Standard to the stationary bodies extracted of a cylindrical rod: AISI 316 (HV 0,05 353±19) and AISI 1045 coated steel (HV 0,05 892±12). The rotative counterbodies were made of Polyurethane with a cylindrical shape and an angular generatrix of 105 o. The testings were running on dry and lubricated conditions with ricinus oil (absolute viscosity 3.125x10-4 m 2 /s at 31 ºC) contaminated with 10% of SiO 2 (Æ=282 mm). The influence of pv (pressure contact-sliding velocity) was investigated applying two Hertzian contact pressures, MPa and MPa and two sliding velocities, 0.4 m/s and 0.91 m/s. The sliding distance was 12 km, unidirectional. The wear rate of steels was calculated by massic variation of the coupons after each test. The wear morphology was identified by Scanning Electron Microscopy. The main wear mechanisms identified were two and three-body abrasive wear and adhesive wear of Polyurethane. The wear rates were associated with the contact pressure, the sliding distance and the hardness of the material through of a modified Archard Equation. There wasn t a linear relationship between the sliding velocity and wear rates. The presence of lubricant contaminated by SiO 2 resulted on increase of the wear rate until two magnitude orders due to the action of the abrasive particles. The AISI 1045 steel showed better resistance to abrasive wear than AISI 316 steel. Keywords: Petroleum Industry; Tribology; Wear; Abrasion; Steel AISI 316; metalized steel AISI 1045.