DESGASTE DE DESLIZAMENTO DE AÇOS (USADOS EM HASTES DE UNIDADE DE BOMBEIO DE PETRÓLEO) CONTRA POLIURETANO

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1 DESGASTE DE DESLIZAMENTO DE AÇOS (USADOS EM HASTES DE UNIDADE DE BOMBEIO DE PETRÓLEO) CONTRA POLIURETANO GOIS, Gelsoneide da Silva 1 ; FARIAS, Aline Cristina Mendes 2 ; LIMA DA SILVA, Ruthilene Catarina 3 ; MEDEIROS, João Telésforo Nóbrega 4 Grupo de Estudos de Tribologia, UFRN Natal Brasil 1) Estudante de graduação de Engenharia de Materiais da UFRN - gelsoneidegg@yahoo.com.br 2) Mestranda em Engenharia Mecânica - PPGEM UFRN alineastro@yahoo.com.br 3) Doutoranda em Engenharia Mecânica PPGEM UFRN - ruthilene@ufrnet.br 4)Professor do DEM-CT-UFRN e do PPGEM-UFRN medeirosj2@asme.org RESUMO Ensaios acelerados de deslizamento foram realizados nos aços AISI 316, AISI 4140, AISI 1045 metalizado e AISI 4142 revestido, nas condições a seco e lubrificados com óleo contaminado com 10 % SiO 2. Cada contracorpo cilíndrico com geratriz angular, de poliuretano, deslizava contra um corpo-deprova metálico, estacionário. A pressão de contato variou-se pela adoção de cargas normais de 10,0 e 2,3 N, velocidade de 0,91 m/s e distância de deslizamento de 12 km. A taxa de desgaste calculou-se da variação mássica dos corpos-de-prova após cada ensaio. A morfologia do desgaste foi caracterizada por Microscopia Óptica e Eletrônica de Varredura, onde se identificaram danos por abrasão a dois e a três corpos. O lubrificante contaminado majorou a taxa de desgaste devido à ação das partículas abrasivas. Palavras-chave: Engenharia de Petróleo; Tribologia; Desgaste; Abrasão;. INTRODUÇÃO O Rio Grande do Norte possui, neste 2008, cerca de cinco mil poços de petróleo, cuja maioria utiliza bombas de fundo, acionadas por hastes de bombeio para desempenhar essa função. As hastes polidas integram as unidades de bombeio, fundamentais no processo de prospecção de petróleo. Uma 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 7572

2 método de elevação artificial de óleo mais utilizado em todo mundo. Utilizamse diversos materiais na fabricação de hastes, sejam aços ou compósitos, 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 (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 vazamento, danos ambientais e perdas de produção. Este estudo avalia o comportamento tribológico de diferentes aços aplicados em hastes polidas através de ensaios de deslizamento na configuração cilindro de Aço contra - cilindro de geratriz angular de Poliuretano, analisando-se a influência da condição do ensaio, a seco ou lubrificado com óleo contaminado por partículas de areia e da pressão de contato aplicada durante os ensaios em laboratório. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais As hastes polidas utilizadas no estudo foram as seguintes: (1) aço AISI 316 (dureza HV 0,05 353±19 e rugosidade Ra 0,26±0,08 µm), (2) aço AISI 1045 revestido com filme fino (HV 0,05 892±12 e Ra 0,29±0,03 µm), (3) aço AISI 4140 (HV 0,05 226±25 e Ra 0,54±0,03 µm) e (4) aço AISI 4142 revestido com filme fino (HV 0, ±26 e Ra 0,32±0,01 µm). O aço 316 é utilizado em tal aplicação devido, principalmente, à sua elevada resistência à corrosão apesar da sua baixa resistência à abrasão. O aço AISI 1045 com revestimento à base de níquel e cromo, possui resistência à corrosão e à abrasão. Os aços 7573

3 AISI 4140 e 4142 possuem elementos Cromo e Molibdênio, que possuem boa resistência à tração e tenacidade. O aço AISI 4142 usado possui uma camada de revestimento de cromo duro, o que promove elevada resistência à abrasão. Na Figura 1 são mostradas as microestruturas dos aços. (a) (b) (c) (d) Figura 1. Microestrutura dos aços. (a) AISI 316 e (b) seção transversal de uma haste de aço AISI 1045 metalizado evidenciando a camada de revestimento de níquel e cromo (região clara), (c) AISI 4140, (d) seção transversal de uma haste de aço AISI 4142 revestido com camada de cromo duro, ampliação de 200 X. Os corpos-de-prova (CP) dos aços AISI 316, AISI 1045 revestido, AISI 4140 e AISI 4142 revestido, foram obtidos através do seccionamento de hastes polidas comerciais de unidade de bombeio de petróleo. Os CP foram usinados na configuração de disco bipartido, Figura 2, com 31,7 mm de diâmetro e 10,0 mm de espessura. Figura 2. Corpos-de-prova de aço (a) haste polida e seção transversal do disco bipartido (b) superfície de desgaste na seção circunferencial e (c) seção transversal do disco bipartido Um poliuretano elastômero termoplástico (TPU), adquirido comercialmente, foi utilizado como contracorpo, selecionado devido à sua característica de boa resistência à abrasão. Dados de Análise Térmica desse material foram 7574

4 apresentados por LIMA DA SILVA e colaboradores, 2006, constatando que em torno de 251,47 C iniciou-se a degradação de um dos segmentos deste composto. Fusão do TPU a 278,51 C foi identificada no gráfico DSC. Tabela 1. Propriedades mecânicas do Poliuretano utilizado nos ensaios experimentais (LIMA DA SILVA e colaboradores, 2006). Alongamento Módulo de Resistência Dureza Coeficiente Young a tração de Poisson 129± 26% 0,068 GPa 12 ± 0,7 MPa 84±1 ShA 0,35 Os contracorpos de poliuretano comercial utilizados foram obtidos a partir de um tarugo de 60,0 mm de diâmetro, de onde foram extraídos, através do torneamento, cilindros com geratriz angular de 105 (objetivando intensificar a 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 Figura 3. Figura 3. Contracorpo de poliuretano, (a) representação esquemática; (b) depois de torneado. Os CP de poliuretano e dos aços foram limpos por ultra-som, secos e pesadas em balança analítica digital (resolução 0,1 mg) antes e após a realização dos ensaios. O óleo de mamona foi utilizado nos ensaios como lubrificante, apresentando viscosidade absoluta de 3,125x10-4 m2/s a 31 C. A adição de 10 % de contaminante abrasivo de areia (base SiO 2 ), dimensão média de 282 µm, foi necessária para simular as condições reais de campo, já que a areia presente no fluido bombeado é um dos responsáveis pelo desgaste prematuro das hastes polidas. Ensaio Tribológico Cilindro-contra-Cilindro de geratriz angular Os ensaios de abrasão acelerados utilizaram uma bancada desenvolvida em laboratório, a qual tem gerado bons resultados e boa repetitividade. 7575

5 Ilustra-se, na Figura 4(a), a configuração cilindro de PU com geratriz angular-contra-cilindro estacionário de aço, durante um ensaio a seco. Na Figura 4(b), o termômetro digital utilizado para medir a temperatura ambiente e a temperatura próxima ao contato e na Figura 5(c) um esboço esquemático do par tribológico ensaiado. Todos os ensaios deste trabalho foram realizados utilizando esta configuração, com eixos das CPs paralelos entre si nas condições seca e lubrificada, como detalhado no esquema da Figura o Figura 4. (a) Configuração do ensaio a seco; (b) Termômetro digital; (c) Esquema do contato aço-polímero. Os contracorpos de PU deslizavam contra os corpos-de-prova de aços AISI 316, AISI 1045 revestido, AISI 4140 e AISI 4142 revestido, os quais permaneciam estacionários. A influência do par pv (pressão de contato - velocidade de deslizamento) foi investigada aplicando-se duas pressões de contato, 0,18 MPa (10,0 N) e 0,09 MPa (2,3 N) e velocidade: 0,9 m/s. A distância de deslizamento foi constante e unidirecional de 12 km. 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, Figura 5. Figura 5. Representação esquemática do dispositivo de ensaio: localização do fio termopar e óleo lubrificante contaminado por partículas (ensaio lubrificado). 7576

6 As taxas de desgaste dos corpos-de-prova de aço foram calculadas através da equação de Archard [Hutchings, 1992], onde o coeficiente de desgaste k a [m 2 /N] é encontrado através da relação entre as equações (A) e (B): KW Q = (A) H Onde: Q = (V/d), ou seja, volume desgastado por unidade de distância de deslizamento; K = coeficiente de desgaste adimensional e H = dureza; Segundo Hutchings (1992), a equação (B), onde k a é igual a K/H, é mais utilizada na engenharia. Q k a = (B) W RESULTADOS E DISCUSSÃO Morfologia do Desgaste As imagens da Figura 6 dos aços foram obtidas por lupa utilizando-se um esquadro com espaçamento mínimo de 1 mm. A seqüência das imagens foi: (a) superfícies antes da realização do ensaio e (b) superfície após ensaio com lubrificante contaminado e carga de 10 N (0,18 MPa). AISI 316 AISI 1045 REVESTIDO AISI 4140 AISI 4142 REVESTIDO (a) (b) Figura 6. Aspecto superficial dos aços. (a) Superfície antes do ensaio; (b) crateras de desgaste decorrente do deslizamento utilizando cargas de 10 N (0,18MPa). De acordo com as imagens podem-se observar as crateras de cada aços após o ensaio e identificar pelo seu tamanho quem teve melhor desempenho 7577

7 em relação ao desgaste. As maiores crateras foram geradas nos aços AISI 316 e AISI 4140, corroborando o que era esperado, já que esses dois aços não possuíam revestimento, como os demais. Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) Na Figura 7 estão apresentadas imagens, obtidas por MEV, das superfícies desgastadas dos aços AISI 316, AISI 1045 revestido, AISI 4140 e AISI 4142 revestido, respectivamente. AISI 316 AISI 1045 revestido AISI 4140 AISI 4142 revestido Figura 7. Microscopia Eletrônica de Varredura dos aços na condição lubrificada com a carga de 10N (0,18 MPa) (aumento de 1000X). O mecanismo de desgaste por deformação plástica é evidenciado na Figura 7 na superfície do aço AISI 316. Na imagem MEV do aço AISI 1045 revestido vêem-se poros no revestimento. A imagem de MEV do aço

8 revestido e desgastado revela a fragilidade do revestimento de cromo duro, ratificada na Figura 8, que apresenta a sua condição material como recebido. Figura 8. Microscopia de Varredura do aço AISI 4142 revestido. Temperatura Nas Figuras 9 e 10 apresentam-se as variações de temperatura próxima ao contato, menos a temperatura ambiente, em função da distância de deslizamento. Essa diferença entre a temperatura Tc (a 4,0±0,5 mm do contato) e Ta (ambiente) 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. Tal majoração na temperatura do contato é uma função do aumento no coeficiente de atrito. 7579

9 22,5 Calor Dissipado: condição seca Tc-Ta [ o C] 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0, Distância de deslizamento [km] 316-2,3 N ,0 N ,3 N ,0 N ,3 N ,0 N ,3 N ,0 N Figura 9. Variação de temperatura durante a realização dos ensaios de deslizamento PU- Aço AISI 316/AISI 1045revestido/AISI 4140/AISI 4142 revestido na condição seca. Tc-Ta [ o C] Calor Dissipado: condição lubrificada 316-2,3 N ,0 N ,3 N ,0 N ,3 N ,0 N ,3 N ,0 N Distância de deslizamento [km] Figura 10. Variação de temperatura durante a realização dos ensaios de deslizamento PU-Aço AISI 316/AISI 1045 revestido/aisi 4140/AISI 4142 revestido na condição lubrificada. Pode-se observar que na condição a seco ocorreu maior dissipação de calor em relação à condição lubrificada. Esse comportamento era esperado já que, na condição lubrificada, o óleo lubrificante age na interface do contato, reduzindo o coeficiente de atrito. Nas duas condições de ensaio, seco e lubrificado, nota-se que a condição de carregamento mais severa, 10 N (Pressão de contato inicial P ci =184 kpa), 7580

10 gera maior dissipação de calor. Na condição a seco e carga de 10 N, a variação de temperatura foi de 0 a 22 C, enquanto que com carga de 2,3 N (P ci =88 kpa) foi de 0 a 6,5 C, aproximadamente. Na condição lubrificada com carga de 10N a variação de temperatura foi de 0 a 9 C (59% menor) enquanto que com carga de 2,3N a variação foi de 0 a 2,5 C (62% menor). Taxas de Desgaste As taxas de desgaste dos corpos-de-prova metálicos estão apresentadas na Figura 11 para ambas as pressões de contato e condições de ensaio, seca e lubrificada. Seco Lubrificado [óleo+sio 2 ] Taxa de desgaste, k [m 2 /N] 1E-12 1E-13 1E-14 1E-15 1E-16 AISI 316 AISI 1045 metalizado AISI 4140 AISI 4142 cromado 2,3 N 10,0 N 2,3 N 10,0 N 2,3 N 10,0 N 2,3 N 10,0 N Carga Normal [N] Figura 11. Taxas de desgaste dos aços AISI 316, AISI 1045 revestido, AISI 4140 e AISI 4142 revestido para os ensaios a seco e lubrificado com presença de partículas abrasivas. A Figura 11 explicita duas tendências não triviais: (1) maiores cargas normais geraram menores taxas de desgaste, (2) a condição a seco resultou em menores taxas de desgaste em relação à condição lubrificada, com exceção para o aço 4142 revestido, onde essa tendência se inverteu. Supõese que essa inversão ocorrida nesse aço surgiu devido à presença de trincas pré-existentes neste material, Figura 8. Pode-se notar também que os aços com revestimento (AISI 1045 e AISI 4142) apresentam menor taxa de desgaste dentre os materiais estudados. 7581

11 O aço AISI 316 apresentou maior taxa de desgaste na presença de lubrificante contaminado (óleo+sio 2 ), da ordem de m²/n, demonstrando a baixa resistência à abrasão desse aço inoxidável no contato com o PU em presença de um lubrificante contaminado com SiO 2. A taxa de desgaste do aço AISI 4142 revestido, nas duas condições, lubrificado (óleo+sio 2 ) e a seco, foi da ordem de a m²/n, demonstrando sua boa estabilidade na resistência à abrasão. CONCLUSÕES Com base no método e materiais utilizados, 1. Os aços revestidos com filmes finos (Aço AISI 1045 e 4142) apresentaram uma melhor resistência ao desgaste abrasivo em ensaios lubrificados com óleo contaminado; 2. Os aços AISI 1045 metalizado e AISI 316 demonstraram maior resistência ao desgaste, na condição de ensaios sem lubrificante; 3. A condição lubrificada com óleo contaminado gerou desgaste mais severo que a condição a seco em todos os materiais e condições de ensaio, com exceção para o AISI 4142; 4. Na condição de menor carregamento foram obtidas maiores taxas de desgaste para todos os materiais estudados. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à empresa Petrobras-UN-RNCE pelo apoio financeiro e ao suporte técnico dos responsáveis e técnicos dos laboratórios da UFRN, ao projeto CTPETRO/FINEP/INFRA I pelas análises de MEV. E especialmente a todos integrantes da base de pesquisa GET Grupo de Estudos de Tribologia/UFRN. REFERÊNCIAS Hutchings, I. M., 1992, Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials. Edward Arnold. 7582

12 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) Thomas, J.E., 2001, Fundamentos de Engenharia de Petróleo. Editora Interciência, Rio de Janeiro. FARIAS, A.C. ; GOIS, G.S.; LIMA DA SILVA, R.C.; MEDEIROS, J. T. N., 2008, Desgaste de aços AISI 316 e 1045 metalizado submetidos a ensaios de abrasão. CONEM SLIDING WEAR OF STEELS (USED IN POLISHED RODS OF OIL PUMP JACK) AGAINST POLYURETHANE ABSTRACT Accelerated sliding tests were carried out in the steels AISI 316, AISI 4140, AISI 1045 coated and AISI 4142 coated, in the dry and lubricated with contaminated oil with 10% SiO 2 conditions. Each cylindrical counterbody with angular generatrix of polyurethane slid against a stationary metallic specimen. The contact pressure changed by increment of normal loads of 10,0 and 2,3 N, velocity of 0,91 m/s and distance of 12 km. The wear rates were calculated through of the mass variation from specimens after each test. The wear morphology was characterized by Optical and Scanning Electron Microscopy, where identified damages by abrasion at two and three bodies. The contaminated lubricant increase the wear rate due to action of the abrasive particles. Key-words: Petroleum Engineering; Tribology; wear; Abrasion; polished rods 7583