ANÁLISE DE FALHA EM HEAVY-WEIGHT DRILLPIPES DURANTE OPERAÇÃO DE PERFURAÇÃO OFF-SHORE DE POÇO DE PETRÓLEO

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1 ANÁLISE DE FALHA EM HEAVY-WEIGHT DRILLPIPES DURANTE OPERAÇÃO DE PERFURAÇÃO OFF-SHORE DE POÇO DE PETRÓLEO Abud, I.deC. (1), Souza, S.M.C. (2), Cavalcanti, E.H. de S. (2), Centeno, R.0. (1), Alves,M.R. (3), Zamoura,C.A (3) (1) Instituto Nacional de Tecnologia, Laboratório de Metalografia e de Dureza (2) Instituto Nacional de Tecnologia, Laboratório de H2S, CO 2 e Corrosividade (3) Schain Engenharia Ltda. U.N. Petróleo. 6 COTEQ Conferência sobre Tecnologia de Equipamentos 22 CONBRASCORR Congresso Brasileiro de Corrosão Salvador Bahia 19 a 21 de agosto de 2002 As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade do autor.

2 SINOPSE Este trabalho objetiva realizar análise de falha detectada durante a operação de perfuração offshore de um poço de petróleo devido a sucessivos wash-outs de diversos componentes da coluna de perfuração em várias profundidades, em amostra identificada como Heavy Weight Drilll Pipes 5, apresentando perfuração e trinca radial. Foram enviados composição química da lama de perfuração e certificados de propriedades químicas e mecânicas do Heavy Weight 5. Para a análise do problema foram realizados na amostra análises em microscópio estereoscópico, exames metalográficos para caracterização da microestrutura e determinação do teor de inclusões, bem como, análise pontual por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) no material de base e nas inclusões encontradas. Realizou-se ainda ensaio de dureza e análise química da amostra e da lama de perfuração com vistas a determinação da presença de H 2 S. Os resultados das análises realizadas mostraram que na inspeção visual realizada a rosca macho não alcançava os dois últimos filetes da rosca fêmea, submetendo este ponto cujo loc al já é um concentrador de tensão devido à rosca dos filetes, a um esforço de cisalhamento devido à mudança de seção ocasionada pelo término do macho. Evidenciou-se ainda que as trincas se originaram a partir da base de um pite localizado na raiz dos filetes. Além deste fato a presença de segregações de inclusões de sulfeto de manganês na microestrutura na forma de bastonetes, tem efeito prejudicial no comportamento destes aços frente à SSC ( sulfide stress cracking ). Constatou-se ainda alteração na forma das inclusões de MnS caracterizada pelo inchamento das mesmas, indicativo da presença de H2S e, H2S na análise química qualitativa da lama de perfuração. Observou-se também que a dureza do material excedia ao valor recomendado para aços em ambientes contendo H 2 S. Os resultados obtidos e informações disponíveis concluiu-se que a peça falhou por corrosão sob tensão fraturante por sulfeto (SSC), devido a ação do H 2 S presente na lama de perfuração associada a existência de regiões de alta concentração de tensões. Palavras chaves: Perfuração, petróleo, lama, corrosão sob tensão, sulfeto de hidrogênio e tubo de perfuração.

3 1. OBJETIVO Análise de falha em amostra identificada pelo cliente como Heavy Weight 5 (N o de identificação HW007B), apresentando perfuração e trinca circunferencial, conforme mostra a figura 1. A função do Heavy Weight 5, doravante denominada HW5, é a de transmitir o movimento de rotação (80 a 180 rpm) à coluna de perfuração. LOCAL DA PERFURAÇÃO E DA TRINCA CIRCUNFERENCIAL 2. NORMAS / PROCEDIMENTOS: Figura 1 Aspecto da amostra HW5 como recebida INSPEÇÃO VISUAL realizada ao longo das superfícies da peça, a olho nú e com lupa de baixo aumento. ANÁLISE METALOGRÁFICA: a) Caracterização microestrutural: as amostras foram preparadas de acordo com a norma ASTM E 3-95 Standard practice for preparation of metallographic specimens, e posteriormente observadas em microscópio ótico e microscópio eletrônico de varredura. b) Determinação do teor de inclusões : realizada de acordo com a norma ASTM E 45 - " Standard test methods for determining the inclusion content of steel. ENSAIO DE DUREZA foram realizadas medições de dureza Brinell em cinco pontos da amostra, cuja média foi transformada em dureza Rockwell C conforme a norma ASTM E " Standard hardness conversion tables for metals ". ANÁLISE QUÍMICA QUANTITATIVA DA AMOSTRA A analise da composição química da amostra foi executada sob a responsabilidade do Laboratório de Análises Inorgânicas LABAI/INT. ANÁLISE QUÍMICA QUALITATIVA DA LAMA - a metodologia utilizada consistiu na identificação da presença de gás sulfídrico (H2S) através do emprego na lama de perfuração de uma solução contendo H 2 SO 4 + KMnO 4.

4 3. RESULTADOS 3.1 INSPEÇÃO VISUAL A figura 2 apresenta aspectos da superfície interna local de falha. Observou-se na superfície interna trincas e intensa corrosão nos dois filetes de rosca inferiores, enquanto que nos demais filetes não se encontrou este tipo de ocorrência. Estas constatações indicam que o macho, que se encaixa nesta parte, não estava em contato com toda a rosca fêmea, ou seja, com os dois filetes inferiores desta, que como consequência, ficaram expostos à lama. a) AUSÊNCIA DE TRINCAS AUSÊNCIA DE TRINCAS TRINCAS TRINCAS b) R E G I Ã O R E G I Ã O AUSÊNCIA DE TRINCAS TRINCA CIRCUNFERENCIAL E PERFURAÇÃO OCORRIDA NOS DOIS FILETES INFERIORES DA ROSCA COM INTENSO ATAQUE CORROSIVO Figura 2 Parte interna da amostra HW5 : a) Aspecto geral; b) Detalhe da região contendo as trincas

5 A análise realizada na região 1 em diferentes corpos de prova constatou a presença de trincas similares a apresentada na figura 3, partindo da base do pite localizado na raíz do filete circundado pela elipse. Verificou-se que os filetes de rosca superiores (região 2) permaneceram inalterados. R E G I Ã O 2 INTEGRIDADE DOS FILETES DE ROSCA E AUSÊNCIA DE TRINCAS R E G I Ã O 1 TRINCA TÍPICA INICIADA NA BASE DE UM PITE E INTENSO ATAQUE CORROSIVO NOS DOIS ÚLTIMOS FILETES Figura 3 Fotografia em estéreo-microscópio da seção longitudinal da amostra Aumento: 8X 3.2. ANÁLISE METALOGRÁFICA A figura 4 apre senta a microestrutura do material que é composta por martensita revenida, e a figura 5 mostra a micrografia sem ataque, onde pode-se observar que o material possui uma rede de inclusões de sulfeto de manganês sob a forma de bastonetes (cinza escuro). A tabela I apresenta os valores obtidos na quantificação das inclusões não metálicas. Figura 4 Microestrutura martensítica revenida. Ataque: Nital 2% ; Aumento: 240 X

6 Figura 5 - Micrografia sem ataque indicando as inclusões de sulfeto de manganês Aumento: 100 X Tabela I - Resultado da determinação do teor de inclusões INCLUSÃO TIPO SÉRIE FINA SÉRIE GROSSA A (Sulfetos) 1,5 1.5 A figura 6 apresenta uma das trincas observadas nos dois filetes inferiores de rosca da amostra, com diferentes aumentos. Foi constatado, através de análise pontual por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) que a trinca contêm enxofre, cujo espectro é mostrado na figura 7. As figuras 8 e 9 apresentam respectivamente os espectros do material base e de uma inclusão de sulfeto de manganês (MnS). A figura 10 apresenta micrografias de inclusões próximas ao local de uma das trincas observadas nos dois últimos filetes de rosca, cujo aspecto " inchado" e descolado da matriz é tipico de ataque por H2S. 20 X 100 X 200 X 500 X Figura 6 - Micrografias obtidas em microscópio eletrônico de varredura -MEV, com diferentes aumentos, da trinca observada nos dois filetes inferiores da rosca.

7 Figura 7 - Análise pontual da trinca por microsonda (EDS), onde foi detectada a presença de enxofre 20

8 Counts 20 Figura 8 - Espectro de EDS do material de base, onde não foi detectada a presença de enxofre

9 Figura 9 - Espectro de EDS da inclusão de sulfeto de manganês (MnS)

10 Figura 10 - Inclusões com aparência típica de ataque por H 2 S

11 4. ENSAIO DE DUREZA A tabela II apresenta os resultados de dureza Brinell obtidos. Tabela II - Valores de Dureza Brinell 2,5 / 187,5 PONTOS MÉDIA ROCKWELL C HB ,4 5. ANÁLISE QUÍMICA 5.1 Amostra metálica : de acordo com os resultados obtidos na análise química realizada), o material se enquadra na especificação AISI / SAE 4145 H. 5.2 Lama de Perfuração: foi detectada a presença de H 2 S através de análise qualitativa. 6. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS O aspecto das superfícies externa e interna da amostra, observada na inspeção visual, é indicativo de que a rosca macho não alcança os dois últimos filetes da rosca fêmea. A figura 11 apresenta o desenho esquemático provável de encaixe dos eixos. Nesta condição, as regiões indicadas pelo ponto "P", que já são locais de concentração de tensões devido à rosca, estão submetidos adicionalmente a um esforço de cisalhamento devido à mudança de seção ocasionada pelo término do macho. Além disso, essa mudança de seção torna os locais referidos em zonas de turbilhonamento, aumentando assim a sua susceptibilidade à corrosão. Evidenciou-se também que as trincas se originaram a partir da base do pite localizado na raiz do filete. Figura 11 - Desenho esquemático da região interna de encaixe.

12 É reconhecida a tendência dos aços de alta resistência (limite de escoamento > 700 MPa) a sofrer corrosão sob tensão-ssc induzida por sulfetos, onde se inclui o aço objeto deste estudo (1), uma vez que o mesmo é submetido a ambientes contendo H 2 S. Conforme salientado pela API (American Petroleum Institute), em ambientes contendo H 2 S deve-se evitar na microestrutura a presença de segregações de inclusões de sulfeto de manganês (MnS) na forma de bastonetes,, uma vez que as mesmas tem efeito prejudicial no comportamento deste aços frente à SSC (2). Como podemos observar na figura 8, foi evidenciada a presença destas inclusões na amostra analisada. Além disso, a alteração na forma das inclusões de MnS caracterizada pe lo inchamento das mesmas (figura 11), é indicativo da presença de H2S no material. Outro fator importante diz respeito a dureza do material. Dados da literatura indicam que em aços para aplicações em ambientes contendo H 2 S, a dureza deste não deverá ser superior à 26 Rockwell C. De acordo com o resultado obtido (Tabela II), o valor de dureza encontrado na amostra objeto deste estudo foi de 33,4 Rockwell C, que excede o valor recomendado (3). Na análise dos resultados da composição da lama de perfuração constantes dos relatórios enviados pelo cliente, cinco parâmetros contribuem para a ocorrência do ataque corrosivo: Relação óleo / água (% v/v) = 0,0/94,0 Teor de Cloretos (mg/l) = a ph = 9,0 a 9,5 Oxigênio e H 2 S A presença de H2S na lama de perfuração é extremamente prejudicial pois, a existência de compostos de enxôfre (H 2 S, que pode ser dissolvido em HS - e S 2- ) (4), reduz a cinética de recombinação gasosa e, consequentemente, favorece a entrada de hidrogênio para o metal. Para materiais que trabalham em ambiente contendo H 2 S, é também fundamental que o ph seja elevado para valores 10,5 (5), pois neste valor o H 2 S é neutralizado a sulfeto de sódio (Na 2 S), diminuindo assim o problema da ruptura por tensão. A presença unicamente de água na lama de perfuração aumenta a condutividade do meio, favorecendo a atuação dos íons corrosivos. Assim é recomendável a utilização sempre de lama com óleo, de maneira a minimizar a condutividade do meio (5) Também a presença de cloretos (6) em alta concentração diminui a resistência ao ataque corrosivo do tipo localizado por pites em aços. Os quatro fatores acima discutidos, presentes na lama de perfuração, aliados à presença de inclusões de sulfetos, contribuíram para a formação de pites que acele ram o ataque corrosivo observado na amostra. A figura 12 sumariza os processos intervenientes que contribuiram para a falha por SSC observado:

13 DUREZA INCLUSÕES MATERIAL S S C H2S ;H 2 O; ph; Cl - ; O2 MEIO TENSÕES CISALHAMENTO TORÇÃO FLEXÃO Figura 12 - Desenho esquemático dos fatores atuantes que propiciaram a ocorrência de amostra HW5. SSC na 7. CONCLUSÃO De acordo com os resultados obtidos e as informações disponíveis conclui-se que a peça falhou por corrosão sob tensão fraturante por sulfeto (SSC), devido a ação do H2S presente na lama associa da a existência de regiões de alta concentração de tensões. 8. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA (1) Kane, R.D.; Cayard, M.S. - " Roles of H 2 S in the Behavior for Engineering Alloys. A Review of Literature and Expirience " - Corrosion NACE 98; paper 274;1 à 274;28; 1999 (2) Bruce, U.; Morey, S. - " High strength Sour Service of C110 Casing" - SPE / IADC Drilling Conference, amsterdan - Holanda ; pp : ; 1999 (3) Nace Standards for Material Requirements Sulfides Stress Cracking Resistant Metallic Materials for Oilfield Equipment - NACE MR (4) JelinK, J. ; Dagata, S. ; Bonis, M. et all - " Selection of C110 for Grade for Mildly Sour service " - UK Corrosion and Eurocor 94; 1994 (5) Drilling Manual - Section B5 (6) Io Elboeijclaini, M. ; Wang,Y. z. ; Revie, R.W. " Initiation of Stress Corrosion Cracking on X-65 Linepipe Steels in Near-neutral ph Enviroment " 2000 International Pipeline Conference - Volume 2 (7) Gentil, V. - "Corrosão" - pp: 44 ; 1994