Campo Técnico

[001] Refere-se a presente invenção a ligas metálicas destinadas à fabricação de equipamentos para aplicação nos campos de óleo e gás, mais especificamente a uma liga de aço 9% Níquel desenvolvida de forma a permitir seu uso na fabricação de equipamentos que poderão ser utilizados não somente em meios exclusivamente gasosos, mas também em meios líquidos contendo dióxido de carbono (C02) e ácido sulfídrico (H2S) em condições de alta pressão e larga faixa de temperatura, incluindo baixas temperaturas como nas aplicações nos campos do pré-sal.

Fundamentos da Invenção

[002] Sabe-se que os campos do pré-sal contém CO2, o que torna o ambiente mais corrosivo do que os campos tradicionais. Como é previsto a reinjeção de gás rico em CO2 nos reservatórios, para evitar fugas do gás e para aumentar a recuperação de óleo, espera-se que o teor de CO2 possa aumentar significativamente ao longo da vida de produção do campo .

[003] Deve ser observado que a corrosão provocada pelo C02 é um processo complexo que depende de diferentes parâmetros, tais como temperatura, pH da água produzida, e padrões de fluxo de velocidade e de interação com os outros contaminantes, tais como ácidos orgânicos e sulfureto de hidrogénio (H2S) .

[004] A presença de H2S detectada em alguns campos do pré-sal pode aumentar ou diminuir a corrosão de C02, dependendo da relação entre as pressões parciais destes

FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) gases. Por outro lado, fluidos de baixo pH tornam a presença do H2S mais critico para o material; o H2S não só provoca a ocorrência de corrosão localizada, mas também pode causar a falha do material devido a Fratura de Corrosão sob Tensão por Sulfeto (SSCC) .

[005] A seleção de materiais para aplicação nesses reservatórios deve ser tomada com muito cuidado. Entretanto, decidiu-se utilizar o aço 9%Ni (ASTM A333) no sistema de compressão de alta pressão de C02 e este material foi qualificado para serviço em ácido devido ao teor de H2S residual na planta.

[006] Os aços com 9% Níquel estão descritos nas normas ASTM A 333 grau 8, A 522 tipo 1 e A 353. Estes materiais são propostos para serem utilizados em meios de gases secos. São materiais bastante interessantes por apresentar elevada resistência mecânica e baixíssima temperatura de transição dúctil-frágil . Recentemente o aço A 333 foi proposto para ser qualificado para meios ácidos contendo C02 e baixos percentuais de H2S.

Breve Descrição da Invenção

[007] Embora propostos para utilização na fabricação de equipamentos aplicados em meios ácidos contendo C02 e H2S, foi verificado que tais materiais apresentam falhas de corrosão sob tensão, assim como são sensíveis aos danos causados pelo hidrogénio (H2) em meios aquosos.

[008] Assim, é objetivo da presente invenção propor uma liga de aço desenvolvida de forma a solucionar a falta de resistência à corrosão das atuais ligas de 9%Ni utilizadas na fabricação de equipamentos para aplicação nos campos do pré-sal; como, por exemplo, na fabricação de tubos submetidos

FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) à alta pressão de C02 e H2S, meios ácidos contendo C02 e baixos percentuais de H2S, visto que estes materiais apresentam falhas de corrosão sob tensão, assim como são sensíveis aos danos causados pelo Hidrogénio. Desta forma, com a presente invenção será possível a utilização de um aço de baixo teor de elementos de ligas, como a liga 9%Ni, portanto mais barata, de altíssima resistência mecânica, baixo risco de sofrer fratura frágil, tanto em meio gasoso como em meios líquidos, contendo C02 e H2S.

[009] Através de um estudo sistemático para entender o motivo da falha da liga com 9%Ni, constatamos que o principal problema, do ponto de vista da corrosão, era a fase austenita retida que ao ser trabalhada mecânica-termicamente, dava origem a fase martensítica, extremamente frágil.

[0010] A solução proposta pela presente invenção para solucionar o problema técnico acima identificado, consiste na utilização de nióbio (Nb) , em pequenas proporções, para refinar o grão do material e diminuir a quantidade e a forma da austenita retida no mesmo, sem alterar, entretanto, as excelentes propriedades mecânicas da liga de 9%Ni. Assim, a invenção consiste na introdução de pequenas quantidades de nióbio (Nb) com o objetivo de mudar as características da liga de modo a evitar a ocorrência dos problemas de apresentação de falhas de corrosão sob tensão, assim como a sensibilidade aos danos causados pelo hidrogénio, viabilizando sua aplicação em meios aquosos contendo C02 e H2S .

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0011] De forma a exemplificar e comprovar os efeitos técnicos novos da presente invenção, foram fundidas duas

FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) ligas: uma contendo 0.05%Nb e outra contendo 0.1%Nb. Estas ligas foram fundidas a partir de ligas comerciais 9%Ni existentes no mercado, cu a composição básica se encontra na tabela 1 a seguir:

Tabela 1 - Composição química de ligas comerciais 9% Ni existentes no mercado ASTM A522 tipo 1

[0012] A partir desta liga básica foram confeccionadas duas ligas contendo nióbio, objeto da presente invenção, respectivamente com 0.1% e 0.05% de Nióbio, em forno de refusão à vácuo, nas dimensões de diâmetro externo de aproximadamente 120 mm e comprimento de aproximadamente 250 mm. A composição química de cada uma destas ligas contendo o nióbio e objeto da presente invenção está mostrada nas tabelas a seguir, com a adição de liga contendo 99.999%Nb + 0.001%Zr (9Ni+ 0.1%Nb) e , tabela 3, com a adição de liga contendo 99.999%Nb + 0.001%Zr ( 9NÍ+0.05%Nb) .

FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) Tabela 3 - Composição química do material desenvolvido a partir de refusão em forno à vácuo com sucata do material

ASTM A522-tipo 1 e adição de liga contendo 99.999%Nb +

0.001%Zr (9NÍ+0.05%Nb)

[0013] Em seguida as ligas foram forjadas em duas etapas à 1050°C: redução de 120 mm para 80 mm, com manutenção em forno à 1050°C e redução de 80 mm para 76 mm, em resfriamento ao ar. Posteriormente, estas ligas foram submetidas aos testes de susceptibilidade ao trincamento pelo hidrogénio (NACE TM 0284) e aos testes de susceptibilidade ao trincamento por corrosão sob tensão de sulfeto (NACE TM 0177) em solução de H ₂ 0 destilada+3850ppm CH ₃ COOH+99.2%CO ₂ +0.8%H ₂ S e comparadas com as ligas tradicionais de 9%Ni sem adição de nióbio, cujos principais resultados estão apresentados respectivamente nas tabelas 4 e 5, a seguir:

Tabela 4 - Resultado dos testes de susceptibilidade ao

FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) trincamento pelo hidrogénio

[0014] Conforme pode ser verificado na tabela 4, as ligas contendo 0.1% e 0.05% de nióbio, objeto da presente invenção, não apresentaram trincas, diferentemente das ligas tradicionais de 9%Ni, ASTM A333 Gr . 8 e ASTM A522 - Tipo 1, ambas sem a adição de nióbio, que apresentaram pequenas trincas .

Tabela 5 - Resultado dos testes de susceptibilidade ao trincamento por corrosão sob tensão de sulfeto

[0015] Conforme pode ser verificado na tabela 5, as ligas contendo 0.1% e 0.05% de nióbio, objeto da presente invenção, não apresentaram trincas, diferentemente da liga tradicional de 9%Ni, ASTM A333 Gr. 8, que embora não tenha sido verificado a ocorrência de ruptura, os corpos de provas apresentaram corrosão localizada intensa e coalescimento de pites. A liga tradicional de 9%Ni ASTM A522 - Tipo 1, teve

FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) dois dos cinco corpos de prova rompidos.

[0016] Foram realizados, ainda, ensaios de Charpy a -90 graus Celsius e as amostras da liga objeto da presente invenção contendo 0.05% de nióbio deram praticamente os mesmos resultados das amostras tradicionais de 9%Ni. O mesmo ocorreu com os ensaios de tração, onde as amostras da liga objeto da presente invenção contendo 0.1% de nióbio apresentaram uma diminuição de cerca de 20% nos parâmetros dos resultados mecânicos comparados com as amostras tradicionais de 9%Ni.

[0017] Verifica-se assim, diante dos resultados apresentados acima, o efeito técnico novo das ligas de 9%Ni com a adição de nióbio em sua composição, quando comparadas com as ligas tradicionais de 9%Ni sem a adição de nióbio em sua composição, proporcionando a possibilidade de se ter um material barato, de alto desempenho mecânico e com possibilidades de utilização na fabricação de equipamentos para operação em meios aquosos contendo CO2 e ¾S, e não somente meios gasosos como até então era o campo de aplicação das ligas 9%Ni tradicionais.

[0018] A descrição acima da presente invenção foi apresentada com o propósito de ilustração e descrição. Além disso, a descrição não tem a intenção de limitar a invenção à forma aqui revelada. Em consequência, variações e modificações compatíveis com os ensinamentos acima, e a habilidade ou conhecimento da técnica relevante, estão dentro do escopo da presente invenção. Assim, é a intenção que a presente invenção inclua todas as modificações e variações da mesma, dentro do escopo descrito no relatório e nas reivindicações anexas.

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