BR102015018600A2

BR102015018600A2 - liga de aço 9% níquel modificada, composição de liga de aço 9% níquel modificada e seus usos

Info

Publication number: BR102015018600A2
Application number: BR102015018600A
Authority: BR
Inventors: Machado De Araujo Alan; Santos De Lima Alessandro; Franco Vieira Alves Beserra André; Pereira Dias Diego; Vieira Vasques De Sousa Flavio; Santos De Assis Kioshy; Cristina Elaine Bandeira Merlin; Rosa Mattos Oscar; Roberto Alves Garcia Rodrigo; Maia Moreira Rogaciano; Griffo Tavares Sergio
Original assignee: Inst Alberto Luiz Coimbra De Pós Graduação E Pesquisa De Engenharia - Coppe/Ufrj
Priority date: 2015-08-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2017-02-07
Also published as: WO2017020105A1

Abstract

resumo liga de aço 9% níquel modificada, composição de liga de aço 9% níquel modificada e seus usos liga de aço 9% níquel modificada com adição de pequenas quantidades de nióbio de forma a permitir seu uso na fabricação de equipamentos para aplicação não somente em meios gasosos, mas também em meios líquidos contendo dióxido de carbono (co2) e ácido sulfídrico (h2s) em condições de alta pressão e larga faixa de temperatura, incluindo baixas temperaturas como por exemplo nas aplicações nos campos do pré-sal.

Description

LIGA DE AÇO 9% NÍQUEL MODIFICADA, COMPOSIÇÃO DE LIGA DE AÇO 9% NÍQUEL MODIFICADA E SEUS USOS

[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 (CO2) 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.

ESTADO DA ARTE

[002] Sabe-se que os campos do pré-sal contém C02, o que torna o ambiente mais corrosivo do que os campos tradicionais. Como é previsto a reinjeção de gás rico em C02 nos reservatórios, para evitar fugas do gás e para aumentar a recuperação de óleo, espera-se que o teor de C02 pode 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 hidrogênio (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 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 dútil-frágil. Recentemente o aço A 333 foi proposto para ser qualificado para meios ácidos contendo C02 e baixos percentuais de H2S.

ASPECTOS 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 hidrogênio (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 a 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 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 Hidrogênio. 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.

[010] 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, consiste a invenção 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 citados acima de apresentação de falhas de corrosão sob tensão, assim como a sensibilidade aos danos causados pelo hidrogênio, viabilizando sua aplicação em meios aquosos contendo C02 e H2S.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[011] De forma a exemplificar e de comprovar os efeitos técnicos novos da presente invenção, foram fundidas duas 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, cuja 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 [012] 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 2, 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 99.9 99%Nb + 0.001%Zr ( 9Ni+0.05%Nb) .

Tabela 2 - Composição química do material desenvolvido a partir de refusão em forno a vácuo com sucata do material ASTM A522-tipo 1 e adição de liga contendo 99.999%Nb + _______________________0.001%Zr (9Ni + Q . l%Nb) 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) [013] Em seguida as ligas foram forjadas em duas etapas à 1050°C: a) redução de 120 mm para 80 mm, com manutenção em forno à 1050°C; e b) redução de 80 mm para 76 mm, em resfriamento ao ar. Posteriormente, estas ligas foram submetidas aos testes de susceptibilidade ao trincamento pelo hidrogênio (NACE TM 0284) e testes de susceptibilidade ao trincamento por corrosão sob tensão de sulfeto (NACE TM 0177) em solução de H2O destilada+3850ppm CH3COOH+99.2%CO2+0.8%H2S 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 trincamento pelo hidrogênio [014] 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 [015] 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, e a liga tradicional de 9%Ni ASTM A522 - Tipo 1, teve dois dos cinco corpos de prova rompidos.

[016] 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.

[017] Verifica-se assim, diante dos resultados apresentados acima, o efeito técnico novo e o excelente comportamento 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 H2S, e não somente meios gasosos como até então era o campo de aplicação das ligas 9%Ni tradicionais.

[018] 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.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Liga de aço 9% níquel modificada para uso na fabricação de equipamentos caracterizada por se adicionar à composição convencional da liga 9% níquel, pequenas quantidades de nióbio.

2. Liga, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por se adicionar à composição convencional da liga 9% níquel, de 0.05% a 0.1% de nióbio.

3. Liga, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por se adicionar à composição convencional da liga 9% níquel, 0.05% de nióbio.

4. Liga, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada por se adicionar à composição convencional da liga 9% níquel, 0.1% de nióbio.

5. Composição de liga de aço 9% níquel modificada caracterizada por conter na composição de 0.05% a 0.1% de nióbio.

6. Composição de liga de aço 9% níquel modificada, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por conter na composição 0.05% de nióbio.

7. Composição de liga de aço 9% níquel modificada, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por conter na composição 0.10% de nióbio.

8. Uso de liga de aço 9% níquel modificada das reivindicações 1 a 7, caracterizado por ser para meios gasosos.

9. Uso de liga de aço 9% níquel modificada das reivindicações 1 a 7, caracterizado por ser para meios líquidos, contendo CO2 e H2S.