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Dedicatória
Dedico este trabalho à minha família, em especial a meus pais pelo apoio e
compreensão demonstrados nesses anos de faculdade.
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Agradecimentos
Este trabalho de conclusão de curso não seria possível sem a colaboração de várias
pessoas. Em especial, gostaria de agradecer:
- Ao orientador Prof. Dr. Necesio Gomes Costa, por todo apoio, incentivo e amizade
demonstrados não só no desenvolvimento deste trabalho, mas durante todo o período
faculdade.
- Aos professores da Unifei, que são os responsáveis pelo conhecimento técnico.
- Aos meus colegas de classe, que por muitas vezes foram meus professores.
- Aos funcionários da Unifei, em especial aos técnicos Toninho, do Laboratório de Materiais,
e Fernando, da Oficina Mecânica, sem os quais não teria construído o equipamento e
realizado os experimentos.
- A Agência Nacional de Petróleo, por conceder a bolsa de auxílio.
- A todas as pessoas que direta ou indiretamente colaboraram com o desenvolvimento deste
trabalho.
- A Deus, por tudo.
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“As grandes coisas são feitas por pessoas que
têm grandes idéias e saem pelo mundo para fazer
com que seus sonhos se tornem realidades”
Ernest Holmes
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Índice
1 - Introdução............................................................................................................................ 9
2 - Revisão da Literatura ....................................................................................................... 11
2.1 - Desgaste ....................................................................................................................... 11
2.1.1 - Influência do ângulo de impacto ........................................................................... 12
2.1.2 - Influência da velocidade de impacto..................................................................... 14
2.1.3 - Influência das características da partícula............................................................. 15
2.1.4 - Influência das características do material alvo...................................................... 16
2.1.5 - Influência da quantidade de partículas impactadas ............................................... 17
2.1.6 - Influência da concentração de partículas .............................................................. 17
2.2 - Carboneto de tungstênio............................................................................................ 18
2.3 - Ensaio de erosão por meio de partículas sólidas ..................................................... 19
3 - Metodologia Experimental ............................................................................................... 22
3.1 - Equipamento do ensaio de erosão............................................................................. 22
3.2 - Areia ............................................................................................................................ 24
3.3 - Amostras ..................................................................................................................... 25
3.4 - Metodologia ................................................................................................................ 26
3.5 - Avaliação de dureza ................................................................................................... 27
3.6 - Micrografias................................................................................................................ 29
4 - Resultados e Discussões .................................................................................................... 30
4.1 - Ensaio de microdureza............................................................................................... 30
4.2 - Ensaio de desgaste ...................................................................................................... 30
4.3 - Micrografia ................................................................................................................. 34
5 - Conclusões e sugestões para trabalhos futuros .............................................................. 36
6 - Referências Bibliográficas ................................................................................................ 37
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Resumo
O Pulser é uma ferramenta de carboneto de tungstênio utilizada na perfuração de
poços de petróleo. Ela fornece dados de survey e toolface através de pulsos de pressão na
lama de perfuração. Entre as principais causas previsíveis que exaurem a vida útil do
componente encontra-se o fenômeno do desgaste, que é dito erosivo quando um corpo é
desgastado pelas interações mecânicas com um fluido ou impacto de partículas sólidas ou
líquidas. A simulação das condições de operação do pulser foi feita em laboratório por
impacto de partículas sólidas em meio aquoso. O ângulo de impacto das partículas com o
material é um importante parâmetro no desgaste erosivo, sendo o objeto de estudo deste
trabalho. A dureza do material também foi avaliada através do ensaio de microdureza.
Palavras-chave: desgaste, erosão por partículas sólidas, pulser, carboneto de tungstênio.
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Abstract
Pulser is a tool made of tungsten carbide used on oilwell drilling. It supplies survey
and toolface data through pressure pulses on drilling mud. Between the main probable causes
that reduce the tool’s lifetime is wear, that is called erosive when a body is wore by
mechanical interactions with a fluid or impact of solid or liquid particles. The simulation of
pulser’s operation conditions was carried out in the laboratory by impacting solid particles
mixed with water. The impact angle between particles and material is an important parameter
at erosive wear, being the object of study of this work. The material hardness was also
assessed by microhardness test.
Keywords: wear, solid particle erosion, pulser, tungsten carbide.
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Lista de Figuras
Figura 1.1: Ferramenta Pulser............................................................................................
9
Figura 1.2: Peça desgastada do pulser................................................................................
10
Figura 2.1: Ângulo de impacto...........................................................................................
12
Figura 2.2: Comportamentos de erosão de metais dúcteis.................................................
13
Figura 2.3: Resistência relativa à erosão............................................................................
14
Figura 2.4: Variação da taxa de erosão/corrosão................................................................ 15
Figura 2.5: Equipamento de ensaio Slurry pot...................................................................
19
Figura 2.6: Desgaste na amostras ensaiadas no Slurry pot.................................................
19
Figura 2.7: Equipamento de ensaio Coriollis.....................................................................
20
Figura 2.8: Perfil de velocidades no ensaio com Jet-in-silt rig..........................................
20
Figura 2.9: Equipamento utilizado no trabalho desenvolvido............................................ 21
Figura 3.1: Bomba de alta pressão Gong...........................................................................
22
Figura 3.2: Bico misturador................................................................................................ 23
Figura 3.3: Porta-amostras.................................................................................................
23
Figura 3.4: Recipiente da areia...........................................................................................
24
Figura 3.5: Equipamento para ensaio de desgaste por erosão............................................
24
Figura 3.6: Areia como utilizada nos ensaios..................................................................... 25
Figura 3.7: Amostras ensaiadas..........................................................................................
26
Figura 3.8: Microdurômetro...............................................................................................
28
Figura 3.9: Amostra embutida em resina...........................................................................
28
Figura 3.10: Microscópio...................................................................................................
29
Figura 4.1: Taxa de erosão em função do ângulo de impacto............................................
32
Figura 4.2: Perda de massa acumulada..............................................................................
33
Figura 4.3: Amostras impactadas.......................................................................................
34
Figura 4.4: Superfície da amostra não impactada, aumento de 500 vezes.........................
34
Figura 4.5: Superfície da amostra impactada, aumento de 500 vezes................................
35
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Lista de Tabelas
Tabela 3.1: Massas iniciais das amostras...........................................................................
26
Tabela 4.1: Dureza das amostras........................................................................................
30
Tabela 4.2: Perda de massa da amostra impactada a 30°...................................................
30
Tabela 4.3: Perda de massa da amostra impactada a 45°...................................................
31
Tabela 4.4: Perda de massa da amostra impactada a 60°...................................................
31
Tabela 4.5: Perda de massa da amostra impactada a 90°...................................................
31
Tabela 4.6: Média de erosão e taxa de erosão por ensaio..................................................
32
Tabela 4.7: Perda de massa acumulada..............................................................................
32
Tabela 4.8: Linearização da perda de massa acumulada....................................................
33
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1 - Introdução
O Pulser é uma ferramenta utilizada durante a perfuração de poços de petróleo que
fornece o survey e o toolface aos operadores de LWD – Logging While Drilling (Registro
durante a perfuração) e de perfuração direcional. O survey é o levantamento das coordenadas
de onde se encontra a ferramenta com relação a um ponto fixo, geralmente o próprio
reservatório. O toolface indica a direção para onde a face da ferramenta está apontando. O
pulser utiliza o fluxo de lama que o atravessa para gerar a sua própria energia e transmitir os
dados obtidos no poço para a superfície, por meio de pulsos de pressão na lama. Estes pulsos
são gerados por uma restrição que é feita no fluxo da lama, gerando um pico de pressão que é
sentido na superfície por um transdutor. Este sistema utiliza como força motriz a lama que é
bombeada com vazões entre 400 e 1200 galões por minuto, porém em casos especiais esta
galonagem pode chegar a 1500 gpm. O fluxo de lama que atravessa o pulser aciona uma
turbina que é montada junto a um gerador que é responsável pela energia que alimenta a
solenóide, que por sua vez movimenta o poppet através do orifício, restringindo e liberando o
fluxo de lama. A Figura 1.1 mostra a ferramenta pulser.
Figura 1.1: Ferramenta Pulser.
O desgaste do pulser é esperado, porém tem sido observado o desgaste prematuro em
partes essenciais da ferramenta. Este fenômeno está ocorrendo em poços onshore da região de
Catú, na Bahia. As peças da ferramenta são construídas de carboneto de tungstênio e são
importadas. Os gastos com a reposição das mesmas são elevados, além dos gastos com tempo
perdido nas sondas devido à falha da ferramenta e ao tempo necessário para importação.
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Muitas hipóteses para este problema têm sido levantadas, sendo que, dentre elas, o teor de
areia na lama e o perfil hidrodinâmico levantam as maiores suspeitas. A Figura 1.2 mostra
uma das peças da ferramenta que foi desgastada pelo fluxo de lama durante a operação de
perfuração de um poço de petróleo. A parte desgastada está indicada pela seta.
Figura 1.2: Peça desgastada do pulser.
Os princípios tribológicos podem ser aplicados a diversas áreas visando reduzir os
gastos com desgaste: aumentar a vida útil do componente, evitar excessivas paradas das
operações, reduzir a manutenção e etc. A tribologia classifica o desgaste em cinco tipos:
abrasão, adesão, erosão, fadiga de superfície e reação triboquímica. O fenômeno que ocorre
com o pulser classifica-se em desgaste erosivo, mais precisamente desgaste erosivo por
partículas sólidas em meio aquoso. Os principais parâmetros que influenciam neste tipo
específico de desgaste são: velocidade de impacto das partículas, ângulo de impacto,
características da partícula e do material alvo e tempo de exposição ou quantidade de
partículas impactadas.
Visto que a ferramenta pulser possui um custo muito elevado de fabricação e que
trabalha em um ambiente onde as horas de serviço são muito caras, é importante que estudos
sejam feitos visando reduzir o tempo de operação e aumentar o seu tempo de vida útil. O
objetivo deste trabalho é analisar a influência dos parâmetros que podem influenciar a vida
útil do pulser.
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2 - Revisão da Literatura
2.1 - Desgaste
Diversas definições são encontradas para desgaste na literatura, todas muito
semelhantes. A norma DIN – Deutsch Industrie Norm define desgaste como sendo a perda
progressiva de material da superfície de um corpo sólido devida à ação mecânica, isto é, o
contato e o movimento relativo entre este corpo e um contra corpo sólido, líquido ou gasoso
[1]. Segundo a ASTM – American Society for Testing Materials, desgaste é a perda
progressiva de substância a partir de operação na superfície de um corpo ocorrendo como
resultado de movimento relativo naquela superfície [2]. Semelhantemente, a OECD –
Organization for Economic Cooperation and Development define desgaste como sendo o
dano de uma superfície sólida, geralmente com a perda progressiva de material, devido ao
movimento relativo entre aquela superfície e uma ou mais substâncias em contato com ela [3].
As normas DIN e ASTM definem que desgaste implica em uma perda de massa do material
desgastado, enquanto que a OECD define que pode haver desgaste do material sem
necessariamente ocorrer perda de massa.
O desgaste pode ser classificado de acordo com o mecanismo fundamental que opera
num processo, sendo que os principais tipos encontrados na literatura são:
a) Desgaste por deslizamento ou adesivo: ocorre pela transferência de material de uma
superfície par outra durante o movimento relativo, devido à formação de junções na fase
sólida [3].
b) Desgaste abrasivo: ocorre pela retirada de material devido a partículas duras ou
protuberantes, forçadas contra uma superfície sólida e em movimento relativo com ela [3].
c) Desgaste por fadiga: ocorre através da remoção de partículas por formação e propagação de
trincas, devido a variações cíclicas de tensões abaixo da superfície [3].
d) Desgaste por corrosão: ocorre quando as reações químicas ou eletroquímicas com o meio
predominam [3].
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e) Desgaste erosivo: ocorre quando um corpo é submetido a interações mecânicas com um
fluído, com um ou mais componentes, ou pelo impacto sucessivo de partículas sólidas ou
líquidas [3].
Os diversos mecanismos de desgaste não ocorrem isoladamente, ou seja, diversos
tipos de desgaste podem ocorrer simultaneamente em um processo erosivo. O tema de estudo
deste trabalho é o desgaste erosivo que ocorre por partículas sólidas impactadas a alta
velocidade através de um meio líquido. Sendo assim, é de interesse observar outras duas
definições para desgaste erosivo:
e`) O desgaste erosivo é causado em corpos sólidos pela ação do deslizamento ou impacto de
sólidos, líquidos, gases ou uma combinação destes [4].
e``) O desgaste erosivo ocorre quando partículas ou ondas de choque mecânico entram em
contato com um objeto metálico, geralmente a uma velocidade relativamente alta quando
comparada com a abrasão [5].
As três definições citadas para desgaste erosivo são coerentes com tema em estudo. Os
principais parâmetros envolvidos neste tipo de desgaste são: ângulo de impacto do fluxo,
velocidade de impacto, características da partícula e do material alvo, quantidade de partículas
impactadas ou tempo de exposição ao impacto e a concentração de partículas no fluido.
2.1.1 - Influência do ângulo de impacto
O ângulo de impacto é definido como o ângulo entre a superfície do material alvo e a
trajetória da partícula impactada, conforme pode ser visto na Figura 2.1.
Figura 2.1: Ângulo de impacto.
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A influência do ângulo de impacto sobre os metais em meio aquoso não é bem
definida pela literatura. Encontram-se três modelos principais de comportamento de taxa de
erosão para metais dúcteis, conforme a Figura 2.2.
Figura 2.2: Comportamentos de erosão de metais dúcteis.
Os metais que apresentam um comportamento conforme o tipo I [6] caracterizado por
um crescimento na taxa de erosão até um valor máximo em torno de 30 a 60º e um posterior
decréscimo contínuo até o ângulo de 90º. Os metais do tipo II [7] apresentam um crescimento
até em torno de 30º, um decréscimo até aproximadamente 80º e um pequeno crescimento até
o ângulo de 90º. Os metais do tipo III [8], semelhantemente aos do tipo II, têm um
crescimento inicial, um decréscimo até aproximadamente 80º e um crescimento maior até 90º,
onde atinge o seu pico, onde a taxa de erosão é máxima. Com relação aos metais frágeis a
literatura é ainda pobre, não divulgando muitos resultados. A Figura 2.3 [9] mostra o
comportamento comparativo entre diversos materiais, onde os metais frágeis são
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representados pelos carbonetos de tungstênio (WC). Pode-se notar que a taxa de erosão de
metais frágeis é sempre maior para o ângulo de 20º em relação ao ângulo de 90º.
Figura 2.3: Resistência relativa à erosão.
2.1.2 - Influência da velocidade de impacto
A energia cinética é fundamental para a remoção de material quando a partícula é
impactada. Sabendo que a energia cinética varia com o quadrado da velocidade, a taxa de
erosão também é proporcional ao quadrado da velocidade para tamanhos de partículas e
ângulo de impacto constantes [10]. Trabalhos [11] com o aço SAE 1020 geraram a seguinte
equação:
E = k . Vb
Nesta equação, a velocidade de impacto é denotada por V e a taxa de erosão por E. O
expoente b depende do material e das condições de erosão, e k é apenas uma constante.
Frequentemente o valor de b está próximo a 2,4 para pequenos ângulos de impacto. Outros
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trabalhos [12, 13] também verificaram que a fórmula é válida para expoentes entre 2,0 e 2,5
para materiais metálicos e para expoentes entre 2,5 e 3,0 para materiais cerâmicos. A Figura
2.4 [14] mostra a variação da taxa de erosão/corrosão, desgaste erosivo e corrosão induzida
por fluxo em função da velocidade de impacto para ligas de titânio e ligas recobertas por
nitreto de titânio.
Figura 2.4: Variação da taxa de erosão/corrosão (EEC), desgaste erosivo (EE) e corrosão por fluxo
induzido (EC) para (a) ligas recobertas por nitreto de titânio e (b) ligas de titânio.
2.1.3 - Influência das características da partícula
A partícula a ser impactada pode ser classificada, basicamente, quanto à sua forma,
tamanho e dureza.
Quanto à forma da partícula impactada, materiais metálicos apresentam taxa de erosão
significativamente mais elevada para partículas angulares do que para partículas esféricas de
mesmo tamanho [12, 15, 17]. Ligas de alumínio 6061-T6, com ângulo de impacto de 70º e
velocidade de 20 m/s apresentam taxa de erosão cerca de 5 vezes maiores com partículas
angulares de 270 µm do que com partículas esféricas do mesmo tamanho [17].
Quanto ao tamanho das partículas, estudos mostram que a taxa de erosão por
partículas sólidas em meio líquido aumenta linearmente com o tamanho da partícula e quanto
maior este tamanho menor é o ângulo de impacto onde a taxa de erosão é máxima [7]. Para a
maioria dos plásticos elásticos e ligas de engenharia, a erosão aumenta com o tamanho da
partícula até 100 µm, sendo a partir deste ponto o tamanho das partículas não mais afeta a
taxa de erosão [12, 18]. Esta característica é chamada de “efeito tamanho”.
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A taxa de erosão cai drasticamente quando a dureza da partícula impactante é menor
que a do material impactado. Se a dureza da partícula é muito baixa e o material alvo é dúctil,
a curva de erosão em função do ângulo de impacto pode assemelhar-se à de um material
frágil.
2.1.4 - Influência das características do material alvo
Dentre as diversas características do material a ser impactado pode-se citar como as
mais importantes: microestrutura, dureza e a resistência mecânica.
Trabalhos realizados com aço 1018 mostram que taxa de erosão está relacionada com
a microestrutura do material constituída de ferrita e perlita. Durante a penetração da partícula
a região da ferrita, mais mole, forma depressões se deixa porções de perlita, mais dura,
expostas aos impactos subseqüentes, levando à sua remoção [19]. Dentre as diversas
microestruturas estudadas, a microestrutura esferoidizada possui a máxima resistência à
erosão, enquanto que a microestrutura martensítica mostra a mínima resistência. Aços com
maior teor de carbono mostram uma menor resistência à erosão [20].
Diversos estudos mostram que metais dúcteis exibem uma maior taxa de erosão em
baixos ângulos de impactos e uma menor taxa de erosão em altos ângulos de impacto, sendo
que o oposto é válido para os materiais frágeis (cerâmicos) [18, 21]. Os metais puros
recozidos mostram uma boa correlação linear entre resistência ao desgaste erosivo e dureza
Vickers, embora haja exceções como o molibdênio e o tungstênio [12, 22]. O tratamento
térmico para endurecimento dos aços ferramenta e 1045 não é eficaz na melhoria da
resistência ao desgaste erosivo, sendo isto percebido acima da dureza de 200 Vickers. Este
efeito pode ser explicado da seguinte maneira: à medida que a dureza dos aços aumenta, a
reação ao ângulo não é mais típica de materiais dúcteis e eventualmente mostra algum
comportamento frágil [22].
Apenas no caso de metais puros, aços inox (304, 316 e 410 SS) e ferro fundido existe
uma correlação clara entre o aumento da resistência do material e o aumento da resistência à
erosão [23]. Porém, para a maioria das ligas, o material com resistência mais baixa (Cu, CuZn, Cu-Al e 17-4 PH SS), ou com resistência intermediária (Al-Li, Ni, Ni-Cr, MA 754 e Ti),
exibe a melhor resistência à erosão. Os diversos mecanismos de aumento de resistência dos
metais, dentre eles, transformação de fases, solução sólida, precipitação e tamanho de grão,
mostram não haver uma correlação entre as propriedades mecânicas e taxa de erosão [12].
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Especialmente em materiais frágeis, tais como os cerâmicos, o mecanismo de erosão
ocorre pela intersecção de trincas produzidas pelo impacto de partículas. Os mecanismos
propostos são baseados no modela de fratura, produzido quando uma partícula impacta a
superfície do material em um ângulo de 90º [21].
2.1.5 - Influência da quantidade de partículas impactadas
Em processos de erosão no meio gasoso, sob o ângulo de impacto de 90º, nota-se um
período curto de incubação, ou seja, uma determinada quantidade de partículas se embute no
material alvo de tal forma que ocorre um ganho de massa. Com o passar do tempo o processo
de embutimento cessa e a massa embutida permanece constante enquanto a massa perdida
aumenta linearmente com a quantidade de partículas impactadas, iniciando-se o chamado
estágio estável de erosão [11, 24, 25].
Estudos comparativos entre erosão por partículas sólidas nos meios gasoso e aquoso
realizados com alumínio mostram que a função mais importante desempenhada pela água é
inibir o embutimento das partículas na superfície metálica, ou seja, em meio aquoso não
ocorre embutimento [26].
2.1.6 - Influência da concentração de partículas
A concentração de partículas sólidas no meio aquoso altera a taxa de erosão até
determinado ponto, após isto a interferência entre as partículas que estão impactando e as que
estão sendo ricocheteadas acabam por proteger a superfície do material, não mais
influenciando a taxa de erosão [27, 28]. Para concentrações de areia em água de até 13% em
peso, a taxa de erosão aumenta com o aumento da concentração. Em concentrações mais altas
a eficiência da erosão independe da concentração, conforme explicado acima. Além disso, o
fluxo laminar de partículas em meio fluido torna-se turbulento próximo à superfície formando
uma cobertura de partículas. A taxa de erosão relaciona-se com a concentração em volume
elevada a um expoente 0,33 [29].
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2.2 - Carboneto de tungstênio
O Tungstênio não está presente em abundância na natureza e os minerais que o
contém, tais como a wolframita, (FeMn)WO4 e scheelita, CaWO4, possuem concentrações
muito baixas. Valores de 0,5 a 2 % de tungstênio estão presentes sob a forma de óxido
tungstênico. A produção de ligas ferrosas consome 40 % do tungstênio extraído, conferindo
resistência e dureza a altas temperaturas. Ele forma ligas com não-ferrosos, todas de elevada
densidade e resistência a altas temperaturas. O carboneto de tungstênio substitui o diamante
em muitas aplicações industriais (pontas de aparelhos de dentista, perfuradoras, etc.),
ferramentas de corte e abrasivos, porque é dotado de excepcional dureza. O tungstênio
metálico puro, sob a forma de fios ou barras, é empregado na fabricação de filamentos para
lâmpadas incandescentes, tubos de vácuo e em eletrotécnica e eletrônica. Os carbonetos são
combinações químicas binárias de carbono e metais com grande interesse industrial. Eles são
utilizados como revestimentos em indústria petroquímica, refinarias, indústria de plástico e
sede de válvulas. O estudo da aplicação do carboneto como revestimento anti-corrosivo está
baseado em suas propriedades mecânicas e químicas. Estes materiais são aplicados para
prevenir ou dar o máximo de proteção contra a corrosão e a erosão.
Os carbonetos de tungstênio têm excepcional resistência à abrasão, o que é a sua
característica mais importante. Em aplicações com abrasivos, o carboneto pode superar
algumas ligas resistentes ao desgaste por um fator de 100 para 1. Os carbonetos têm um alto
modulo de elasticidade que proporciona uma mínima deflexão quando exposto a forças. Estes
apresentam um modulo de elasticidade três vezes maior que o do aço e um módulo de
resistência à torção duas vezes maior que um aço rápido, os carbonetos são utilizados com
grande preferência em aplicações rotativas.
Parece bem estabelecido que a dureza dos carbonetos desempenha um papel
importante na transição desgaste brando/desgaste intenso. Quando o carboneto é mais mole
que o abrasivo a taxa de desgaste é elevada, uma vez que o abrasivo pode cortar
indistintamente a matriz e o carboneto. Porém quando o carboneto é mais duro que o abrasivo
ele pode atuar como uma barreira efetiva para a ação do abrasivo [30].
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2.3 - Ensaio de erosão por meio de partículas sólidas
Várias técnicas são conhecidas para ensaios de desgaste erosivo por meio de partículas
sólidas em meio aquoso. Slurry pot (Pote de lama) [10] é uma técnica que consiste em ensaiar
simultaneamente dois corpos de prova cilíndricos acoplados a um disco que gira a altas
rotações em meio aquoso, conforme pode ser visto na Figura 2.5.
Figura 2.5: Equipamento de ensaio Slurry pot.
Neste ensaio, os efeitos de tamanho de partículas e velocidade e ângulo de impacto
não podem ser avaliados porque algumas condições de ensaio permanecem indefinidas. As
típicas distribuições de desgaste erosivo obtidos por este ensaio são mostradas na Figura 2.6,
para matérias dúcteis e frágeis.
Figura 2.6: Desgaste na amostras ensaiadas no Slurry pot.
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Montado de maneira similar ao Slurry pot, o Coriollis wear tester (Testador de
desgaste Coriollis) [9] ensaio dois corpos de prova simultaneamente, porém estes possuem
uma face plana, conforme mostrado na Figura 2.7.
Figura 2.7: Equipamento de ensaio Coriollis.
Outro método encontrado na literatura é o Jet-in-slit rig (aparelho de jato na fenda) [9].
Neste caso o jato com a mistura de água e lama é impactado contra o corpo de prova e é
expulso por uma fenda entre a amostra e um prato guia. A Figura 2.8 mostra o perfil de
velocidades obtido por este método.
Figura 2.8: Perfil de velocidades no ensaio com Jet-in-silt rig.
O método utilizado no desenvolvimento deste trabalho é esquematicamente ilustrado
na Figura 2.9. Neste ensaio o jato de água a alta pressão é misturado com areia e impactado
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sobre a amostra fixada dentro de um recipiente, onde o ângulo de impacto pode ser variado e
bem definido.
Figura 2.9: Equipamento utilizado no trabalho desenvolvido.
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3 - Metodologia Experimental
3.1 - Equipamento do ensaio de erosão
O equipamento utilizado para a realização dos ensaios de erosão por partículas sólidas
em meio aquoso foi totalmente construído nos Laboratórios de Mecânica da Unifei. Ele é
constituído basicamente de uma bomba de deslocamento positivo de alta pressão, um bico
misturador de areia com água, um porta-amostras dentro de um recipiente fechado, um
recipiente para areia e de uma estrutura de aço para suporte. A Figura 2.9 mostra
esquematicamente o funcionamento do equipamento.
A bomba de alta pressão adquirida para a construção do equipamento é da marca
Gong, modelo X-177S, com capacidade de vazão de 8 litros por minuto e pressão de até 2000
psi (140 bar) para o bico original. Nos ensaios a pressão conseguida foi de 1750 psi (125 bar)
devido ao bico especial utilizado. A Figura 3.1 mostra uma foto da bomba utilizada.
Figura 3.1: Bomba de alta pressão Gong.
Nela a água entra pela mangueira vermelha (1) e sai pressurizada pela mangueira preta
enrugada (2). Na lateral direita da bomba está a fiação elétrica (3) que a liga na rede. À
esquerda está o manômetro (4) que indica a pressão do jato, ajustada pelo botão superior (5).
À direita está o botão liga-desliga (6) e na parte de cima está a tampa para completar o nível
de óleo (7).
O bico conectado à mangueira que sai da bomba é comercialmente conhecido como
bico para hidrojateamento de areia. A Figura 3.2 mostra uma foto deste bico. A água entra
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pelo tubo reto na parte inferior e se mistura com a areia que entra pelo tubo curvado
conectado na parte superior.
Figura 3.2: Bico misturador.
A areia é succionada pelo bico porque na região onde ela se junta com a água há uma
geometria interna semelhante a um Tubo de Venturi, ou seja, há uma redução no diâmetro do
tubo por onde a água passa, fazendo com que haja aumento de velocidade e queda de pressão.
A Figura 3.3 mostra o porta-amostra (1) com uma peça (2) para ensaio experimental
montado dentro do recipiente, com o bico (3) já montado em sua posição de funcionamento.
O porta-amostra prende a peça penas pelo atrito gerado pela força aplicada pelo parafuso
superior (4) de aperto. Há também um parafuso lateral (5) para o ajuste do ângulo de impacto
do jato. Pode-se notar também na Figura 3.3 a mangueira (6) por onde a areia é carregada até
o bico e o desgaste causado nas paredes (7) do recipiente devido ao impacto da areia
ricocheteadas da amostra.
Figura 3.3: Porta-amostras.
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O recipiente da areia (1), ilustrado na Figura 3.4, possui um registro (2) que permite ou não a
passagem de areia para a mangueira (3) que a conduz para o bico misturador. O equipamento
todo montado sobre a sua estrutura de aço é mostrado na Figura 3.5.
Figura 3.4: Recipiente da areia
Figura 3.5: Equipamento para ensaio de desgaste por erosão.
3.2 - Areia
As partículas sólidas utilizadas no ensaio são de areia de construção passadas em
peneiras de 630 µm e secadas ao ambiente ou em estufa, de modo a garantir que ela não
bloqueie o seu fluxo ao passar pelo bico misturador, pois foi percebido que areia úmida
causava o entupimento do bico e, consequentemente, uma grande perda de tempo durante os
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ensaios. A Figura 3.6 mostra uma foto da areia já peneirada, do modo como ela foi utilizada
no ensaio. Após a utilização em um ensaio a areia era recolhida e secada para ser utilizada em
um próximo ensaio. A quantidade de metal desgastado que se misturava à areia que era
utilizada em outro ensaio foi considerada desprezível, pois era da ordem de 0,16 gramas de
metal em 2,0 kg de areia, ou seja, da ordem de 0,008% em massa.
Figura 3.6: Areia como utilizada nos ensaios.
3.3 - Amostras
As amostras são pequenas partes do pulser, porém o pulser não possui peças pequenas
para serem ensaiadas e que caibam no porta-amostra. Torna-se então necessário cortar o
material, assegurando que não ocorram alterações em suas propriedades mecânicas e, em
especial, em sua resistência ao desgaste. O carboneto de tungstênio é um material
extremamente duro (1421 HV5, conforme mostrado no tópico 4.1), sendo, portanto difícil e
caro de ser cortado. Por ser extremamente duro, o carboneto de tungstênio é também um
material muito frágil, quebrando-se facilmente sob impacto. A solução encontrada para se
obter as amostras foi partir as peças do pulser em partes menores e utiliza-las, mesmo que
com formato irregular. Para prendê-las ao porta-amostra foram utilizados calços de madeira
que se deformavam e garantiam uma melhor fixação da amostra. A Figura 3.7 mostra as
amostras utilizadas nos ensaios.
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Figura 3.7: Amostras ensaiadas com os ângulos
de impacto de (a) 30º, (b) 45º, (c) 60º e (d) 90º.
As amostras foram pesadas em balança de precisão e os valores iniciais de massa são
apresentados na Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Massas iniciais das amostras.
Amostra
Massa (g)
(a) 30º
18,3167
(b) 45º
12,1513
(c) 60º
16,4276
(d) 90º
10,6650
3.4 - Metodologia
Os parâmetros utilizados em todos os ensaios de desgaste foram os seguintes:
- Velocidade de Impacto: 5,6 m/s
- Ângulo de impacto: 30º, 45º, 60º e 90º
- Tamanho das partículas: até 630 µm
- Forma das partículas: angular
- Pressão do jato: 1750 psi (125 bar)
- Distância entre a ponta do bico misturador à amostra: 50 mm
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- Quantidade de partículas impactadas (Qimp): 2,0 kg
- Temperatura: ambiente
A metodologia de ensaios utilizada foi a seguinte, para todos os ensaios:
- Limpeza da amostra com detergente e água para a retirada de sujeiras e gorduras
provenientes do manuseio direto com as mãos
- Pesagem da amostra em balança com precisão de 0,1 mg, obtendo o valor de mi
- Fixação da amostra ao porta-amostra e regulagem do ângulo de impacto
- Realização do ensaio em conformidade com os parâmetros citados anteriormente
- Limpeza da amostra com detergente e água para a retirada de sujeiras e gorduras
provenientes do manuseio direto com as mãos
- Pesagem da amostra em balança com precisão de 0,1 mg, obtendo o valor de mf
- Fotografia macro e microscópica
O resultado medido para avaliar o desgaste por erosão foi a alteração de massa das
amostras. Esta perda de massa (∆m) é calculada da seguinte maneira:
∆m = mf - mi
A taxa de erosão (E) também pode ser calculada em função da massa de material
removido (∆m) e da quantidade de partículas impactadas (Qimp) em cada ensaio, de acordo
com a seguinte fórmula:
E = ∆m / Qimp
A partir destes cálculos são obtidos os resultados, montados os gráficos e tabelas e
feitas as discussões.
3.5 - Avaliação de dureza
Os ensaios de microdureza foram realizados no microdurômetro do Laboratório de
Matérias da Unifei, da marca WPM, mostrado na Figura 3.8. Foram realizadas sete medições
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em uma mesma amostra de material, descartadas a maior e menor medida e feita a média das
cinco restantes, chegando ao valor da dureza Vickers com carga de 5,0 kgf.
Figura 3.8: Microdurômetro da marca WPM.
Para a realização do ensaio de microdureza é necessário embutir a amostra de
carboneto de tungstênio em resina, pois a amostra é de formato irregular e não permanece
equilibrada sob a aplicação de carga. Depois de embutida a amostra é lixada, respectivamente,
nas lixas de granulometria 220, 320, 400 e 600 grãos/cm2. Uma foto da amostra embutida é
mostrada na Figura 3.9. A amostra está indicada pela seta, sendo que as demais marcas
metálicas são cavacos de ferro fundido utilizados para ajudar a deixar a superfície da amostra
plana durante o lixamento.
Figura 3.9: Amostra embutida em resina.
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3.6 - Micrografias
As fotos com ampliação mostradas neste trabalho foram tiradas no microscópio do
Laboratório de Materiais da Unifei, da marca Jenavert, mostrado na Figura 3.10. Foram
tiradas fotos com os aumentos de 50, 100, 200 e 500 vezes.
Figura 3.10: Microscópio Ótico da marca Jenavert.
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4 - Resultados e Discussões
4.1 - Ensaio de microdureza
A Tabela 4.1 apresenta os valores de dureza, em Vickers, obtidos nos ensaios com
carga de 5,0 kgf.
Tabela 4.1: Dureza das amostras.
Ensaio
Dureza (HV5)
1
1524,0
2
1346,0
3
1413,0
4
1314,0
5
1449,0
6
1449,0
7
1449,0
Média
1421,2
Desvio Padrão
44,8
Para efeito de comparação, sabe-se que um aço SAE 1045 tem sua dureza em torno de
400 HV e uma liga de alumínio AA 2124 em torno de 110 HV.
4.2 - Ensaio de desgaste
As Tabelas 4.2 a 4.5 apresentam os valores de massa medidos no decorrer dos ensaios.
Tabela 4.2: Perda de massa da amostra impactada a 30°
Qimp (kg)
mi
(g)
mf
(g)
∆m (g)
2,0
18,3167
18,1349
0,1818
4,0
18,1349
17,9790
0,1559
6,0
17,9790
17,8268
0,1522
8,0
17,8268
17,6845
0,1423
10,0
17,6845
17,5265
0,1580
Média de ∆m
0,15804
Desvio Padrão
0,01459
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Tabela 4.3: Perda de massa da amostra impactada a 45°
Qimp (kg)
mi
(g)
mf
(g)
∆m (g)
2,0
12,1513
11,9741
0,1772
4,0
11,9741
11,8014
0,1727
6,0
11,8014
11,6370
0,1644
8,0
11,6370
11,4981
0,1389
10,0
11,4981
11,3574
0,1407
Média de ∆m
0,15878
Desvio Padrão
0,01794
Tabela 4.4: Perda de massa da amostra impactada a 60°
Qimp (kg)
mi
(g)
mf
(g)
∆m (g)
2,0
16,4276
16,2468
0,1808
4,0
16,2468
16,0701
0,1767
6,0
16,0701
15,9439
0,1262
8,0
15,9439
15,7937
0,1502
10,0
15,7937
15,6389
0,1548
Média de ∆m
0,15774
Desvio Padrão
0,02209
Tabela 4.5: Perda de massa da amostra impactada a 90°
Qimp (kg)
mi
(g)
mf
(g)
∆m (g)
2,0
10,6650
10,4984
0,1666
4,0
10,4984
10,3407
0,1577
6,0
10,3407
10,2053
0,1354
8,0
10,2053
10,0765
0,1288
10,0
10,0765
9,8757
0,2008
Média de ∆m
0,15786
Desvio Padrão
0,02859
A Tabela 4.6 mostra um resumo das médias das Tabelas 4.2 a 4.5 e mostra também a
taxa de erosão, em gramas de material removido por gramas de areia impactada.
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Tabela 4.6: Média de erosão e taxa de erosão por ensaio.
Amostra
Média de ∆m (g)
Taxa de erosão (g/g*E-5)
(a) 30º
0,15804
7,902
(b) 45º
0,15878
7,939
(c) 60º
0,15774
7,887
(d) 90º
0,15786
7,893
Os valores encontrados de taxa de erosão para os quatro ângulos ensaiados são muito
Taxa de erosão (g/g*E-5)
próximos uns dos outros, conforme pode ser visto na Figura 4.1.
10
8
6
4
2
0
0
15
30
45
60
75
90
Ângulo de impacto
Figura 4.1: Taxa de erosão em função do ângulo de impacto.
Pela Figura 4.1, nota-se que a maior taxa de erosão encontra-se entre os ângulos de 30º
e 45º, porém seu valor é muito próximo às demais taxas de erosão calculadas.
Porcentualmente, pode-se afirmar que a diferença entre a maior e menor taxa de erosão
encontrada para os ângulos experimentados foi de 0,66%, entre os ângulos de 45º e 60º. A
perda de massa acumulada em cada ensaio é apresentada na Tabela 4.7 e pela Figura 4.2.
Tabela 4.7: Perda de massa acumulada.
Ângulo de
impacto
Massa de areia impactada (kg)
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
30º
0,1818
0,3377
0,4899
0,6322
0,7902
45º
0,1772
0,3499
0,5143
0,6532
0,7939
60º
0,1808
0,3575
0,4837
0,6339
0,7887
90º
0,1666
0,3243
0,4597
0,5885
0,7893
- 32 -
Perda de massa (g)
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0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
30º
45º
60º
90º
0
2
4
6
8
10
Massa impactada (kg)
Figura 4.2: Perda de massa acumulada.
É possível fazer regressão linear nos pontos plotados na Figura 4.2, mostrando que a
perda de massa aumenta linearmente com a quantidade de areia impactada, devido ao alto
coeficiente de correlação. A Tabela 4.8 mostra, para cada um dos ângulos ensaiados, as
equações obtidas por regressão linear, o coeficiente de correlação e o coeficiente angular da
equação, que representa a taxa de desgaste erosivo.
Tabela 4.8: Linearização da perda de massa acumulada.
2
Ângulo de impacto
Equação da reta
Coeficiente de correlação (r )
Coeficiente angular
30º
0,03297+0,075565×Qimp
0,999
0,0756
45º
0,03669+0,076835×Qimp
0,997
0,0768
60º
0,04126+0,07461×Qimp
0,998
0,0746
90º
0,0128+0,07548×Qimp
0,994
0,0755
Nota-se na Figura 4.2 que não há ganho de massa nas amostras, ou seja, não há
período de incubação.
A Figura 4.3 mostra as quatro amostras após os ensaios.
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Figura 4.3: Amostras Impactadas com os
ângulos de (a) 30º, (b) 45º, (c) 60º e (d) 90º.
4.3 - Micrografia
As Figuras 4.4 e 4.5 mostram, respectivamente, a superfície do material não impactado
e impactado sob um aumento de 500 vezes. A segunda fotografia foi tirada da amostra (a) 30º
depois de 6,0 kg de impactante.
Figura 4.4: Superfície da amostra não impactada, imagem ampliada de 500 vezes.
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Figura 4.5: Superfície da amostra impactada, imagem ampliada de 500 vezes.
As fotografias apresentam-se desfocalizadas em suas extremidades devido ao formato
curvo da amostra, só sendo possível obter foco no centro. Pode-se notar, visualmente, nas
Figuras 4.4 e 4.5 a diferença entre uma superfície não impactada, ou seja, apenas usinada, e
uma superfície impactada. A segunda mostra-se com rugosidade maior que a primeira.
- 35 -
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5 - Conclusões e sugestões para trabalhos futuros
Os resultados permitem concluir que:
- O ângulo de impacto das partículas não influi significativamente na taxa de erosão, sendo
que a variação entre a maior e a menor taxa de erosão encontrada foi de 0,66%, entre os
ângulos de 45º e 60º.
- Não há período de incubação para o carboneto de tungstênio impactado com areia, ou seja,
não há ganho de massa inicial.
- Para todos os ângulos experimentados a massa removida foi proporcional à quantidade de
areia impactada.
- O equipamento construído funcionou perfeitamente e mostrou-se adequado para a obtenção
dos resultados.
Para trabalhos futuros é sugerido:
- Realizar experimentos com os mesmos parâmetros estabelecidos no item 3.4, para um
ângulo de impacto de 15º.
- Realizar experimentos variando outros parâmetros do item 3.4, tais como: granulometria e
forma do impactante, pressão do jato, velocidade de impacto e quantidade de partículas
impactadas (para verificar a possibilidade de incubação para pequenas quantidades de
partículas impactadas).
- Ensaiar outros materiais com os mesmos parâmetros para fins de comparação.
- Avaliar a rugosidade na região impactada e comparar com uma região não impactada.
- 36 -
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