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6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos
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.
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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 trinc a 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 H2S.
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 fil etes. 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 H2 S e, H2 S 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 H2 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 H2S 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.
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1. OBJETIVO
Análise de falha em amostra identificada pelo cliente como Heavy Weight 5” (No 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
Figura 1 – Aspecto da amostra HW5 como recebida
2. NORMAS / PROCEDIMENTOS:
• 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 395 – “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 140 - " 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 (H2 S) através do emprego na lama de perfuração de uma
solução contendo H2 SO4 + KMnO4 .
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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
TRINCAS
b)
AUSÊNCIA DE
TRINCAS
TRINCAS
R
E
G
I
Ã
O
AUSÊNCIA DE TRINCAS
R
E
G
I
Ã
O
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
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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
R
E
G
I
Ã
O
1
INTEGRIDADE DOS FILETES
DE ROSCA E AUSÊNCIA DE
TRINCAS
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
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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
A (Sulfetos)
SÉRIE
FINA
1,5
SÉRIE
GROSSA
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
200 X
100 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.
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20
Figura 7 - Análise pontual da trinca por microsonda (EDS), onde foi
detectada a presença de enxofre
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Counts
20
Figura 8 - Espectro de EDS do material de base, onde não foi detectada a
presença de enxofre
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Figura 9 - Espectro de EDS da inclusão de sulfeto de manganês (MnS)
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Figura 10 - Inclusões com aparência típica de ataque por H2S
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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
1
2
3
4
5
HB
310
310
313
316
321
MÉDIA ROCKWELL
C
314
33,4
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 H2 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.
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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 H2S. Conforme salientado pela API (American Petroleum
Institute), em ambientes contendo H2 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 H2 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) = 15.000 a 21.000
pH = 9,0 a 9,5
Oxigênio e
H2 S
A presença de H2S na lama de perfuração é extremamente prejudicial pois, a existência de compostos de
enxôfre (H 2S, que pode ser dissolvido em HS- e S2-) (4), reduz a cinética de recombinação gasosa e,
consequentemente, favorece a entrada de hidrogênio para o metal.
Para materiais que trabalham em ambiente contendo H2 S, é também fundamental que o pH seja elevado
para valores ≥ 10,5 (5) , pois neste valor o H2 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:
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DUREZA
INCLUSÕES
MATERIAL
S
S
C
H 2S ;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 H2S 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 : 173-187; 1999
(3) Nace Standards for Material Requirements Sulfides Stress Cracking Resistant Metallic Materials for
Oilfield Equipment - NACE MR 0175-94
(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