PERSPECTIVAS E DESAFIOS PARA APLICAÇÃO DA SOLDAGEM

SUBAQUÁTICA MOLHADA NA PETROBRAS

Autores: Ricardo Reppold Marinho1, Marcelo Torres Piza Paes

1, Ezequiel Caires

Pereira Pessoa2, Alexandre Queiroz Bracarense

3, Valter Rocha dos Santos

4, Fernando

Cosme Rizzo Assunção4, Maurício de Jesus Monteiro

5, José Roberto Domingues

6,

1PETROBRAS/CENPES, Rio de Janeiro, RJ, Brasil

2Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Betim, MG, Brasil,

3Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brasil,

4PUC-Rio, Rio de Janeiro, RJ, Brasil,

5Instituto Nacional de Tecnologia, Rio de Janeiro, RJ, Brasil,

6ESAB Ind. e Com Ltda., Belo Horizonte, MG, Brasil

Trabalho a ser apresentado durante a Rio Welding 2014

As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade

dos autores.

RESUMO

Historicamente, os procedimentos de soldagem molhada são certificados (qualificados)

como classe B de acordo com a norma internacional de soldagem subaquática AWS

D3.6M. Por esse motivo, a soldagem molhada pelo processo de eletrodos revestidos é

utilizada apenas em reparos não estruturais ou em situações emergenciais. Um dos

impedimentos para a obtenção de soldas classe A está relacionado com as características

do tipo de eletrodo revestido utilizado. Os eletrodos do tipo rutílico são largamente

utilizados em soldagem molhada devido à boa estabilidade do arco e a facilidade de

operação e manuseio. Entretanto, apresentam defeitos como porosidade e microtrincas

que afetam o alongamento e a ductilidade do metal de solda resultando em reprovação

nos ensaios de tração e dobramento. Já os eletrodos do tipo oxidante são menos

utilizados devido à baixa estabilidade do arco e dificuldades de operação e manuseio.

Estes eletrodos também não alcançam os requisitos exigidos para classe A devido a

baixos valores de limite de resistência e defeitos como trincas na raiz. Outro obstáculo

que dificulta a obtenção de classe A e não está diretamente relacionado com o tipo de

eletrodo é a elevada dureza na zona afetada pelo calor (ZAC). Este artigo discute cada

um desses desafios acima mencionados e descreve os resultados obtidos com o

desenvolvimento de um novo eletrodo tipo oxi-rutílico que tem conseguido em testes de

laboratório e campo alguns importantes resultados no sentido de alcançar a classe A.

Visando a uma maior aceitação futura da soldagem molhada como solda de reparo

permanente, exclusivamente para unidades flutuantes de produção, são oferecidas

sugestões às partes envolvidas quanto à filosofia de qualificação de procedimentos de

soldagem e quanto a modificações em alguns critérios de aceitação.

INTRODUÇÃO

Considerando as restrições de ordem econômica para a docagem das estruturas de

produção flutuantes na costa brasileira (navios e plataformas semi-submersíveis), há

necessidade da disponibilidade de técnicas e de consumíveis para manutenção e reparos

“in situ” evitando assim paradas de produção. A soldagem subaquática molhada pelo

processo “eletrodos revestidos” é um dos métodos de reparo estrutural ‘in situ” já

aplicado em diversas situações tanto pela PETROBRAS como por companhias

estrangeiras e cujas principais vantagens são a simplicidade, a versatilidade e o baixo

custo. No Brasil, intervenções como as de reparo de trincas na monobóia de Marimbá e

na estrutura da plataforma P-27 são exemplos de aplicação onde a soldagem molhada

foi a opção considerada mais recomendada sob critérios técnicos e econômicos[1]

. No

exterior, numerosas intervenções para reparos estruturais por soldagem subaquática

molhada em plataformas foram relatadas, sendo notáveis aqueles realizados em

plataformas fixas do Golfo do México, danificadas por furacões. Conforme recente

publicação[2]

, de 34 plataformas reparadas por esta técnica, 29 permanecem em

operação.

São vislumbradas como situações futuras de aplicação da soldagem molhada

dentre outras: reparos e instalações de componentes nas plataformas fixas em operação,

reparos de trincas e regiões corroídas em plataformas semi-submersíveis e reparos de

trincas de fadiga em componentes estruturais de plataformas semi-submersíveis e em

bolinas de FPSOs.

É verificada internacionalmente a tendência de emprego de estruturas flutuantes

(navios e plataformas semi-submersíveis) na produção de petróleo offshore. Contudo,

consideráveis prejuízos podem ocorrer se for necessária a interrupção da produção para

docar a unidade flutuante visando sua manutenção e reparo. Por exemplo, a parada de

produção por um mês de uma plataforma, com produção média de 50.000 barris/dia,

pode implicar em lucros cessantes da ordem de R$ 300.000.000,00. Portanto, é

importante aperfeiçoar métodos de reparo estrutural operacionalmente simples e

versáteis como a soldagem subaquática molhada para reparos “in loco” pelo processo de

soldagem de eletrodos revestidos. Esta técnica oferece melhores resultados quando

aplicada em águas rasas (profundidades de até 20m), correspondendo às profundidades

máximas dos componentes estruturais das unidades flutuantes quando em operação.

Porém, é necessário que a confiabilidade destes reparos seja reconhecida tanto pelas

operadoras quanto pelas sociedades classificadoras envolvidas para avaliações de

integridade estrutural, sob a ótica da qualidade para uso específico, sejam aceitas.

Ainda, a aplicação da soldagem molhada em instalações flutuantes de produção

aumenta em viabilidade técnica considerando que os aços utilizados nas construções

navais apresentam boa soldabilidade, resultando em menor risco de fissuração a frio

durante a soldagem.

Em soldagem subaquática usualmente referencia-se o código AWS D3.6M:2010

“Underwater Welding Code”[3]

, onde as soldas estruturais são classificadas em duas

categorias. Para as soldas classe A estão presentes requisitos de tenacidade, resistência,

ductilidade, dureza e dobramento em níveis semelhantes aos exigidos pelos principais

códigos de engenharia em soldagem atmosférica que raramente são alcançadas em

soldagem molhada. Para as soldas classe B, conceituadas como soldas com qualidade

estrutural limitada, tanto os testes aplicados na qualificação de procedimentos quanto os

critérios de aceitação são menos rigorosos que os referentes ao tipo A. Para a aceitação

de procedimentos de soldagem que resultam em soldas classe B, onde o nível de

qualidade especificado é aquele adequado à aplicação em questão, estudos adicionais

são usualmente necessários para garantir a integridade estrutural da instalação.

Significativos avanços na tecnologia da soldagem molhada por eletrodos

revestidos foram obtidos recentemente por meio de projetos de pesquisa realizados no

Brasil por PETROBRAS, PUC-Rio, UFMG e ESAB[4]

. Estes projetos tiveram como

objetivo:

- desenvolver um eletrodo oxi-rutílico para soldagem molhada cuja

operabilidade fosse superior à dos eletrodos do tipo oxidante e cuja soldabilidade

metalúrgica (no que se refere à suscetibilidade a trincas por hidrogênio) fosse superior à

dos eletrodos de base rutílica;

- levantar propriedades do eletrodo desenvolvido por meio de testes soldagem

molhada em simulador hiperbárico em pressões equivalentes a 0,5m, 10m e 20m de

profundidade;

- qualificar procedimentos de soldagem molhada com mergulhadores-soldadores

válidos para aplicação até 15m de profundidade, empregando o eletrodo oxi-rutílico nas

posições plana, vertical descendente e sobre cabeça.

Parte dos resultados destas pesquisas foram divulgados em periódicos e

congressos [5-9]

e apresentados no capítulo “principais resultados” a seguir, destacando-

se o desenvolvimento de um eletrodo revestido oxi-rutílico, com teor de hidrogênio

difusível menor que 20ml/100g de metal depositado, com o qual foram produzidas

soldas com baixa porosidade, ausência de microtrincas no metal de solda (MS) e na

zona afetada pelo calor (ZAC). Os valores de ductilidade, assim como os de tenacidade

Charpy são superiores ao mínimo exigido pelo código AWS D3.6M classe A, código de

soldagem subaquática comumente adotado por operadoras e classificadoras .

PRINCIPAIS RESULTADOS

O eletrodo oxi-rutílico desenvolvido, aqui denominado “WW70”, apresentou

resultados promissores no sentido de substituir os eletrodos comerciais do tipo oxidante

e do tipo rutílico existentes no mercado nacional e internacional para reparos nas

profundidades testadas (até 20m), vide tabelas 1 e 2. A tabela 1 apresenta alguns

resultados comparativos obtidos por soldagem mecanizada por gravidade em

laboratório. O teor de hidrogênio difusível do eletrodo WW70 e, portanto, o risco de

fissuração pelo hidrogênio é tão baixo quanto o do eletrodo oxidante comercial testado,

aqui denominado “A1”. Sua tenacidade e sua ductilidade equivalem ou superam àquelas

dos principais eletrodos comerciais do tipo rutílico aqui denominados “W1” e “S1”,

disponíveis no mercado internacional. A resistência mecânica do metal de solda do

eletrodo supera 460 Mpa, permitindo enquadrá-lo na classe AWS E70XX. Os resultados

de propriedades mecânicas mostrados na tabela 2, exceto quanto ao ensaio de

dobramento e dureza na ZAC (não apresentados aqui), atendem aos requisitos do

D3.6M:2010 classe A para soldagem de aços navais com limite de escoamento superior

a 350 Mpa. Foram alcançados, com grande frequência, valores de alongamento

superiores a 18%. O hidrogênio difusível e a porosidade do eletrodo WW 70

mostraram-se pouco sensíveis ao aumento de profundidade até 20m.

Tabela 1 - Comparação de algumas propriedades do metal de solda depositado pelo

eletrodo WW70 com os eletrodos comerciais rutílicos (W1 e S1) e com o eletrodo

oxidante comercial (A1) em testes de laboratório.

Eletrodo

Hdif

(ml/100g)

Prof.: 0,5m

Tenacidade

Charpy 0ºC

(J) Prof.: 20m

Porosidade

(Área%)

Prof.: 20m

L. R.

(Mpa)

Prof.:

0,5m* e

10m**

Alongamento

(%)

Prof.: 0,5m* e

10m**

W1 97,2 35,3 2,36 515* 11,0*

S1 85,4 41,9 2,17 522* 6,6*

A1 20,4 37,3 0,41 456* 24,0*

WW70 21,3 41,3 0,06 490** 18,2**

Hdif=hidrogênio difusível

L.R.=Limite de resistência à tração

Tabela 2 – Propriedades do metal de solda em juntas soldadas em laboratório com o

eletrodo oxi-rutílico desenvolvido (WW70) em posição plana, nas profundidades

equivalentes de 0,5m, 10m e 20m.

Profundidade

equivalente (m)

L.E.

(MPa)

L.R.

(MPa)

Al

(%)

Tenacidade

Charpy 0ºC (J)

Porosidade

(%)

Hdif

ml/100g

0,5 429 500 15,6 46,3 0,00 21,3

10,0 424 490 18,2 47,0 0,07 28,9

20,0 371 495 16,6 41,3 0,06 32,8

L.E.=Limite de escoamento

L.R.=Limite de resistência à tração

Al=Alongamento

Hdif=hidrogênio difusível medido em corpos de prova soldados sob pressão equivalente

a 0,5m 10m e 20m de profundidade

O avanço mais significativo alcançado neste desenvolvimento é o conjunto

consistente de resultados de alongamento (acima de 14%) abrindo novas possibilidades

para a obtenção de soldas molhadas com qualidade estrutural plena (classe A do AWS

D3.6M: 2010). A tenacidade situa-se em patamar pouco superior comparado aos demais

resultados. A baixa porosidade e ausência de microtrincas no metal de solda são as

características principais responsáveis por esse avanço (vide figuras 1 e 2). Os

resultados obtidos, em geral, atendem à maioria dos requisitos do AWS D3.6M: 2010

classe A, são pouco influenciados pela profundidade e são superiores à maioria dos

resultados obtidos na literatura internacional sobre soldagem molhada (figura 2). Nesta

figura, alguns resultados relativos a propriedades dos eletrodos oxi-rutílicos produzidos

em diferentes fases do projeto são comparados com resultados de eletrodos oxidantes,

ácidos e rutílicos obtidos na literatura especializada. Por outro lado, foram obtidos os

seguintes resultados negativos quanto ao atendimento dos requisitos do AWS D3.6M:

2010 classe A:

- inconsistência na obtenção de resultados aprovados no ensaio de dobramento;

- dureza máxima na zona afetada pelo calor do metal de base dos passes de acabamento

superior ao especificado;

- foi constatada uma maior tendência à formação de trincas de raiz na soldagem com o

eletrodo oxi-rutílico comparativamente aos do tipo rutílico testados;

- aprisionamento de escória quando da soldagem na posição vertical descendente;

e maior dificuldade de remoção de escória comparativamente aos eletrodos do tipo

rutílico testados.

Para reduzir o risco de formação de trincas de raiz foi desenvolvido um eletrodo

de base rutílica, denominado WW70RP destinado unicamente à soldagem do passe de

raiz. Testes de laboratório (mecanizados) e de campo (com soldador-mergulhador)

utilizando este procedimento híbrido (raiz com o eletrodo WW70RP e enchimento com

WW70) apresentaram resultados positivos quanto à redução da incidência de trincas de

raiz.

Testes de campo a 5m de profundidade foram realizados com metal de base de

especificação ASTM A 131/A 131M – 08 AH36. Foi utilizado um procedimento

híbrido com eletrodo rutílico no passe de raiz e acabamento com eletrodo oxi-rutílico

objetivando evitar a formação de trincas de raiz. Os resultados de ensaios mecânicos

obtidos estão apresentados na tabela 3 em conformidade com os requisitos para

enquadramento no AWS D3.6M:2010 classe B nas posições plana e sobre-cabeça para

juntas em ângulo. Entretanto, na posição vertical descendente não foram obtidos

resultados satisfatórios devido à presença de descontinuidades do tipo inclusão de

escória acima do especificado. Em relação ao atendimento aos requisitos da classe A, os

corpos de prova falharam no ensaio de dobramento devido à presença de inclusões de

escória e a dureza máxima da ZAC ultrapassou em alguns pontos 325 HV que é o valor

limite especificado pelo AWS D3.6M:2010. Houve aprovação quanto às demais

propriedades mecânicas (tabela 3).

0,5 m

10 m

20 m

Fig. 1 – Macrografias

representativas das juntas soldadas

em laboratório com o eletrodo

WW70 nas profundidades

equivalentes de 0,5m, 10m e 20m.

Fig. 2 - Resultados de tenacidade, alongamento

e porosidade obtidos com os eletrodos oxi-

rutílicos desenvolvidos no projeto de pesquisa

comparados com resultados publicados por

diversos autores na literatura técnica

especializada.[10-15]

.

0 5 10 15 20 25 300

5

10

15

20

25

30

mínimo AWS D3.6 LSS - Class A

mínimo AWS D3.6 HSS - Class A

A

longam

ento

(%

)

Profundidade (m)

0 5 10 15 20 25 30

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Po

rosid

ad

e (

are

a %

)

Profundidade (m)

0 5 10 15 20 25 30

10

20

30

40

50

60

70

En

erg

ia C

ha

rpy 0

oC

(J)

Profundidade (m)

0 5 10 15 20 25 30

10

20

30

40

50

60

70

En

erg

ia C

ha

rpy 0

oC

(J)

Profundidade (m)

rut oxi acid oxi-rut

Tabela 3 – Resultados de testes de campo* com procedimento híbrido (raiz com o

eletrodo WW70RP e enchimento com WW70)

Prof.

(m)

Tração do metal de

solda T.RT.

(Mpa)

T.R.C.

(Mpa)

Charpy 0ºC

(J) MS

Charpy 0ºC

(J) ZAC

Dureza do

Metal de

Solda

Hv10 L.E.

(Mpa)

L.R.

(Mpa)

Along.

(%)

5 449 507 18,6 504

533

>506

>450 46-37-37/40 40-32-32/35 204

* Soldagem em posição plana, profundidade: 5m

T.R.T = Tensão de ruptura em tração transversal

T.R.C. = Tensão de ruptura em cisalhamento

MS = metal de solda

ZAC = zona afetada pelo calor

CONSIDERAÇÕES - QUALIDADE ESTRUTURAL PLENA ( CLASSE A)

Para atingir a qualificação Classe A em soldas molhadas, segundo o código

AWS D3.6M:2010, são grandes os desafios a serem vencidos, em função da ação direta

da água sobre a poça de fusão e sobre a zona afetada pelo calor. Os seguintes requisitos

podem ser considerados os mais críticos na qualificação de procedimentos de soldagem

molhada na classe A:

- ausência de trincas no metal de solda e na zona afetada pelo calor;

- alongamento mínimo no ensaio de tração do metal de solda

- dureza máxima de 325HV10 no metal de solda e na zona afetada pelo calor;

- aprovação total nos quatro corpos de prova no ensaio de dobramento

Ausência de trincas no metal de solda e na zona afetada pelo calor

As trincas em soldas molhadas podem ser de duas naturezas: trincas de hidrogênio

(podem ocorrer tanto ZAC do metal de base quanto no metal de solda) e trincas de raiz

no metal de solda. As trincas de hidrogênio dependem fundamentalmente da

composição química e do teor de hidrogênio difusível (Hdif), uma vez que é

extremamente difícil controlar a velocidade de resfriamento. Trincas de raiz no metal de

solda ocorrem comumente em juntas em ângulo e no ponto de contato com o mata-junta

e a parede do chanfro. Sua formação é decorrente da concentração de tensões residuais

na raiz da solda e facilitada pela presença de inclusões não metálicas, escória e

segregações nesta região. Este problema pode ser reduzido pelo emprego de eletrodos

selecionados ou desenvolvidos especialmente para a soldagem do passe de raiz.

De acordo com o AWS D3.6M:2010 as juntas soldadas devem ser examinadas

macrograficamente em seção transversal com ampliação de 5 X. Nestas condições as

trincas por hidrogênio, mais frequentes em eletrodos rutílicos, podem não ser reveladas

por serem normalmente de comprimento muito pequeno, inferior a 0,5mm. Por outro

lado as trincas de raiz podem facilmente exceder o comprimento máximo admissível

para soldas classe A que é de 1,0mm. As figuras 3, 4 e 5 exemplificam os tipos de

trincas mencionados.

Figura 3 - Distribuição de trincas de hidrogênio na ZAC e no MS em seção

longitudinal de corpo de prova de teste de soldabilidade CTS (“Controlled Thermal

Severity”). Metal de base: 0,21% C e 1,05% de Mn. Profundidade de soldagem

equivalente: 20m. Eletrodo comercial rutílico. Hidrogênio difusível: 90ml/100g [4].

Figura 4 - Trincas de hidrogênio no metal de soda com eletrodo rutílico em visão

tridimensional. Imagem obtida por microtomografia de raios X [4]

.

Figura 5 - Trinca de raiz - junta em ângulo. Eletrodo do tipo oxi-rutílico. Metal de

base: ASTM AH 36. Espessura da chapa: 16 mm. Profundidade de soldagem: 10m [4]

.

Alongamento mínimo no ensaio de tração do metal de solda

O código AWS D3.6M:2010 requer alongamento mínimo de 14% para os aços com

limite de escoamento (LE) acima de 350 MPa e 18% para os aços com LE inferior a 350

Mpa. Os eletrodos do tipo rutílico, usualmente aplicados em soldagem molhada

raramente atendem a este requisito, seja pela presença de trincas no metal de solda ou

porosidade acentuada [5,9,16]

. Por outro lado, eletrodos com comportamento oxidante

depositam metal de solda de melhor ductilidade atingindo mais frequentemente

alongamentos superiores a 18%. Alguns trabalhos apontam o teor de hidrogênio

difusível como o principal fator responsável pelo controle da ductilidade do metal de

solda [5,9]

e sugerem que para satisfazer ao requisito de alongamento do metal de solda é

essencial controlar o hidrogênio difusível (abaixo de aproximadamente 20ml/100g) e a

porosidade (abaixo de aproximadamente 0,5%).

Dureza máxima de 325 HV10 na zona afetada pelo calor

A dureza na ZAC é principalmente influenciada pela composição química do metal

de base e pela taxa de resfriamento. Esta, por sua vez, é sempre muito elevada pela ação

direta da água, sendo pouco influenciada pelo aporte térmico na soldagem molhada com

eletrodos revestidos. Nas condições de soldagem usuais, a taxa de resfriamento expressa

pelo tempo de resfriamento entre 800ºC e 500ºC (Δt8-5) varia entre 1s e 3s,

aproximadamente. Numa abordagem conservadora pode-se admitir que em regiões da

ZAC não reaquecidas por passes subsequentes a microestrutura seja formada por 100%

de martensita. Esta é a situação encontrada na ZAC do metal de base provocada pelos

passes de acabamento. Portanto, numa abordagem conservadora, a dureza máxima

prevista na ZAC em aços C-Mn pode ser estimada pela bem conhecida relação entre

dureza da martensita em função do teor de carbono do aço. Assim, considerando os

teores de carbono e manganês especificados para os principais aços estruturais navais

conforme a norma ASTM A 131 é necessário lançar mão de técnicas especiais para

reduzir sensivelmente a velocidade de resfriamento ou reaquecer as regiões críticas da

ZAC para atender ao requisito para classe A do AWS D3.6M 2010 (dureza máxima

inferior a 325 HV).

Aprovação total nos quatro corpos de prova no ensaio de dobramento

O código AWS D3.6M:2010 requer, para classe A, a aprovação nos 4 testes de

dobramento a 180º a partir de corpos de prova extraídos de uma única junta. A prática

tem revelado enorme dificuldade em se conseguir tal aprovação de forma consistente e

sistemática. Resultados recentes [4,16]

têm demonstrado que a simples presença de um

pequeno defeito aceito pelo código (menor que 1,5 mm) pode levar a falha no teste e,

portanto, impedir a qualificação do procedimento de soldagem. Excepcionalmente,

conforme documentado na figura 6 foi conseguida aprovação nos testes de dobramento

em condição limite onde as decontinuidades atingiram comprimento próximo do limite

(3mm). Considera-se que a aprovação nos testes de dobramento esteja condicionada

pelo desenvolvimento de novos consumíveis resultando em aumento da ductilidade do

metal de solda, redução da dureza da ZAC e ausência de micro-trincas. A grande

influência de pequenas descontinuidades no resultado do teste de dobramento torna este

aspecto da qualificação fortemente dependente da habilidade do soldador/mergulhador e

do desempenho em nível operacional do processo.

Figura 6 - Corpos de prova dobrados de 180º em testes de dobramento lateral mostrando

trincas inferiores a 3mm e, portanto, aprovados. A junta de topo foi soldada em

laboratório na pressão equivalente a 10m de profundidade com eletrodo oxi-rutílico [4]

.

APLICABILIDADE EM UNIDADES FLUTUANTES

Dentre as possíveis aplicações da soldagem molhada para reparos permanentes,

algumas são de extrema dificuldade como aquelas em profundidades superiores a cerca

de 30 m, onde a baixa qualidade atingida tem sido normalmente adequada apenas a

reparos temporários. Outras são inaceitáveis, independente da profundidade, por

exemplo, aquelas que envolvem riscos do tipo vazamento de óleo ou gás, como é o caso

de reparos em dutos. Deve-se distinguir, entretanto, uma classe de aplicação que se

restringe a reparos em águas rasas de estruturas flutuantes onde há uma conjugação

interessante de fatores facilitadores que concorrem para viabilizar a utilização da

soldagem molhada em reparos permanentes:

Soldabilidade dos aços

A norma ASTM A 131/A 131M – 08 “Standard Specification for Structural

Steel for Ships”[17]

estabelece limites de composição química de modo a possibilitar boa

soldabilidade aos aços utilizados em construção naval. O carbono equivalente é limitado

a 0,40 nos aços de baixa resistência em geral e nos aços de alta resistência nas

espessuras inferiores a 50mm. O teor de carbono especificado, em geral é inferior a

0,2%. Alguns autores[10,18]

consideram 0,38 o máximo carbono equivalente possível de

ser soldado em condições subaquáticas com baixo risco de ocorrência de fissuração a

frio. Assim, em termos práticos, a composição química dos aços a serem reparados

deverão em muitos casos ser favorável do ponto de vista da soldabilidade metalúrgica.

Baixa profundidade

A profundidade em que os componentes estruturais serão reparados raramente

deverá ultrapassar 20 m. Resultados apresentados na tabela 2 indicam que com o

desenvolvimento, já alcançado, é possível produzir soldas molhadas com pequena

variação de propriedades mecânicas até esta profundidade.

Resistência à fadiga

Ao considerar a aplicabilidade da soldagem molhada em unidades flutuantes de

produção onde muitas juntas soldadas são submetidas a cargas variáveis com o tempo,

deve ser avaliado o desempenho em serviço das soldas de reparo, notadamente sob

fadiga. Infelizmente, são poucos os dados disponíveis na literatura sobre o

comportamento à fadiga tanto em serviço como em testes de laboratório. Possivelmente,

o estudo mais detalhado sobre o tema foi apresentado no relatório SSC-370 do “Ship

Structure Committee” intitulado “Underwater Repair Procedures for Ship Hulls (Fatigue

and Ductility of Underwater Wet Welds)”[14]

. O gráfico da figura 7 construído a partir

de resultados de testes de fadiga apresentados no relatório SSC-370, mostra que a vida à

fadiga de juntas produzidas por soldagem molhada pode ser equivalente à de soldas ao

ar testadas nas mesmas condições, apesar das diferenças de propriedades mecânicas

estáticas entre as duas modalidades de solda. Acrescenta-se, ainda, que como as soldas

de reparos por soldagem molhada são usualmente de pequenas extensões é possível

utilizar técnicas para aumento da resistência à fadiga a serem aplicadas pós-soldagem

possibilitando até mesmo superar a resistência à fadiga de juntas soldadas ao ar

semelhantes às utilizadas em construção naval. Dentre estas técnicas destacam-se o

adoçamento por desbaste e o martelamento das margens da solda.

105

106

107

10

20

30

40

50

60

708090

100

Soldas de topo sem cobre-junta

limite inferior para 95% de confiança

(soldas ao ar)

curva de referência de soldas ao ar

solda molhada

solda ao ar

Am

plit

ude d

e t

ensão (

ksi)

Nº de ciclos

Figura 7 - Curvas SxN de soldas ao ar e de soldas subaquáticas a partir de dados do

relatório SSC-370 [14]

.

Inspeção em serviço

Em se tratando de áreas restritas onde as soldas de reparo são realizadas, os

planos de inspeção das unidades de produção que possuem juntas reparadas por

soldagem molhada podem conter procedimentos diferenciados tanto em relação aos

métodos de inspeção não destrutiva a serem aplicados quanto à periodicidade das

inspeções, acrescentando confiança no bom desempenho em serviço das juntas de

reparo não classificadas como juntas de qualidade estrutural plena (classe A). Assim,

adotando uma metodologia de “qualidade para uso específico” procedimentos de

soldagem qualificados em classe B podem ser aplicados para reparos permanentes desde

que sejam cumpridas avaliações adicionais dentro de um plano de inspeção específico

para as juntas em questão.

CRITÉRIOS DE ACEITAÇÃO PARA UNIDADES FLUTUANTES

Duas rotas devem ser percorridas no sentido de viabilizar a aplicação da soldagem

molhada em reparos estruturais pede unidades flutuantes de produção de petróleo

(navios e plataformas semi-submersíveis). A primeira é o aperfeiçoamento da técnica e

dos consumíveis de forma a atender aos requisitos da classe A, sendo o principal a

ductilidade do metal de solda, que implica em reprovação no ensaio de dobramento.

Novos projetos de pesquisa devem ser conduzidos segundo sugestões apresentadas por

diversos autores. A segunda rota depende de esforços conjuntos por parte de operadoras

e classificadoras para considerar no contexto das normas de soldagem molhada a

soldagem de reparo em estruturas flutuantes como um caso específico. Com base no

conhecimento estabelecido e eventualmente no levantamento de novos dados técnicos

algumas alterações nos critérios atuais poderiam ser realizadas sem ameaçar a

integridade das estruturas reparadas. Seguem algumas sugestões de alterações a serem

melhor avaliadas para discussão com as sociedades classificadoras, com o comitê de

normas técnicas da PETROBRAS e endereçamento ao subcomitê diretor de soldagem

subaquática da AWS:

a - Criação de uma nova classe de soldas além das tradicionais classes A e B do AWS

D3.6M:2010, de aplicação restrita à qualificação de procedimentos de soldagem para

reparos em estruturas flutuantes de produção de petróleo construídas com aços de

características semelhantes aos aços navais da norma ASTM A 131.

b - A nova classe de solda poderia ser baseada na atual classe B do AWS D3.6M:2010,

introduzindo algumas modificações tornando-a mais severa:

b1 - A exigência de ensaio de tração do metal de solda para todos os tipos de juntas e

estabelecendo como critério de aceitação um valor de alongamento da ordem de 14%,

justificado por ser este o valor especificado para a soldagem molhada de aços de alta

resistência em classe A conforme o AWS D3.6M:2010. No critério vigente não há

exigência de realização de ensaio de tração do metal de solda para soldas classe B.

b2 – a exigência de realização de ensaios metalográficos em seção longitudinal no metal

de solda, passando pelo eixo da solda, para detectar a presença de microtrincas em seção

polida com magnificação da ordem de 50x. Critérios de aceitação de microtrincas

deverão ser definidos. Adicionalmente sugere-se que em seção transversal a amostra

também seja examinada com magnificação da ordem de 50x. Na versão de 2010 o

código exige apenas a realização de uma macrografia em seção transversal observada

com magnificação de 5x.

c - Alternativamente, a nova classe de solda poderia ser baseada na atual classe A do

AWS D3.6M:2010, introduzindo algumas modificações tornando-a menos severa:

c1 – Unificação do critério de aceitação em um valor de alongamento da ordem de 14%,

justificado por ser este o valor especificado para a soldagem molhada de aços de alta

resistência em classe A conforme o AWS D3.6M:2010. Na versão 2010 o código exige

alongamento mínimo de 18% para a soldagem dos aços de baixa resistência.

c2- Utilização dos critérios de aceitação da classe B de descontinuidades em testes não

destrutivos e destrutivos.

c3 – Utilização da metodologia e do critério de aceitação da classe B para os ensaios de

dobramento ( aumentando assim o diâmetro do cutelo) e de dureza (aumentando assim a

dureza máxima aceitável de 325 para 375 HV).

CONCLUSÕES

Projetos de pesquisa realizados no Brasil no período 2007 – 2012 resultaram no

desenvolvimento de um eletrodo oxi-rutílico (WW70). Os resultados de hidrogênio

difusível, porosidade e propriedades mecânicas (com exceção do dobramento) das

soldas realizadas com este eletrodo, entre 0,5m e 20m, mostraram que esta formulação

apresentou ótimos resultados em comparação com resultados disponíveis na literatura

internacional.

Os resultados de propriedades mecânicas, exceto quanto ao ensaio de

dobramento e dureza na ZAC, atendem aos requisitos do D3.6M:2010 classe A para

soldagem de aços navais com limite de escoamento superior a 350 Mpa. Foram

alcançados, com grande frequência, valores de alongamento superiores a 18%.

As principais propriedades mecânicas, o hidrogênio difusível e a porosidade do

eletrodo WW70 mostraram-se pouco sensíveis ao aumento de profundidade até 20m;

Foram identificadas deficiências quanto à operacionalidade do eletrodo WW70

que precisam ser corrigidas.

Nos testes de qualificação de procedimentos a 5m de profundidade com metal de

base ASTM A 131 AH36 os resultados obtidos estão em conformidade com os

requisitos para qualificação no AWS D3.6M:2010 classe B nas posições plana e sobre-

cabeça para juntas em ângulo. Entretanto, na posição vertical descendente não se obteve

a qualificação em classe B devido à presença de descontinuidades do tipo inclusão de

escória acima do especificado.

Em relação à qualificação de procedimentos em classe A, os maiores obstáculos

a serem superados quanto à qualidade do metal de solda são a aprovação no ensaio de

dobramento e a produção de soldas com inclusões de escória menores que 2mm. Outro

importante obstáculo é a obtenção de valores de dureza na ZAC abaixo de 325 HV

(requisito para classe A).

Os testes de laboratório e de soldas realizadas em tanque a 5m por soldador-

mergulhador com um procedimento híbrido (raiz com eletrodo rutílico e enchimento

com oxi-rutílico apresentaram resultados positivos em geral, mas mesmo assim não

alcançaram a qualificação de procedimento devido à presença de inclusões de escória

com tamanho e quantidade ligeiramente superiores aos estabelecidos no AWS

D3.6M:2010.

Visando o reconhecimento da soldagem molhada como técnica de reparo

permanente para unidades flutuantes de produção, sugere-se nova conceituação para a

qualificação de procedimentos e alterações em alguns critérios de aceitação.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] M.G. Marinho, A.M. Pope, L.C. Meniconi, L.H.M. Alves, C. DELVECHIO, 2005.

Integrity Assessmentand On-Site Repair of a Floating Production Platform . 24th

International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering - OMAE.

paper 67504. Halkidiki. Greece. 2005.

[2] T. J. Reynolds, 2010, Service History of wet welded repairs and modifications.

Proceedings: International Workshop on the State of the Art Science and Reliability of

Underwater Welding and Inspection Technology. Houston. Texas. pp 32-67. 2010.

[3] American Welding Society, D3.6M:2010 - Underwater Welding Code, (2010)

[4] Relatórios de projetos de pesquisa PETROBRAS, divulgação não autorizada.

[5 V. R. Santos, M. J. Monteiro, F. C. Rizzo, A. Q. Bracarense, E. C. P. Pessoa, R.

Reppold, J. R. Domingues, L. A. Vieira, Recent Evaluation and Development of

Electrodes for Wet Welding of Structural Ship Steels. 29th International Conference on

Ocean, Offshore and Arctic Engineering, Shangai. Proceedings of the 29th

International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (2010)

[6] V. R. Santos, M. J. Monteiro, A. Q. Bracarense, E. C. P. Pessoa, Underwater

Welding Consumables Development, International Workshop on the State of the Art

Science and Reliability of Underwater Welding and Inspection Technology, ABS,

Houston, Texas, (2010)

[7] A. Q. Bracarense, E. C. P. Pessoa, V. R. dos Santos, M. J. Monteiro, F. C.

Rizzo, S. Paciornik, R. Reppold, J. R. Domingues, L. A. Vieira, Comparative study of

commercial electrodes for underwater wet welding, IIW International Congress - 2nd

Latin American Welding Congress XXXIV CONSOLDA - Congresso Nacional de

Soldagem, São Paulo, SP, (2008)

[8] V. R. Santos, M. J. Monteiro, A. Q. Bracarense, E. C. P. Pessoa, 2010, Underwater

Welding Consumables Development. Proceedings: International Workshop on the State

of the Art Science and Reliability of Underwater Welding and Inspection Technology.

Houston. Texas. pp 32-67. 2010.

[9] V. R. Santos, M. J. Monteiro, F. C. Rizzo, A. Q. Bracarense, E. C. P. Pessoa, R.

Reppold, J. R. Domingues, L. A. Vieira., 2012. Development of an Oxyrutile Electrode

for Wet Welding. Welding Journal 91, (12), pp. 319-s.

[10] M. E. Rowe and S. Liu, Recent Developments in Underwater Wet Welding,

Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 6, No 6, (2001)

[11] T. G. Gooch, Properties of underwater welds. Part 1. Procedural trials. Metal

Construction: 164-167, (1983)

[12] T. G. Gooch. Properties of underwater welds. Part 2. Mechanical properties.

Metal Construction: 206-216, (1983)

[13] T. C. West, G. Mitche, E. Lindberg, Wet welding electrode evaluation for ship

repair. Welding Journal 69, (8), pp.48, (1990).

[14] SSC-370. Underwater Repair Procedures for Ship Hulls, Fatigue and Ductility of

Underwater Wet Welds, Ship Structure Committee (1993)

[15] A. F. Nóbrega, Study of underwater welding with covered electrodes, MSc Thesis;,

Federal University of Rio de Janeiro, Brazil (in Portuguese) (1981)

[16] E. C. P. Pessoa, A. Q. Bracarense, V. R. Santos, M. J. Monteiro, R. Reppold, L. A.

Vieira, Desafios para o Desenvolvimento um Eletrodo para a Soldagem Molhada

“Classe A”, como Requerido pela Norma AWS D3.6, XXXVIII CONSOLDA, 2012,

Ouro Preto, MG, Brasil.

[17] ASTM A 131/A 131M–08, Standard Specification for Structural Steel for Ships.

[18] S. Ibarra, C. E. Grubbs, D. L Olson, Metallurgical aspects of underwater welding,

Journal of Metals. Vol. 40, no. 12, pp. 8-10, (1988)