Avaliação da vida em fadiga de juntas soldadas do aço API 5L X65 em meios aquosos salinos saturados com diferentes pressões parciais de CO2

Abstract

Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) são largamente utilizados na indústria de óleo e gás. As principais vantagens são suas propriedades relacionadas à soldabilidade, tenacidade e resistência mecânica. Tubos produzidos com esses aços são utilizados na fabricação de dutos através do emprego de soldas circunferenciais. Os dutos então são usados para transporte de grandes volumes de produtos sob altas pressões. As tubulações inevitavelmente serão expostas a carregamentos dinâmicos, principalmente em aplicações de dutos em alto mar (offshore). Dentro desse contexto, o tubo estará exposto à água do mar em sua superfície externa e fluido de produção na parte interna. De fato, esse último é a maior preocupação, visto que pode ser composto de soluções aquosas com alta concentração de cloretos, contaminadas pelos gases H2S e CO2. Desse modo, a determinação da vida remanescente em corrosão fadiga das soldas fabricadas com essa classe de aços é de suma importância, principalmente na região da raiz das soldas circunferenciais, expostas ao meio agressivo interno. Esse trabalho tem por objetivo determinar a vida em corrosão fadiga de juntas soldadas do aço ARBL API 5L X65 em soluções contendo cloretos, e saturadas com diferentes pressões parciais de CO2. Foram ensaiados corpos de prova de juntas soldadas desse aço em solução contendo 115.000 ppm de cloretos e saturada com pressões de 3, 8 e 15 psia de CO2 a 35ºC. Os ensaios de fadiga foram realizados em um dispositivo de flexão a quatro pontos, com frequência de 0,2 Hz e razão de carregamento alternado de 0,1. Os resultados encontrados indicaram que o aumento da pressão parcial de CO2 tende a aumentar a taxa de corrosão e diminuir a vida remanescente em corrosão fadiga. Isso foi verificado principalmente para altos níveis de carregamento. Entretanto, quando os corpos de prova foram submetidos a carregamentos dinâmicos de menor magnitude, a curva de fadiga da maior pressão parcial de CO2 estudada apresenta uma tendência de “recuperação” (devido à inclinação mais positiva da curva S-N), permanecendo assim mais próxima às curvas encontradas para as outras condições estudadas de menor pressão parcial do gás. Com base na literatura consultada, foram criadas algumas justificativas para tal comportamento. Tudo indica que o fenômeno de “recuperação” da vida em corrosão fadiga foi atribuído à formação de camadas de carbonato não fraturadas e à dissolução anódica de microdeformações típicas da nucleação de trincas de fadiga (microintrusões e microextrusões).

High strength low alloy steels (HSLA) are widely applied in the oil and gas industry. The main advantages from this steel class are good weldability, toughness and mechanical strength. Pipelines are manufactured using girth welding process of tubes sections fabricated with this material. These pipelines are particularly useful for high pressure high volume products transportation. Regarding offshore application, pipelines are inevitably submitted to dynamic loading. The steel is externally exposed to sea water, and internally, to production fluids. In fact, the later is a big concern, since it may contain high chloride content aqueous solution saturated with the H2S and CO2 gases. In this way the corrosion fatigue life determination of HSLA girth welding root are important. These weld joint regions are exposed to environments such as found in the internal side of pipelines. So in order to evaluate CO2 influence on design life of such pipelines, this work aims to determine corrosion fatigue life of API 5L X65 girth welds exposed to high chloride content solution saturated with different partial pressures of CO2. The steel’s girth weld specimens were tested in aqueous solution with chloride content of 115.000 ppm saturated with different partial pressures of 3, 8 and 15psia of CO2 at 35ºC. Four point bend test device were applied for dynamic loading at 0,2 Hz frequency and 0,1 loading ratio. Results found shown that the increase of CO2 partial pressure increases corrosion rate and so decreases the corrosion fatigue life. This was clearly verified for high levels of applied loading. On the other hand, corrosion fatigue life at conditions of elevated partial pressure of CO2 seems to produce some “recovery” when submitted to low stress range levels (due to higher slope of S-N curve), thus recovering fatigue life until it matches with the other two corrosive conditions with lower gas partial pressure. Such behavior of S-N curves was explained based on literature. The “recovery” phenomenon for corrosion fatigue life was attributed to non fractured carbonate scale layers formation and also due to anodic dissolution of microstrain deformations formed during initial corrosion fatigue process (intrusions and extrusions).