Estudo dos efeitos dedescargas atmosféricas emdutos através de ensaios desimulação em laboratório

Sidney O. Pagotto Jr, Zehbour Panossian, Neusvaldo L. de Almeida, Fabiano R. dos Santos, Mario L. P. Filho, Gutemberg de S. Pimenta, Eduardo W. Laurino, Marcelo Araujo, Joao P. K. Gervasio

IV SEMINÁRIO BRASILEIRO DE PROTEÇÃO CATÓDICA

IV S

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A Conteúdo da apresentação

Objetivo e informações;

Descargas atmosféricas x metais;

Metodologia;

Resultados;

Discussão;

Conclusão;

Agradecimentos.

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A Objetivo

Verificar qual são os efeitos de descargas

atmosféricas em materiais metálicos através de

testes de simulação em laboratório

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ICA

ObjetivoEstruturas,

equipamentos e dutos (indústria de óleo e gás)

Sujeitos a danos por corrosão

Expostos à atmosfera ou

enterrados em solo natural

Como controlar a corrosão em estruturas

enterradas?

Problema: foram constatada falhas em serviço, mesmo em dutos revestidos e com proteção catódica.

RevesTempontos orgânicos + proteção

catódica

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Dano em campo

Metalografia

Superfície externa ZAT

Substrato

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A

ObjetivoSuperfície externa Região

termicamente afetada

Substrato

Trincas fora da zona afetada termicamente

Superfície externa Região termicament

e afetada

Dano em campo

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A

Superfície externa Região termicament

e afetada

Outer SurfaceRegião

termicamente afetada

650/700 HV

200/250 HVSubstrato

ZAT

Aumento da dureza na ZAT acima

do esperado

Dano em campo

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A

Objetivo e informações;

Descargas atmosféricas x metais;

Metodologia;

Resultados;

Discussão;

Conclusão;

Agradecimentos.

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DIC

A

Um raio pode causar aquele tipo de dano?

Modelo proposto pela literatura para representar uma descarga atmosférica:

Cor

rent

e (a

rbitr

aria

)Corrente de continuidadeResponsável pelos danos.Porque? > duração

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A Simulando as descargas

Em laboratório: muito difícil

Equipamento específico e caro.

Normalmente, ensaios simulando apenas a corrente de continuidade sãoutilizados de forma a verificar os efeitos das descargas atmosféricas em

diferentes materiais, porque são eles os responsáveis pelos danos.

Então, quais os parâmetros importantes? Valor da corrente e tempo de aplicação.

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ICA Seleção de valores de corrente

de acordo com a literaturaValores selecionados:

Inicialmente foram ensaiadas chapas finas, pintadas e não pintadas.Posteriormente, foram ensaiados corpos de prova extraídos de dutos

revestidos com Polietileno Tripla Camada.

• 70 A (valor de corrente da descarga atmosférica de máxima duração);• 400 A (conforme a IEC 62305 - Protection against lightning);• 3200A (maior valor de corrente observado em uma descarga positiva,

conforme a pesquisa realizada);• 6000 A (capacidade máxima do equipamento utilizado).

Os tempos de aplicação forma definidos de forma a obter as cargas apresentadas na literatura

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A

Objetivo e informações;

Descargas atmosféricas x metais;

Metodologia;

Resultados;

Discussão;

Conclusão;

Agradecimentos.

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DIC

A

• As amostras de tubo foram extraídas de um tubo de aço tipo 5LX65API com parede de 11 mm e revesTemponto PTC de 2.5-mm);

• nos corpos de prova foi aplicada uma única descarga;• As regiões danificadas do revesTemponto foram submetidas a:

Inspeção visual & metalográfica; Análises químicas; Medidas de dureza.

Metodologia

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DIC

A MetodologiaValor de corrente aplicada e sua duração

Dados das amostras de tubo utilizadas

Current magnitude (A) Duration (s) 70 0.70 1.35 2.00

400 0.10 0.50 0.90 3200 0.10 0.475 0.85 6000 0.09 0.18 -

Dureza da matriz

Teor de carbono 0.06 ± 0.01 %

200 – 250 HV

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DIC

A Procedimento de ensaio

Confeccionado um carrinho com base de madeira e suporte de cobre

• Alta corrente, mas baixa voltagem;

• Não abria o arco elétrico;• Necessário abrir um furo no

revesTemponto (A) e;• Colocar um fio de cobre para

conectar a ponta do eletrodo ao aço do CP/tubo (B).

Mas……

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A Procedimento de ensaio

Condições do ensaio:• Eletrodos: aço-carbono (0.2% C) and grafite;• Ambiente: ar e coberto com uma pequena quantidade de solo.Para o ensaio com solo: cilindro de PVC com 10 cm de alturapreenchido com solo, de forma a garantir que a área de ensaioficasse coberta.

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A Caracterização das amostras

• Profundidade máxima da área fundida;

• Dureza máxima;

• Teor máximo de carbono

• Aspecto visual da área fundida;

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A Caracterização das amostrasCondições de ensaio

Amostra API 5LX65 Tubo ∅= 22”Espessura =0,438” Polietileno tripla camada

Meio Ar Solo

Corrente de continuidade

6 kA

0,180 s 1080 CMáxima capacidade

do equipamento0,090 s 540 C

0,85 s 2720 Maior valor de corrente para

descarga positiva3,2 kA0,475 s 1600 C

0,1 s 320 C

400 A0,9 s 400 C

Conforme IEC623050,5 s 220 C0,1 s 40 C

70 A

2,0 s 1400 C Descargaatmosférica de

máxima duração1,35 s 94 C

0,7 s 490 C

Eletrodo Aço-carbono Grafite

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A Planejamento Experimental70 A

400 A

Ordem Tempo(s)

Meio (ar/solo)

Eletrodo (aço-carbono/grafite)

1 2,00 ar aço-carbono2 1,35 solo grafite3 0,70 solo grafite4 0,70 ar aço-carbono5 1,35 ar aço-carbono6 2,00 solo grafite7 1,35 solo aço-carbono8 1,35 ar grafite9 2,00 ar grafite

10 2,00 solo aço-carbono11 0,70 ar grafite12 0,70 solo aço-carbono

Ordem Tempo(s)

Meio (ar/solo)

Eletrodo (aço-carbono/graphit)

1 0,1 ar grafite2 0,475 solo aço-carbono3 0,1 solo aço-carbono4 0,1 ar aço-carbono5 0,1 solo grafite6 0,85 ar grafite7 0,85 solo aço-carbono8 0,475 ar grafite9 0,85 solo grafite

10 0,475 ar aço-carbono11 0,85 ar aço-carbono12 0,475 solo grafite

3,2 kA

Ordem Tempo(s)

Meio (ar/solo)

Eletrodo (aço-carbono/graphit)

1 0,18 ar grafite

2 0,09 solo aço-carbono

3 0,18 solo aço-carbono

4 0,18 ar grafite5 0,09 ar grafite6 0,09 solo aço-carbono

7 0,18 solo aço-carbono

8 0,09 ar grafite

6.0 kAOrdem Tempo (s) Meio (ar/solo) Eletrodo(aço-carbono/grapite

1 0,9 solo aço-carbono2 0,9 ar grafite3 0,1 ar grafite3 0,5 solo aço-carbono5 0,5 ar grafite6 0,9 solo grafite7 0,1 solo aço-carbono8 0,5 ar aço-carbono9 0,9 ar aço-carbono

10 0,1 solo grafite11 0,1 ar aço-carbono12 0,5 solo grafite

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A

Objetivo e informações;

Descargas atmosféricas x metais;

Metodologia;

Resultados;

Discussão;

Conclusão;

Agradecimentos.

Aspecto visual

70 A 400 A

3.2 kA 6.0 kA

Nenhum apresentou perfuraçãoIV

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Aspecto metalográficoIV

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CP 08 -1,35 s - 70A – Solo Eletrodo de Grafite

CP 02 - 0,1 s - 400A – Solo Eletrodo de Grafite

CP-T 04 - 0,1s – 3.2 kA –Solo / Eletrodo de Grafite

CP-T 08 - 0,1s – 6.0 kA –Ar / Eletrodo de Grafite

Resultados – 70 AIV

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Duração (s)

Carga (C) Meio Eletrode

Area fund. (mm²)

Prof. Máx. Fundida ( mm)

Dureza máx. (HV) Teor Máx. C (%)

0.7 49 Atmosfera Aço 7 1.78 730 0.28 0.7 49 Atmosfera Grafite 7 1.72 629 0.33 0.7 49 Solo Aço 4 1.37 740 0.40 0.7 49 Solo Grafite 4 1.31 493 0.44

1.35 94.5 Atmosfera Aço 8 1.70 629 0.89 1.35 94.5 Atmosfera Grafite 6 1.37 442 0.62 1.35 94.5 Solo Aço 14 1.54 804 0.28 1.35 94.5 Solo Grafite 9 1.62 362 0.39 2.0 140 Atmosfera Aço 7 1.42 591 0.77 2.0 140 Atmosfera Grafite 12 1.63 987 0.93 2.0 140 Solo Aço 5 1.78 1037 1.10 2.0 140 Solo Grafite 9 2.18 595 1.03

Matriz de aço-carbono: 200 HV to 250 HV Teor médio de carbono: 0.06 % (tubo) ; 0.2 % (eletrodo de aço)

Duração (s)

Carga (C)

Meio

Eletrode

Area fund. (mm²)

Prof. Máx. Fundida ( mm)

Dureza máx. (HV)

Teor Máx. C (%)

0.7

49

Atmosfera

Aço

7

1.78

730

0.28

0.7

49

Atmosfera

Grafite

7

1.72

629

0.33

0.7

49

Solo

Aço

4

1.37

740

0.40

0.7

49

Solo

Grafite

4

1.31

493

0.44

1.35

94.5

Atmosfera

Aço

8

1.70

629

0.89

1.35

94.5

Atmosfera

Grafite

6

1.37

442

0.62

1.35

94.5

Solo

Aço

14

1.54

804

0.28

1.35

94.5

Solo

Grafite

9

1.62

362

0.39

2.0

140

Atmosfera

Aço

7

1.42

591

0.77

2.0

140

Atmosfera

Grafite

12

1.63

987

0.93

2.0

140

Solo

Aço

5

1.78

1037

1.10

2.0

140

Solo

Grafite

9

2.18

595

1.03

Duração (s)

Carga (C) Meio Eletrodo

Área Fund. (mm²)

Prof. Máx. Fund. (mm)

Dureza Máx. (HV) Máx. Teor C (%)

0.1 40 Atmosfera Aço 5 1.94 680 0.09 0.1 40 Atmosfera Grafite 3 1.61 797 0.12 0.1 40 Solo Aço 2 1.59 652 0.12 0.1 40 Solo Grafite 2 1.92 694 0.19 0.5 200 Atmosfera Aço 19 2.76 766 0.22 0.5 200 Atmosfera Grafite 9 2.76 867 0.17 0.5 200 Solo Aço 5 2.80 827 0.30 0.5 200 Solo Grafite 10 2.51 812 0.12 0.9 360 Atmosfera Aço 16 2.35 373 0.15 0.9 360 Atmosfera Grafite 13 2.93 776 0.19 0.9 360 Solo Aço 14 2.78 779 0.17 0.9 360 Solo Grafite 7 2.65 689 0.15

Resultados – 400 AIV

SEM

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Matriz de aço-carbono: 200 HV to 250 HV Teor médio de carbono: 0.06 % (tubo) ; 0.2 % (eletrodo de aço)

Duração (s)

Carga (C)

Meio

Eletrodo

Área Fund. (mm²)

Prof. Máx. Fund. (mm)

Dureza Máx. (HV)

Máx. Teor C (%)

0.1

40

Atmosfera

Aço

5

1.94

680

0.09

0.1

40

Atmosfera

Grafite

3

1.61

797

0.12

0.1

40

Solo

Aço

2

1.59

652

0.12

0.1

40

Solo

Grafite

2

1.92

694

0.19

0.5

200

Atmosfera

Aço

19

2.76

766

0.22

0.5

200

Atmosfera

Grafite

9

2.76

867

0.17

0.5

200

Solo

Aço

5

2.80

827

0.30

0.5

200

Solo

Grafite

10

2.51

812

0.12

0.9

360

Atmosfera

Aço

16

2.35

373

0.15

0.9

360

Atmosfera

Grafite

13

2.93

776

0.19

0.9

360

Solo

Aço

14

2.78

779

0.17

0.9

360

Solo

Grafite

7

2.65

689

0.15

Duração (s)

Carga (C) Meio Eletrodo

Área Fund. (mm²)

Prof. Máx. Fund. (mm)

Dureza Máx. (HV) Teor Máx. C (%)

0.1 320 Atmosfera Aço 100 3.01 525 0.09 0.1 320 Atmosfera Grafite 116 3.30 448 0.12 0.1 320 Solo Aço 101 3.13 468 0.12 0.1 320 Solo Grafite 82 3.40 456 0.19

0.475 1520 Atmosfera Aço 409 7.42 788 0.22 0.475 1520 Atmosfera Grafite 320 7.84 723 0.17 0.475 1520 Solo Aço 480 6.59 800 0.30 0.475 1520 Solo Grafite 330 7.85 889 0.12 0.85 2720 Atmosfera Aço 915 6.67 591 0.15 0.85 2720 Atmosfera Grafite 489 10.78 801 0.19 0.85 2720 Solo Aço 1082 8.69 379 0.17 0.85 2720 Solo Grafite 445 9.28 872 0.15

Resultados – 3.200 AIV

SEM

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CA

TÓDI

CA

Matriz de aço-carbono: 200 HV to 250 HV Teor médio de carbono: 0.06 % (tubo) ; 0.2 % (eletrodo de aço)

Duração (s)

Carga (C)

Meio

Eletrodo

Área Fund. (mm²)

Prof. Máx. Fund. (mm)

Dureza Máx. (HV)

Teor Máx. C (%)

0.1

320

Atmosfera

Aço

100

3.01

525

0.09

0.1

320

Atmosfera

Grafite

116

3.30

448

0.12

0.1

320

Solo

Aço

101

3.13

468

0.12

0.1

320

Solo

Grafite

82

3.40

456

0.19

0.475

1520

Atmosfera

Aço

409

7.42

788

0.22

0.475

1520

Atmosfera

Grafite

320

7.84

723

0.17

0.475

1520

Solo

Aço

480

6.59

800

0.30

0.475

1520

Solo

Grafite

330

7.85

889

0.12

0.85

2720

Atmosfera

Aço

915

6.67

591

0.15

0.85

2720

Atmosfera

Grafite

489

10.78

801

0.19

0.85

2720

Solo

Aço

1082

8.69

379

0.17

0.85

2720

Solo

Grafite

445

9.28

872

0.15

Duração (s)

Carga (C) Meio Eletrodo

Área Fund. (mm²)

Prof. Máx. Fund. (mm)

Dureza Máx. (HV) Máx. Teor C (%)

0.09 540 Atmosfera Grafite 140 3.16 445 0.18 0.09 540 Atmosfera Grafite 138 3.24 457 0.19 0.09 540 Solo Aço 148 2.71 582 0.13 0.09 540 Solo Aço 170 2.80 501 0.16 0.18 1080 Solo Aço 275 4.35 571 0.15 0.18 1080 Solo Aço 323 4.27 368 0.09 0.18 1080 Atmosfera Grafite 228 4.43 506 0.11 0.18 1080 Atmosfera Grafite 242 4.46 558 0.11

Resultados – 6.000 AIV

SEM

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CA

Matriz de aço-carbono: 200 HV to 250 HV Teor médio de carbono: 0.06 % (tubo) ; 0.2 % (eletrodo de aço)

Duração (s)

Carga (C)

Meio

Eletrodo

Área Fund. (mm²)

Prof. Máx. Fund. (mm)

Dureza Máx. (HV)

Máx. Teor C (%)

0.09

540

Atmosfera

Grafite

140

3.16

445

0.18

0.09

540

Atmosfera

Grafite

138

3.24

457

0.19

0.09

540

Solo

Aço

148

2.71

582

0.13

0.09

540

Solo

Aço

170

2.80

501

0.16

0.18

1080

Solo

Aço

275

4.35

571

0.15

0.18

1080

Solo

Aço

323

4.27

368

0.09

0.18

1080

Atmosfera

Grafite

228

4.43

506

0.11

0.18

1080

Atmosfera

Grafite

242

4.46

558

0.11

IV S

EMIN

ÁRI

O B

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LEIR

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DIC

A

Objetivo e informações;

Descargas atmosféricas x metais;

Metodologia;

Resultados;

Discussão;

Conclusão;

Agradecimentos.

IV S

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O C

ATÓ

DIC

A

• Sem sinais de resíduos nas vizinhanças do metal fundido;

• Seção transversal: dano hemisférico e perda de material;

• Talvez o metal tenha sublimado em função da temperatura atingida durante o ensaio.

• Inspeção visual: fusão do metal sem perfuração do tubo (todos);

Discussão

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DIC

A

Discussão – Área Superficial Fundida

• Influencia do eletrodo:

• Influencia do meio: apenas para 400A, onde foi observado ASF maior para os testes ao ar.

70A/400A: nenhuma; 3,2 kA/6,0 kA: maior ASF para o eletrodo de aço.

• Área Superficial Fundida (ASF): maior a duração do arco, maior ASF. Exceção: 70A;

400A 3,2 kA

IV S

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DIC

A

Discussão – Profund. Máx. Fundida

Tipo de eletrodo: maior PMF com os eletrodos de grafite.

Meio (ar / solo): não houve influencia.

• Profundidade Máxima Fundida (PMF):

Maior duração do arco, maior PMF (3,2 & 6,0 kA). 70 & 400 A: não houve influencia.

3,2 kA

Eletrodo de aço Eletrodo de grafite

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• Meio e tipo de eletrodo: não houve influencia.

• Dureza máxima: maior duração do arco, maior dureza máxima, em especial para 70 A & 400 A;

• Teor máximo de carbono: maior duração do arco, maior teor de carbono para 70 A & 400 A;

Aumento no teor de carbono: resultado do uso do eletrodo degrafite?De acordo com a análise estatística realizada, os arcosproduzidos com eletrodo de aço também causaram umaumento no teor de carbono. Portanto, esta não é umahipótese válida.

Discussão – Dureza Máx. e Teor de C

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Objetivo e informações;

Descargas atmosféricas x metais;

Metodologia;

Resultados;

Discussão;

Conclusão;

Agradecimentos.

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Conclusão1. Quando descargas elétricas atingem componentes

de aço-carbono com ou sem revetsimento, sãocapazes de fundir o material em maior ou menorgrau, dependendo principalmente do tempo dadescarga.

2. Descargas elétricas também são capazes deaumentar a dureza e o teor de carbono do aço.

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Objetivo e informações;

Descargas atmosféricas x metais;

Metodologia;

Resultados;

Discussão;

Conclusão;

Agradecimentos.

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Agradecimentos

Nossos agradecimentos à Petrobras –Petróleo Brasileiro S.A. pelo apoio fincanceiroa ao IEE/USP, à Metalúrgica Atlas e ao SENAIOsasco pelo apoio durante a realização dosensaios.

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A Obrigado!!!

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