Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) têm sido bastante utilizados na fabricação de tubulações para o transporte de petróleo e gás. Entretanto, o uso destes materiais em meios com elevadas concentrações de H2S, denominados sour, tem resultado em falhas frequentes, devido à suscetibilidade destes materiais ao desenvolvimento do fenômeno de trincamento induzido pelo hidrogênio (Hydrogen Induced Cracking - HIC), assim como devido a problemas de corrosão. O desenvolvimento de diferentes processos tecnológicos para a produção de tubos de aços ARBL, tais como a laminação controlada e resfriamento acelerado, a adição de microligantes, assim como a diminuição do teor de enxofre, fósforo, carbono e manganês, tem levado à elaboração de materiais com propriedades mecânicas otimizadas, permitindo também um melhor controle da microestrutura. As perdas de dureza e resistência mecânica devidas à redução do teor de manganês, são compensadas pela adição de elementos como cromo e nióbio. Neste trabalho estão sendo comparadas a resistência à corrosão e os parâmetros de permeabilidade do hidrogênio de dois tubos de aço API 5L X65 e uma chapa API 5L X65, todos do tipo ARBL e com baixo manganês (0,27%) e alto nióbio (0,083% a 0,090%), na solução B da norma NACE, TM-0284 (2011). Para isto, foram realizados ensaios de potencial de circuito aberto (Open Circuit Potential - OCP), espectroscopia de impedância eletroquímica (Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS) e curvas de polarização potenciodinâmicas no eletrólito naturalmente aerado, desaerado e saturado com H2S. Os testes de permeabilidade do hidrogênio foram realizados com base na norma ASTM INTERNATIONAL G148 - 97, porém usando a célula modificada de DEVANATHAN e STACHURSKY (1962) e com H2S como veneno catódico. Os materiais foram caracterizados por microscopia óptica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de energia dispersiva de Raios-X (X-Ray Energy Dispersive Spectroscopy - EDS) antes e depois de testes de imersão nos diferentes eletrólitos. Caracterização dos produtos de corrosão por difração de raios-X (DRX) também foi realizada após imersão em meio saturado com H2S (sour). As análises por MO e MEV mostraram matrizes ferríticas para os três aços, com a presença de baixos teores do microconstituinte martensita/austenita (M/A), de perlita e com baixo nível de inclusões uniformemente distribuídas e com composições químicas semelhantes. Os resultados dos ensaios de corrosão mostraram que, para todos os meios investigados, o aço denominado como B apresentou a melhor resistência à corrosão, enquanto aquele denominado como C se mostrou o mais suscetível em todas as condições estudadas. Para os três aços, a resistência à corrosão apresentou a seguinte ordem crescente de acordo com o meio de exposição: meio saturado com H2S < meio naturalmente aerado < meios desaerados. Ensaios de OCP e EIS no meio saturado com H2S em um período de 24h mostraram que a resistência à corrosão aumenta com o tempo em razão da formação de uma camada de sulfeto de ferro, que, no entanto, se apresentou pouco aderente. Os resultados dos ensaios de permeação de hidrogênio mostraram que o aço denominado B, que apresentou maior resistência à corrosão em todos os meios e que não apresenta perlita em sua microestrutura, teve o maior valor de difusividade efetiva de hidrogênio, menor concentração de hidrogênio atômico na sub-superfície e menor quantidade de traps por unidade de volume. Quanto aos outros dois materiais, os resultados dos testes de permeabilidade ficaram em desacordo com os resultados da caracterização microestrutural e dos testes de resistência à corrosão, indicando que fatores diferentes dos detectados neste estudo são importantes para governar essas propriedades. / High strength low alloy (HSLA) steels have been widely used in the manufacture of pipelines for the transport of oil and gas. However, the application of these steels in media with high H2S concentrations, denominated sour, has resulted in frequent failures due to the susceptibility of these materials to the development of Hydrogen Induced Cracking (HIC) phenomena, as well as due to corrosion problems. The development of different technological processes for HSLA piping production, like controlled rolling and accelerated cooling, the addition of microalloying elements, as well as the reduction of the amounts of sulphur, phosphorus, carbon and manganese, has led to the development of materials with optimized mechanical properties, also allowing a better microstructural control. Hardness and mechanical resistance reduction due to the lowering of Mn content are compensated by niobium and chromium addition. In this work, the corrosion resistance and the hydrogen permeability parameters of two API 5L X65 steel tubes and an API 5L X65 plate, all HSLA type and with low manganese (0.27%) and high niobium (0.083% to 0.090%) contents, are compared in solution B of NACE standard TM-0284 (2011). For this, open circuit potential (OCP), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and potentiodynamic polarization curves were carried out in the naturally aerated, deaerated and H2S saturated electrolyte. Hydrogen permeability tests were performed based on ASTM INTERNATIONAL G148-97, but using a modified DEVANATHAN and STACHURSKY (1962) cell and with H2S as cathodic poison. The materials were characterized by means of optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and X-Ray Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) prior and after immersion tests in the different electrolytes. Characterization of the corrosion products by X-ray diffraction (XRD) was also performed after immersion in the H2S-saturated (sour) medium. The OM and SEM characterization showed ferritic matrices for the three steels, with the presence of low levels of the martensite/austenite (M/A) microconstituent, perlite and with a low level of inclusions evenly distributed and with similar chemical compositions. The results of the corrosion tests showed that, for all investigated media, the steel denominated as B presented the best resistance to corrosion, whereas the one denominated as C showed to be the most susceptible in all the conditions studied. For the three steels, the corrosion resistance showed the following ascending order according to the exposure medium: H2S saturated < naturally aerated medium < deaerated media. OCP and EIS tests in the H2S-saturated medium in a period of 24 hours showed that the corrosion resistance increases over time due to the formation of an iron sulphide layer, which, however, presented little adhesion. The results of the hydrogen permeation tests showed that the steel denominated B, that presented greater corrosion resistance in all media and that does not present perlite in its microstructure, had the highest values of effective hydrogen diffusivity, the lowest concentration of atomic hydrogen in the subsurface and the smallest amount of traps per unit volume. Concerning the other two materials, the results of the permeability tests were at variance with the results of the microstructural characterization and corrosion resistance tests, indicating that factors other than those detected in this study are important to govern such properties.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-15012018-145847 |
| Date | 10 November 2017 |
| Creators | Juan David Santos Martinez |
| Contributors | Hercilio Gomes de Melo, Isolda Costa, Rodrigo Magnabosco |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia Metalúrgica, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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