Especificações técnicas Vol.4

Cumprindo os requisitos das estruturas offshore que se operam em uma água sempre mais profunda e mais fria.

1 Tendências na procura global para estruturas offshore.

O consumo de energia global em 2035 está previsto para expandir por 1,8 vezes aquele de 2010, enquanto que o PIB global desde 2010 até 2035 for estimado para crescer anualmente uns 2,8% médios. Se espera que o consumo de óleo bruto aumentará apenas sobre 30% entre 2010 e 2035 principalmente devido à procura dos veículos motorizados em países em vias de desenvolvimento. O consumo de gás natural, que é considerado como a única fonte de energia que testemunhará um aumento exponencial na procura, é previsto para aumentar extremamente por 50% ou mais em 2035, em comparação a 2010.

Como a procura para o óleo e o gás natural aumenta, as taxas de diminuição dos campos existentes estão intensificando; portanto, os locais de perfuração offshore novos devem ser procurados e desenvolvidos para garantir as reservas de petróleo e gás. Prevê-se que o investimento em estruturas offshore e em facilidades relativas entre 2010 e 2020 aumentará por um factor de três. As Figuras 1 e 2 mostram as tendências na produção de petróleo e gás do mundo e a Figura 3 indica o investimento estimado para as estruturas offshore.

Aproximadamente 50% dos campos petrolíferos descobertos nos últimos cinco anos foram ficados situados principalmente em águas profundas fora das costas de Brasil e África. Porque os preços do petróleo e gás permaneceram altos, mesmo a perfuração em águas profundas tornou-se rentável e provavelmente será mais desenvolvida. A procura aumentará para estruturas flutuantes offshore como sondas semissubmersíveis (SSR = Semi-submergible Rigs), plataformas de pernas atirantadas (TLP = Tension Leg Platform), sistemas flutuantes para produção, armazenamento e descarga (FPSO = Floating production, Storage and Off-loading) e mastreação. Prevesê-se também um aumento da procura para navios de perfuração, embarcações as mais usadas frequentemente para a perfuração científica ou exploratória de poços novos de óleo ou gás em águas profundas. A Figura 4 mostra as estruturas offshore comuns. Além da perfuração em águas profundas, a exploração em áreas extremamente frias, tais como as regiões polares, onde os custos altos condicionam as operações, provavelmente começaram em um futuro próximo.

Os campos de gás novos, sobretudo os pequenos ou de tamanho médio e offshore, serão esgotados em 10 a 20 anos. A exploração ou a produção em tais campos foram limitadas porque os lucros eram demasiado baixos para cobrir os custos de investimento altos nos tanques de armazenamento terrestres e nos oleodutos submarinos. Contudo, um novo conceito, o “Floating-LNG” (“GNL Flutuante” - F-LNG) está sendo pesquisado como método para tratar os campos de gás distantes onde as facilidades de liquefacção não podem ser construídas para razões geográficas ou políticas. O F-LNG envolve um navio flutuante capaz de realizar cada operação na produção de gás natural líquido, incluindo a liquefacção, o armazenamento e a descarga aos navios de GNL. O primeiro desenvolvimento deste tipo no mundo foram iniciado em Malásia e em Austrália.

2 Exigências para metais de solda

Como a perfuração offshore se move em umas regiões cada vez mais frias e mais profundas, os aços e metais de solda são exigidos para ser mais resistentes e poder suportar ambientes ásperos. Na estrutura superior (acima do nível do mar), como um revestimento, a dureza de entalhe de vE-40°C ≥42J é exigida, e as juntas de solda para aços de elevada resistência à tracção de Classe YP420MPa (GH), exige uma resistência à fractura de δc -20°C ≥0.25mm.

Por outro lado, a parte inferior (abaixo do nível do mar) de uma plataforma de perfuração auto-elevadora que deve carregar a carga de ondas de oceano e de fluxos maré, exige a aplicação de aços de Classe YP690MPa a fim de diminuir o peso total de uma plataforma e melhorar também a capacidade de suportar cargas. Além disso, os consumíveis seguros de soldadura e os procedimentos são exigidos a fim de assegurar a dureza de entalhe apropriada e a resistência à fissuração a frio.

Os consumíveis de soldadura de “Toda posição” são essenciais para os revestimentos, em particular porque têm tubulações múltiplas de grande diâmetro para juntas de TKY como visto em Figura 5.

Levando as facilidades de liquefacção a bordo, os F-LNG serão maiores em tamanho do que os FPSOs para o óleo; portanto, a casca de F-LNG e as estruturas do tanque devem ser muito fortes. Uma outra exigência para o F-LNG será de tratar os movimentos das ondas de GNL como chapinha ao redor dentro dos tanques enchidos parcialmente, pressionando pesadamente contra as paredes da casca ou do tanque. A este respeito, as placas extremamente pesadas (aproximadamente 50 mm de espesura) adicionarão a força, e a dureza de entalhe de junta de solda será exigida a -40°C ou -50°C assim como a dureza de fractura a -10°C.

Consumíveis de solda para estruuras offshore

A Tabela 1 (página 5) mostra os consumíveis típicos de soldadura para as estruturas offshore que operam-se em baixas temperaturas. Dado que umas estruturas offshore mais estão sendo construídas em uns ambientes sempre mais desafiantes, os consumíveis de soldadura desenvolvidos para tais estruturas offshore, em particular aquelas desenvolvidas para aços de Classe HT780MPa assim como de Classe HT520/HT550MPa, constituem o assunto deste artigo.

3-1. Os consumíveis de solda para os aços de Classe HT780MPa ou de Classe YP690MPa

Para as fabricações das estruturas offshore usando os aços de Classe HT780MPa ou de Classe YP690MPa, os consumíveis de soldadura SMAW, FCAW e de SAW já têm sido desenvolvidos e introduzidos no mercado.

3-1-1. TRUSTARC™ LB-80L

Para soldar os aços de Classe YP690MPa que exigem uma dureza de entalhe alta assim como uma resistência à fissuração a frio em baixas temperaturas, os eléctrodos cobertos de teor de hidrogênio ultra-baixo (também de teor baixo de oxigênio) ainda jogam um rolo principal. O LB-80L (AWS A5.5 E11018-G H4), que foi projectado para a soldadura de C.C., satisfaz todas estas exigências como mostrado abaixo. Figura 6 mostra um exemplo de processos de soldadura para parcelas de armação da plataforma de perfuração auto-elevadora, onde os aços de Classe YP690MPa são usados principalmente.

Tabela 2: Índice de hidrogênio diffusible (ml/100g)

N=1	N=2	N=3	N=4	Média
1.9	1.5	1.3	1.7	1.6
Nota: Método do teste: De acordo com AWS A4.3 (Cromatografia de gás) Corrente de soldadura: 150 A (diâmetro de 4.0mm; DCEP)

A Tabela 2 indica que o hidrogênio diffusible nos resultados de análise do LB-80L é tão baixo quanto 2,0ml/100g e estável. Portanto é considerado como o consumível o mais seguro de soldadura para uma resistência à fissuração a frio.

Tabela 3: Condições de teste da junta de topo (LB-80L: diâmetro de 4,0mm)

Placa de teste	Aço de Classe HT780MPa; 50mm de espesura
Preparação dos sulcos	V dobro (50°and 70°)
Posição de soldadura	Vertical para cima (3G)
Parâmetros de solda	120 A-22 V (DCEP)
Aporte de calor	2.0 kJ/mm
Temperatura de pre-aquecimento e de interpass	150°C

As condições de teste e as propriedades de resistência à tracção de uma junta de topo do aço de Classe HT780MPa soldado pelo LB-80L são mostradas nas Tabelas 3 e 4, e a macroestrutura e a curva de transição da dureza de entalhe são indicadas nas Figuras 7 e 8 respectivamente.

Tabela 1: Consumíveis típicos de soldadura para estruturas offshore em serviços da baixa temperatura

Processo de solda	Consumíveis de solda	Resistência aplicável mínima*1(MPa)		Temperaturas aplicáveis*1(°C)		Composições quimicas do metal de soldadura (% massa)							Polaridade ou gás de protecção
				vE	CTOD (δ)
		0.2%YP (MPa)	TS (MPa)	≥47J	≥0.25mm or ≥0.10mm*4	C	Si	Mn	Ni	Mo	Ti	B
SMAW	LB-7018-1	400/390*2	520/490*2	-40	0	0.06	0.4	1.5	-	-	0.03	0.004	AC/DCEP *3
	LB-52NS	400/390*2	520/490*2	-60	-30	0.08	0.4	1.4	0.5	-	0.02	0.002
	NB-1SJ	460/400*2	550/520*2	-60	-40	0.08	0.3	1.3	1.3	-	0.02	0.002
	LB-55NS	470/460*2	570/550*2	-60	-	0.06	0.3	1.5	0.9	0.1	0.01	0.003
	LB-62L	530/460*2	620/550*2	-60	-10	0.07	0.3	1.0	2.1	0.1	0.02	0.002
	LB-67L	530	620	-60	-20	0.06	0.3	1.1	2.6	-	0.01	0.002	DCEP
	LB-67LJ	530	620	-60	-40*4	0.07	0.4	1.1	2.6	-	0.02	0.002
	LB-88LT	690	770	-60	-	0.04	0.6	1.8	2.6	0.7	-	-	C.A.
	LB-80L	690	770	-60	-	0.04	0.5	1.4	3.0	0.8	-	-	DCEP
SAW	PF-H55LT/US-36	400	520	-60	-50	0.08	0.2	1.4	-	-	0.02	0.004	C.A.
	PF-H55LT/US-36J	465	550	-60	-20	0.09	0.3	1.7	-	-	0.02	0.004
	PF-H55S/US-2N	530	620	-60	-20	0.08	0.3	1.3	2.3	0.2	-	-
	PF-H80AK/US-80LT	690	770	-60	-	0.08	0.3	1.7	2.5	0.7	-	-
	PF-H55AS/US-36J	400	520	-60	-20	0.07	0.2	1.4	-	-	0.02	0.004	DCEP
	PF-H62AS/US-2N	530	620	-60	-20	0.05	0.3	1.3	2.5	0.2	0.01	-
	PF-H80AS/US-80LT	690	770	-60	-	0.06	0.5	1.6	2.4	0.7	-	-
GMAW (Sólidos)	MG-S50LT	400	520	-60	-30	0.09	0.4	1.9	-	-	0.08	0.006	80%Ar- 20%CO2
	MG-S88A	690	770	-60	-	0.06	0.5	1.6	3.6	0.8	-	-
GMAW (FCW)	DW-55L	400	520	-60	0	0.04	0.4	1.3	1.4	-	0.05	0.003	CO2
	DW-55SH	400	520	-60	-10	0.05	0.3	1.4	1.6	-	0.04	0.003
	DW-55LSR	420	550	-60	-10	0.06	0.3	1.2	1.5	-	0.05	0.004
	DW-62L	500	610	-60	-40*4	0.06	0.3	1.2	2.5	-	0.06	0.004
	DW-A81Ni1	420	550	-60	-10	0.05	0.3	1.3	0.9	-	0.04	0.005	80%Ar- 20%CO2
	DW-A55L	460	550	-60	-20	0.06	0.3	1.2	1.4	-	0.06	0.003
	DW-A55LSR	420	550	-60	-20	0.05	0.3	1.3	0.9	-	0.04	0.003
	DW-A62L	500	610	-60	-40*4	0.07	0.3	1.3	2.1	-	0.04	0.003
	DW-A80L	690	770	-40	-	0.07	0.3	1.9	2.5	0.2	0.07	-
Nota: *1: Está em condição “Como soldada” mas não sob o tratamento térmico de pós-soldagem *2: O valor à esquerda é aplicável à soldadura C.A. (corrente alternativa) e o valor à direita, à soldadura DCEP (corrente contínua, de eléctrodo positivo). *3: As composições quimicas dos metais de solda de LB-52NS, NB-1SJ e LB-62L são obtidas pela soldadura C.A. e as outras, pela soldadura DCEP. *4: O valor CTOD a -40°C é ≧0,10mm.

Tabela 4: Propriedades de resistência à tracção do metal de solda da junta de topo

Lugar	Propriedades de resistência à tracção
	0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)
Final	773	865	19
Centro	807	864	17
Parte traseira	753	832	17

3-1-2. TRUSTARC™ DW-A80L

Porque SMAW é ineficiente e exige um pouco de nível elevado de habilidade, o desenvolvimento dos fios fluxados do tipo rútilo “Toda posição” foi desejado. Contudo, os metais de solda depositados pelos FCW do tipo rútilo com índice superior de oxigênio e com mais inclusões de óxido do que aqueles SMAW geralmente, presentam uma dureza de entalhe pobre. DW-A80L (AWS A5.29 E111T1-GM-H4) fornece uma solução controlando o índice de oxigênio no fluxo ao manter uma dureza de entalhe alta. O índice de hidrogênio diffusible com DW-A80L é aproximadamente de 2,5ml/100g, segundo as indicações da Tabela 5, nomeadamente um nível extremamente baixo para um FCW do tipo rútilo.

Tabela 5: Índice de hidrogênio diffusible (ml/100g)

N=1	N=2	N=3	N=4	Média
2.5	2.3	2.3	2.7	2.4
Nota: Método de teste: De acordo com AWS A4.3 (Cromatografia de gás) Parâmetros de soldadura: 265ª - 28V - 300mm/min Saída do fio: 20mm; Gás de proteccão: 80%Ar-20%CO2

Tabela 6: Condições de teste da soldadura da junta de topo (DW-A80L: diâmetro de 1,2mm)

Placa de teste	HT780MPa class steel; 50mm thick
Posição de soldadura	Vertical upward (3G)	Horizontal (2G)
Preparação dos sulcos	V dobro (40° & 60°)	Chanfro dobro (50° e ° 60)
Parâmetros de solda	180-200A, 23-24V	220-260A, 25-28V
Aporte de calor	1.7 kJ/mm	1.0 kJ/mm
Gás de protecção	80%Ar-20%CO2, 25 l/MIN
Temperaturas de pré-aquecimento	100 °C
Temperaturas de interpass	100-150 °C
PWHT	Como soldado

A soldadura da junta de topo com o DW-A80L no aço de Classe HT780MPa foi executada na posição ascendente vertical (3G) e na posição horizontal (2G). As Tabelas 6 e 7 mostram as condições de teste e as propriedades de resistência à tracção. As Figuras 9 e 11 mostram as macroestruturas; e as Figuras 10 e 12 indicam as curvas de transição da dureza de entalhe nas posições 3G e 2G respectivamente.

Tabela 7: Propriedades de resistência à tracção dos metais de solda da junta de topo

Posição de soldadura	Lugar	Propriedades de resistência à tracção
		0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)
3G	Final	736	811	23
	Centro	807	856	23
	Parte traseira	738	817	24
2G	Final	776	814	19
	Centro	833	863	18
	Parte traseira	808	843	20

3-1-3. TRUSTARC™ PF-H80AS/TRUSTARC™ US-80LT

Tabela 8: Indice de hidrogenio diffusible (ml/100g)

N=1	N=2	N=3	N=4	Média
1.2	1.3	1.6	1.4	1.4
Nota: Método de teste: De acordo com AWS A4.3 (Cromatografia de gás) Parâmetros de soldadura: 500A ‒ 300mm/min do ‒ 30V; DCEP

Tabela 9: Condições de teste de soldadura da junta de topo com PF-H80AS/US-80LT

Placa de teste	HT780MPa class steel; 50mm thick
Posição de soldadura	Plano (1G)
Condição de limitações
Parâmetros de solda	600A-30V-300mm/min
Aporte de calor	3.6 kJ/mm
Temperaturas de pré-aquecimento	75 °C	100 °C
Temperaturas de interpass

Desenvolvido pela Kobe Steel, o PF-H80AS é um fluxo SAW do tipo colado com basicidade alta que permite obter um índice de oxigênio muito baixo em metais de solda. Em combinação com o fluxo de PF-H80AS e o fio US-80LT (AWS A5.23 F11A10-EG-G), oferece uma dureza de entalhe excelente, mesmo a baixas temperaturas. O índice de hidrogênio diffusible nos metais de solda é reduzido a um valor tão baixo quanto 1,5ml/100g (Tabela 8) pelo efeito do fluxo no arco. As condições de teste, os resultados de teste de fissuração multicamadas e as propriedades mecânicas são também mostradas nas Tabelas 9, 10 e 11 respectivamente. Esta combinação obtêm metais de solda de qualidade muito elevada.

Tabela 10: Resultados de teste de fissuração da solda multicamadas

Temperatura de pré-aquecimento e de interpass (°C)	Resultado de teste ultra-sônico
75	Nenhum defeito
100	Nenhum defeito

Tabela 11: Propriedades mecânicas do metal de solda

0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)	Energia absorvida (J)
			-80 °C	-60 °C	-40 °C
768	895	23	88, 88, 90 Média 88	101, 93, 93 Média 96	101, 105, 106 Média 104

3-2. FCW para aços de Classe HT520MPa e HT550MPa

Enquanto que uma variedade de FCW para aços de Classe HT520MPa e HT550MPa existe no mercado mundial, os FCW do tipo rútilo são fáceis de operar e satisfazem a dureza de entalhe à -60°C assim como CTOD à -10°C. Mas, os FCW do tipo rútilo com tal dureza após PWHT não existem. Contudo, os DW-55SH (não para PWHT), DW-55LSR e DW-A55LSR (ambos para PWHT) são os FCW que cumprem estos requisitos.

3-2-1. TRUSTARC™ DW-55SH

A construção do F-LNG mais grande do mundo (um projecto Shell Prelude F-LNG) começou em Coreia. É mais de 450 m de comprimento, mais de 70 m de altura, e sua capacidade de armazenamento de GNL excedem 200,000m³. A soldadura de uma estrutura flutuante tão enorme exige controles restritos assim como uma eficiência alta de soldadura. O DW-55SH (AWS A5.29 E81T1-K2C) foi desenvolvido a pedido do cliente. Um FCW do tipo rútilo para a soldadura “Toda posição” oferece uma dureza de entalhe superior tão baixo quanto -60 °C e CTOD tão baixo quanto -10°C.

As Tabelas 12 e 13 mostram as condições de teste respectivas e as propriedades mecânicas, incluindo CTOD a -10°C. As Figuras 13 e 14 mostram a macroestrutura e a curva de transição da dureza de entalhe em metais de solda da junta de topo com DW-55SH, respectivamente.

Tabela 12: Condições de teste da junta de topo (DW-55SH: diâmetro de 1.2mm)

Placa de teste	JIS G3106 SM400B; 40mm thick
Preparação dos sulcos	Double V ( 45° & 60° )
Posição de soldadura	Vertical upward ( 3G )
Parâmetros de solda	200A - 26V
Gás de protecção	100%CO2, 25 l/min
Temperatura de pre- aquecimento e de interpass	130 -150 °C

Tabela 13: Resultados de teste de resistência à tracção e CTOD

Lugar	Propriedades de resistência à tracção			CTOD crítico (milímetro a -10°C)
	0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	El (%)
Final	536	613	29	0.95; 0.91; 0.88
Parte traseira	541	621	30

3-2-2. TRUSTARC™ DW-55LSR &TRUSTARC™ DW-A55LSR

Os DW-55LSR e DW-A55LSR (FCW da Série SR para alívio de tensão) (AWS A5.29 E81T1-K2C, - Ni1M) foram desenvolvidos para as aplicações PWHT em meados de 1990 e estiveram no uso depois para as fabricações de estruturas offshore. Existem os FCW do tipo rútilo para todas as posições, ofrecendo usabilidade excelente assim como níveis extremamente baixos de impurezas como Nb e V. A Figura 15 mostra que os Nb e V reduzidos podem levantar a dureza de entalhe a -60°C na condição “como soldada” assim como minimizar a deterioração da dureza de entalhe após o PWHT.

Os FCWs de série SR são altamente reputados por muitos construtores de estruturas offshore para suas estabilidade, dureza de entalhe alta e propriedades CTOD magníficas. Produtos singulares fabricados exclusivamente pela Kobe Steel, este FCW têm alcançando mais de 300 toneladas por ano de vendas.

Os metais de solda da junta de topo depositados pelo DW-A55LSR foram testados. TAs Tabelas 14 e 15 mostram as condições de teste e a propriedade CTOD na condição “Como soldada” e após o PWHT. A Figura 16 mostra as macroestruturas nas posições 3G e 2G, e as Figuras 17 e 18 indicam as curvas de transição da dureza de entalhe “Como soldada” e após as condições PWHT nas posições 3G e 2G,respectivamente.

Tabela 14: Condições de teste da junta de topo (DW-A55LSR: diâmetro de 1.2mm)

Placa de teste	NK KF36; 50mm thick
Preparação dos sulcos	Double bevel (50° & 60 °)
Posição de soldadura	Vertical upward (3G)	Horizontal (2G)
Parâmetros de solda	220A - 24V	260A - 28V
Gás de protecção	80%Ar-20%CO2, 25 l/min
Aporte de calor	1.9 kJ/mm	0.8 kJ/mm
Temperaturas de pré-aquecimento	100 °C
Temperaturas de interpass	100 -150 °C
PWHT	“Como soldada” e PWHT (623 °C x 2h)

Tabela 15: Resultados de teste CTOD

PWHT	Welding position	Test temp. (°C)	Critical CTOD (mm)
Como soldados	3G	-35	0.75, 0.75
	2G		0.62, 0.63
623°C x 2h	3G	-20	0.89, 0.98
	2G		0.86, 0.85

4 PostScript

Mesmo que a revolução da energia proveniente do xisto nos EUA seja impactando a oferta e procura da energia no mundo inteiro, a dependência no óleo bruto ou no gás natural continuará enquanto que a procura de energia global continua a aumentar. A perfuração continuará a mover-se no offshore para umas águas mais profundas e mais frias. Portanto, como as estruturas offshore se operam sob umas circunstâncias mais extremas, as padrões e os requisitos, particularmente para os metais de solda, tornarem mais rigorosos. Por exemplo, parece que um projecto de perfuração de planeamento actual para o árctico requer propriedades CTOD a -60°C. Contudo, nós estamos prontos para desenvolver as soluções totais de soldadura exigidas para todas as necessidades de soldadura.

Embora as especificações e os requisitos para as estruturas offshore variem de acordo com as necessidades do cliente, as sociedades de classificação de navios assim como as dimensões de detalhe, as circunstâncias operacionais e as condições meteorológicas, nós devemos manter controles e procedimentos restritos de soldadura. Para mais detalhes sobre a compra e o uso de nossos produtos, por favor contacte os representantes de vendas ou o escritório Kobelco os mais próximos.

Referências
【1】 Ministério do Solo, Infraestrutura, Transporte e Turismo de Japão, Documento do Departamento Marítimo
【2】 Fotografias pela Japan Drilling Co., Ltd.

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