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Seu parceiro em Soldagem e Corte

Soldagem de Tubulações

INTRODUÇÃO1
FABRICAÇÃO DE DUTOS TERRESTRES3
FABRICAÇÃO DE DUTOS SUBMARINOS13
TUBOS API 5L26
QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS DE SOLDAGEM3
SOLDAGEM5
65
ELETRODOS BÁSICOS OK80
TÉCNICAS DE SOLDAGEM E PRÁTICAS OPERACIONAIS8
DEFEITOS: CAUSAS E SOLUÇÕES134
SOLDAGEM AUTOMÁTICA DE TUBULAÇÕES142
BIBLIOGRAFIA158

Elaborado, traduzido (parte) e adaptado por Cleber Fortes – Eng. Metalúrgico, MSc. – Assistência Técnica Consumíveis José Roberto Domingues – Eng. Metalurgista – Gerência Técnica Consumíveis – ESAB – BR

Última revisão em 31 de agosto de 2004

Introdução

Diariamente, incontáveis quilômetros de tubulações de aço são construídos no mundo para os mais variados usos industriais e civis.

As tubulações formam verdadeiras redes, comparáveis a sistemas de rodovias que, embora não tão óbvio, são definitivamente muito mais intrincadas e transportam fluidos que se tornaram essenciais para nós.

Para atender às especificações técnicas e satisfazer aos requisitos de segurança necessários, foram desenvolvidos nos últimos anos materiais e processos de soldagem especiais que evoluíram com o segmento.

O principal processo de soldagem utilizado na instalação de tubulações é a soldagem manual com eletrodo revestido que, graças a sua facilidade e versatilidade, é ainda o mais usado.

Contudo, para reduzir custos e aumentar a produtividade, particularmente em longos percursos, várias empreiteiras adotaram processos de soldagem semi-automáticos ou totalmente automáticos com arames tubulares com alma metálica ou não metálica e arames sólidos. Os arames tubulares podem ser com proteção gasosa ou autoprotegidos.

Esse trabalho descreve ambos os métodos. Foi dedicado, em particular, um amplo espaço para a soldagem manual, com referência especial às práticas operacionais e à avaliação da qualidade, devido ao seu considerável uso ainda hoje, porém sem desprezar os métodos mais modernos e produtivos que serão cada vez mais utilizados no futuro.

A premissa deste trabalho é satisfazer às necessidades da maioria dos profissionais que trabalham na área de soldagem, mas, particularmente, fornecer aos usuários informações úteis e uma sólida base operacional, relativamente aos processos, materiais de adição e equipamentos de soldagem.

No intuito de um maior esclarecimento quanto à instalação de dutos, discute-se sua montagem, apresentam-se os tipos de tubos, as normas utilizadas e em especial os processos de soldagem empregados, dando-se ênfase à soldagem de dutos para transporte de óleo e gás e considerando-se também a soldagem de tubulações de elevada resistência (API 5L X-80).

Capítulo 1 Fabricação de dutos terrestres

No processo de instalação de dutos terrestres são várias as etapas envolvidas, destacando-se as seguintes:

Faixa de domínio

Corresponde ao local de abertura da vala e implantação da tubulação. A abertura desta faixa deve levar em consideração o menor impacto possível ao meio ambiente, devendo a diretriz da vala localizar-se em uma de suas laterais, de forma a possibilitar espaços para futuras instalações. Normalmente a faixa apresenta uma largura de 20 m, podendo ser de 15 m em áreas de reserva ambiental. Cursos d’água devem ser mantidos e canalizados, caso necessário.

Traçado da diretriz da vala

A diretriz definida pelo projeto deve ser marcada ao longo da faixa de domínio, que deve ser devidamente identificada.

Abertura da vala

A largura da vala deve ser compatível com o diâmetro do duto, de modo que o abaixamento não cause danos ao revestimento, sendo normalmente empregada uma folga de meio diâmetro da tubulação. A profundidade da vala varia conforme a classe de locação e tipo de terreno, devendo a terra escavada ser lançada sempre de um mesmo lado, próximo à vala, e do lado oposto de onde os tubos serão desfilados. É importante salientar que, no fundo da vala, não pode haver material duro que cause danos ao revestimento das tubulações (veja a Figura 1).

Figura 1 - Abertura da vala

Transporte e distribuição dos tubos

Durante o processo de montagem, os tubos são transportados, com material macio entre eles (sacos de areia ou palha de arroz) e distribuídos ao longo da faixa de domínio, sendo movimentados com cintas próprias, de modo a não danificar o revestimento (veja a Figura 2). A distribuição dos tubos é feita ao longo da vala, do lado oposto ao solo escavado, sendo os tubos apoiados sobre sacos de solo selecionado ou de palha de arroz (veja a Figura 3). Tubos e curvas concretadas devem ser identificados com a localização dos pontos onde serão instalados.

Figura 2 - Transporte dos tubos

Figura 3 - Distribuição dos tubos (desfile)

Curvamento

De forma a atender à demanda da geografia do local onde será instalada a tubulação, os tubos são curvados, em uma máquina própria, denominada curvadeira (veja a Figura 4 e a Figura 5). Para tal deve-se inicialmente qualificar um procedimento de curvamento.

Figura 4 - Curvamento de tubos

Figura 5 - Curvadeira

Concretagem de tubos e curvas

Nos cruzamentos, travessias de rios, brejos e áreas sujeitas a alagamento, os tubos e curvas são concretados de forma a dar-lhes maior proteção e peso (veja a Figura 6). A espessura do concreto é calculada pelo pessoal de projeto em função do diâmetro do tubo, e normalmente varia entre 25 m e 75 m. Antes de ser concretado, o revestimento deve ser inspecionado e reparado, se for necessário.

Figura 6 - Concretagem de tubos

Montagem

Montagem e soldagem de dutos são termos que se confundem, já que andam juntos, sendo a soldagem uma atividade posterior à montagem. A montagem se caracteriza normalmente pelo acoplamento entre um tubo e uma coluna e a soldagem do primeiro passe, seja totalmente (no caso de acopladores internos), ou metade da junta (para o caso de acopladores externos) — veja a Figura 7. Antes da mon- tagem, é necessário re-inspecionar o estado dos biséis e da superfície descoberta, de modo a se detectar e eliminar defeitos que possam existir.

Figura 7 - Montagem de dutos

Soldagem

A soldagem das juntas segue um procedimento de soldagem previamente aprovado e é realizada por soldadores qualificados (veja a Figura 8). Este tema será tratado com maiores detalhes num item específico.

Inspeção das soldas

Após a soldagem, as juntas são inspecionadas quanto à presença de descontinuidades, tendo com critério de aprovação requisitos de normas definidos em projeto.

Figura 8 - Soldagem de dutos

Revestimento de juntas de campo

Todas as juntas de campo, depois de soldadas, inspecionadas e aprovadas, devem ser protegidas pelo revestimento com uma manta de polietileno.

Inspeção do revestimento dos tubos

Antes do abaixamento da coluna, o revestimento dos tubos e curvas não concretados deve ser totalmente inspecionado no campo. Os defeitos detectados devem ser reparados.

Abaixamento da coluna

A coluna, uma vez aprovada, deve ser abaixada à vala o mais rapidamente possível, de modo a se evitar novos danos no revestimento (veja a Figura 9). Antes do abaixamento, deve haver uma inspeção das condições laterais e de fundo da vala, que não deve conter pontas de pedra que possam danificar o revestimento. A coluna deve ficar totalmente acomodada no fundo da vala, e os espaços vazios devem ser preenchidos por solo selecionado ou areia.

Cruzamentos e travessias

Cruzamento corresponde a trechos em que os dutos cruzam rodovias, ferrovias ou outros trechos secos. Eventualmente, pode ser aéreo.

Travessia refere-se ao cruzamento de trechos alagados, como rios, lagos, mangues e brejos (veja a Figura 10). Eventualmente pode ser aérea.

Tie–ins

Tie-ins são pontos de ligação entre dois conjuntos previamente lançados, podendo ser entre duas colunas ou entre uma coluna e um cruzamento ou travessia. A soldagem de tie-ins é sempre executada dentro da vala e entre dois pontos fixos, sendo, por isso, uma soldagem de maior complicação devido à restrição da junta.

1 Figura 9 - Abaixamento da coluna

Figura 10 - Travessia

Outras etapas

Proteção e restauração da faixa Limpeza da linha e passagem de placa calibradora (pig) Teste hidrostático Identificação de pontos na faixa Proteção catódica Revisão do projeto as built Condicionamento

Capítulo 2 Fabricação de dutos submarinos

Os tubos empregados na fabricação de dutos submarinos são revestidos com polietileno ou polipropileno para isolar a água do mar da superfície da tubulação. Existem também dutos totalmente fabricados em polipropileno ou material similar.

Figura 1 - Rede de dutos submarinos

O pré-aquecimento e a preparação das extremidades dos tubos para a soldagem ocorre no final dos racks de alimentação, adjacentes à linha de produção. As extremidades dos tubos são pré-aquecidas, se necessário, ou então é removida a umidade da região próxima à solda (veja a Figura 12).

O primeiro tubo é rolado ao longo dos racks de alimentação até a linha de produção e movido até que sua extremidade coincida com a primeira estação de soldagem. O segundo tubo é rolado até a linha de produção, sendo utilizado um dispositivo de alinhamento (acoplador interno ou externo) para ajustar a junta conforme os requisitos da EPS aplicável.

Figura 12 - Preparação

Quando o passe de raiz e o passe quente forem depositados — veja a Figura 13 —, o duto será puxado por um cabo acoplado à extremidade do primeiro tubo, até que a solda se alinhe com a segunda estação de soldagem, onde se iniciam os passes de enchimento, ao mesmo tempo em que o terceiro tubo nos racks é rolado para a linha de produção, recomeçando a atividade de acoplamento.

Figura 13 - Passe de raiz e passe quente

Esse processo continua até que a primeira solda esteja na estação de acabamento, onde é realizada a inspeção visual. Todas as estações intermediárias de enchimento são monitoradas quanto à conformidade com os requisitos da EPS aplicável. O intervalo de tempo entre as atividades de puxar o duto é controlado pelo tempo levado para completar o número requerido de passes de solda na primeira e na última estação de soldagem. O número de estações intermediárias de enchimento é determinado pelo número de passes de solda requeridos para aprontar a junta para o acabamento (veja a Figura 14).

Após a inspeção visual da junta soldada, o duto será puxado até o bunker de radiografia (pode ser também por ultra-som), onde a solda é radiografada e imediatamente avaliada em conformidade com os critérios de aceitação aplicáveis. Eventualmente, podem ser realizados reparos nas estações de soldagem.

Figura 14 - Estações de soldagem

O duto é então puxado para a estação de revestimento de juntas, onde são executados a preparação de superfície e o revestimento das juntas. Qualquer solda assinalada como carente de reparo passa pelas estações de revestimento sem sofrer qualquer atividade (veja a Figura 15).

Para a realização do revestimento das juntas, a superfície não revestida do duto é aquecida até 100°C utilizando um maçarico a gás. A tinta de fundo é misturada até se atingir uma consistência suave, sendo aplicada numa camada fina e uniforme até a borda do revestimento de fábrica. As áreas de sobreposição do revestimento de fábrica são então aquecidas para remover a umidade. A junta é envolvida com a manta termo-contrátil, garantindo um posicionamento no esquadro e eqüidistante e uma folga suficiente na parte inferior para permitir correta contração. A manta é aquecida em toda a circunferência para se contrair, começando pelo centro e trabalhando primeiro uma extremidade e depois a outra. Um ou dois operadores são utilizados para esta atividade, dependendo do diâmetro do tubo (veja a

Figura 16). Figura 15 - Revestimento

Figura 16 - Manta termo-contrátil

Quando o duto sai do galpão, é acoplado um dispositivo que fica preso a um trator que o puxa à medida que as soldas são executadas. O duto, nesta fase denominado stalk, é rolado nos racks externos após a última solda, assim permanecendo até a chegada do navio (veja a Figura 17).

Figura 17 - Stalks nos racks externos

Quando o stalk estiver completo e sobre os roletes, é movimentado para seu local de estocagem nos racks de estocagem utilizando pelo menos dois guindastes (veja a Figura 18).

Todos os reparos pendentes de soldagem e/ou de revestimento são encerrados nos racks de estocagem (veja a Figura 19).

Figura 18 - Movimentação de stalks Figura 19 - Reparos

Quando o navio atracar, o primeiro stalk a ser bobinado é colocado nos roletes centrais do rack de estocagem e então puxado ao longo da linha até a estação de tie-in e em seguida até a popa do navio (veja a Figura 20). A partir daí, o navio (veja a Figura 21 e a Figura 2) assume a operação de suspender o tubo pela rampa, indo até o carretel, onde o tubo é acoplado por soldagem ou por cabo. O navio começa então a bobinar o duto no carretel (veja a Figura 23, a Figura 24, a Figura 25 e a Figura 26), continuando até que a extremidade do stalk esteja localizada na estação do tie-in, quando é interrompido o bobinamento. O segundo stalk a ser bobinado é içado até os roletes centrais dos racks de estocagem e movido até que sua extremidade esteja na estação do tie-in. A junta é acoplada e são executados a soldagem, os ensaios não destrutivos e o revestimento. O bobinamento recomeça e continua conforme já descrito acima até que seja bobinado o número necessário de stalks no navio.

O navio então zarpa da base para lançar o duto submarino no local designado.

Durante o lançamento do duto no mar, o endireitador / posicionador fica na posição vertical (veja a Figura 27). Nas extremidades de cada duto são soldados flanges que, por sua vez, são acoplados ao PLET (pipeline end terminator) — veja a Figura 28).

Figura 20 - Estação de tie-in Figura 21 - Navio lançador

Figura 2 - Navio lançador Figura 23 - Bobinamento

Figura 24 - Bobinamento Figura 25 - Bobinamento

Figura 26 - Duto bobinado no carretel Figura 27 - Endireitador / posicionador

25 Figura 28 - PLET

Capítulo 3 Tubos API 5L

De uma maneira geral, a norma API 5L especifica a composição química, as propriedades mecânicas e o processo de fabricação dos tubos empregados na montagem de dutos. Em termos de processo de fabricação, os tubos podem ser classificados como soldados e sem costura.

Os tubos soldados apresentam as seguintes variações quanto ao processo de fabricação: soldagem por arco submerso - SAW - solda longitudinal soldagem por arco submerso - SAW - espiral soldagem por resistência elétrica - ERW

A Figura 29, a Figura 30 e a Figura 31 apresentam de forma esquemática os procedimentos de soldagem mencionados acima.

27 Figura 29 - Dutos soldados - SAW longitudinal

28 Figura 30 - Dutos soldados - SAW espiral

29 Figura 31 - Dutos soldados - ERW

A composição química e as propriedades mecânicas dos tubos são apresentadas na Tabela I. As dimensões dos tubos são mostradas na Tabela I.

Propriedades Mecânicas (N/mm2)

Composição

Química

(%) Especificação

API Grau

Limite de escoamento

Limite de resistência C (máx.)

Mn (máx.)

Ceq (máx.)

Tabela I - Composição química e propriedades mecânicas de tubos API 5L

S c h

S c h

S c h

S c h

S c

S c

S c

S c

D i â m e t r e x t e r n o

D i â m e t r n o m i n al

Tabela I - Dimensões dos tubos API 5L

Espessura (m) Diâme- tro externo

3,7
42,4
48,3
60,3
8,9
114,3
168,3
219,1
273,0
323,9
355,6
406,4
457
508
559
610
660
711
762
813
864
914
1016
1067
1118
1168
1219
1321
1422
1524
1626

Tabela I - Diâmetros externos e espessuras preferenciais (indicadas na região emoldurada da tabela, incluindo a moldura)

Capítulo 4 Qualificação de procedimentos de soldagem

Para a soldagem de tubulações são necessárias especificações de procedimentos de soldagem (EPS) aprovadas e soldadores qualificados. A norma usualmente empregada neste sentido é a API 1104, que tem como escopo os seguintes pontos: soldagem ao arco elétrico e a gás de soldas de topo e filete de tubos de aço carbono ou baixa liga; aplicação: compressão, bombeamento e transmissão de petróleo cru, produtos petrolíferos, gases combustíveis, dióxido de carbono e nitrogênio.

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