Corrosão em Suportes de Tubulação: Causas e Soluções
por James N. Britton (2002)
Resumo
A corrosão em suportes de tubulação é uma das principais causas de falhas em tubulações de processos de superfície. Este artigo discutirá os vários mecanismos de corrosão que ocorrem nos suportes de tubulação se não forem adequadamente protegidos. O I-Rod, um método comprovado de prevenção com um longo histórico de aplicação bem-sucedida, será apresentado. Este artigo também discute estratégias de inspeção para suportes de tubulação e fornece um método de triagem visual simplificado que tem se mostrado útil em programas de integridade mecânica.
Introdução
A empresa do autor está envolvida na inspeção de instalações de petróleo e gás offshore no Golfo do México, bem como em outras áreas de produção internacionais. Uma parte importante dessas inspeções é a integridade dos sistemas de processos de superfície, tubulações e vasos e tanques associados. Não há dúvida de que, estatisticamente, a corrosão nos suportes de tubulação é a causa mais comum de falha de corrosão externa nas tubulações. É por essa razão que a empresa do autor desenvolveu a solução mais amplamente utilizada no Golfo do México para eliminar esse problema (suportes de tubulação da marca I-Rod®).
Tipos de Suportes de Tubulação
1. Suporte de Viga Padrão:
A tubulação é apoiada ou fixada a um membro de suporte, geralmente de uma forma estrutural padrão (viga I, viga de flange larga, ângulo, canal, etc.). A tubulação pode ser fixada a esse membro com um U-bolt estabilizador (Figuras 1 e 2 abaixo).
• Figura 1 - Suporte de tubulação típico em viga I (note que a tubulação está em contato total com a viga I)
• Figura 2 - Suportes de viga estabilizados por U-bolt
2. Abraçadeira de Sela:
A tubulação é presa entre duas placas roladas. Uma dessas placas tem um elemento estrutural soldado a ela que fixa a tubulação à estrutura de suporte (Figuras 3 e 4 abaixo).
• Figura 3 - Abraçadeira de meia sela típica
• Figura 4 - Abraçadeira de sela completa
3. Suporte Soldado:
Este tipo de suporte envolve a soldagem de uma peça à tubulação que geralmente é livre para se mover na interface com o suporte. Existem várias variações deste tema e é uma abordagem comum para sistemas de tubulação isolados (Figura 5 abaixo).
• Figura 5 - Suporte de tubulação soldado típico. Permite movimento na interface do suporte, mas também permite corrosão.
4. Outros:
Existem vários outros métodos utilizados, como suportes de flange, vários tipos de suportes suspensos e outros suportes especiais. No entanto, as duas primeiras categorias representam estatisticamente mais de 95% dos pontos de suporte em uma estrutura offshore típica.
Problemas
Não é surpresa que os suportes de viga e as abraçadeiras de sela historicamente causaram a maioria dos problemas. Eles têm as seguintes características indesejáveis em comum:
1. Formação de Fendas - Esta é a raiz do problema: a formação de uma fenda na superfície da tubulação.
2. Acúmulo de Água - Esses tipos de suporte permitem que a água seja retida e mantida em contato com a superfície da tubulação.
3. Inspecionabilidade e Manutenção Ruins - Esses tipos de suporte tornam praticamente impossível pintar ou manter algumas áreas da tubulação no suporte. A inspeção visual é frequentemente difícil, e até recentemente, também era muito difícil inspecionar essas áreas com métodos NDT.
4. Formação de Par Galvânico - Alguns desses tipos de suporte podem desenvolver contato bimetálico. Embora tanto a tubulação quanto o suporte sejam de aço, as diferenças metalúrgicas ainda podem fornecer uma pequena diferença de potencial para criar uma célula de corrosão.
O Mecanismo de Corrosão
É um equívoco comum que o contato metal-metal, juntamente com o acúmulo de água, seja a principal causa de corrosão nesses pontos. Não é o caso; a sequência de eventos é a seguinte:
1. A água é retida - A própria natureza dos suportes permite que a água seja mantida em contato com a superfície pintada da tubulação, bem como com a tinta no elemento de suporte.
2. O sistema de pintura falha - Mesmo que a pintura na tubulação e na viga de suporte esteja perfeita, o sistema de pintura é projetado para exposição atmosférica e não para serviço de imersão. Quanto mais tempo a superfície pintada for continuamente exposta à água, mais ela amolece. À medida que a pintura amolece, é inevitável que o substrato de aço seja diretamente exposto à água.
3. A corrosão é iniciada - A pequena área de aço agora exposta à água oxigenada (frequentemente com altos cloretos) começa a corroer.
4. A corrosão subjuga o filme de pintura - A corrosão inicial logo subjuga e se espalha (Fig. 6 abaixo). Logo toda a área de suporte é de aço nu.
5. A corrosão em fendas começa - A partir deste ponto, a corrosão em fendas impulsionada pela aeração diferencial assume o mecanismo de corrosão geral que iniciou a corrosão. À medida que os produtos de corrosão se acumulam, eles restringem ainda mais a difusão de oxigênio e o gradiente de concentração de oxigênio se torna mais acentuado. A perfuração agora se torna o principal problema com taxas de corrosão acelerando em uma ordem de magnitude. (Fig. 7 abaixo)
6. A tubulação falha - Se o programa de inspeção não estiver configurado para detectar essa perda de parede principalmente oculta, a tubulação falhará.
• Figura 6 - A pintura é progressivamente desgastada a partir do local de iniciação
• Figura 7 - Corrosão em fenda avançada
Soluções Históricas
A indústria está ciente do problema há muito tempo, mas não conseguiu apreciar as verdadeiras causas; isso é evidenciado por algumas das seguintes soluções implementadas para parar o problema, que na verdade aceleraram o problema.
Almofadas e Revestimentos de Borracha
Como afirmado anteriormente, pensava-se que o contato metal-metal era o principal problema causador da corrosão nos suportes de tubulação. Como resultado, os projetos iniciais direcionaram incorretamente esse aspecto dos suportes. Alguns operadores ainda usam almofadas de borracha de vários tipos na tentativa de resolver este problema, apesar do conhecimento da indústria de que são contraproducentes. (Fig. 8 abaixo) De fato, as almofadas de borracha sob as tubulações fazem um excelente trabalho em reduzir a vida útil da tubulação. A fenda que se formava sem a almofada de borracha é branda em comparação com a nova fenda, que agora tem a capacidade de sugar água (por ação capilar). Não só a almofada convida a água, como também é melhor em mantê-la presa contra a superfície da tubulação, uma vez que a circulação de ar e a evaporação natural são eliminadas. A situação é ainda piorada pelo comprimento da fenda, que permite que um gradiente de concentração de oxigênio vá de concentração natural completa a anaeróbico em poucos centímetros.
• Figura 8 - As almofadas de borracha aceleram a corrosão em fendas
Almofadas de Fibra de Vidro
Almofadas contornadas fixadas à tubulação nos pontos de suporte (Fig. 9 abaixo). Obviamente, outra tentativa de eliminar o contato metal-metal. Isso é melhor do que as almofadas de borracha, mas ainda permite a formação de uma fenda na superfície da tubulação.
• Figura 9 - Almofadas contornadas de fibra de vidro ainda correm o risco de falha por corrosão em fendas
Suportes Soldados
O suporte soldado é uma solução viável. No entanto, adiciona um custo significativo a um projeto típico tanto em termos de construção quanto de inspeção. Em algumas situações, seria indesejável fazer tantas soldas longitudinais externas em um sistema de tubulação pressurizada. Houve algumas outras soluções adotadas, nenhuma das quais realmente aborda a principal causa do problema: o acúmulo de água.
A Solução Ótima
Claramente, a solução deve abordar as causas principais do problema e deve ter certas características que tornam a aplicação prática. As características importantes de uma solução bem-sucedida que está amplamente em uso em toda a comunidade offshore são as seguintes:
1. As fendas na superfície da tubulação e a capacidade de reter e manter a água em contato com a superfície da tubulação devem ser eliminadas.
2. Como uma preocupação secundária, o contato metal-metal deve ser eliminado, se possível.
3. A solução deve permitir fácil manutenção e inspeção da tubulação no ponto de suporte.
4. O sistema deve fornecer suporte completo ao sistema de tubulação.
5. O sistema, idealmente, não deve ser específico quanto ao tamanho.
6. Deve ser aplicável a novas construções e retrofits, e não deve requerer trabalho a quente para instalar.
7. Deve ser rentável.
O termoplástico de alta resistência I-Rod® em meia lua (Fig. 10 abaixo), atende a todos os requisitos acima. A configuração em meia-lua minimiza a fenda na tubulação e não permite acúmulo de água. O espaçamento fornecido permite fácil inspeção e manutenção no suporte. O contato metal-metal é eliminado, e se usado com um parafuso isolado (Fig. 11 abaixo), a tubulação pode ser totalmente isolada da estrutura de suporte. O material de baixo custo foi selecionado e configurado para otimizar a resistência à compressão enquanto exibe um creep muito baixo. O material pode ser implantado como um revestimento contínuo no topo de uma viga de suporte de tubulação (Fig. 12 abaixo), ou pode ser integrado com um U-bolt estabilizador (Fig. 13 abaixo). De qualquer forma, permite a instalação a frio para novas construções ou aplicações de retrofit.
Ao usar U-bolts, é importante aplicar uma luva de poliolefina sobre o corpo do parafuso. Isso reduz o risco de rachaduras no filme de pintura ao redor da tubulação quando o parafuso é apertado. Este material fornece a combinação certa de dureza e durabilidade para proteger a pintura da tubulação, mas evita a criação de uma fenda capilar ao redor da circunferência da tubulação.
• Figura 10: Interface de suporte de tubulação em meia-lua (marca registrada como I-Rod®)
• Figura 11 - Vara instalada com U-bolt revestido de poliolefina
• Figura 12 - Vara instalada como revestimento de viga
• Figura 13 - Suporte típico de vara e U-bolt autônomo
Desempenho Comprovado
O sistema I-Rod® descrito acima foi introduzido pela primeira vez em meados da década de 1980; agora existem milhares de estruturas offshore em todo o mundo usando este sistema. A primeira plataforma a ser totalmente equipada com o material foi instalada no Golfo do México em 1989. Uma reinspeção mais recente em 2002 não revelou corrosão em nenhum ponto de suporte de tubulação, nem degradação do material. Essas fotos mostram a condição do suporte de tubulação após 13 anos offshore (Fig. 14 - 16 abaixo).
• Figura 14 - Suportes de revestimento de viga após 13 anos offshore
• Figura 15 - Vara no lugar sob o barril de lançamento de pig após 13 anos
• Figura 16 - Mais combinações de vara e parafuso após 13 anos offshore
Benefício Adicional
Um benefício adicional da aplicação deste sistema foi descoberto por um grande fabricante da Costa do Golfo. Ao usar o material, que foi fixado à superfície superior dos racks de tubulação com uma fita adesiva dupla face especial, descobriu-se que o ajuste e a instalação da tubulação foram realizados com praticamente nenhum dano à pintura do sistema de tubulação. Isso foi particularmente valioso na redução do número de reparos pontuais que tiveram que ser feitos antes da entrega das estruturas de deck.
Seleção de Material
Como se poderia esperar com uma solução aparentemente simples, houve muitas tentativas de copiá-la. Isso geralmente resulta em um resultado insatisfatório, pois a maioria desses materiais não possui as propriedades necessárias. Os materiais geralmente esmagam sob a carga (Fig. 17 abaixo) ou deformam com o tempo, fazendo com que o suporte se afrouxe (Fig. 18 abaixo). Em ambos os casos, o controle de fenda e as propriedades desejáveis são perdidos.
• Figura 17 - Imitações feitas de material de baixa qualidade são esmagadas sob carga
• Figura 18 - Alguns materiais “similares” deformam com o tempo
Inspeção de Suportes de Tubulação
Enquanto catalogava a extensão e a gravidade do problema, foi necessário desenvolver estratégias de inspeção que permitissem que itens de alto risco fossem abordados antes da falha. Nos últimos anos, melhorias na inspeção ultrassônica de ondas guiadas permitiram uma abordagem mais quantitativa para este tipo de inspeção, mas este é um processo caro e relativamente demorado. Era necessário ter uma diretriz visual que ajudasse a filtrar os suportes que precisavam de inspeção adicional. Embora aparentemente simples, o sistema funcionou muito bem e - quando combinado com outros fatores de risco que afetam a probabilidade e a consequência da falha - deve permitir uma triagem rápida de um grande número de pontos de suporte:
A corrosão que procuramos é a corrosão em fendas, em oposição à corrosão geral. Esta corrosão é então classificada em três níveis: leve, moderada e pesada. As definições usadas para definir estes níveis são as seguintes:
• CC-L (Corrosão em Fenda Leve) - Produtos de corrosão visíveis, mas sem evidência de escalamento em camadas.
• CC-M (Corrosão em Fenda Moderada) - Uma única camada de escala de corrosão é visível na borda da fenda.
• CC-H (Corrosão em Fenda Pesada) - Produto de corrosão abundante e escala de corrosão em camadas visível.
Quando investigadas mais de perto, as situações de CC-H normalmente mostram uma perda de parede no ponto mais profundo de >40%. Um guia visual é fornecido para os inspetores para ajudar a fazer a chamada correta (Fig. 19 abaixo).
• Figura 19 - Comparação da gravidade da corrosão em fendas nos suportes de tubulação
Resumo e Conclusões
Ao projetar suportes de tubulação, evite o uso de abraçadeiras de sela sempre que possível. Nunca use uma almofada de borracha entre uma tubulação e um suporte de tubulação se a área estiver exposta a um ambiente corrosivo. Ao usar U-bolts para estabilizar a tubulação, sempre use parafusos revestidos de poliolefina. A solução de vara em meia-lua provou ser muito eficaz no controle da corrosão em suportes de tubulação nos últimos 15 anos em milhares de estruturas offshore.
Nenhum relato de falhas ou até mesmo reparos de suportes de tubulação foi recebido de estruturas equipadas com o sistema I-Rod®.
Para mais informações sobre suportes de tubulação da marca I-Rod®, visite http://stoprust.com/i-rod-pipe-supports/.