Materiais de titânio em engenharia offshore: classes, projeto e fabricação

Por que o Titanium é adequado para serviços offshore e marítimos

A engenharia offshore exige materiais que sobrevivam ao contato contínuo com a água do mar, ondas cíclicas e cargas de corrente, e longos intervalos entre inspeções. O titânio responde a essa demanda melhor do que a maioria dos metais estruturais. Sua densidade é de cerca de 4,51 g/cm3, aproximadamente 57% da do aço, enquanto sua resistência específica é a mais alta entre os metais estruturais comuns. Comparado com aço carbono, aço inoxidável, cobre e alumínio, o titânio combina baixa densidade, alta resistência e excelente resistência à corrosão em um único material.

O titânio também resiste à erosão da água do mar, não é -magnético, não se torna quebradiço em baixas temperaturas ambientes e pode ser formado, fundido e soldado com processos de oficina estabelecidos. Essas propriedades explicam por que os equipamentos de titânio aparecem agora em sistemas-de produção de petróleo e gás em águas profundas, submersíveis, estruturas submarinas e outras plataformas marítimas onde o peso e a confiabilidade são decisivos.

Onde o equipamento de titânio é usado offshore

Tubulações de água do mar, risers e tubos de trocadores de calor em plataformas offshore

Circuitos de dessalinização e resfriamento que lidam com água contendo-cloreto continuamente

Vasos de pressão e equipamentos de processo para serviços marítimos de petróleo e gás

Componentes estruturais submarinos, fixadores e conectores

Cascos de pressão submersíveis, caixas de sonar e gabinetes de instrumentos

Circuitos de lastro, dilúvio e combate a incêndios em que a água do mar é o meio de trabalho

O titânio não está reservado para projetos exóticos. Sempre que um aço ou liga de cobre precisasse de substituição frequente, revestimento ou proteção catódica, uma alternativa ao titânio geralmente compensa através de manutenção evitada e paradas mais curtas.

Cinco desafios de engenharia para planejar

O trabalho offshore com titânio enfrenta dificuldades em cinco áreas: produção de materiais, design de produtos, fabricação de produtos, avaliação-de aplicações de longo prazo e a forma como a seleção de materiais é julgada.

Produção.O titânio derrete a cerca de 1.668 graus Celsius, resiste fortemente à deformação quando quente e possui uma janela estreita de tratamento térmico. É necessária grande capacidade de fusão a vácuo, seja refusão a arco a vácuo ou forno de soleira fria por feixe de elétrons, juntamente com equipamentos de conformação pesados, como prensas de forjamento, laminadores e extrusoras, especialmente para produtos grandes e de alto{2}}desempenho. O investimento unitário na produção de titânio é muito elevado e a utilização do equipamento é apenas uma fração daquela alcançada com aço de especificação comparável, o que é a causa principal do custo mais elevado por tonelada.

Projeto.O titânio oferece alta resistência à flexão e coeficiente de resistência de solda acima de 0,9, mas seu módulo de elasticidade, condutividade térmica e coeficiente de amortecimento são baixos. Corrosão em fendas, corrosão de acoplamento galvânico e fragilização por hidrogênio podem aparecer sob certas condições. Códigos de projeto e especificações técnicas dedicados são, portanto, aconselháveis ​​para fator de segurança, tolerância à corrosão, proteção contra incêndio, forma estrutural e detalhes de solda, e serviços expostos à vibração precisam de medidas anti{3}}vibração.

Fabricação.O módulo baixo significa um retorno elástico pronunciado na conformação a frio, a baixa condutividade térmica concentra o calor no corte ou na solda, e a superfície rasga e arranha facilmente. Os procedimentos de conformação, tratamento térmico e usinagem devem ser desenvolvidos e qualificados para o titânio, em vez de serem copiados da prática do aço, o que exige tempo e disciplina.

Avaliação de candidatura.Como o equipamento de titânio se comporta como um ativo semi{0}}permanente, seu ciclo de avaliação é muito longo. Uma geração de engenheiros raramente acompanha uma única unidade desde o comissionamento até a retirada, portanto, o feedback de campo abrangente e objetivo se acumula lentamente.

Mentalidade de seleção.O titânio continua sendo cerca de cinco a dez vezes mais caro que o aço do casco e, com orçamentos de capital limitados, é difícil justificar-o investimento único apenas com base no custo inicial. A vantagem técnica e econômica do titânio é percebida durante toda a vida útil do equipamento, por meio do benefício-de longo prazo, e não do preço de compra.

Seleção de Grau para Serviço Marítimo

A escolha da classe segue primeiro o dever de corrosão e depois o requisito de resistência. A tabela abaixo resume os graus mais frequentemente especificados para água do mar e serviços de processo.

Placas e folhas são comumente fornecidas de acordo com ASTM B265 e tubos de acordo com ASTM B338, com GB/T 3621 e GB/T 3624 como as especificações chinesas correspondentes para placas e tubos de titânio. Os compradores devem confirmar se o grau, condição e rota de inspeção solicitados correspondem ao padrão invocado no pedido de compra.

Custo-do ciclo de vida e a decisão de seleção

Um sistema de água do mar de titânio geralmente tem um preço de compra mais alto do que a alternativa de aço carbono pintado ou cobre{0}}níquel, mas elimina despesas recorrentes: sem repintura, muito menos substituições, menor mão de obra de manutenção, menos tempo de inatividade de produção e, em muitos casos, paredes mais finas e estruturas de suporte mais leves. Avaliar as duas opções durante o mesmo período de serviço, e não na primeira fatura, é o que torna a comparação significativa. Em projectos offshore onde o acesso em si é caro, a redução na intervenção é muitas vezes a maior poupança individual.

Perguntas frequentes

P: Qual grau de titânio é mais comum para tubulações offshore de água do mar?
O titânio comercialmente puro grau 2 é o ponto de partida usual porque combina boa resistência à corrosão da água do mar com boa conformabilidade e soldabilidade, enquanto o grau 12 é selecionado quando a salmoura é mais agressiva ou a temperatura é mais alta.

P: O titânio é adequado para serviços-em águas profundas em baixas temperaturas?
Sim. O titânio não apresenta fragilização a frio como alguns aços ferríticos, e certas ligas retêm boa ductilidade e tenacidade à medida que a temperatura cai, razão pela qual o titânio é usado em cascos submersíveis e recipientes criogênicos.

P: Por que os equipamentos de titânio são mais caros do que os equipamentos de aço?
A rota de fusão e conformação exige muito mais capital, a janela de tratamento térmico é estreita e o rendimento por unidade de equipamento é muito menor, portanto o custo por tonelada permanece alto, mesmo que o material em si seja abundante.

P: O titânio pode ser soldado em um pátio de fabricação?
Pode, mas o metal fundido e quente deve ser protegido do ar, da umidade e da contaminação por ferro, porque o oxigênio, o nitrogênio, o hidrogênio e o ferro superficial-se acumulam, fragilizam a junta e reduzem sua resistência à corrosão.

P: O titânio corrói na água do mar?
A corrosão geral é muito baixa e o filme passivo se repara sozinho em água do mar aerada, mas a corrosão em fendas, o acoplamento galvânico com metais menos nobres e a fragilização por hidrogênio ainda podem ocorrer sob condições específicas, portanto, os detalhes do projeto são importantes.

P: Como um projeto offshore de titânio deve ser justificado financeiramente?
Compare o custo-de toda a vida útil ao longo da vida útil pretendida, incluindo manutenção, substituição, tempo de inatividade e custos de acesso, em vez de comparar o preço do material por tonelada no ponto de compra.