BRPI0721621A2 - elemento filetado tubular munido de um revestimento protetor seco - Google Patents
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Abstract
ELEMENTO FILETADO TUBULAR MUNIDO DE UM REVESTIMENTO PROTETOR SECO. A presente invenção refere-se a um revestimento que compreende uma matriz sólida aderente ao substrato na qual são dispersadas partículas (11) de pelo menos um lubrificante sólido pertencente a uma única e mesma classe. A matriz sólida é lubrificante e apresenta um comportamento reológico do tipo plástico ou viscoplástico. A presente invenção pode ser usada para proteger as filetagens dos elementos filetados utilizados nos poços de hidrocarbonetos contra a corrosão e contra o gripagem.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELEMENTO FILETADO TUBULAR MUNIDO DE UM REVESTIMENTO PROTETOR SECO".
A presente invenção refere-se a um elemento filetado para uma junta filetada tubular. Estado da Técnica
Os elementos filetados fabricados na extremidade de um com- ponente tubular (tubo ou luva) e utilizados nos poços de hidrocarbonetos devem inicialmente ser protegidos contra a corrosão durante o transporte e a estocagem sobre o local de perfuração e para isto são tradicionalmente re- vestidos de graxas ou de óleos de proteção na saída do local de fabricação.
Sobre poços, eles podem ter de sofrer vários ciclos de parafusa- ção e de desaparafusamento. As operações de parafusação são feitas verti- calmente sob uma forte carga axial, por exemplo, sob o peso de uma tubula- ção de vários metros de comprimento (tipicamente 10 a 13 metros de com- primento) a ligar pela junta filetada verticalmente, o que induz riscos de gri- pagem, notadamente das filetagens. Essa carga pode, além disso, ser loca- lizada por um ligeiro desalinhamento do eixo dos elementos filetados a ligar devido ao fato de a tubulação a ligar ficar suspensa verticalmente, o que aumenta os riscos de gripagem. Assim, a figura 1 representa a ligação por uma junta filetada de duas tubulações 1 e 2 de 10 a 13 metros sobre cantei- ro com um desalinhamento, uma chave de parafusação 3 sendo utilizada para parafusar a parte filetada macho 4 da tubulação 1 na parte filetada fê- mea 5 da tubulação 2. Para proteger as partes sensíveis, tais como as filetagens contra
o gripagem, quando das operações de parafusação e de desaparafusamen- to, as filetagens ficam tradicionalmente livres da graxa de proteção e revesti- das de graxas especiais de parafusação, tais como a graxa, segundo API Boi. 5A2 ou RP5A3. A utilização dessas graxas carregadas em metais pesa- dos e/ou tóxicos, tais como o chumbo, tem, além disso, o inconveniente de dever fazer um segundo revestimento sobre poço, aquele de provocar uma poluição dos poços e do meio ambiente, o excesso de graxa sendo ejetado das filetagens, quando da parafusação.
US 6 933 264 propõe substituir o duplo revestimento por um simples revestimento, realizado no local de fabricação dos elementos fileta- dos, de uma camada fina de um lubrificante de consistência de cera (dita semisseca), compreendendo pelo menos um aditivo extrema pressão de ação química. Esse revestimento semisseco tem, todavia, o inconveniente de necessitar uma proteção mecânica contra uma poluição por partículas de poeiras ou de areia durante o transporte e a estocagem.
US 4 414 247, US 4 630 849, US 6 027 145, US 6 679 526 B2, US 2004/0166341 A1 e WO 2004/033951 propõem substituir as graxas por diversos revestimentos protetores no estado sólido aplicados no local de fa- bricação dos elementos filetados, compreendendo uma matriz sólida aderen- te ao substrato, na qual são dispersadas partículas de lubrificantes sólidos, dentre os quais é mais particularmente citado o di-sulfeto de molibdênio MoS2.
Esses revestimentos, embora fornecendo uma melhoria em rela- ção às graxas, não são ainda inteiramente satisfatórios. Em particular, assis- te-se freqüentemente nas condições de canteiros de perfuração a uma des- camação do revestimento e/ou a um arrancamento de partículas provenien- tes da superfície atritante deste e que são dispersadas no meio ambiente, esses incidentes acarretando o retorno do componente tubular em usina.
Além disso, esses revestimentos necessitam geralmente de um endurecimento induzido por um cozimento em um forno a aproximadamente 200°C durante várias dezenas de minutos até mesmo mais de uma hora, o que sobrecarrega consideravelmente o ciclo de realização do revestimento, o qual não pode se encadear com a usinagem das filetagens.
Além disso, eles não protegem geralmente ou suficientemente os elementos filetados da corrosão, de modo que US 6 679 526 B2 e WO 2004/033951 prevêem a aplicação de uma camada separada de um material inibidor de corrosão (sal metálico de ácido carboxílico para o primeiro docu- mento, resina epóxi contendo partículas de zinco para o segundo).
Esse revestimento bicamada necessita dos ciclos de realização ainda mais pesados e não resolve mais os problemas de arrancamento de partículas.
A finalidade da invenção é de prevenir os inconvenientes das graxas e dos revestimentos secos ou semissecos conhecidos, e assim me- Ihorar a situação da tribologia e da produtividade da aplicação do revesti- mento.
Opcionalmente, a invenção vem a melhorar a situação no que refere-se à corrosão dos elementos filetados.
Uma parafusação nas condições de trabalho, notadamente nas condições de canteiro, é uma parafusação que é feita geralmente em posi- ção vertical na qual (I) um primeiro elemento filetado é mantido vertical e fixo, e (II) um segundo elemento filetado a parafusar sobre o primeiro ele- mento filetado, disposto ou solidarizado à extremidade baixa de uma tubula- ção, cujo comprimento pode atingir 13 metros, é mantida sensivelmente de modo vertical acima do primeiro elemento filetado por uma máquina de lava- gem, o segundo elemento filetado sendo em seguida parafusado no primeiro por um dispositivo adequado, tal como uma chave de parafusação motoriza- da. Entende-se da mesma forma por desaparafusamento nas condições de canteiro um desaparafusamento do primeiro e do segundo elementos fileta- dos dispostos verticalmente, portanto, suportando o peso de uma tubulação e sujeitos a um eventual desalinhamento, a tubulação a desparafusar fican- do suspensa em uma máquina de levantamento.
A invenção visa notadamente um elemento filetado para uma junta filetada tubular resistente ao gripagem, comportando uma filetagem recoberta de um revestimento pouco espesso no estado sólido não-colante ao toque e aderente ao substrato que compreende uma matriz sólida e, nes- sa matriz, uma dispersão de partículas de pelo menos um lubrificante sólido.
De acordo com a invenção, a matriz sólida é lubrificante e apre- senta um comportamento reológico do tipo plástico ou viscoplástico. De acordo com um modo de realização, a dispersão de partícu-
las de pelo menos um lubrificante sólido comporta partículas de lubrificante de uma única das classes 1, 2, 3 ou 4. De acordo com um outro modo de realização da invenção, a ma- triz sólida comporta pelo menos um polímero termoplástico e meios de rea- glomeração de fragmentos aptos a reaglomerar os fragmentos formados nas proximidades da superfície desse elemento filetado por atritos.
Características opcionais da invenção, complementares ou de
substituição, são enunciadas a seguir:
- a matriz apresenta um ponto de fusão compreendido entre 80 e
320°C;
- o polímero termoplástico é o polietileno;
- a matriz compreende pelo menos um sabão metálico;
- o sabão é estearato de zinco;
- a matriz compreende pelo menos uma cera de origem vegetal, animal, mineral ou de síntese;
- a cera é a cera de carnaúba;
- a matriz compreende pelo menos um inibidor de corrosão;
- o inibidor de corrosão é um derivado de sulfonato de cálcio;
- o sabão é escolhido para melhorar o tempo de aparecimento da corrosão ao teste de nevoeiro salino, segundo a norma ISO 9227;
- a matriz compreende pelo menos um polímero líquido de uma
viscosidade cinemática a 100°C pelo menos igual a 850 mm2/s;
- o polímero líquido é insolúvel na água;
- o polímero líquido é escolhido dentre um polimetacrilato de al- quila, um polibuteno, um poli-isobuteno e um polidialquilsiloxano;
- a matriz compreende pelo menos um agente tensoativo;
- a matriz compreende pelo menos um corante;
- a matriz compreende pelo menos um antioxidante;
- as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas de pelo menos um lubrificante sólido de classe 1;
- as partículas de lubrificantes sólidos são escolhidas dentre par-
tículas de lubrificante da classe 1, com exclusão de partículas de grafite;
- as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas de pelo menos um lubrificante sólido de classe 1 escolhido dentre o nitreto de boro e o oxido de zinco;
- as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas de pelo menos um lubrificante sólido de classe 2;
- as partículas de lubrificantes sólidos são escolhidas dentre par- tículas de lubrificante da classe 2, com exclusão de partículas de bissulfeto
de molibdênio;
- as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas de pelo menos um lubrificante sólido de classe 2 escolhido dentre o fluoreto de grafite, os sulfetos de estanho e os sulfetos de bismuto;
- as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas
de pelo menos um lubrificante sólido de classe 4;
- as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas de pelo menos um lubrificante sólido de classe 4 escolhido dentre o politetra- fluoroetileno e a poliamida-11.
A invenção tem também por objeto uma junta filetada tubular
que compreende um elemento filetado macho e um elemento filetado fêmea, caracterizado pelo fato de pelo menos um desses elementos filetados é tal como definido acima, assim como um processo de acabamento de um ele- mento filetado tubular, no qual se aplica pelo menos sobre a superfície da filetagem um revestimento antiengripante sólido em camada pouco espessa, tal como definido acima, após ter submetido a superfície a revestir a um tra- tamento de superfície própria para melhorar a adesão do revestimento.
O processo, de acordo com a invenção, pode comportar pelo menos certas das seguintes particularidades: - levam-se os constituintes do revestimento a uma temperatura
superior àquela de fusão da matriz e aplica-se em seguida o revestimento por pulverização desses constituintes, compreendendo a matriz no estado fundido;
- aplica-se o revestimento por projeção através de uma chama de pó formada pelos constituintes do revestimento;
- aplica-se o revestimento por pulverização de uma emulsão a - quosa na qual os constituintes do revestimento são dispersados; - o elemento filetado está à temperatura ambiente;
- esse tratamento de superfície é escolhido dentre os tratamen- tos mecânicos, os tratamentos químicos e os depósitos não-reagentes;
- a superfície a ser revestido é uma superfície metálica e esse tratamento de superfície é um tratamento de conversão química dessa su- perfície;
- esse tratamento de conversão química é uma fosfatação;
- esse tratamento de superfície é seguido de um tratamento de impregnação da rugosidade ou das porosidades da superfície a revestir (12)
por nanomateriais (11) de ação anticorrosão;
- esses nanomateriais são partículas (11) de óxido de zinco;
- esses nanomateriais têm um tamanho mediano de partículas da ordem de 200 nm;
- esses nanomateriais têm um tamanho mediano de partículas
da ordem de 200 nm;
- esses nanomateriais são aplicados sob a forma de dispersão.
As características e vantagens da invenção são expostas mais
detalhadamente na descrição a seguir, com referência aos desenhos anexa- dos.
A figura 1 representa esquematicamente duas tubulações pron-
tas para serem ligadas por parafusação em um poço de hidrocarbonetos.
A figura 2 representa em escala ampliada uma parte da superfí- cie da filetagem de um elemento filetado, cuja porosidade é impregnada por nanomateriais no âmbito do processo, de acordo com a invenção.
As figuras 3 e 4 representam esquematicamente dispositivos
utilizáveis para a aplicação do processo, de acordo com a invenção.
A figura 5 representa esquematicamente um dispositivo para avaliar o revestimento da invenção por um teste de parafusação e desapara- fusamento.
A invenção porta um elemento filetado para uma junta filetada
tubular resistente ao gripagem. O elemento filetado é munido de uma fileta- gem recoberta de um revestimento pouco espesso no estado sólido não- colante ao toque e aderente ao substrato que resiste a numerosas opera- ções de parafusação e de desaparafusamento.
O revestimento do elemento filetado compreende uma matriz sólida e pelo menos um lubrificante sólido composto de partículas dispersa- das na matriz sólida.
A invenção se baseia em um estudo do comportamento triboló- gico de certos materiais e recorre a certas noções que são lembradas a se- guir.
NOÇÕES DE BASE Efeito de folha ou de película de transferência dos lubrificantes sólidos.
Os lubrificantes sólidos em regime de lubrificação a seco e hi- drodinâmica. Quando são dispersados em um material fluido ou viscoplásti- co, têm tendência a se fixarem sobre as superfícies de maneira estável, mo- dificando as características de atrito destas. Eles são transferidos e ligados à superfície por ligação química, o que acarreta uma grande resistência ao desgaste e uma melhoria das propriedades de atrito. Segundo a natureza dos sólidos, isto confere às superfícies uma proteção antidesgaste, proprie- dades de resistência e antidesgaste às pressões extremas geradas por grandes esforços de cargas na superfície denominados esforços de Hertz, e um baixo coeficiente de atrito em um amplo espectro de cargas e de veloci- dades de atrito. Essas propriedades de geração de película de transferência ou de folha são utilizadas para os tipos de atrito nos quais as superfícies são solicitadas de maneira repetida, assim como ocorre quando parafusações ou desaparafusamentos dos sistemas de juntas filetadas tubulares. Terceiro Corpo de Atrito
O terceiro corpo de atrito é a substância que se interpõe entre duas superfícies em contato durante o atrito.
Na ausência de lubrificante dois corpos em atrito relativo e sob esforço produzem um terceiro corpo formado de fragmentos transformados quimicamente ou não de cada um dos corpos. Esse terceiro corpo define uma parte das propriedades de atrito por seu comportamento sob o esforço aplicado, seu mecanismo de transformação sob esforço, sua capacidade de migrar, de se fixar ou de se eliminar.
Quando um lubrificante líquido, fluido ou sólido plástico, isto é, deformando-se sob cisalhamento de maneira plástica com escoamento de matéria, é interposto entre os dois corpos, o lubrificante forma uma película que separa as superfícies dos dois corpos e constitui em si um terceiro cor- po. Sua composição é modificada em regime limite, isto é, quando os esfor- ços de atrito chegam a um contato dos materiais lubrificados, com produção de sólidos que se misturam ao lubrificante fluido ou plástico. Propriedades às Pressões Extremas São as propriedades de certos produtos que permitem às super-
fícies, que sofrem esforços de Hertz muito elevados, resistir ao desgaste e deslizar com baixos coeficientes de atrito. Esforço de Hertz ou Pressão de Hertz
As superfícies de contato sob esforço de carga se deformam de maneira elástica, definindo uma zona de contato de uma certa superfície. A carga aplicada dividida por essa superfície define a pressão ou esforço de Hertz. Quando de grandes esforços de Hertz, os materiais sólidos não- plásticos podem sofrer cisalhamentos internos que reduzem sua duração devida por fadiga do material, enquanto que os materiais sólidos plásticos sofrem esse cisalhamento sem degradação estrutural. Matriz
Designa-se assim um sistema que permite fixar ou portar um princípio ativo em um local determinado. Ela serve também de agente de coesão para um sistema heterogêneo e pode ter funções que completam aquelas dos princípios ativos que ela liga ou porta.
A matriz sólida da invenção é notadamente lubrificante e apre- senta um comportamento reológico do tipo plástico ou viscoplástico. Sinergia
Corpos que têm propriedades de base podem se combinar em um corpo complexo com características e comportamentos totalmente dife- rentes. No caso em que esses comportamentos levam a desempenhos su- periores no acúmulo daquelas dos constituintes, fala-se de sinergia. Viscosidade. Plasticidade. Viscoplasticidade. Comportamento Granular
Existem corpos muito deformáveis ou fluidos que sofrem uma deformação finita sob o efeito de uma pressão hidrostática, e um escoamen- to indefinido sob o efeito de um esforço de cisalhamento mesmo pequeno.
São, por exemplo, os óleos e graxas.
Existem corpos pouco deformáveis ou sólidos que sofrem uma deformação finita independentemente da natureza do esforço, pelo menos até um certo limite de esforço. É o caso dos sistemas termoendurecíveis que têm um limite elástico além do qual há degradação estrutural do material. Existem materiais (os mais comuns) que estão compreendidos
entre esses dois extremos (os materiais com comportamento elástico, plásti- co, viscoso, viscoplástico).
O terceiro corpo gerado ou presente, quando de um atrito, deve suas propriedades lubrificantes ou não-lubrificantes ao seu estado físico, segundo a tabela 1 a seguir.
Os materiais utilizados na matriz, de acordo com a invenção,
pertencem à categoria 1 da tabela 1.
Categoria 1 2 3 Estado físico do terceiro corpo Sólido plástico Sólido granular Fluido Descrição do comportamento Escoamento viscoplástico Estado de atri- to-colisional Comportamento de atrito - viscoso Efeito Lubrificante Não-lubrificante Lubrificante
Polímeros Termoplásticos e Termoendurecíveis
A matriz sólida da invenção comporta pelo menos um polímero termoplástico.
O termo termoplástico qualifica um polímero fusível capaz de ser, de maneira reversível, amolecido, depois fundido por aquecimento res- pectivamente às temperaturas Tg e Tf (ponto de transição vítrea e tempera- tura de fusão) e solidificado por resfriamento. Os polímeros termoplásticos são transformados sem reação química. Os polímeros termoplásticos são utilizados na invenção, a fim de se conseguir sob esforço de atrito um esco- amento viscoso, conservando, de maneira estática uma estrutura sólida seca (não-colante) ao toque e estável. Ao contrário, geralmente os polímeros ter- moendurecíveis não têm ou têm pouco comportamento viscoso sob esforço. Sabão Metálico
Esse termo recobre os sabões de metais alcalinos e alcalino-
terrosos e outros metais. São compostos fusíveis que têm capacidades de escoamento entre superfícies (categoria 1 da tabela 1). Cera
Esse termo abrange substâncias fusíveis com propriedades Iu- brificantes de origens diversas (mineral notadamente oriunda da destilação do petróleo, vegetal, animal ou de síntese), cuja consistência mais ou menos pastosa ou dura e cuja temperatura de fusão e cujo ponto de gota podem variar em importantes proporções segundo sua natureza. Inibidores de Corrosão. São aditivos que conferem a um material líquido ou sólido, apli-
cado sobre uma superfície, a capacidade de proteger essa superfície de di- ferentes modos de corrosão. Esses inibidores de corrosão funcionam se- gundo diversos mecanismos químicos, eletroquímicos ou físico-químicos. Lubrificantes Sólidos. Um lubrificante sólido é um corpo sólido e estável que, interca-
lando-se entre duas superfícies de atrito, permite reduzir o coeficiente de atrito e reduzir o desgaste e o dano das superfícies.
Esses corpos podem ser classificados em diferentes categorias definidas por seu mecanismo de funcionamento e sua estrutura. Essas cate- gorias são, por exemplo, descritas nos documentos de curso intitulado "os lubrificantes sólidos" dispensado pelo Sr. Eric Gard à École Nationale Supé- rieure des Pétroles et Moteurs (France).
Classe 1: corpos sólidos que devem suas propriedades lubrifi- cantes à sua estrutura cristalina, por exemplo, grafite, nitreto de boro BN, óxido de zinco ZnO.
Classe 2: corpos sólidos que devem suas propriedades lubrifi- cantes, por um lado, à sua estrutura cristalina e, por outro lado, a um ele- mento químico reagente de sua composição, por exemplo, bissulfeto de mo- libdênio M0S2, fluoreto de grafite, sulfetos de estanho, sulfetos de bismuto.
Classe 3: corpos sólidos que devem suas propriedades lubrifi- cantes à sua reatividade química, por exemplo, certos compostos químicos de tipo tio-sulfatos (por exemplo, Desilube 88 comercializado por Desilube Technology Inc.).
Classe 4: corpos sólidos que devem suas propriedades lubrifi- cantes a um comportamento plástico ou viscoplástico sob esforço de atrito, por exemplo, politetrafluoroetileno PRFE, poliamidas. De maneira a se conseguirem bons desempenhos em termos de
atrito e de constituição de película de transferência lubrificante sólida, a in- venção utiliza partículas de lubrificantes sólidos pertencentes a uma das classes precedentes.
Os inventores têm preferencialmente utilizado como lubrificantes sólidos compostos de classe 2 e notadamente compostos pouco utilizados até aqui, tais como os fluoretos de grafite, os sulfetos complexos de estanho ou de bismuto. Esses compostos diferem, segundo os inventores, dos produ- tos lubrificantes sólidos tradicionais, tais como grafite, o bissulfeto de molib- dênio ou o bissulfeto de tungstênio por sua maior capacidade de ligação com os metais e seus desempenhos às pressões extremas amplamente mais elevados.
Os inventores pesquisaram notadamente soluções que utilizam grafite, capaz de facilitar o aparecimento de corrosão, nem bissulfeto de mo- libdênio, esse composto sendo conhecido para ser instável notadamente em presença de umidade e liberar o óxido de enxofre corrosivo pelo aço ou sul- feto de hidrogênio tornando eventualmente o aço sensível à ruptura diferida sob esforço pelo hidrogênio (trincas induzidas por sulfeto ou SSC). Fulerenos
São materiais moleculares que têm uma estrutura sob a forma de tubos fechados ou abertos ou de esferas fechadas ou abertas, em mono- camada ou em multicamadas. Os fulerenos esféricos têm um tamanho de algumas dezenas de nm em multicamada. Eles agem sobre as superfícies, bloqueando, de maneira estável, os locais criados pela rugosidade de super- fície e bloqueando as degradações do tipo escama. Tipos de Esforços
A invenção considera os diferentes esforços aos quais são sub- metidas as juntas filetadas tubulares, quando de seu funcionamento.
Atritos com Baixas e Elevadas Velocidades, Pequenos e Elevados Esforços de Hertz
O sistema de atrito, quando da parafusação e do desaparafusa- mento das juntas filetadas é tornado complexo pela grande variedade de velocidades de atrito encontrada. Com efeito, as velocidades podem ser re- lativamente importantes no decorrer da parafusação e quase nulas em fim de parafusação ou no começo de desaparafusação.
Por outro lado, os esforços de Hertz são muito importantes nos mesmos períodos de atrito, levando a regimes limites. Os inventores busca- ram, portanto, definir um sistema que responde a esses esforços.
Para resolver os problemas devido aos esforços cinéticos, os inventores desenvolveram uma matriz, cujas propriedades são de caracterís- tica plástica levando a um escoamento viscoso sob esforços e respondendo a todas as situações de velocidade encontradas. A utilização de vários cons- tituintes é necessária para os sistemas de maiores desempenhos, a fim de adaptá-los a essa grande variedade de cisalhamentos. Essa matriz permite manter os outros elementos ativos no lugar e contribui para a elaboração de folhas ou películas de transferência estáveis.
As resinas termoplásticas que possuem geralmente característi- cas plásticas foram escolhidas e os inventores privilegiaram o polietileno dentre o conjunto dos polímeros viscoplásticos tais como a poliamida 6, a poliamida 11 e o polipropileno, que apresentam problemas de aplicação em razão de sua elevada viscosidade no estado fundido. Dentre as qualidades de polietileno, a escolha se referiu àquelas que têm pontos de fusão superio- res a 105°C.
Para bloquear os fragmentos oriundos dos atritos sobre a super- fície e assim eliminar as possibilidades de poluição do meio ambiente, a in- venção prevê, além disso, meios de reaglomeração de fragmentos capazes de reaglomerar os fragmentos oriundos dos atritos no nível da superfície de contato dos elementos filetados. Esses meios de reaglomerações permitem reaglomerar os fragmentos logo que eles são formados.
Os inventores descobriram notadamente que certos sabões me-
tálicos, certas ceras e certos polímeros podem ser utilizados como meios de reaglomeração.
Os inventores sobretudo constataram experimentalmente que uma melhoria das propriedades de reaglomeração dos fragmentos e da plas- ticidade da matriz é obtida pela adjunção de meios de reaglomeração de tipo sabão metálico, dentre os quais os sabões de cálcio, de bismuto e de zinco que deram excelentes resultados em número de parafusação e desaparafu- samento nas condições de canteiro descritas mais acima. Dentre esses sa- bões, o estearato de zinco foi selecionado para sua intervenção em sinergia com os inibidores de corrosão estudados a seguir.
A incorporação na matriz de corpos graxos naturais, tais como a cera de carnaúba, permite também otimizar as propriedades de reaglomera- ção dos fragmentos, quando das operações de parafusação-desaparafusa- mento.
De maneira a responder nas condições quase estáticas às difi-
culdades de lubrificação limite com conjunção de cargas de atrito muito ele- vadas, os inventores elaboraram um sistema de aditivos adequado, compre- endendo um lubrificante sólido constituído de partículas dispersadas em uma matriz sólida. Os aditivos EP (extrema pressão) clássicos, por exemplo, à base de compostos sulfurados do gênero descrito no documento EP1313827 funcionam apenas quando as solicitações na superfície lhes permitem reagir, o que só ocorre em certos domínios de carga e de velocidade de atrito. Os inventores preferiram utilizar lubrificantes sólidos, capazes de garantir um regime Iubrificado mesmo em condição quase estática. Os inventores utilizaram, em particular, um ou vários lubrifican-
tes sólidos em classe 2. Meio Ambiente Hostil (umidade salina ou não)
Em função das exigências de proteção anticorrosão de superfí- cie, pode ser necessário incorporar na matriz inibidores de corrosão. Dentre estes, os derivados de sulfonatos de cálcio e mais particularmente aqueles provenientes da associação de óxido de cálcio e de sulfonatos de cálcio em um meio constituído de ceras, de resinas petrolíferas ou de parafinas, tais como produto comercializado pela sociedade LUBRIZOL sob a denominação ALOX 606 se mostraram particularmente de bom desempenho, mas outros compostos podem também ser utilizados, tais como aqueles de tipo amina- do, amino borato, amina quaternária, sulfonato superalcalinizado sobre poli- alfaolefina, fosfossilicato de estrôncio, fosfossilicato de zinco, borato carboxi- Iato.
A resistência à corrosão pode ainda ser melhorada, associando o inibidor de corrosão selecionado a compostos que agem segundo outros mecanismos, bloqueando a corrosão. Conforme indicado mais acima, o es- tearato de zinco, em particular, mostra propriedades sinérgicas com os inibi- dores de corrosão, contribuindo amplamente para o comportamento lubrifi- cante da matriz.
O teste principal da proteção anticorrosão é o teste ao nevoeiro salino realizado segundo a norma ISO 9297 e avaliado pelo índice Re se- gundo ISO EM 2846-3 sobre placa tratada por fosfatação ao manganês (de- pósito de 8 a 20 g/m2 de fosfato).
Utilização em Meio Ambiente Protegido (dificuldades de compatibilidade com o meio ambiente).
A composição da matriz é prevista para bloquear os fragmentos
oriundos dos atritos sobre a superfície, a fim de eliminar as possibilidades de poluição do meio ambiente. Graças à composição apropriada da matriz, es- ses fragmentos se reaglomeram logo que são formados.
A fim de colocar em evidência essa propriedade os inventores incluíram nos protocolos experimentais procedimentos de medida quantitati- va por pesagem dos fragmentos gerados, quando do atrito. Eles puderam assim constatar a eficácia dos meios de reaglomeração de tipo sabões me- tálicos e ceras.
Todavia, segundo as composições estudadas, uma insuficiência de desempenho em termos de reaglomeração levou a pesquisar outros tipos de produto com função reaglomerante. Assim é que consideraram a influên- cia de polímeros muito viscosos, tais como polimetacrilatos de alquila (PA- MA), polibutenos, poli-isobutenos e poli-siloxanos, excelentes resultados ao teste de reaglomeração dos fragmentos sendo obtidos com um PAMA de uma viscosidade cinemática de 850 mm2/s a 100°C comercializado pela so- ciedade ROHMAX sob a denominação VISCOPLEX 6-950. O exame, após ciclos de parafusação e de desaparafusamento,
de duas filetagens munidas de um revestimento, de acordo com a invenção, do qual um somente contém um PAMA mostra que com esse revestimento os fragmentos produzidos pelo atrito se aglomeraram e incorporaram sobre a superfície de atrito, sem provocar poluição externa, enquanto que com o outro revestimento os fragmentos permanecem dispersados. Aplicabilidade do Revestimento
Para melhorar o encaixe e o aspecto do revestimento à tempera- tura ambiente, pode ser necessário acrescentar pelo menos um agente ten- soativo à matriz.
Assim, os inventores consideraram mais especialmente a adição
de 2% ou menos de silicone tensoativo, de preferência o polidimetilsiloxano, ou o DC56 (comercializado pela sociedade DOW CORNING).
Outros compostos, polímeros ou não, tendo propriedades simila- res de tensoatividade podem também ser considerados. A invenção associa assim dois grupos de produtos, com utiliza-
ção sistemática das interações sinérgicas entre estes:
- os constituintes da matriz;
- um ou uns lubrificantes sólidos de uma mesma classe.
O processo, de acordo com a invenção, comporta um preparo de superfície dos elementos a lubrificar.
Testes de parafusação e de desaparafusamento mostraram que, para se conseguir o estabelecimento de uma película de transferência corre- ta, era necessário modificar a superfície a revestir seja por um tratamento mecânico, tal como uma areação ou granulação, seja por uma modificação física ou química das superfícies por meio de um tratamento reagente à ba- se de depósitos minerais cristalizados na superfície, de um ataque químico, por exemplo, por um ácido, de um tratamento de fosfatação ao zinco ou ao manganês ou de uma oxalatação, levando a uma camada de conversão química da superfície. Dentre esses tratamentos de superfície, a fosfatação é preferida, pois ela permite obter uma superfície de encaixe correta, levan- do ao estabelecimento de uma película de transferência resistente, quando do atrito e muito estável, assim como uma proteção anticorrosão de base.
É possível, por outro lado, ser desejável proceder a um preparo de superfície complementar que consiste notadamente em impregnar a po- rosidade da superfície por nanomateriais, cujo tamanho lhe permite se inserir nas porosidades. O objetivo dessa impregnação é de bloquear e de saturar os locais criados pela porosidade por um material de ação passiva, prote- gendo a superfície contra a corrosão, conservando uma boa aderência do revestimento.
A figura 2 mostra esquematicamente a impregnação de partícu- las 11 em locais de porosidade 12 de um substrato metálico 13. Os inventores constataram melhorias de desempenho no teste
ao nevoeiro salino, segundo as normas pré-citadas (aumento de 20% do tempo de aparecimento da corrosão), inserindo partículas de oxido de zinco de tamanho nanométrico (200 nm em média), aplicadas em dispersão sim- ples na água.
De maneira a permitir uma identificação visual das superfícies
tratadas, podem-se utilizar quaisquer corantes orgânicos conhecidos com teores tais (1%, por exemplo), que não degradem os desempenhos de atrito.
Para preservar o revestimento da degradação por oxidação de- vido, por exemplo, ao calor, pode-se acrescentar um ou vários antioxidan- te(s). Os compostos polifenólicos, os derivados de naftilamina e as fosfitas orgânicas constituem as principais famílias de antioxidantes. Os inventores escolheram mais particularmente uma combinação dos produtos IRGA- NΟΧ® L150 (sistema de antioxidantes polifenólicos e aminados) e IRGA- FOS® 168 (fosfita de tris (2,4-di-terc-butilfenila) da sociedade Ciba-Geigy.
A invenção refere-se também aos modos de aplicação do reves- timento, permitindo uma facilidade de utilização industrial. Diferentes técni- cas são utilizáveis para isso, aquelas que aparecem como as mais apropria- das sendo descritas a seguir.
A técnica de pulverização no estado fundido consiste em manter o produto à elevada temperatura em fase líquida e em pulverizá-lo por meio de uma pistola de pulverização termostatada. O produto é aquecido entre 10 e 50°C acima de sua temperatura de fusão e pulverizado sobre uma superfí- cie preaquecida a uma temperatura superior à temperatura de fusão, a fim de se conseguir um bom recobrimento da superfície.
Como variante, a pulverização é feita sobre um elemento filetado não preaquecido (isto é, mantido à temperatura ambiente). A composição do revestimento é, então, adaptada por adição de uma pequena quantidade de agente tensoativo, por exemplo 2% no máximo e preferencialmente 0,6 a 10% de silicone tensoativo, de preferência, o polidimetilsiloxano ou o DC56 (comercializado pela sociedade DOW CORNING).
A figura 3 representa um exemplo de instalação para a aplicação do processo. O produto 20 é fundido em uma cuba 21, com agitação por um agitador com hélice 22, depois enviado por uma bomba com vazão regulável 24, através de uma tubulação 25, a uma cabeça de pulverização 23 também alimentada com ar por um compressor 26. Os compostos 21 e 23 a 26 são regulados em temperatura. Uma outra técnica é aquela da aplicação em emulsão, na qual o
produto é pulverizado sob a forma de emulsão aquosa. A emulsão e o subs- trato podem estar à temperatura ambiente, um tempo de secagem sendo então necessário. Esse tempo de secagem pode ser consideravelmente re- duzido, preaquecendo o produto entre 60 e 80°C e/ou a superfície entre 50 e 150°C.
A figura 4 ilustra a técnica de pulverização térmica ou pulveriza- ção através de uma chama. Nesse caso, o produto 30 sob a forma pulveru- lenta é projetado sobre a superfície a ser revestida por meio de uma pistola 31 alimentada com ar 32 e com gás combustível 33. O pó se funde atraves- sando a chama 34 e recobre, de maneira homogênea, o alvo.
EXEMPLOS
Parte-se de uma junta filetada de tipo VAM TOP HC de diâmetro
nominal 177,8 mm (7 in) e de massa linéica 43,15 kg/m (29 Ib/ft) em aço li- geiramente ligado (grau L80), segundo ficha técnica editada pela divisão OCTG da sociedade Vallourec & Mannesmann Tubes.
O elemento filetado macho sofreu antes aplicação do revesti- mento uma fosfatação ao zinco (peso de camada compreendido entre 4 e 20 g/m2) e o elemento filetado fêmea uma fosfatação ao manganês (peso de camada compreendido entre 8 e 20 g/m2). Os elementos filetados são prea- quecidos a 130°C aplica-se aí por pulverização térmica uma camada de 35 μηι de espessura de um produto mantido fundido a 150°C, tendo a composi- ção ponderai de um dos exemplos I a Vl a seguir, nos quais:
- o polietileno é aquele comercializado pela sociedade CLARI- ANT sob a denominação PE 520;
- a Cera de Carnaúba é aquela comercializada pela sociedade NOVEON sob a denominação LANCO 1955 SF;
- o estearato de zinco é aquele comercializado pela sociedade
PETER GREVEN sob a denominação LIGASTAB ZN70;
- o PAMA (polimetacrilato de alquila) é aquele comercializado pela sociedade ROHMAX sob a denominação VISCOPLEX 6-950;
- o derivado de sulfonato de cálcio é aquele comercializado pela sociedade LUBRIZOL sob a denominação ALOX 606;
- o silicone (elemento tensoativo) é aquele comercializado pela sociedade DOW CORNING sob a denominação DC56; o silicone se apre- senta sob a forma de emulsão;
- os antioxidantes, por um lado, uma mistura de amina e de fenol aromáticos e, por outro lado, fenil-fosfato, são aqueles comercializados pela
sociedade CIBA-GEIGY respectivamente sob a denominação IRGANOX L150e IRGAFOS 168; - o nitreto de boro é aquele comercializado pela sociedade EXK sob a denominação BN;
- o oxido de zinco é aquele comercializado pela sociedade Sl- LAR S.A sob a denominação ZnO;
- o fluoreto de grafite é aquele comercializado pela sociedade
ARC sob a denominação CFx;
- o di-sulfeto de estanho é aquele comercializado pela sociedade CHEMETALL sob a denominação SnS2;
- o politetrafluoro etileno é aquele comercializado pela sociedade SILAR S.A. sob a denominação PTFR;
- a poliamida-11 é aquela comercializada pela Sociedade AR- KEMA sob a denominação RILSAN B.
EXEMPLO I: lubrificante sólido de classe 1
PE 520 9,0% LANCO 1955SF 15,0% LIGASTAB ZN70 15,0% VISCOPLEX 6-950 5,0% DC56 1,0% BN(lubrificante sólido Classe 1) 10,0% ALOX 606 44,5% IRGANOX L150 0,3% IRGAFOS 168 0,2% EMPLO II: lubrificante sólido de Classe 2 PE 520 9,0% LANCO 1955SF 15,0% LIGASTAB ZN70 15,0% VISCOPLEX 6-950 5,0% DC56 1,0% CFx(lubrificante sólido Classe 2) 10,0% ALOX 606 44,5% IRGANOX L150 0,3% IRGAFOS 168 0,2% EXEMPLO III: Lubrificante sólido de Classe 4
PE 520 9,0% LANCO 1955SF 15,0% LIGASTAB ZN70 15,0% VISCOPLEX 6-950 5,0% DC56 1,0% PTFE(lubrificante sólido Classe 4) 10,0% ALOX 606 44,5% IRGANOX L150 0,3% IRGAFOS 168 0,2%
EXEMPLO IV: Conjunção sinérqica de dois lubrificantes sólidos de Classe 1
PE 520 9,0% LANCO 1955SF 15,0% LIGASTAB ZN70 15,0% VISCOPLEX 6-950 5,0% DC56 1,0% BN(lubrificante sólido Classe 1) 2,0% ZnO (Lubrificante sólido Classe 1) 8,0% ALOX 606 44,5% IRGANOX L150 0,3% IRGAFOS 168 0,2%
EXEMPLO V: Conjunção sinérgica de dois lubrificantes sólidos de Classe 2
PE 520 9,0% LANCO 1955SF 15,0% LIGASTAB ZN70 15,0% VISCOPLEX 6-950 5,0% DC56 1,0% CF(lubrificante sólido Classe 2) 2,0% SnS2 (Lubrificante sólido Classe 2) 8,0% ALOX 606 44,5% IRGANOX L150 0,3% IRGAFOS 168 0,2% EXEMPLO VI: Conjunção sinérqica de dois lubrificantes sólidos de classe 4
PE 520 9,0% LANCO 1955SF 15,0% LIGASTAB ZN70 15,0% VISCOPLEX 6-950 5,0% DC56 1,0% RILSAN B (lubrificante sólido Classe 4) 2,0% PTFE (Lubrificante sólido Classe 4) 8,0% ALOX 606 44,5% IRGANOX L150 0,3% IRGAFOS 168 0,2%
Os exemplos I a Vl podem ser vistos como revestimentos, cuja composição ponderai está nas seguintes faixas:
Matriz 70 a 95% Lubrificantes sólidos 5 a 30%
No que refere-se, a matriz pode ser vista como tendo a compo- sição ponderai nas seguintes faixas:
Polietileno homopolímero 8 a 90% Cera de carnaúba 5 a 30% Estearato de zinco 5 a 30% Derivado de sulfonato de cálcio 0 a 50% Polimetacrilato de alquila Oa 15% Corante Oa 1% Antioxidante Oa 1% Silicone (elemento tensoativo) 0 a 2%
O silicone é, de preferência, o polidimetilsiloxano ou o DC56 (comercializado pela sociedade DOW CORNING).
Opcionalmente, o revestimento compreende moléculas de pelo menos um fulereno de geometria esférica.
Na prática, a espessura do revestimento está geralmente com-
preendida entre 10 pm e 50 pm. O revestimento pode ser também aplicado sobre uma superfície de estanqueidade apta a estar em contato estreito estanque com uma super- fície de estanqueidade correspondente de um segundo elemento filetado após ligação por parafusação dos dois elementos filetados.
Para simular condições de trabalho, procede-se a um teste de
parafusação e de desaparafusamento, no qual a luva 40 (figura 5) que com- porta o elemento fêmea é mantida verticalmente no freio fixo 41 de uma chave de parafusação e do elemento macho, formado na extremidade inferi- or de uma tubulação curta 42 dita "junta pup" disposta verticalmente, é pré- parafusada manualmente no elemento fêmea.
O elemento macho é, então, preso no freio móvel 44 da chave de parafusação e parafusado no elemento fêmea com uma velocidade de rotação inicial de 16 rpm, e diminuição da velocidade em fase final até anu- lação, quando é atingido um binário nominal de parafusação da junta filetada não revestida, que é de 20 100 N.m no exemplo.
O desaparafusamento é feito de maneira simétrica, isto é, a uma velocidade de rotação crescente.
Vários ciclos de parafusação e de desaparafusamento puderam ser realizados nessas condições sem degradação das partes constitutivas dos elementos filetados.
Claims (43)
1. Elemento filetado para uma junta filetada tubular resistente ao gripagem, comportando uma filetagem recoberta de um revestimento pouco espesso no estado sólido não-colante ao toque e aderente ao substrato que compreende uma matriz sólida e, nessa matriz, uma dispersão de partículas de pelo menos um lubrificante sólido, caracterizado pelo fato de a matriz só- lida ser lubrificante e apresentar um comportamento reológico do tipo plásti- co ou viscoplástico.
2. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 1, no qual essa matriz apresenta um ponto de fusão compreendido entre 80 e 320°C.
3. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 1 e 2, no qual a matriz comporta pelo menos um polímero termoplástico e meios de reaglomeração de fragmentos, aptos a reaglomerarem os fragmentos formados nas proximidades da superfície desse elemento filetado por atritos.
4. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 3, no qual o polímero termoplástico é o polietileno.
5. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações pre- cedentes, no qual a matriz compreende pelo menos um sabão metálico.
6. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 5, no qual o sabão é o estearato de zinco.
7. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações pre- cedentes, no qual a matriz compreende pelo menos uma cera de origem ve- getal, animal, mineral ou de síntese.
8. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 7, no qual a cera é a cera de carnaúba.
9. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações pre- cedentes, no qual essa matriz compreende pelo menos um inibidor de corro- são.
10. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 9, no qual o inibidor de corrosão é um derivado de sulfonato de cálcio.
11. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 9 e 10 em combinação com uma das reivindicações 5 e 6, no qual o sabão é escolhido para melhorar o tempo de aparecimento da corrosão no teste de nevoeiro salino, segundo a norma ISO 9227.
12. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações precedentes, no qual a matriz compreende pelo menos um polímero líquido de uma viscosidade cinemática a 100°C pelo menos igual a 850 mm2/s.
13. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 12, no qual o polímero líquido é insolúvel na água.
14. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 12 e 13, no qual o polímero líquido é escolhido dentre um polimetacrilato de alquila, um polibuteno, um poli-isobuteno e um polidialquilsiloxano.
15. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações precedentes, no qual a matriz compreende pelo menos um agente tensoati- vo.
16. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações precedentes, no qual a matriz compreende pelo menos um corante.
17. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações precedentes, no qual a matriz compreende pelo menos um antioxidante.
18. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de essa dispersão de partículas de pelo menos um lubrificante sólido comportar partículas de lubrificante de uma Cí- nica das classes 1, 2, 3 ou 4.
19. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 18, no qual as partículas de lubrificantes sólidos são escolhidas dentre partículas de lu- brificante da classe 1, com exclusão de partículas de grafite.
20. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 18 ou 19, no qual as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas de pelo menos um lubrificante sólido de classe 1 escolhido dentre o nitreto de boro e o óxido de zinco.
21. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 18, no qual as partículas de lubrificantes sólidos são escolhidas dentre partículas de lu- brificante da classe 2, com exclusão de partículas de bissulfeto de molibdê- nio.
22. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 18 ou 21, no qual as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas de pelo menos um lubrificante sólido de classe 2 escolhido dentre o fluoreto de grafite, os sulfetos de estanho e os sulfetos de bismuto.
23. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 18, no qual as partículas de lubrificantes sólidos compreendem partículas de pelo menos um lubrificante sólido de classe 4 escolhido dentre o politetrafluoroetileno e a poliamida-11.
24. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 18 a 23, no qual a composição ponderai da matriz é conforme a seguir: Polietileno homopolímero 8 a 90% Cera de carnaúba 5 a 30% Estearato de zinco 5 a 30% Derivado de sulfonato de cálcio 0 a 50% Polimetacrilato de alquila Oa 15% Corante Oa 1% Antioxidante Oa 1% Silicone (elemento tensoativo) 0 a 2%
25. Elemento filetado de acordo com a reivindicação 24, no qual o silicone é o polidimetilsiloxano ou aquele comercializado pela sociedade DOW CORNING sob a denominação comercial DC56
26. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 18 a 25, no qual a composição ponderai do revestimento é conforme a seguir: Matriz 70 a 95% Lubrificantes sólidos 5 a 30%
27. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 18 a 26, no qual a espessura do revestimento está compreendida entre 10 pm e 50 μηι.
28. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações 18 a 27, no qual o revestimento é também aplicado sobre uma superfície de estanqueidade apta a estar em contato estreito estanque com uma superfí- cie de estanqueidade correspondente de um segundo elemento filetado após ligação por parafusação dos dois elementos filetados.
29. Elemento filetado de acordo com uma das reivindicações precedentes, no qual esse revestimento compreende moléculas de pelo me- nos um fulereno de geometria esférica.
30. Junta filetada tubular, compreendendo um elemento filetado macho e um elemento filetado fêmea, caracterizado pelo fato de pelo menos um desses elementos filetados estar como definido em uma das reivindica- ções precedentes.
31. Processo de acabamento de um elemento filetado tubular, no qual se aplica um revestimento antiengripante em camada fina pelo me- nos sobre a superfície da filetagem, de maneira a se conseguir um revesti- mento sólido, caracterizado pelo fato de se submeter a superfície a revestir a um tratamento de superfície própria para melhorar a adesão do revestimento e de os constituintes desse revestimento serem tais como definidos em uma das reivindicações 1 a 30.
32. Processo de acordo com a reivindicação 31, no qual se le- vam os constituintes do revestimento a uma temperatura superior àquela da fusão da matriz e se aplica o revestimento por pulverização desses constitu- intes, compreendendo a matriz no estado fundido.
33. Processo de acordo com a reivindicação 32, no qual se apli- ca o revestimento por projeção através de uma chama de um pó formado pelos constituintes do revestimento.
34. Processo de acordo com a reivindicação 33, no qual se apli- ca o revestimento por pulverização de uma emulsão aquosa na qual os constituintes do revestimento são dispersados.
35. Processo de acordo com uma das reivindicações 31 a 34, no qual o elemento filetado é levado a uma temperatura superior ou igual a 80°C.
36. Processo de acordo com uma das reivindicações 31 a 34, no qual o elemento filetado está à temperatura ambiente.
37. Processo de acordo com uma das reivindicações 31 a 36, no qual esse tratamento de superfície é escolhido dentre os tratamentos mecâ- nicos, os tratamentos químicos e os depósitos não-reagentes.
38. Processo de acordo com uma das reivindicações 31 a 37, no qual a superfície a ser revestida é uma superfície metálica e esse tratamento de superfície é um tratamento de conversão química dessa superfície.
39. Processo de acordo com a reivindicação 38, no qual esse tratamento de conversão química é uma fosfatação.
40. Processo de acordo com uma das reivindicações 31 a 39, no qual esse tratamento de superfície é seguido de um tratamento de impreg- nação da rugosidade ou das porosidades da superfície a ser revestida (12) por nanomateriais (11) com ação anticorrosão.
41. Processo de acordo com a reivindicação 40, no qual esses nanomateriais são partículas (11) de óxido de zinco.
42. Processo de acordo com uma das reivindicações 40 e 41, no qual esses nanomateriais têm um tamanho mediano de partículas da ordem de 200 nm.
43. Processo de acordo com uma das reivindicações 40 a 42, no qual esses nanomateriais são aplicados sob a forma de dispersão.
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