estudo comparativo dos aços aisi 316l e duplex submetidos à faixa

CONAMET/SAM-SIMPOSIO MATERIA 2002
“ESTUDO COMPARATIVO DOS AÇOS AISI 316L E DUPLEX SUBMETIDOS
À FAIXA DE TEMPERATURA DE 380°C A 480°C USADO EM TROCADOR
DE CALOR”
A. J. Souza1, R.T. Rego1, G.J.A Perez2 e H.F.G. Abreu 1
1-
Universidade Federal do Ceará, Departamento de Engenharia Mecânica, Campus do Pici Bl
714, Fortaleza, Ceará Brasil.
2- Lubrificantes do Nordeste -Lubnor- Petrobrás, Fortaleza, Ceará Brasil
e-mail: [email protected], [email protected] .
RESUMO
Aços inoxidáveis austeníticos e os duplex apresentam boas propriedades mecânicas e resistência
à corrosão quando submetidos à elevadas temperaturas e meios corrosivos. Entretanto, tubos de aço
inoxidável austenítico AISI-316L usados em trocadores de calor da unidade de reformagem a vapor de
uma refinaria, operando na faixa de temperatura de 380°C a 480°C, tem apresentado trincas em períodos
de até 6 meses. Uma tentativa para a correção do problema foi a substituição do aço AISI-316L pelo aço
inoxidável duplex (austenítico-ferrítico). Esse trabalho tem como objetivo comparar a performance destes
aços quando submetidos às mesmas condições de trabalho. Para tanto, foram utilizadas amostras dos
tubos de aços inoxidáveis austeníticos AISI -316L e tubos de aço duplex que estiveram em operação num
trocador de calor durante 6 meses. Os tubos de AISI 316L situados na região superior do trocador
apresentaram trincas. Tubos de aço duplex colocados na mesma região não apresentaram trincas. O
trabalho apresenta uma análise das trincas presentes no aço AISI 316L, uma análise da microestrutura dos
aço duplex submetidos na mesma condição de operação. As análises levaram a conclusão que a
performance do aço duplex foi superior a do aço austenítico AISI 316L que sofreu um processo de
corrosão sob tensão.
Palavras chaves: Aços inoxidáveis, corrosão sob tensão, trocado de calor.
1.
INTRODUÇÃO
1000
100
Tempo de falha (h)
1.1. Corrosão sob tensão em aços inoxidáveis
Corrosão sob tensão é um termo em engenharia
usado para descrever um processo de propagação
de trinca induzido por um determinado meio. A
propagação da trinca é resultado da combinação de
uma tensão mecânica e de uma reação de corrosão
[1].
Um meio bastante comum onde ocorre o processo
de corrosão sob tensão é uma solução aquosa rica
em cloretos. Além da presença de tensão e do meio
a existência de temperatura elevada (>60o C) é
normalmente requerida para a ocorrência de
corrosão sob tensão em aços inoxidáveis.
Os aços inoxidáveis austeníticos são sujeitos a
corrosão sob tensão que podem ser induzidas não
só por ácidos clorídricos mas também por ácidos
fluorídricos ou ácidos politiônicos. Este último
acontece se a superfície estiver sensitizada.
O risco de corrosão sob tensão em aços
inoxidáveis é afetado pela presença de níquel e
pela microestrutura. Conteúdo elevado e baixo de
níquel, conforme apresentado na figura 1,
fornecem ao aço inoxidável uma maior resistência
a corrosão sob tensão.
10
1
0,1
0
10
20
30
40
50
Conteúdo de Ni (%)
Figura 1- Corrosão sob tensão em função do
conteúdo de Ni em uma atmosfera de Mg2Cl2.[2]
Os aços com baixo conteúdo de Ni possuem uma
estrutura ferrítica ou austenítica-ferrítica (aços
duplex). A fase ferrítica em aços inoxidáveis tem
excelente resistência a corrosão sob tensão. Os
materiais com alto teor de Ni são ligas, por
exemplo, da família Sanicro da Sandvik.
Vale salientar que o percentual de Ni não é o
único fator que influencia a resistência a corrosão
sob tensão. O percentual de Mo também tem
efetiva influencia na resistência a corrosão sob
tensão. Percentuais superiores a 4% são
necessários para determinar um efetivo aumento na
resistência a corrosão sob tensão.
-
1.2. Aços Inoxidáveis duplex
A classe de aços inoxidáveis dúplex contém uma
mistura de grãos de ferrita e austenita. Uma
microestrutura completamente ferrítica é formada
durante a solidificação. A transformação parcial
para austenita ocorre durante o resfriamento, com a
precipitação de austenita na matriz ferrítica.
Durante a laminação a quente e recozimento, a
microestrutura conserva -se dentro do campo
bifásico do diagrama de fases Fe -Cr-Ni,
constituindo -se de lamelas alternadas de ferrita e
austenita. Os aços inoxidáveis dúplex são
processados por laminação a quente ou forjamento
e laminação a frio seguido por um recozimento de
recristalização conveniente, e têmpera para
equalizar a proporção das duas fases [3].
A figura 2 apresenta uma microestrutura típica de
um aço inoxidável dúplex.
-
Melhor ductilidade e tenacidade do que os
aços inoxidáveis ferríticos.
Melhor soldabilidade do que os ferriticos,
pelo menos no que diz respeito ao
crescimento de grãos na ZTA e no metal de
base.
O aço duplex quando submetido a
temperat uras em torno de 475o C estão
sujeitos a uma decomposição espinoidal onde
é formada uma fase rica em cromo e bastante
frágil.
2.0 Materiais e Métodos
Num sistema de troca de calor em uma refinaria de
petróleo foi realizada a substituição nas tubulações
de aço inoxidável AISI 304L de ¾” de diâmetro de
uma unidade de gás de reforma.
Os tubos
utilizados no reparo foram de AISI 316L, porém
alguns tubos de Aço Duplex SAF 2205 foram
instalados com o objetivo de analisar o
comportamento.
A tabela I apresenta composição química típica
dos dois aços utilizados no reparo.
Tabela I – Composição típica dos aços AISI 316L
e SAF 2205.
AISI 316L
2205
C
0,04
0,02
Cr
17
22
Ni
12
5
Mo
2,7
3
N
0,06
0,17
Figura 2 Microestrutura de um aço inoxidável
dúplex UNS S31803: a ferríta é a fase escura e a
austenita é a fase clara [4].
A montagem dos tubos no espelho do trocador foi
efetuada após uma operação de mandrilhamento
nas extremidades de modo a permitir o encaixe
com interferência no espelho.
Decorridos seis meses do reparo os tubos de AISI
316L apresentaram vazamento devido a trincas na
região mais próxima do espelho. Os tubos foram
retirados e classificados de acordo com a posição
no trocador.
Foram analisadas as trincas utilizando-se
microscópio ótico e eletrônico de varredura. Foram
feitas análises de micro -dureza Vickers
nas
amostras de AISI 316L e de SAF 2205.
Há dois grandes grupos de aços inoxidáveis
dúplex: as ligas forjadas e as ligas fundidas. Tabela
2.2. Composição de alguns aços inoxidáveis
dúplex fundidos [5].
Como principais características, os aços
inoxidáveis dúplex apresentam:
Excelente resistência a corrosão, conferida
pelas adições de Mo e N e pela elevação do
teor de Cr. Esses elementos aumentam a
resistência a corrosão por pites. Além disso,
por conter cerca de 50% de ferrita, os aços
inoxidáveis
dúplex
possuem
melhor
resistência a corrosão sob tensão do que os
aços inoxidáveis austeníticos.
Resistência mecânica superior a dos aços
inoxidáveis austeníticos e ferríticos, devido
ao efeito de refino de grão obtido pela
estrutura bifásica e ao endurecimento por
solução sólida.
3.0 Resultados e Discussão
Ao ser aberto para reparo, o trocador de calor que
apresentou vazamento, verificou-se que todos os
tubos de AISI 316L da parte superior do trocador
apresentavam trinca na região mais próxima do
espelho. Os tubos da parte inferior, durante a
operação, estão sempre molhados, isto é, sempre
submersos na água. Os tubos da parte superior
porém, são submetidos a
temperaturas mais
elevadas por falta de resfriamento ou por
vaporização na região.
A figura 3 apresenta aspecto de uma trinca
circunferencial na região limite à que sofreu o
processo de mandrilhamento. Os tubos no trocador
são engastados no espelho. Esta região próxima ao
engastamento é a de maior nível de tensão aolongo
de todo tubo. Na análise da trinca observou-se que
ela acontecia da região interna do tubo para a
região externa.
trinca transgranular
intergranular.
Figura 3- Aspecto macroscópico da trinca
circunferencial em tubo AISI 316L com ¾’’ de
diâmetro.
A figura 4 apresenta o aspecto metalográfico da
trinca. A metalografia foi obtida em microscópio
eletrônico de varredura (MEV) com um aumento
de 150 vezes. Observa-se na figura o aspecto
retilíneo da trinca caracterizando ser predominante
de uma trinca transgranular. Na figura 5 pode-se
observar em detalhe a característica transgranular
da trinca.
e
outras
com
aspecto
Figura 6- Aspecto da micrografia da trinca
apresentando características transgranular e
intergranular em tubo de AISI 316L.
Trincas transgranulares em aços inoxidáveis
austeníticos são normalmente originárias da
presença de cloretos e altas tensões residuais. A
presença de cloretos não é usual em uma unidade
de reforma, no entanto o vapor ou o vapor
condensado
injetado
no
trocador
pode
ocasionalmente transportar sólidos ricos em
cloretos em períodos de grande demanda.
A tabela II apresenta resultado da média de 5
microdurezas medidas na região próxima a fratura
e numa região longe da fratura.
Tabela II- Micro-dureza medidas nos tubos de
AISI 316L
AISI 316L
HV
Região Fora da Região
186
de Fratura
Região de Fratura
247
Figura
4Aspecto
de
uma
trinca
predominantemente transgranular em tubo de AISI
316L.
Figura 5- Detalhe do aspecto transgranular da
trinca em um tubo AISI-316L.
A figura 6 apresenta o aspecto tri -dimensional da
trinca apresentando regiões que caracterizam uma
Os valores altos de dureza na região mandrilhada
indicam que os tubos sofreram deformação plástica
nesta região e não foram submetidos a um
tratamento térmico de recozimento após a
deformação a frio. A região deformada a frio
apresenta alto nível de tensões residuais.
A combinação da tensão elevada, meio e
temperatura implicou na falha por corrosão sob
tensão.
Os tubos de aço duplex SAF 2205 não
apresentaram trinca quando submetidos às mesmas
condições de operação. O aço duplex devido a
exis tência da fase ferrítica é mais resistente à
corrosão sob tensão, porém está sujeito à
decomposição espinoidal resultando numa fase
frágil rica em cromo. O não trincamento dos tubos
de aço duplex confirmou a maior resistência à
corrosão sob tensão.
Foram analisadas as microdurezas na região onde
aconteceu a trinca nos tubos de AISI 316L e em
regiões distantes desta. Foi também realizado um
levantamento da dureza ao longo do tubo que ficou
posicionado
na
região
molhada
e
conseqüentemente longe da temperatura de
decomposição espinoidal.
A tabela III apresenta os valores destas durezas
medidas na ferrita. Observa-se que a dureza dos
tubos localizados na região quente é mais elevada
que os localizados na região fria sugerindo o
surgimento da fase α’ rica em cromo. A dureza do
tubo novo é 260 HV.
Tabela III – Micro-durezas medidas na fase ferrita
ao longo dos tubos de aço duplex.
HV- Região Quente
HV- Região Fria
320,0
299,4
342,9
272,0
336,9
280,7
331,2
292,2
328,3
299,4
A caracterização da fase α’ rica em cromo por
metalografia é bastante difícil. A figura 7 apresenta
metalografia óptica de um tubo situado na região
superior que de acordo com os resultados da
medição da dureza apresentam a existência da fase
α’ rica em cromo. Nela não fica caracterizada a
existência de uma outra fase além da ferrita e
austenita.
Figura 7 – Metalografia de tubo de aço inox
situado na região superior do trocador. Aumento:
1500X. Ataque: Murakami. Fase escura: Ferrita,
fase clara: Austenita
4.0 - Conclusão
O trocador de calor de gás de reforma apesar de
não operar com cloretos pode esporadicamente
transportar sólidos ricos em cloretos propiciando
um ambiente favorável ao processo de corrosão
sob tensão em aços austeníticos.
A análise das trincas no aço inoxidável AISI 316L
aponta para um processo de corrosão sob tensão
como causa da falha dos tubos.
O efeito da temperatura no processo de corrosão
sob tensão é marcante já que os tubos da parte
inferior submetidos a temperaturas inferiores não
apresentaram trincas.
O aço inoxidável AISI 316L não resiste a corrosão
sob tensão em meio de ácido clorídrico e
temperatura superior a 400o C.
O aço inoxidável duplex SAF 2205 possui
resistência à corrosão sob tensão em meio de ácido
clorídrico superior ao aço inoxidável austenítico
AISI 316L.
Na temperatura de operação do trocador de calor,
isto é, superior a 400 O C, o aço duplex SAF 2205
forma fase α’ rica em cromo que torna frágil o
material.
5.0 Referências
1.
Jones, R.H., Stress Corrosion Cracking, ASM
International, 4 th Edition, 1999.
2. Sedriks, A.J., Corrosion of Stainless Steel,
John Wiley & Sons, 2nd Edition, 1996.
3. Reick, W., Pohl, M., Padilha, F.A.,
“Recristalization- Transformation Combined
Reactions during Annealing of a Cold Rolled
Ferritc- Austenitic Dúplex Stainless steel”,
ISIJ International vol. 38, nº 6, pp 567-571,
Fev. 1998.
4. Hedin, M., Massoud, J.P., Danoix,F.
“Influence of the Quenching Rate on the
Spinodal Decomposition in a Dúplex stainless
steel”, Journal de Physique IV vol. 6, Coloque
C5, supplément au Journal de Physique III, pp
C5 235-240, Set 1996.
5. Tavares, S.S.M., “O maravilhoso mundo dos
aços inoxidáveis” Apostila do departamento
de Engenharia Mecânica UFF, 1997.