Metalurgia da Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex - PDF
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João Pedro Marreiro Castanho
1 Metalurgia da Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Aspectos Gerais São ligas de uso relativamente recente. Microestrutura tipos austenitico e ferrítico. Em função de seu elevado teor de cromo e de outros elementos de liga e de sua microestrutura, os aços duplex apresentam uma resistência á corrosão superior aos outros tipos em vários meios. Estes aços possuem, também, um limite de escoamento muito superior ao dos austeníticos. 1
2 Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Os aços duplex apresentam um balanço de elementos alfa e gamagênicos em sua composição química de forma que o metal base, após um processamento adequado apresenta uma microestrutura de ferrita e austenita com 30 a 70% de ferrita. Composição, maiores teores de cromo (entre 18 e 28%) e menores de níquel (3,5 a 8%), Além disso, estes aços, em geral, apresentam adições de molibdênio e de nitrogênio. O Mo, junto com o cromo, é um forte estabilizador da ferrita e auxilia na melhoria da resistência á corrosão uniforme e localizada. O nitrogênio favorece e acelera a formação da austenita e a endurece fortemente. Usualmente o nitrogênio permanece dissolvido na austenita. Contudo, um aquecimento a temperaturas superiores cerca de 300 C permite a dissolução de parte deste nitrogênio na ferrita. Caso o material seja resfriado rapidamente, de modo a limitar o retorno desse elemento para a austenita, precipitados de nitreto de cromo são formados na ferrita. Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex 2
3 Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Um aço duplex solidifica-se como ferrita delta ou como ferrita delta mais austenita. No resfriamento até a temperatura ambiente, parte da ferrita se transforma em austenita, mas, devido á baixa velocidade desta reação, um elevado teor de ferrita é mantido. Durante a laminação a quente, realizada entre cerca de 900 e 1200 C, a quantidade de austenita é aumentada e a estrutura típica destes aços, com grãos alongados e alternados das duas fases, é desenvolvida. Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Fragilização: 1 - Fase (Fragilização a 475 C); 2 - Fase sigma (σ); 3 - Fase chi (x): A fase chi se forma preferencialmente nos contornos δ/γ, entre 750 e 950 C, após períodos de tempo menores que os associados com as fases anteriores. Esta fase contém Mo, elemento, em geral, necessário nos duplex. E uma fase dura e frágil que pode comprometer as propriedades mecânicas do aço. 4 - Carbonetos e nitretos: A fragilização pela precipitação de carbonetos (M 23 C 6 ) pode ocorrerem aços duplex com teor mais elevado de carbono. Os carbonatos tendem a formar uma rede em torno dos grãos de austenita que pode fraturar quando o material é solicitado mecanicamente. Devido ao tempo de precipitação relativamente elevado, os três primeiros mecanismos de fragilização indicados não ocorrem, em geral, durante a soldagem, Podem, contudo, ocorrer em componentes que trabalham em temperaturas elevadas. Em função destes problemas, a aplicação de um aço inoxidável duplex é, em geral, limitada a temperaturas de trabalho inferiores a 250 C. 3
4 Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Efeito da fase sigma na tenacidade Energia Charpy V (Joule) Teor de fases intermetálicas (%) Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex A figura 37 permite analisar as alterações microestruturais que ocorrem na ZTA. Para esta composição e para temperaturas de pico muito elevadas (acima de T 2, cerca de 1300 C), a austenita torna-se instável e o material tende a tornar-se completamente ferrítico. Nesta condição, um intenso crescimento de grão ocorre (similar ao que ocorre nos aços inoxidáveis ferríticos). No resfriamento, a austenita volta a ser formada, nucleando nos contornos de grão da ferrita e crescendo como placas com uma estrutura de Widmanstatten. Devido à elevada velocidade de resfriamento associada com a maioria dos processos de soldagem, a quantidade de austenita formada tende a ser menor que a originalmente existente no metal base. Além disso, pode ocorrer a precipitação de nitretos e carbonetos no interior dos grãos de ferrita. 4
5 Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Em resumo, a região da ZTA mais próxima da solda (região B, figura 37) apresenta um aumento do tamanho de grão ferritico, redução da quantidade de austenita e modificação de sua morfologia e precipitação de carbonetos e nitratos. Na zona fundida (região A, figura 37), se o metal de solda tiver composição similar ao metal base, a microestrutura será similar e, adicionalmente, será caracterizada pela existência de grãos colunares (de ferrita) típicos desta zona. Em regiões submetidas a temperatura de pico inferior a T 2, a microestrutura será caracterizada por um crescimento de grão, mas menos intenso do que o que ocorre na região anterior, uma pequena redução na quantidade de austenita, mas sem mudança na sua morfologia (região C, figura 37). A figura 38 mostra a rnicroestrutura da região da solda de um aço inoxidável duplex soldado com o processo GTAW. Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Nas regiões da solda em que a microestrutura é predominantemente ferritica, as propriedades mecânicas, particularmente a tenacidade e a resistência à corrosão podem ser prejudicadas (figura 39). Além disso, quando mais de 80% de ferrita está presente na microestrutura, a solda pode se tornar sensível ao aparecimento de trincas pelo hidrogênio. Na zona fundida, o excesso de ferrita pode ser controlado pelo uso de um metal de adição com maior teor de elementos gamagênicos, principalmente o níquel (cerca de 2 a 3%Ni a mais que o metal base). Na soldagem com proteção gasosa, pode-se adicionalmente usar uma mistura que contenha nitrogênio 5
6 Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Condições de soldagem que resultam em uma baixa velocidade de resfriamento, favorecem maior tamanho de grão ferrítico na ZTA e a precipitação de fases fragilizantes. Por outro lado, uma soldagem que leve a elevadas velocidades de resfriamento favorecem uma maior quantidade de ferrita na ZTA e, assim, a uma perda de tenacidade. Deve-se, assim, procurar as condições de resfriamento adequadas para a soldagem destes aços. Aportes térmicos entre cerca de 0,5 e 2,5kJImm são recomendados 9. Soldagem UNS S31803, S32304 e S32202 Boa soldabilidade (proporção de fases: 45 a 55% ferrita): Metal de adição ER 2209; Energia de soldagem: 0,5 a 2,5kJ/mm; Ar + 1-2%O 2 ou 2 3% CO 2 Soldagem TIG: uso de mistura Ar + 2 a 3% N 2 Vazão de gás: l/min. Soldagem TIG: Gas 99,99% Ar - UNS S ,80mm Soldagem dos Aços Inoxidáveis Duplex Os processos mais utilizados para a soldagem de aços inoxidáveis são: eletrodos revestidos (SMAW), TIG (GTAW) e MIG (GMAW), embora vários outros sejam também usados. O processo SMAW é utilizado em serviços em geral, particularmente no campo e em diferentes posições. O processo GTAW é amplamente utilizado na soldagem de peças de aço inoxidável de menor espessura. O processo GMAW é utilizado para juntas mais espessas, aferindo uma maior rodutividade. Trabalha-se, comumente com corrente contínua e o eletrodo na polaridade positiva. Transferência spray (com gás de proteção de Ar com cerca de 2%O 2 ) e por curto circuito (com misturas Ar-CO 2 ou Ar-He-0 2 -CO 2 ) podem ser usadas. Arames tubulares para a soldagem destes aços já são comuns. A soldagem a arco submerso (SAW) utiliza, em geral, corrente continua e eletrodo na polaridade positiva. 6
7 Diagramas Constitucionais Introdução Schaeffler (1950) DeLong (1960 ~ 1970) Espy (1980) WRC (Welding Research Council) (1990) Bystram (1950) Uso do programa computacional: Schaeffler Diagramas Constitucionais Diagramas de Schaefler 7
8 Diagramas Constitucionais Diagramas DeLong Diagramas Constitucionais Diagramas de Espy 8
9 Diagramas Constitucionais Diagramas WRC 92 Diagramas Constitucionais Domínio dos Aços Inoxidáveis Ferríticos 9
10 Diagramas Constitucionais Domínio dos Aços Inoxidáveis Austeníticos Diagramas Constitucionais Domínio dos Aços Inoxidáveis Martensíticos 10
11 Diagramas Constitucionais Diagrama Schaefler / Bystram Metais de Adição Utilização de diagramas constitucionais. Aços inoxidáveis austeníticos - Metal de adição similar Aços inoxidáveis ferríticos - Metal de adição dissimilar ou similar Aços inoxidáveis martensíticos - Metal de adição dissimilar Aços inoxidáveis duplex - Metal de adição dissimilar ou similar Arames com composição química mais rica que o metal base - Reduzir a perda de elementos durante a soldagem. 11
12 Gases de Proteção MATERIAL AUSTENÍTICO FERRÍTICO MARTENSÍTICO RESTRIÇÕES DE GASES Todos os gases de proteção podem ser utilizados, com ressalvas na quantidade de CO 2 nas misturas. Os gases H 2 e N 2 são proibitivos. Já o CO 2 deve ser evitado em grandes quantidades O gás H 2 é proibitivo. PROBLEMAS Corrosão intergranular na zona fundida H 2 - Trinca à frio; N 2 / CO 2 corrosão intergranular e formação de martensita; H 2 - Trinca à frio. DUPLEX O gás H 2 é proibitivo. H 2 - Trinca à frio. Gases de Proteção De uma forma geral: Argônio/Oxigênio (< 2%) Uso geral Ideal para soldagem pulsada e goticular Argônio/Dióxido de Carbono (<8%) Uso geral Usado mais para curto-circuito Não deve ser usada em aços low carbon Argônio/Dióxido de Carbono(<5%)/Hélio (<10%) Soldagem robotizadas (alta velocidade) 12
13 Gases de Proteção De uma forma geral: Argônio/Dióxido de Carbono(<5%)/Nitrogênio(<2%) ótimo acabamento; ótima penetração; aumenta resistência mecânica e à corrosão qualquer tipo de transferência. Misturas quaternárias (Ar-He-CO 2 -N 2 ) Solução para soldagem MIG duplex Gases de Proteção Gases de Purga: Argônio o mais popular não ajuda no acabamento do cordão (face inferior) Hélio apesar do custo é algumas vezes usado devido sua baixa densidade. Argônio/Hidrogênio(<5%): ideal para gás de purga (proteção e limpeza - redução) só para aços austeníticos Nitrogênio puro ou Argônio/ Nitrogênio: Favorecem estabilização da austenita, reduz a ferrita delta, mas aumenta susceptibilidade à trinca a quente; 13
14 Metal de adição Uma descrição geral das características de acordo com as normas da AWS: ER209 (composição nominal: 22%Cr, 11%Ni, 5,5%Mn, 2%Mo e 0,2%N): Metal de adição usado mais comumente para a soldagem do aço AISI 209. Este material é um aço inoxidável austenítico endurecido com nitrogênio e que apresenta elevada resistência mecânica e boa tenacidade em uma ampla faixa de temperatura. O nitrogênio reduz a capacidade de difusão do carbono e reduz a tendência à precipitação de carbonetos e, assim, à corrosão intergranular da junta na condição como soldada. Este metal de adição tem um teor de elementos de liga suficientemente elevado para ser usado na soldagem de aços dissimilares (por exemplo, aço carbono e aço inoxidável) e para a sua deposição direta como revestimento resistente à corrosão em aço carbono. ER2I8 (17%Cr, 8,5%Ni, 8%Mn, 4%Si e 0,13%N): Metal de adição usado mais comumente para a soldagem do aço AIS Este material é um aço inoxidável austenítico endurecido com nitrogênio e que apresenta elevada resistência mecânica e boa tenacidade em uma ampla faixa de temperatura. A adição de nitrogênio garante urna resistência à abrasão superior à de aços inoxidáveis austeniticos tradicionais como o AISI 304. ER307 (21%Cr, 9,5%Ni, 4%Mn e 1%Mo): Metal de adição usado principalmente para o obtenção de soldas de resistência mecânica moderada e elevada resistência à fissuração entre aços dissimilares como aço austenitico ao manganês e aços carbono. ER308 (21 %Cr e 1 0%Ni): Metal de adição mais comumente utilizado para a soldagem de juntas de composição similar, em particular, do aço AISI 304. Apresenta as variações H, de maior teor de carbono, que é usado para garantir uma maior resistência mecânica a temperatura elevada; L, de baixo teor de carbono e que é usado para garantir uma melhor resistência à corrosão intergranular; Si, de maior teor de silício e que possibilita uma maior fluidez à poça de fusão e facilita a soldagem particularmente como processo GMAW; Mo, com teor de molibdênio mais elevado, e, ainda, LSi e LMo. ERSO9 (24%Cr e 13%Ni): Metal de adição usado comumente para soldar metais base de composição similar na condição como trabalhada ou como fundida. Pode ser usado para soldar o aço AISI 304 em condições em que a agressividade do meio torna necessário um material com maior teor de liga para a solda. É também utilizado na soldagem de metais dissimilares, como no caso da união de aço carbono e aço AlSI 304. Apresenta as variações L, Si. Mo, LSi e LMo. ER3IO (26,5%Cr e 21%Nfl: Usado mais comumente para soldar metais base de composição similar. 14
16 Exemplos 16
24 Solução viável Revestimento de Aço Carbono com Aço Inoxidável Austenítico Esta é uma aplicação muito comum na indústria. Os motivos para esta grande utilização incluem, do lado dos aços carbono e C- Mn de grau estrutural, o seu menor custo em relação aos aços inoxidáveis austeniticos, aliado a uma maior resistência mecânica e a sua resistência à corrosão. Um metal de solda tipo 18%Cr-8%Ni já é suficiente para garantir uma resistência à corrosão adequada. Uma única exceção ocorre quando a região estiver sujeita a problemas de cavitação. Devido à necessidade de se recobrir grandes superfícies, processos de soldagem automáticos, mecanizados ou semi-automáticos e com elevada taxa de deposição, como arco submerso (SAW) e arame tubular (FCAW), são preferidos. Para se garantir uma alta produtividade, um valor elevado de corrente deve ser usado, o que pode levar a uma diluição muito alta (de até 70%) e, assim, alterar significativamente a composição do metal de solda, induzindo a problemas de ordem metalúrgica. Para essas soldagens utiliza o diagrama de Schaefler 24
25 Exemplo Página 82 25
26 Novos Desafios em Aplicações de Aços inoxidáveis 26
27 AS LRCs A Tabela 1 apresenta as principais famílias de LRCs usadas em revestimentos de poços. O primeiro grupo é formado pelas ligas baseadas nos aços inoxidáveis com 13% Cr. O segundo grupo, mais ligado, é formado pelos aços inoxidáveis duplex e superduplex, os quais podem ser usados em limitadas condições de H 2 S e apresentam resistência mecânica superior às ligas austeníticas. Para crescentes temperaturas de operação e agressividade corrosiva surgem os aços inoxidáveis de alto níquel (20 a 40%) e alto cromo (20 a 27%) com alto Mo (até 4%) desde que o enxofre livre não esteja presente e para temperaturas abaixo de 200 C. Neste grupo se destacam as ligas 904 e 825. Nas condições mais severas do poço surge o último grupo de ligas de alto teor de níquel (acima de 50%), como as ligas 625 (9%Mo) e até C276 (16%Mo). A Figura 1 mostra o relacionamento estabelecido da adequação de cada família de LRC em termos de pressões parciais de CO2 e H 2 S. O aumento da corrosividade causada por crescentes teores de CO 2 e H 2 S e a agressividade do sal nos levam às LRCs do quadrante superior direito da Figura 1. CRITÉRIOS DE SELEÇÃO EM FUNÇÃO DA AGRESSIVIDADE AMBIENTAL As LRCs posuem uma baixíssima taxa de corrosão generalizada. Entretanto, o grande desafio imposto pelos meios produtivos é a corrosão localizada, tal como a corrosão por pites e corrosão por frestas e o trincamento causado por condições ambientais tal como a causada pelo trincamento por corrosão por sulfetos sob tensão (SSCC). Especial consideração deve ser dada também à inerente resistência à corrosão das LRCs durante e após a acidificação dos poços e o efeito sinérgico de ácidos e gases por eles gerados (H 2 S e CO 2 ). 27
28 CONCLUSÕES As LRCs devem ser selecionadas diante das reais condições de cada poço e da vida esperada de operação. Os principais aspectos de corrosividade do poço, como pressão, velocidade de fluxo e temperatura devem ser considerados como pontos de partida na seleção. A disponibilidade do material também é fator crítico da escolha. A grande profundidade de exploração à redução de peso, garantida pelas ligas de mais alta resistência mecânica, tornam-nas também mais atrativas. Novos desenvolvimentos, como os aços hiperduplex, visando aumentar não só a resistência mecânica dessas ligas bem como a sua resistência à corrosão devem ajudar os produtores de óleo offshore a vencer o desafio. Os tubos bimetálicos (obtidos por clad mecânico ou metalúrgico) também se apresentam como uma excelente solução para reduzir os custos na utilização das LRCs. 28
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