A influência da geometria do cordão de solda sobre a qualidade de tubos para transporte de gás
Há dois métodos de ensaio consagrados para identificar previamente os danos causados por fluência e por alongamento cíclico em juntas soldadas presentes em tubos para condução de vapor sob alta pressão. O ensaio para detecção de trincas superficiais pelo método magnético de corrente de fuga é capaz de fornecer resultados consistentes assim que surgem as primeiras trincas, enquanto a análise da microestrutura superficial é capaz de prever os danos iniciais decorrentes da fluência. Contudo, isso somente é conseguido quando os danos se localizam na superfície. Essa abordagem não proporciona nenhuma vantagem no caso de juntas soldadas circunferenciais com geometria em forma de "cogumelo", confeccionadas por meio do processo de soldagem em múltiplas camadas
Autor(es): Gereon Lüdenbach
A análise da microestrutura superficial com auxílio da técnica de réplica de folmes vem sendo usada com sucesso já há muitos anos para a determinação do real valor da vida útil decorrida em componentes para dutos tubulares submetidos a solicitações de fluência. Em 1992, foi elaborada uma publicação sobre o assunto, denominada "Quadro para avaliação da morfologia microestrutural e danos de fluência em aço resistente ao calor para dutos tubulares de alta pressão e componentes para vasos de pressão" (TW 507) (1) por um grupo de trabalho da VGB (Vereinigung der Grosskesselbesitzer ou Associação alemã dos usuários de vasos de pressão de grande porte), a qual foi revisada pela primeira vez em 2005. Nesse ano foi publicado um novo trabalho, o qual descreveu os ensaios a serem efetuados nas juntas soldadas. A publicação seguinte deveria ter como tema a influência da geometria da junta soldada sobre a viabilidade da análise da microestrutura superficial com auxílio da técnica de réplica de filmes, tomando como exemplo os danos existentes em um duto tubular de vapor.
Geralmente, nos dutos que trabalham sob alta pressão – como, por exemplo, nas tubulações de vapor com parede espessa usadas em usinas termelétricas – são utilizadas juntas soldadas com geometria em "U" (tulipa) ou em "V". Se surgirem cargas adicionais altas e inadmissíveis no sistema de dutos tubulares, o momento de flexão resultante pode levar à formação de trincas decorrentes de alongamentos cíclicos na região dos cordões de solda ou a danos de fluência na zona termicamente afetada (ZTA) das juntas soldadas circunferenciais, a qual apresenta menor resistência mecânica. Devido a esse problema, foram feitos estudos sobre ensaios cíclicos das regiões submetidas a altas solicitações mecânicas usando diferentes métodos de ensaios não destrutivos, incluindo aqueles que se baseiam na análise da microestrutura superficial. A partir de um número suficientemente alto de testes executados em diferentes locais distribuídos ao longo do perímetro do tubo, seria possível, já em um estágio bem preliminar, comprovar o progresso dos poros de fluência formados na microestrutura do material.
Neste caso específico frequentemente se observa uma geometria do cordão que apresenta camadas adicionais de solda, em ambos os lados do passe final, na transição ao metal-base. Essa junta soldada com múltiplas camadas, do tipo "cogumelo", faz com que surja um estado de tensões multiaxial no quadrante abaixo da superfície entre o flanco do cordão e as camadas adicionais de solda aplicadas, o qual leva à formação dos primeiros poros de fluência no interior do material e não mais, conforme era esperado originalmente, sobre a superfície do componente. Esse tipo de junta não apenas restringe a aplicação de ensaios, como também mais tarde apresentará os primeiros sinais detectáveis de trincas formadas por fluência. Tal situação precisa ser levada em conta nos ensaios cíclicos das juntas soldadas e, eventualmente, pode levar à substituição da análise microestrutural dos cordões circunferenciais em favor da execução mais minuciosa de ensaios para detecção de trincas
Diferentes mecanismos de danos
Nas termelétricas convencionais, os dutos tubulares para fluidos aquecidos conduzem água e vapor aquecidos – por exemplo, são tubos usados para a condução de água sob pressão para caldeiras, para a evacuação de ar, para a remoção de água e condensado; bem como para conduzir vapor "vivo" e reaquecido. O procedimento dos ensaios cíclicos em tais componentes de equipamentos nas termelétricas acionadas por combustíveis fósseis é descrito na instrução R 509 (2) da VGB. Basicamente, ela distingue os condutos tubulares devido à faixa de limite de escoamento a quente correspondente à sua temperatura de operação e à condição de fluência. São empregados diversos métodos de ensaios não destrutivos devido aos diferentes mecanismos esperados de danos. Enquanto a faixa de limite de escoamento a quente normalmente é determinada pela ocorrência de trincas nos ensaios sob alongamento cíclico, sendo que sob temperaturas mais altas podem também surgir trincas decorrentes de fluência e, adicionalmente, trincas causadas pela sobreposição dos danos causados por fluência e pelo alongamento cíclico (danos causados por fluência cíclica). Uma vez que a junta soldada circunferencial não é plenamente requerida por meio de solicitações puras decorrentes da pressão interna, o aparecimento dos danos demanda então a presença de cargas adicionais aplicadas sobre o sistema de dutos tubulares. Nesse caso, as cargas adicionais são resultantes da restrição da expansão térmica dos componentes da estrutura tubular, a qual pode levar não só a momentos de flexão, como também a cargas de tração axial na tubulação. Normalmente, essas tensões são reduzidas por mecanismos de relaxação que atuam ao longo da vida útil do componente, que gira em torno de alguns poucos milhares de horas, de forma que processos mecânicos desse tipo precisam ocorrer de forma múltipla para causar os danos correspondentes. O objetivo dos ensaios cíclicos efetuados em tais componentes tubulares é detectar, o mais rápido possível ao longo de sua vida útil, a formação de poros de fluência ou de trincas, a partir das revisões já feitas sobre análises usando corpos de prova extraídos aleatoriamente de componentes submetidos a altas solicitações mecânicas (componentes tubulares do tipo conexões em forma de "Y" ou "T") ou seções tubulares (juntas soldadas), visando à tomada de medidas adequadas para impedir, de forma consistente, a ocorrência de defeitos durante a operação. Devido às diferentes configurações das solicitações mecânicas e da evolução esperada dos danos, é necessário efetuar vários ensaios em componentes tubulares/regiões dobradas dos tubos e em juntas soldadas não totalmente solicitadas (cordões circunferenciais) e analisar seus resultados. Enquanto os danos de fluência ocorridos nos componentes tubulares/regiões dobradas dos tubos se localizam na zona de flexão e tração (extradorso), envolvendo um volume de material relativamente grande, nas juntas soldadas a ocorrência de danos está limitada à ZTA. A ocorrência de danos prévios, como a formação de poros de fluência e de microtrincas na curvatura do tubo, leva ao rompimento do componente, ou seja, à ocorrência de fratura antes do vazamento, enquanto danos decorrentes de solicitações excessivas sobre a junta soldada circunferencial basicamente leva a vazamentos (ocorrência de vazamento antes da fratura). Assim, devido ao maior potencial de danos associados a falhas nas regiões dobradas dos tubos, os testes efetuados nesses componentes são prioritários em relação aos executados nas juntas soldadas circunferenciais. Contudo, do ponto de vista da disponibilidade da usina, a detecção prematura de trincas nas regiões das juntas soldadas não é menos importante para o operador.
Deslocamento na direção da superfície externa
Não haverá ocorrência de danos caso a operação da usina seja efetuada dentro das condições especificadas e dentro da vida útil prevista para o componente. Ainda assim, eventualmente são observados danos ao longo da operação e também nos ensaios cíclicos efetuados sobre as juntas soldadas. A princípio, nem todas as juntas soldadas no interior de um tubo são solicitadas da mesma forma; portanto, a seleção da junta soldada a ser ensaiada requer a análise dos resultados dos cálculos que foram efetuados ao se projetar as tubulações.
Inicialmente, a pressão interna constitui a tensão máxima aplicada na direção do perímetro sobre a região da super fície interna do tubo. Sua magnitude diminui ao longo do tempo de operação da planta, devido à deformação provocada pela fluência, o que faz com que elas se orientem parcialmente na direção da superfície externa. Devido a
Fig. 1 – Situação das solicitações de uma junta soldada não totalmente solicitada (junta circunferencial) no interior de uma tubulação de alta pressão (em consequência de uma solicitação pura de pressão interna (a), e em consequência da sobreposição de forças adicionais (momento de flexão) (b)).
esse deslocamento das tensões e ao maior grau de multiaxialidade na região da superfície externa do tubo, ocorrem nesse local danos com intensidade máxima, na forma de poros de fluência, após períodos mais prolongados de operação. A sobreposição dessas tensões primárias com as tensões axiais secundárias adicionais, por exemplo, decorrentes de expansões térmicas restringidas, pode fazer com que seja ultrapassado o limite de resistência do material a danos causados por fluência, provocando a formação de poros de fluência. Assim sendo, a superfície externa do tubo constitui o local que favorece a ocorrência de danos máximos provocados por solicitações cíclicas – e, portanto, é o adequado para se efetuar os ensaios. Contudo, as cargas adicionais sobrepostas aqui descritas não devem causar obrigatoriamente os
Fig. 2 – Diferentes microestruturas na região de uma junta soldada (aço 14MoV6-3)
danos de fluência. Eles igualmente podem ser decorrentes de trincas surgidas pela aplicação de alongamentos cíclicos, as quais igualmente ocorrem sobre a superfície externa do tubo em quase todos os casos. Portanto, também pelo aparecimento das trincas causadas por alongamentos cíclicos, a superfície externa do tubo é o local preferencial para a execução dos ensaios já citados. Apenas em alguns poucos casos especiais o início das trincas decorrentes de tais danos também pode ser constatado na superfície interna dos tubos.
Ensaios para detecção de trincas superficiais
A determinação dos dois tipos de danos já mencionados – danos causados por fluência e esgotamento da vida útil do componente devido à ocorrência de alongamento cíclico – pode ser essencialmente feita por dois métodos de ensaios não destrutivos: detecção de trincas superficiais e análise de microestrutura superficial. Anteriormente, as trincas causadas por fluência só podiam ser caracterizadas macroscopicamente com auxílio de ensaios para detecção de trincas superficiais, preferencialmente pelo método magnético de corrente de fuga. Mas agora é possível determinar, de maneira confiável, danos microscópicos, na forma de poros de fluência, pela análise da microestrutura superficial pela técnica de réplica de filmes. Tal análise microscópica preliminar não produz resultados evidentes no caso da ocorrência exclusiva de solicitações por alongamento cíclico, já que ainda não há nenhum método de ensaio confiável para constatar as alterações microestruturais que ocorrem antes da propagação propriamente dita da trinca. Nesse caso é viável caracterizar os danos, da forma mais precoce possível, pelo modelamento da trinca.
Como já foi mencionado anteriormente, a causa para o surgimento de danos na junta soldada geralmente é a sobreposição das solicitações decorrentes da pressão interna do tubo com cargas adicionais na forma de momentos de flexão. Portanto, os danos não se encontram distribuídos em toda a junta, mas sim em regiões localizadas, nas quais a solicitação adicional de flexão provocou a formação de tensões de tração (figura 1, pág. 18). A execução dos ensaios não destrutivos deve se concentrar nessas regiões. Contudo, uma vez que se conhece a posição das solicitações adicionais de tração somente em casos muito isolados, é recomendável que o exame de uma junta soldada se inicie a princípio com um ensaio para detecção de trincas superficiais em todo o perímetro do tubo, seguindo então
Fig. 3 – Representação esquemática das diferentes transformações microestruturais que ocorrem nas várias regiões da junta durante a execução do processo de união por soldagem, devido ao diagrama de fases ferro-carbono e do perfil de temperatura que se estabelece na direção vertical em relação à linha de fusão.
a análise da microestrutura superficial. Caso os ensaios constatem a presença de trincas, elas deverão ser detalhadamente caracterizadas pela análise da microestrutura superficial. Se, por outro lado, nada for constatado, então não há indicações sobre em qual posição ao longo do perímetro ocorreu a solicitação máxima. Nesse caso, a análise da microestrutura superficial deve ocorrer em três ou quatro posições uniformemente distribuídas ao longo do perímetro do tubo. Também aqui, conforme os resultados obtidos, os cálculos feitos anteriormente durante o projeto da tubulação poderão ajudar a determinar a região que se encontra sob altas solicitações mecânicas.
O acúmulo de danos causados por fluência é favorecido na ZTA
Geralmente, as juntas soldadas confeccionadas em tubulações de alta pressão apresentam os assim chamados formatos geométricos em "U" ou de tulipa. Durante a execução da soldagem, o metal-base adjacente ao cordão, que não foi fundido, é submetido a temperaturas de tal magnitude que conduzem a alterações significativas na microestrutura (figura 2, pág. 18). A morfologia microestrutural que então surge nesta zona termicamente afetada (ZTA) e as propriedades do material dela decorrentes dependem fortemente da temperatura, do tempo de permanência sob ela e das condições de resfriamento. As zonas microestruturais que se formam na junta soldada podem ser determinadas no caso dos aços não ligados com auxílio de um diagrama de fases ferro-carbono. Contudo, nesse caso deve-se considerar que esse diagrama só vale para condições de equilíbrio metaestável; portanto, quando a junta soldada for submetida a maiores velocidades de resfriamento, esse diagrama deve ser utilizado de forma restrita (figura 3, pág. 20).
A zona fundida é nitidamente separada do metal-base pelas linhas de fusão. Ela é formada a
Fig. 4 – Fator de redução pela soldagem devido à temperatura
partir do metal de adição fundido e do metal-base que também se funde, sendo pouco ou muito pouco visível ao microscópio óptico. A zona de grãos grosseiros a ela associada, situada no metalbase, resulta das altas temperaturas reinantes durante a soldagem, as quais levam a um forte crescimento dos grãos da austenita, o que também é favorecido pela solubilização dos nitretos e carbetos. Seguindo um pouco mais na direção do metal-base, surge uma região que foi submetida a temperaturas que mal ultrapassaram a temperatura Ac3 , a assim chamada zona de grãos refinados. Ao contrário do que ocorre na zona de grãos grosseiros, nessa região específica da zona termicamente afetada volta a ocorrer a precipitação de carbetos e nitretos, os quais viabilizam a formação de núcleos e criam condições favoráveis para a formação de uma microestrutura com tamanho de grão refinado. Na faixa de temperaturas entre os pontos Ac 3 e Ac 1 surge (no caso de aços de baixa liga ou não ligados) a assim chamada zona de decomposição da perlita,ou intercrítica. Devido às baixas temperaturas características dessa zona, somente as regiões perlíticas da microestrutura sofrem austenitização, já que sofreram decomposição antes da ferrita. A estrutura em forma de lamelas da cementita
Fig. 5 – Típica evolução da trinca em juntas soldadas circunferenciais em tubulações (no caso de solicitações de fluência ao longo da zona termicamente afetada (a), no caso de solicitações decorrentes de alongamento cíclico, normalmente a partir da superfície externa na transição entre a camada superficial do último passe de soldagem e o tubo e, bem mais raramente, a partir da superfície interna do tubo, na transição entre a raiz do cordão de solda e o tubo (b)).
é solubilizada, assumindo então formato globular. Seguindo para regiões ainda mais distantes da linha de fusão encontram-se as zonas de revenido e, caso tenha sido previamente aplicado um grau crítico de deformação, a zona de recristalização. A zona de grãos finos e a zona intercrítica apresentam menor resistência à fluência em relação ao metal-base, o que deve ser levado em conta no projeto, por meio de uma redução adicional de 20% no limite inferior da banda de dispersão da resistência mecânica ao longo do tempo. Essa condição é considerada no fator de redução pela solda, o qual expressa a redução da resistência à fluência em relação ao valor médio do metal-base (figura 4, pág. 21). A princípio, esse fator é função do material e também da temperatura, sendo em regra adotado nos projetos o valor de 0,64 para todos os tipos de aço para trabalho a quente.
No caso em que também estiverem presentes elevadas solicitações de fluência sobre a junta soldada circunferencial, ocorrem então danos no material na forma de poros de fluência, cadeias de poros, microtrincas e, finalmente, macrotrincas no interior das regiões de grão fino ou intercrítica da zona termicamente afetada (figura 5). Conforme mencionado anteriormente, geralmente se pode assumir que essas trincas se formam espontaneamente sobre a superfície, propagando-se então na direção da superfície interna do tubo. Por sua vez, as trincas decorrentes de alongamentos cíclicos inicialmente se nucleiam sobre a superfície, preferencialmente nas regiões que contêm entalhes – por exemplo, a transição entre a região correspondente ao passe final de solda sobre a superfície e a superfície do tubo e, em raros casos, também entre a raiz do cordão de solda e a superfície interna do tubo (figura 5b). Em todos os casos as trincas não se orientam para zonas definidas da microestrutura; na verdade, elas se propagam, aproximadamente na direção vertical, rumo à respectiva superfície do componente. Exemplos dos tipos de trinca aqui descritos e sua propagação estão mostrados nas figuras 6(a) e 6(b) (pág. 24).
Danos ocorridos por fluência no interior do material
Neste trabalho ainda foi verificado que, conforme as circunstâncias, os danos mais severos causados por fluência também podem ocorrer no interior do material. Foi o caso de um conduto que operava sob altas temperaturas em um superaquecedor intermediário, feito de aço para trabalho a quente do tipo P91 (X10CrMoVNb9-1/1.4903), de uma termelétrica que operava com gás e vapor. Os danos surgiram após aproximadamente 80.000 horas de operação e se manifestaram por meio de um vazamento de vapor na região de uma junta soldada. Por meio de uma detalhada análise da seção transversal do tubo que foi explorada, conseguiu-se identificar o mecanismo dos danos que foram originados por fluência, com participação decisiva de solicitações cíclicas (figura 7, pág. 25).
Uma das descobertas surpreendentes feitas a partir dessa análise foi a constatação, na região no interior da junta soldada, de uma formação acentuada de poros causados por fluência e que deve ter constituído a primeira ocorrência de separação macroscópica do material. Aqui os danos com máxima gravidade não se localizaram na superfície, mas sim a uma profundidade de aproximadamente 4 a 5 mm abaixo da superfície do componente, na região delimitada pela camada do passe final e pela camada intermediária de solda, onde foram deliberadamente sobrepostos cordões adicionais na transição entre a camada do último passe de solda e a superfície do tubo. Isso faz com que o cordão de solda assuma formato mais ou menos pronunciado de "cogumelo" (figura 8, pág. 25).
Devido às diferentes características da deformação causada pela fluência do metal depositado pelo processo de soldagem, metal-base e na microestrutura da zona termicamente afetada, aparentemente surgiu maior grau de multiaxialidade nessa região, fazendo com que as correspondentes tensões adicionais
Fig. 6 – Trincas de fluência ao longo da zona termicamente afetada na junta soldada circunferencial de um condutor de vapor vivo (aço 14 MoV6-3) (a), trinca decorrente de alongamento cíclico, a qual se nucleou na superfície interna do tubo e se propagou pelo metal depositado pelo processo de soldagem (b).
promovessem uma elevada incidência de poros por fluência. Também foram constatadas nessa região as primeiras falhas ocorridas no material, na forma de macrotrincas, as quais se propagaram tanto para a superfície interna como externa do componente. Em razão da distância muito pequena até a superfície externa do componente, e das solicitações mecânicas muito mais altas atuantes nesse local, a trinca que se propaga para essa região progride de forma significativamente mais rápida do que a que tomou o rumo da superfície interna. Dessa forma, durante um tempo de operação relativamente longo se mantém a possibilidade de que análises da microestrutura superficial, executadas em caráter periódico, consigam detectar a trinca a tempo. Por outro lado, isso também implica o fato de que não há uma janela de tempo suficientemente ampla para que a análise da microestrutura superficial detecte danos antes do surgimento da trinca. No momento não está claro qual é a fração efetiva de juntas soldadas presentes em tubulações de vapor sob alta pressão que precisa ser inspecionada. Quando essa fração é superior à metade, então é necessário questionar a execução de análises da microestrutura superficial, uma vez que, nesse caso, tal ensaio não mais oferece vantagens em relação aos testes para detecção de trincas.
Concluindo, pode-se deduzir, a partir dos resultados empíricos e de análises experimentais, que há dois métodos de ensaios consagrados disponíveis para efetuar a detecção precoce, tanto dos danos causados por fluência, como também dos provocados por alongamentos cíclicos, em juntas soldadas presentes em tubulações de vapor sob alta pressão. Contudo, o ensaio para detecção de trincas pelo método magnético de corrente de fuga fornece resultados consistentes só depois que forem formadas as primeiras trincas, en-
Fig. 7 – Junta soldada circunferencial, feita com aço P91, submetida a solicitações de fluência, que apresentou danos em grau máximo abaixo da superfície do componente (à esquerda: conexão da tubulação com trinca que já penetrou pela parede; à direita: conexão de um cotovelo em forma de "T" com nítida formação de poros de fluência no interior do material).
quanto a análise da microestrutura superficial teoricamente possui condições de prever antecipadamente o início dos danos de fluência. Conforme este trabalho mostrou, isso somente é válido quando os danos se encontram localizados diretamente sobre a superfície. Já no caso de juntas soldadas circunferenciais, cujo cordão apresenta geometria em forma de "cogumelo", a análise da microestrutura superficial não oferece qualquer vantagem em relação aos ensaios para detecção de trincas. Uma vez que os operadoresde ensaios não destrutivos desconhecem se o objeto a ser testado apresenta cordão de solda com essa geometria, recomenda-se então não efetuar a análise microestrutural do cordão de solda em favor da execução minuciosa de ensaios para detecção de trincas, eventualmente feito com maior frequência. Uma vez que os cordões de solda com formato de "cogumelo" permitem que se reduza a incidência de bordas queimadas pelo esmerilhamento do cordão, o que exerce efeito positivo sobre as solicitações decorrentes de
Fig. 8 – Representação esquemática do desenvolvimento de danos de uma junta soldada circunferencial submetida a fluência cujo cordão apresenta formato de "cogumelo" (máxima densidade de poros de fluência e surgimento de trincas de fluência na região do material abaixo da superfície do componente).
alongamentos cíclicos, não há razão para abandonar esse processo de soldagem.
VGB TW 507: Richtreihen zur Bewertung der Gefügeausbildung und Zeitstandschädigung warmfester Stähle für Hochdruckrohrleitungen und Kesselbauteile und deren Schweibverbindungen. Ausgabe, 2013.
VGB-R 509 L: Wiederkehrende Prüfungen na Rohrleitungsanlagen in fossilbefeuerten Wärmekraftwerken. Ausgabe, 2002.