Condição de fornecimento para a indústria de petróleo e gás

Os AISM são fornecidos temperados e revenidos, com dureza máxima na faixa de 283- 290 HV (NACE 15156-3, 2010; SUMITOMO, 2018) e microestrutura constituída de martensita revenida, com quantidade considerável de austenita revertida, estável na temperatura ambiente

82 e finamente dispersa (0,1 – 0,2 de fração volumétrica), além de precipitados do tipo MCN (DIAS, 1980; KIMURA, 2000; KONDO, 2003, MA, 2012). Um exemplo de microestrutura típica no AISM é mostrado na Figura 3. 1, onde é possível observar a presença de austenita revertida (γr), martensita revenida (α’r) e precipitados do tipo Ti (C, N).

Para se atingir a dureza requerida (283-290 HV) são necessários tratamentos térmicos de revenimento intercrítico simples ou múltiplo dentro da faixa intercrítica entre Ac1 e Ac3. As melhores propriedades mecânicas para aplicações na indústria do transporte de petróleo e gás têm sido encontradas quando são usadas temperaturas de revenimento ligeiramente superiores à Ac1 (BILMES, 2001; BOJACK, 2012; LEEM, 2001; ZOU, 2010). Isto está diretamente relacionado à presença de austenita revertida, nanométrica e estável, numa matriz de martensita revenida.

A austenita revertida nos AISM confere plasticidade induzida por transformação, denominada de efeito TRIP (Transformation-Induced Plasticity) (BILMES, 2001; KARLSEN, 2009 a); KONDO, 2003), o que aumenta a ductilidade do material em temperatura ambiente e temperaturas criogênicas (CARROUGE, 2004; ENERHAUG, 2002; LIU, 2011; MA, 2012; SILVA, 2011). Assim, a resistência mecânica, a tenacidade e resistência à corrosão dos AISM são altamente dependentes da distribuição, tamanho e quantidade de austenita revertida. Porém, a austenita revertida só pode ser caraterizada mediante microscopia eletrônica de transmissão ou técnicas composicionais de alta resolução como a Tomografia de Sonda Atômica, devido ao seu tamanho típico entre 30 e 500 nm.

A presença de MCN tem sido reportada como benéfica nos AISM. Segundo LO, 2009, a formação de precipitados do tipo Ti (C, N) atrasa a formação de M23C6, diminuindo a

susceptibilidade à sensitização. Além disso, segundo o reportado por RODRIGUES, 2007, a presença de nanoprecipitados de Ti (C, N) aumenta a resistência mecânica e a tenacidade ao impacto. No entanto, o crescimento excessivo destes precipitados pode gerar perda da ductilidade. Como mostrado por YOO, 2005, o tamanho crítico de partículas que favorece a nucleação de trincas é de 3 μm para o caso de um aço inoxidável austenítico do tipo 347.

Devido à microestrutura martensítica, os AISM têm maior resistência mecânica quando comparado com qualquer família de aço inoxidável usada na indústria de transporte de petróleo e gás. O requerimento mínimo de resistência ao escoamento dos AISM é de 550 MPa (80 KSI ou grado X80), não obstante, podem ter resistências de até 800 MPa dependendo dos elementos de liga e a fração de fases presente. Comparado com os inoxidáveis martensíticos 13Cr - 4Ni e AISI 410, estas ligas têm maior tenacidade e resistência à corrosão, devido a seu baixo teor de

83 carbono e à adição de níquel e molibdênio. A comparação entre as propriedades mecânicas do aço ao carbono X65, o inoxidável duplex e o inoxidável supermartensítico pode ser vista na

Tabela 3. 2. É possível notar que a resistência máxima de projeto é 22 % maior para o aço

supermartensítico (AISM S13Cr) quando comparado com o aço carbono e o duplex. Portanto, a espessura de parede, peso e custo das tubulações podem ser reduzidos.

Tabela 3. 2. Propriedades mecânicas de diferentes aços usados na indústria do gás e petróleo (LANGE, 2004). REME: resistência ao escoamento mínima especificada.

Material Resistência máxima de projeto (MPa) Resistência real (MPa) X65 Aço carbono 338 556 AISM S13Cr 413 648 Duplex steel S32205 338 630

Tem sido relatado que as propriedades mecânicas dos AISM são dependentes da temperatura de revenimento, devido principalmente à presença de austenita revertida (γr). Na

condição de têmpera, os AISM têm maior resistência mecânica e menor ductilidade. Para atingir os requerimentos técnicos para uso em campo para a indústria de petróleo e gás, é necessário diminuir sua dureza até valores tipicamente abaixo de 290 HV.

O efeito de diferentes temperaturas de revenimento para três diferentes AISM ligados com nitrogênio e estabilizados com nióbio e vanádio pode ser observado na Figura 3. 24 (MA, 2012). A resistência ao escoamento (Figura 3. 24 a) diminui levemente após revenimentos em temperaturas entre 500 e 600 °C, devido à baixa reversão de austenita e à tendência ao endurecimento secundário por precipitação de carbonetos. A diminuição da resistência à tração (Figura 3. 24 b) é mais acentuada. Por outro lado, para revenimentos acima de 600 °C, pode- se observar uma redução mais acentuada nestas duas propriedades, atingindo valores mínimos para as temperaturas de revenimento entre 625 e 650 °C. Consequentemente, a redução de área e a tenacidade ao impacto Charpy (Figura 3. 24 c e d, respectivamente) aumentam progressivamente, evidenciando valores máximos nesta mesma faixa de temperaturas. A partir de 650 °C é possível observar aumento na resistência mecânica e diminuição na ductilidade. Isto está relacionado com a geração de uma microestrutura com maior presença de martensita

84 nova (α’n) e menor presença de γr. O pico máximo na tenacidade ao impacto, na faixa de

temperaturas entre 625 e 650 °C, pode ser relacionado diretamente com a maximização da fração volumétrica de γr após revenimento (Figura 3. 24 e). A faixa de revenimentos

intercríticos entre 600 e 650 °C permite obter durezas entre 300 e 270 HV (LIU, 2011; SILVA, 2011). Isto possibilita a produção de microestruturas que atingem os requerimentos das normas DNV-OSS-101, 2011 e ISO 15156-3, 2010.

Para AISM do tipo 12Cr-6,5Ni-2,5Mo-0,01C % em peso, sem adição de nitrogênio, vanádio e nióbio, a tenacidade ao impacto é fortemente afetada pela presença de ferrita δ, como mostrado na Figura 3. 25. Segundo o relatado por CARROUGE, 2002, a energia absorvida para o AISM com matriz martensítica, 2 % de ferrita δ e 13 % de γr em volume, é muito estável

ainda para temperaturas criogênicas de - 80 °C. Não obstante, a presença de 14 % em volume de ferrita  pode comprometer gravemente a temperatura de transição dúctil-frágil e a absorção de energia abaixo de -40 °C. A variação da tenacidade ao impacto e da dureza de um AISM estabilizado com titânio é mostrada na Figura 3. 26. O aumento da tenacidade e a diminuição da dureza entre 600 e 650 °C está relacionado à presença de austenita revertida, correspondente a porcentagens volumétricas de 1 e 9 %, respectivamente.

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Figura 3. 24. Variação de a) resistência ao escoamento; b) resistência à tração; c) redução de área; d) energia de impacto Charpy; e, e) porcentagem volumétrica de austenita revertida em função da temperatura de revenimento para três aços inoxidável supermartensíticos. Adaptado de MA, et al. 2012.

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Figura 3. 25. Curvas de tenacidade ao impacto Charpy de um AISM do tipo 12Cr-6,5Ni- 2,5Mo-0,01C % em peso, em diferentes condições microestruturais. As microestruturas analisadas consistiram em martensita revenida (α’r) + 13% de austenita revertida (γr) e 2 % de

ferrita ; e martensita nova (α’n) + 14% de ferrita . Adaptada de CARROUGE, 2002.

Figura 3. 26. Variação da dureza e da tenacidade ao impacto a 22 °C em função da temperatura de revenimento. Adaptado de SILVA, 2011.

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