Caracterização de Juntas Soldadas do Aço Ferrítico ASTM Grau P91 Modificado Soldadas por Arame Tubular com Proteção Gasosa, Antes e Após
Situação de Reparo.
D. T. Pedro - dt.pedro@hotmail.com - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, 20940-240, Rio de Janeiro, Brasil;
M. G. Diniz - Universidade do Estado do Rio de Janeiro; I. Cardote Filho - UTC Engenharia S.A.;
G. C. de Souza - UTC Engenharia S.A.
RESUMO
O objetivo deste trabalho foi analisar e caracterizar juntas de um tubo do aço ASTM A335 grau P91 modificado soldadas pelo processo Arame Tubular com proteção gasosa, antes e após situação de duplo reparo. Foram utilizadas técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise química semiquantitativa por EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), microscopia ótica (MO), além da obtenção de medidas de dureza. A macrografia revelou a existência de umazona termicamente afetada formada no centro da junta reparada e a análise micrográfica mostrou que esta região apresentou tendência a formação de grãos menores do que os da zona de fusão da região que sofreu reparo, além disso, os grãos eram colunares, que não são característicos de uma zona termicamente afetada comum e com quantidade de carbonetos menor, comparativamente.
Palavras-chave: Aço P91, soldagem Arame Tubular, duplo reparo. INTRODUÇÃO
A classe de aços ferríticos Cr-Mo resistentes à fluência é muito utilizada em aplicações na indústria de geração de energia. O aço ASTM A335 grau P91 modificado, pertencente a tal classe, é fabricado para uso em tubulações com aplicações típicas como vaso de pressão em ambientes com alta temperatura (1). O aço ASTM A335 P91 modificado, ou simplesmente P91, é fabricado na forma de tubos sem costura e foi desenvolvido como uma melhoria do aço 9Cr-1Mo mais
básico (P9) pela adição de Vanádio, Nióbio e Nitrogênio para induzir a formação de carbonetos, nitretos e carbonitretos estáveis após ser submetido aos processos de tratamento térmico, em geral normalização, têmpera e revenido. Este aço caracteriza-se por possuir alta condutividade térmica, alta resistência à corrosão sobtensão, baixo coeficiente de expansão térmica, alta resistência à tração, à fluência e à fadiga térmica (2, 3).
Este trabalho buscou analisar e caracterizar juntas de um tubo do aço P91 soldadas pelo processo Arame Tubular com proteção gasosa, antes e após situação de duplo reparo. Embora o processo Arame Tubular seja relativamente antigo e bem estabelecido para os aços P11 e P22, sua utilização na soldagem do aço P91 ainda não está bastante difundida, sobretudo quanto à influência do reparo que, basicamente, é a execução de uma nova solda em uma região que já sofreu efeitos de uma soldagem anterior (4).
MATERIAIS E MÉTODOS
A soldagem do tubo foi realizada pela empresa UTC Engenharia S.A., todos os procedimentos foram efetuados pelos processos TIG na região da raiz (vareta ER90S-B9) e Arame Tubular com proteção gasosa para as regiões de enchimento e reforço (arame E91T1-B9), o metal de base utilizado para a soldagem sofreu previamente tratamento térmico de têmpera e revenido. Para a soldagem do tubo foi utilizada uma junta de topo com chanfro em V e as composições químicas tanto dos consumíveis quanto do metal da base estão de acordo com a norma ASTM A335 de 2006.
Os procedimentos de soldagem do tubo ocorreram de forma a se obter duas condições: a junta sem reparo e com duplo reparo. Para obtenção destas condições foram necessárias três etapas. Primeiramente a junta foi soldada por TIG na região da raiz e preenchida por Arame Tubular. O aporte térmico utilizado no processo variou de 13,23 a 20,23 kJ/cm para TIG e de 10,19 a 17,23 kJ/cm no Arame Tubular. A junta foi sujeita a um pré-aquecimento de 260ºC com temperatura entre passes de 282-312ºC. Após 48 horas deu-se início a execução do tratamento térmico pós-soldagem (TTPS) para alívio de tensões residuais; a junta foi aquecida a uma taxa de 125ºC/h, mantida a 760ºC durante 2 horas e resfriada a taxa de 125ºC/h até a temperatura ambiente.
Logo após o primeiro procedimento de soldagem, a junta foi cortada através de processos de usinagem e foi retirado metade do metal de solda, então, metade da junta foi novamente preenchida com por TIG (raiz) e por Arame Tubular, com pré-aquecimento de 252ºC, temperatura entre passes de 262-300ºC e o TTPS foi reaplicado nas mesmas condições, simulando assim uma situação de reparo. O aporte térmico utilizado no processo de reparo foi de 20,62 kJ/cm para TIG e de 11,19 a 15,54 kJ/cm no Arame Tubular.
Por fim, o procedimento de reparo foi repetido e a junta foi aberta novamente no mesmo local e preenchida, com o TTPS sendo reaplicado pela terceira vez nos mesmos padrões do primeiro reparo, obtendo assim a condição de duplo reparo.
Uma amostra para cada condição (sem reparo e com duplo reparo) foi cortada na direção longitudinal dos tubos de forma que contemplassem toda a junta e parte do metal de base. O ataque químico utilizado para revelar a microestrutura e as regiões da solda foi o reagente Vilella (100 mL etanol + 1g ácido pícrico + 5 mL ácido clorídrico, 40 segundos). Imagens macroscópicas das juntas soldadas foram obtidas utilizando-se um estereoscópio Zeiss, modelo Discovery V8, equipado com câmera digital para captura de imagens.
Para análise microestrutural e captura das imagens foi utilizado um microscópio óptico Zeiss, modelo Axio - Lab. A1 e um microscópio eletrônico de varredura JEOL, modelo JSM-6510LV com sistema acoplado para a análise química semiquantitativa por EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), e operando a 20 kV.
Foram feitas medidas de microdureza Vickers utilizando-se um microdurômetro HXD-1000 TM Pantec, carga de 0,9807N (0,1kgf) com tempo de aplicação de 10 segundos, de acordo com a norma ABNT ISO 6507-1. As indentações foram feitas ao longo de uma linha traçadas a 9,5 mm das extremidades do metal de base. As medidas foram realizadas a um passo de 1 mm a partir da posição central da zona de fusão, tanto para a direita quanto para a esquerda. No total foram aferidas 32 medidas.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A análise macroestrutural das soldas sem e com reparo permitiu identificar suas diferentes zonas constituintes: zona de fusão (ZF), zona termicamente afetada (ZTA) e metal de base (MB) após o ataque químico. Essas zonas podem ser
observadas nas Fig. 1 para as respectivas amostras. Na junta com reparo pôde-se visualizar a formação de uma nova ZTA no centro da junta formada pela sobreposição dos dois reparos.
Figura 1. Macrografias das juntas: a) sem reparo, b) com reparo.
A Fig. 2 mostra os aspectos microestruturais da junta duplamente reparada, especificamente do metal de base (a), da ZTA formada central ao metal (b), da zona fundida reparada soldada por Arame Tubular (c) e por TIG (d). Pode-se perceber os pontos escuros (pretos) menores no interior ou nos contornos dos grãos que são os carbonetos ou carbonitretos distribuídos na matriz de martensita revenida com grãos e subgrãos no tom cinza.
As regiões soldadas pelos processos TIG e Arame Tubular apresentaram microestruturas relativamente parecidas, contudo, foi possível perceber que no processo Arame Tubular ocorreu maior presença de poros e inclusões.. Apesar de a análise macrográfica mostrar uma clara distinção entre a ZTA central ao metal de solda e as zonas de fusão duplo reparo e não reparada, esta diferença não foi ser observada na microestrutura. Comparando estas zonas, as imagens mostraram apenas uma leve tendência à formação de grãos colunares menores e mais finos na ZTA central a solda, porém, esta tendência não ocorreu em áreas mais próximas ao reforço, isto é, regiões mais próximas à raiz.
Figura 2. Aspectos microestruturais da junta duplamente reparada obtidas por MO (aumento1000x): metal de base (a), ZTA formada central ao metal (b), zona fundida
reparada soldada por Arame Tubular (c) e por TIG (d).
A Fig.3 mostra a imagem da zona fundida com duplo reparo soldada por Arame Tubular com aumento de 4000 vezes (MEV)e pontos brancos, supostamente carbonetos. Alguns pontos foram selecionados para a análise da composição química pela técnica de EDS, um mais na extremidade do grão e o outro mais ao centro (1 e 2). O espectro do ponto 1 mostra que pelo alto pico atingido pelo Cromo em comparação aos outros elementos, este ponto (branco) tem grande chance de corresponder a um carboneto deste elemento, e pela localização na extremidade do grão pode ser um carboneto de Cromo do tipo Cr23C6. O espectro do ponto 2 mostra
que os picos de Cromo não foram tão altos, isto indica que não há grande concentração de Cromo no ponto selecionado e que há uma chance maior do espectro corresponder à matriz do material.
Figura 3. Pontos selecionados da zona fundida com duplo reparo para análise química por EDS.
A Fig.4 mostra a diferença do aspecto microestrural da ZTA central ao metal de solda (a) em comparação com a ZTA da junta que não sofreu influência do reparo (b), estas regiões possuem aspectos muito distintos, além disso, a ZTA da junta que não sofreu o duplo reparo possuia uma densidade de pontos “brancos” maior, isto é, prováveis carbonetos endurecedores e mantenedores de uma alta resistência à fluência para o material (1) .
Figura 4. Diferenças dos aspectos microestruturais da ZTA central ao metal de solda (a) em comparação com a ZTA que não sofreu influência do reparo (b). MEV com
aumento de 4000x.
A Fig. 5 mostra os perfis de microdureza obtidos. Na amostra sem reparo as medidas variaram de 189,87 - 281,58 HV com valor médio de 239,17 HV; a amostra com duplo reparo obteve medidas que variaram de 184,67 - 274,85HV, com valor médio de 224,28 HV. O perfil da amostra com duplo reparo aparenta ser irregular.
Os valores mínimos nas duas amostras ocorreram na ZTA à esquerda da junta que não sofreu influencia do duplo reparo. O valor máximo na amostra com duplo reparo e ocorreu na ZTA central ao metal de solda (entre 0 e 3 mm de distância do centro da solda) que apresentou maiores valores de durezasem relação a zona de fusão não reparada. A especificação do microdurômetro diz que é preciso considar um erro percentual de 10% na medidas, logo os valores dureza estiveram relativamente dentro do previsto pela biliografia (200 a 295HV) (3).
Figura 5. Perfis de microdureza das amostras testadas.
CONCLUSÃO
A formação de uma nova ZTA no centro da junta mostrou que a operação de reparo trouxe alterações significativas em relação à situação sem reparo. As images obtitidas por MO mostraram que a ZTA no centro da junta apresentou uma pequena tendência a formação de grãos menores do que na zona de fusão reparada, além disso, a região apresentou grãos colunares que não são característicos de uma ZTA. As análises no MEV revelaram diferenças nos aspectos microestruturais e na quantidade de carbonetos entres as ZTA’s formadas na junta reparada. A ZTA no centro da junta possuia menos carbonetos e esta observação qualitativa se confirmou através dos ensaios de microdureza, em que esta região apresentou o maior valor. Não foi possível perceber pelas técnicas utilizadas comparando as zonas das duas amostras, nenhuma tendência ao aumento do tamanho dos carbonetos causado pelo reparo ou repetição do TTPS.
1. ZHANG, Y. Changes in Microstructure and Mechanical Properties of P91 Weld Metal during Creep. PhD - The University of Nottingham, Reino Unido, 2009.
2. HAARMANN, K.; VAILLANT, J. C.; VANDENBERGHE, B.; BENDICK, W.; ARBAB, A. The T91/P91 Book, Vallourec & Mannesmann Tubes, 2002;
3. HILKES, J.; GROSS, V. Welding CrMo steels for Power Generation and Petrochemical applications. Past, Present & future. Böhler Schweisstechnik Deutschland GmbH, 2009;
4. ZHANG, Z.; MARSHALL, A.W. and HOLLOWAY, G. B. Flux Cored Arc Welding: The High Productivity Welding Process for P91 Steels, Metrode Products, Ltd, 2001.
CHARCTERIZATION OF WELDED JOINT OF ASTM GRADE P91 MODIFIED FERRITIC STEEL BY FCAW WITH SHIELDING GAS, BEFORE AND AFTER
SITUATION OF DOUBLE REPAIR.
ABSTRACT
The aim of this study was analyze and characterize joints of ASTM A335 grade P91 steel tube, welded by Flux-cored arc welding (FCAW) with shielding gas, before and after situation of double repair.Techniques of scanning electron microscopy (SEM), chemical analysis by semi-quantitative EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) and optical microscopy (OM) were used, in addition to obtaining hardness measurements.The macrography revealed the existence of a new heat affected zone formed in the center of the repaired joint and the micrographic analysis showed that this region has a tendency to formation of smaller grains compared to the repared melting zone, furthermore, the region has columnar grains which are not characteristic of a heat affected zone and comparatively lesser amounts of carbides.
