UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE CIENCIAS E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE POS-GRADUACAO EM CIENCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS
A V A L I A C A O D A SUSCEPTIBILIDADE A FRAGILIZACAO POR H I D R O G E N I O DE J U N T A S SOLDADAS DE ACO API5L-X80 COM D I F E R E N T E S
COMBINAQOES DE CONSUMlVEIS
Emanuel Pereira Soares
Campina Grande
Dezembro/2011
UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE CIENCIAS E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE POS-GRADUACAO EM CIENCIA E
ENGENHARIA DE MATERIAIS
AVALIACAO DA SUSCEPTIBILIDADE A FRAGILIZAQAO POR HIDROGENIO
DE JUNTAS SOLDADAS DE ACO API5L-X80 COM DIFERENTES
COMBINAQOES DE CONSUMlVEIS
Emanuel Pereira Soares
Dissertacao apresentada ao Programa de
P6s-Graduacao em Ciencia e Engenharia
de Materials como requisito parcial a
obtencao do titulo de MESTRE EM
CIENCIA E ENGENHARIA DE
MATERIAIS.
Orientador: D.Sc Theophilo Moura Maciel
FICHA CATALOGRAFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA C E N T R A L D A U F C G
S676a Soares, Emanuel Pereira
Avaliacao da susceptibilidade a fragilizacao por hidrogenio de juntas
soldadas de aco API5L-X80 com diferentes combinacdes de consumi'veis /
Emanuel Pereira Soares. - Campina Grande, 2012.
99 f.: il. col.
Dissertacao (Mestrado em Ciencia e Engenharia de materiais)
-Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Ciencias e Tecnologia.
Orientador: Prof. Dr. Theophilo Moura Maciel.
ReferSncias.
1. Aco API 5L X80. 2. Juntas Soldadas. 3. Fragilizacao por
Hidrogenio. 4. Microestrutura. 5. Microdureza. I. Titulo.
"...Voce que tern tdeias tao
modemas e o mesmo homem
Dedico este trabalho a Deus por todas as maravilhas realizadas em
ha vlda.
. Engenheiro Mecanico peta Universidade Federal de Campina Grande
(2008).
AVALIAQAODA SUSCEPTIBELIDADE A FRAGILIZAQAO FOR HIDROGENIO
DE JUNTAS SOLDADAS DE AQO API5I~x80 COM DIFERENTES
COMB1NAQOES DE CONSUMIVEIS..
Emanuel Pereira Soares
Dissertagao Aprovada em 09/12/2011 peia banca examinadora constituida dos
seguintes membros:
Dr. TheophOo Moura Maciel
(Orientador)
UAEM/UFCG
Dr. Marco Antonio dos Santos
(Examinador Interno)
UAEM/UFCG
Dr. Walman Benicio de Castro
{Examinador interno)
UAEM/UFCG
Dryfticardo Artur Sanguinetti Ferreira
/ (Examinador Externo)
AGRADECIMENTOS
Agradeco a Deus em primeiro lugar e acima de tudo;
A minha esposa Amanda por todo seu amor, compreensao e dedicacao;
A toda minha familta, em especial a minha mSe que sempre incentivou meus
estudos.
Ao professor Theophifo Moura Maciel pela orientagio, pelo conhecimento passado
e peta confianca em meu trabaiho;
A Unidade Academica de Engenharia de Materials, em especial ao professor
Marcus Vinfcius Lia FooK pela compreensao e apoio;
Ao Professor Eudesio Oliveira Vilar pelo seu apoio, coiaboracao e orientagSo;
A profesora Daisy Martins de Almeida pelo seu apoio, coiaboracao e orientagSo;
Aos amigos do Laboratorio de Soidagem, em especial a Bruno Allison Araujo pelo
apoio, coiaboracao e principalmente pela amizade;
Ao soldador do SENAI de Campina Grande Ewerton, pelos servigos prestados
com quaiidade e dedicagao;
A oficina mecanica da UAEM - UFCG, pelo trabaiho heroico e o esforco dos que a
compdem;
A Usiminas e a ESAB pela coiaboracao e incentive a pesquisa;
AVALIAQAO DA SUSCEPTiBHJDADE A FRAGILIZAQAO PGR HlDROGIrNIO DE
JUNTAS SOLDADAS DE
AQO API5L-X80 COM DIFERENTES COMBINAQOES
DE CONSUMIVEIS
RESUMO
Neste trabaiho apresenta-se urn estudo da susceptibilidade a fragiiizagSo peio
hidrogenio de juntas soidadas de ago API 5L XBO, avaliando-sa a influ§ncia dos
procedimentos, processo e consumfveis de soldagem. Foram utifizados os
processes ao Arco El&trico com Eletrodo Revestido (SMAW), com Eletrodo de
Tungstenio e ProtecSo de Gas Inerte (GTAW ou TIG) e com Arame Tubular
(FCAW). Com relagSo aos consumiveis foram utilizados os efeirudos AWS E6010
para o passe de raiz e os eletrodos AWS E8Q10, E 9010, E8018 e E9018-G para
os passes quentes e de enchimento no processo SMAW com eletrodos retirados
da estufa e diretamente da caixa. O processo GTAW foi utiiizado apenas para a
soldagem do passe de raiz utilizando como consumivei o arame AWS ER70S-3.
No processo FCAW foram utilizados os consumiveis AWS E91T8-K8
autoprotegido e AWSE91T1-G este dltimo com protegSo gasosa constituida de
(Ar25). Os testes de fragiiizagSo per hidrogenio foram reatizados de acordo com a
norma ASTM G129-2006 com uma solugSo aquosa (solugSo A - NACE
TM0177/2005), porem utilizando microadigoes de tiossuifato de sddio
(Na2S203)em substituigSo ao borbuihamenio de H
2& De acordo com vaiores de
afongamento, redugSo de Srea e tempo de ruptura, foi possivel observer que todas
as juntas foram susceptiveis ao fendmeno de fragiiizagSo por hidrogSnio. Al6m do
mais, todas as juntas apresentaram mudanga nitida no modo de fratura em tragSo
e apresentaram trincamento secundano sobre a superffcie do corpo de prova.
Estes resultados ainda foram associados a caracterizagSo microestrutural do
metal de solda e ao levantamento do perfil de dureza de cada junta; o que
possibilitou avaliar o grau de infiuSncia da mudanga de consumiveis sobre o
fendmeno de fragilizagSo por hidrogenio. Ao final dos resultados pode-se constatar
que todas as fraiuras ocorreram nos metais de soida, e que a junta que obteve o
melhor resultado nos testes de fragilizagSo; foi aquela soldada utilizando o
processo GTAW no passe de raiz com o consumivei AWS ER70S-3, o processo
SMAW no passe quenie com o consumivei AWS E8010 e o processo FCAW nos
passes de enchimento e acabamento, utilizando como consumivei o arame
AWSE91T1-G com protegSo gasosa. Esta condigSo de soldagem apresentou para
a regiSo central do metal de soida o maior percentual de ferrita acicular (AF}~
(43%), o menor valor de dureza (147,6HV) e o melhor resultado para a RazSo de
RedugSo de Area (RRA)-(0,59), o que a identified como sendo a junta soldada
menos susceptive! ao fendmeno de fragilizagSo por hidrogenio.
Palavras-chave: Ago API 5L X80; Juntas Soidadas; FragilizagSo por hidrogenio,
ASSESSMENT OF SUSCEPTIBILITY TO HYDROGEN EMBRITTLEMENT OF
WELDED JOINTS OF STEEL API5L-X80 WITH DIFFERENT COMBINATIONS
OF CONSUMABLE
ABSTRACT
This work presents a study of susceptibility to hydrogen embrittiement of API 5L
X80 steel welded pints, evaluating the influence of procedures, process and
welding consumables. Shielded Metal Arc Welding (SMAW), Gas Tungsten Arc
Welding (GTAW) and Flux Cored Arc Welding (FCAW) process were used. For
SMAW AWS E6010, AWS E 8010, E 9010, E8018 and E9018-G electrodes
ware used. For FCAW AWS E91T8-K8 seff-protected and AWSE91T1-G wire
protected with Ar25 and for GTAW ER70S AWS-3 wire were used as
consumable. The GTAW process was used only for root pass. The hydrogen
embrittiement tests were performed according to ASTM G129-2008 with an
aqueous solution (solution A - TM0177/2005 NACE), but small additions using
sodium thiosulfate (Na2S
203) to replace the bubbling of H
2S. According to
values of elongation, area reduction and breakthrough time, it was observed
that all joints were susceptible to the phenomenon of hydrogen embrittiement
in addition, all joints showed distinct change in fracture mode in tension and
showed secondary cracking on the surface of the specimen. These results have
been linked to the weld metal microstructural characterization and hardness
making it possible to assess the degree of influence of change of consumables
on the phenomenon of hydrogen embrittiement The results showed that ail
fractures occurred in the weld metals, and that the joint obtained using GTAW
for the root pass, SMAW process with E8010 AWS for the hot pass and FCAW
using AWSE91T1-G for the filling and finishing passes had the best result in
embrittiement tests. This weld condition presented to the central region of the
weld metal the highest percentage of Acicular Ferrite (AF) - (43%), the lowest
hardness (147.6 HV) and the best result for the Reduction of Area Ratio (RAR )
- (0.59), which identifies as this welded joint as the less susceptible to the
phenomenon of hydrogen embrittiement
Keywords: API 5L X80 Steel, Welded Joints, hydrogen embrittiement,
PUBLICAQ6ES
SOARES, E. P.; et al. Avaliacao do nivel de tensoes residuals de diferentes
juntas soidadas de aco API SLX80. 06° Congresso Brasileiro de Engenharia
de Fabricacao - Caxias do Sul, RS-Brasil, Abril de 2011.
SOARES, E. P.; et al. Avaliacao da Susceptibitidade a Fragilizacao por
Hidrogenio de Juntas Soidadas do Aco API 5LX80. 37° Congresso Nacional
de Soldagem - Natal, RN-Brasil, Outubro de 2011.
SUMAR10
Pag.
AGRADECIMENTOS - .... »
RESUMO. ii
ABSTRACT »»
PUBUCAQOES... w
SUMARIO -
vINDICE DE TAB E LAS
v»
INDiCE DE FIGURAS
v i i iS1MBOLOS E ABREVrATURAS «
1 - INTRO DUQAO - -
12 - REVISAO BIBLfOGRAFICA ... 5
2.1 - Acos ARBL para dutos. 5
2.1.1 - Agos ARBL.. - 5
2.1.2-Acos API. 8
2.2-Soldagem - 13
2.2.1 - Soldabiiidade • 14
2.2.2 - Parametros de Soldagem. 16
2.2.2.1 - Energia de Soldagem.... 17
2.2.3 - Reg'roes da Junta Soldada. 18
2.2.3.1 - Microestrutura no Metal de Solda 18
2.2.3.2 - Microestrutura na Zona Termlcamente Afetada... 22
2.2.4 - Processes de Soldagem 24
2.2.4.1 - Soldagem ao Arco Eletrico com Eletrodo Revestido
- SMAW.... - 24
2.2.4.2 - Soldagem a arco eletrico com eletrodo de
tungstento - GTAW.. - 26
2.2.4.3 Soldagem ao arco eletrico com arame tubular
-FCAW 28
2.3 - Fragilizacao por Hidrogenio 30
2.3.1 - Definicao 30
2.3.2 - Efeito do Hidrogenio na Estrutura dos Metais e o
Mecanismo da FPH 33
2.3.3 - Danos Causados por Hidrogenio em Juntas Soidadas 36
2.3.4 - Meio conroslvo na FPH 38
2.4 - Ensaio de Tracao de Baixa Velocidade de Deformacao.... 39
3 - MATERIAIS E METODOS - 43
3.1. -Materials - - 43
3.1.1 - Metal de Base... 43
3.1.2 - Consumiveis de Soldagem 44
3.2-Metodos... 46
3.2.1 - Soldagem das Chapas.... 46
3.2.2 - Equtpamentos - 50
3.2.3 - Parametros de Soldagem... 50
3.2.4 - Metalografia • 53
3.2.4.1 -Macrografia.. 53
3.2.4.2-Micrografia 54
3.2.4.2.1 - Identificacao e Quantificacao de
Microconstituintes no MS - 55
3.2.5 - Composicao Quimica da Junta Soldada 56
3.2.6 - PerfH de Dureza 58
3.2.7 - Ensaio B I D 57
3.2.8 ~ Caracterizacao Fractografica 61
4 - RESULTADOS E DISCUSSAO.
6 24.1. - Metal de Base. 62
4.2 - Analise e Quantificacao Microestrutura! do Metal de Soida. 82
4.3 - Analise Quimica... - • 67
4.4 - Perfil de Dureza... 68
4.5 - Ensaio de Tracao BTD... 75
4.6-Analise Fractografica.... • 84
5 - CONCLUSOES 9 °
6 - SUGESTdES PARA TRABALHOS FUTUROS...
9 2INDICE DE TABELAS
Pag.
TABELA 2.1 »Propriedade dos agos mais utilizados para fazer tubos 10
TABELA 3.1 - Composicao do ago X-60 cedido pela USJMINAS 43
TABELA 3.2 - Propriedades Mecanicas do ago X-80 cedido pela
USIMINAS... ... ... 43
TABELA 3.3 - Especificagao dos consumiveis utilizados... 45
TABELA 3.4 - Composicao quimica dos consumiveis utilizados 45
TABELA 3.5 - Combinacoes de eletrodos utilizados... 46
TABELA 3.6 - Parametros de Soldagem da condigao A1.1 51
TABELA 3.7 - Parametros de Soldagem da condicao A1.2 51
TABELA 3.8 - Parametros de Soldagem da condicao A2.0 52
TABELA 3.9 - Parametros de Soldagem da condicao A3.0 52
TABELA 3.10 - Parametros de Soldagem da condicao A4.0... 52
TABELA 4.1 - Percentual em volume dos microconstituintes na regiao
central da junta soldada... 66
TABELA 4.2 - Vaiores medbs das energias de soldagem em KJ/cm 67
TABELA 4.3 - Vaiores da Composicao quimica dos passes quente e de
enchimento 67
TABELA 4.4 - Vaiores de Pcm das juntas soidadas 68
TABELA 4.5 - Vaiores de dureza ao longo das iinhas anatisadas 72
TABELA 4.6 -Valor medio de dureza na regiao central dos metais de solda
das juntas soidadas... 73
TABELA 4.7 - Vaiores medios das energias de soldagem em KJ/cm por
passe de soldagem.... 74
TABELA 4.8 - Media dos resultados obtidos no ensaio BTD 79
INDICE DE FIGURAS
Pag.
Figura 2.1 - Ciclo de Laminacao Controlada de tempo versus
temperatura.... , 7
Figura 2.2 - DesenvoMmerrto dos agos API ao longo dos anos 9
Figura 2.3 - Aumento da Tenacidade associado ao tipo de microestrutura
presente 12
Figura 2.4 - Evolugao do ganho de material dos acos API5L 13
Figura 2.5 - Regioes da Junta Soldada 18
Figura 2.6 - Microestrutura do metal de solda com indicagao dos
constituintes.. . 21
Figura 2.7 - Representacaodas regides da ZTA 22
Figura 2.8 - Soldagem por Eletrodo Revestido (SMAW)... 25
Figura 2.9 - Soldagem TIG (GTAW).. 26
Figura 2.10- Soldagem com arame tubular (FCAW). 28
Figura 2.11 - Princtpio do Mecanismo de Fragilizacao por hidrogenio... 34
Figura 2.12 - Influencia da Veiocidade de deformacao sobre o coeficiente
de estriccao 40
Figura 2.13 - Influencia do meio corrosive sobre deformacao de urn aco
laminado: (a) medida no ar (b) medido sobre meio agressivo rico em
hidrogenio 41
Figura3.1 -ConffguracaodajuntadoacoAPI5L-X80... 44
Figura 3.2 - Estimativa do teor de umrdade absorvida petos eletrodos de
baixo hidrogenio... 48
Figura 3.3 - (a) Lixamento das chapas (b) Soldagem das chapas... 49
Figura 3.4 - Aspectofinal e sequencia de passes de soldagem... 49
Figura 3.5 - Fontes utiiizadas na soldagem. (a) Aristopower 460 (b)
HELEARC-225AC/DC. 50
Figura 3.6 - Peril da junta soldada.... 53
Figura 3.7 - Microscopio OLYMPUS BX51M... 54
Figura 3.8 - Procedimento de Medicao dos microconstituintes do MS 55
Figura 3.9 - Distribuigao e Localizacao dos pontos de medicao da
composicao qufmica 56
Figura 3.10 » Representacao dos pontos de dureza medidos na junta
soldada 57
Figura 3.11 - Regiao de retirada dos corpos de prova para ensaio de
tracao 58
Figura 3.12 - Dimensoes dos corpos de prova para ensaio de tracao... 58
Figura 3.13 - Esquema proposto pela norma para confeccao da celula de
fragilizagao , 59
Figura 3.14-Arxanjo da celula de fragilizacao na maquina de tracao 60
Figura 4.1 - Microestrutura do metal de base (Ago API 5L-X80). 62
Figura 4.2 - Microestrutura da Regiao Central do MS (MO-500X-Nital1 %). 63
Figura 4.3 - Microestrutura da Regiao Central do MS
(MEV-1.500X-Nital2%)... 64
Figura 4.4 - Localizacao dos pontos de medicao de Dureza na junta
soldada 68
Figura 4.5 - Comparacao do perfii de dureza da iinha 1 para as condicoes
de soldagem.. 69
Figura 4.6 - Comparacao do perfii de dureza da Iinha 2 para as condicoes
de soldagem...—...,... 69
Figura 4.7 - Comparaga© do perfii de dureza da Iinha 3 para as condigoes
de soldagem... 70
Figura 4.8 - Comparacao do perftl de dureza da Iinha 4 para as condicoes
de soldagem.. 70
Figura 4.9 - Comparacao do perfii de dureza da Iinha 5 para as condigoes
de soldagem... ... 71
Figura 4.10 - Curvas representatives tracao x deformagao obtidas nos
ensaios BTD: (a) A1.1, (b) A1.2, (c) A2.0, (d) A3.0 e (e) A4.0 76
Figura 4.11 - Curva tracao x deformacao obtidas nos ensaios BTD
ensaiados ao ar 77
Figura 4.12 - Curva tracao x deformacao obtidas nos ensaios BTD
ensaiadas em solugao... 78
Figura 4.13 - Grafico de barras dos resultados de tracao das condigoes
de soldagem 80
Figura 4.14 - Grafico de barras dos resultados de elongagao das
condigoes de soldagem 80
Figura 4.15 - Grafico de barras dos resultados do tempo de ruptura das
condigoes de soldagem. 81
Figura 4.16 - Grafico de barras dos resultados de redugao de area das
condigoes de soldagem 82
Figura 4.17 - Corpo de Prova rompido no Metal de Sofda 84
Figura 4.18 - Amostra ensaiada ao ar, aspecto "taga-cone" (presenga
demples) 85
Figura 4.19 - Dimples de Rasgamento - 1.000X 86
Figura 4.20 - Amostra ensaiada ao ar apresentando as regioes
caracteristicas da fratura ductil 86
Figura 4.21 - Modo de fratura predominante nos testes de fragilizagao: (a)
Junta A1.1 e Junta A2.0 87
Figura 4.22 - Amostra ensaiada em solugao com caracteristicas de
fratura mista - 88
Figura 4.23 - Trincamento secundario na junta A2.0 proximo da iinha de
fusao - - 89
Figura 4.24 - Trincamento secundario encontrado nos corpos de prova
ensaiados em solugao: (a) A1.1 proximo a superficie de fratura e (b) A1.2
USTA DE SIGLAS, SIMBOLOS E ABREVIAQOES
A - Amperes
Ar1 - Temperatura de transformacao eutetoide de acos hipoeutetoides
Ar3 - Temperatura abaixo da qua! a ferrita pro-eutetoide inicia sua formacao a
partir da austenita
AF - Ferrita Acicular
AH ™ Ataque por Hidrogenio
Al - Aiumfnio
API - American Petroleum Institute
Ar - Argonio
ARBL - Alta Resistencia e Baixa Liga
ASTM - American Society for Testing and Materials
AWS - American Welding Society
B-(1)Bainita, (2) Boro
B F - Bainita/Ferrita
BTD - Baixa Taxa de Deformacao
°C - Medida de temperatura em Celsius
C - Carbono
CCT - Centre de Ciencias e Tecnoiogia
C.E, - Carbono Equivaiente
CH3COOH - Acido acetico
C 0
2- Dioxido de Carbono
Cr - Cromo
Cu - Cobre
CSTS - Corrosao sob tensao por Sulfetos
EDX - Espectroscopia de Dispersao de Raio-X
EL - Elongacao
EPS - Especificagao de Procedimento de Soldagem
ESAB - Elektriska Svetsnings Aktie Bolaget
FC - Agregado Ferrita/ Carbonetos
FCAW - Flux Cored Arc Welding
FeS - Sulfeto de Ferro
FS (A) - Ferrita com segunda fase aiinhada
FS (NA) - Ferrita com segunda fase nao aiinhada
FW - Ferrita de widmanstatten
FPH - Fragilizacao por Hidrogenio
gf - Grama Forca
GF - Ferrita Granular
GTAW - Gas Tungsten Arc Welding
h - horas
H
2» Gas Hidrogenio
H2S- Gas Sulffdrico
H V - Dureza Vickers
HIC - Hydrogen Induced Cracking
HSC - Hydrogen Stress Cracking
H
+- Hidrogenio lonico
Hads- Hidrogenio Adsorvido
IIW»International Institute of Welding
1 - Corrente
J - Joule
K - Kelvin
KA - Coeficiente de estriccao
Ksi - Medida de pressao (sistema Ingles)
Kgf - Quilograma Forca
LB - bainita inferior
LE - Limite de Escoamento
LF - Linha de Fusao
LR - Limite de Resistencia
IVI - Martensita
M-A - Microconstituinte Austenita-Martensita
MB ~ metal de base
MEV - Microscopro Eletronico de Varredura
min - minuto
mm - milimetro
Mn - manganes
Mo - Moiibdenio
MO ~ Microscopio Optico
MPa - Mega Pascal
MS - Metal de Solda
NACE - National Association of Corrosion Engineers
N a2S 2 0 3
- Tiossulfato de sosdio
N - Nitrogenio
Nb - Niobio
Ni - niquel
H - Rendimento termico
0 - Diametro
P-(1)F6sforo, (2) Perlita
Pcm - Weld Cracking Parameter
PF (I) - Ferrita Poligonal Intragranuiar
PF(G) - Ferrita Primaria de Contorno de Grao
pH - Indicacao da acidez ou da basicidade
PSL - Product Specification Levels
RGG - Regiao de graos grosseiros
RGF - Regiao de graos finos
RIG - Regiao intercritica
RSC - Regiao subcritica
RA » Reducao de area
RRA - Razao de reducao de area
s - Segundo
S - Enxofre
Si - Silicio
SMAW - Shielded Metal Arc Welding
SMYS - Specifield Minimum Yeld Strenght
SSC - Sulfide Stress Cracking
SSCC - Sulfide Stress Corrosion Cracking
T - Temperatura
Ti - Titanic
TM - Termomecanico
TMCP - Thermomechanical Controled Process
TMCR - Thermomechanical Controled Rolling U - Tensao
TIH - Trincamento Induzido po Hidrogenio
TR - Tempo de Ruptura
UAEM - Unidade Academica de Engenharia Mecanica
UB - Bainita Superior
UFCG - Universidade Federal de Campina Grande
USIMINAS - Usinas Siderurgicas de Minas Gerais S/A
V - ( 1 ) Vanadio, (2) Volts
v - Velocidade de soldagem
ZTA - Zona Termicamenfe Afetada
1 - INTRODUSAO
Nos uitsmos anos vem se observando um aumento consideravel na
demanda de petroleo e seus derivados, como tambem uma grande busca por
novas reserves e um crescimento consideravel dos investimentos para o
desenvolvimento de novas tecnologias de exploragio e extracao destes
recursos. Isto vem desencadeando um maior rigor nas exigencias das
especificagoes das estruturas e equipamentos utilizados na industria do
petroleo. A transmissao e o transporte destes recursos naturais sao de extrema
importancia para a sobrevivencia de um pais e estes sao normalmente
realizados atraves de sistemas integrados, compostos por dutos e tubulacoes.
Com a necessidade cada vez maior de explorar petroleo em grandes
profundidades e em ambientes cada vez mais agressivos, surgiu a
necessidade de melhor conhecer as propriedades mecanicas dos acos que
compoe os dutos e tubulacoes, tais como: resistencia mecanica, soldabilidade,
tenacidade a fratura e ductilidade, alem de outras como: resistencia a corrosao
e a fragilizacao pelo hidrogenio. Este conhecimento permite que se possa fazer
previsoes mais seguras com relacao a integridade dos mesmos, isto facilita nas
decisoes tomadas pela industria de petroleo, com relacao a selegao dos
meihores agos para confeccionar estas tubulacoes, sempre levando em
consideragao as operagoes e aplicagoes dos mesmos.
Com isto, a soldagem surge como um ponto fundamental neste
panorama, pois e o processo de fabricagao mais empregado na montagem de
dutos e tubuiagoes. Porem, mesmo considerando toda a experiencia e
conhecimento ja adquiridos, a tecnologia de soldagem de dutos e tubulacoes
encontra-se em constante desenvolvimento, atualizando-se para atender aos
requisites de soldabilidade de novos materials e as crescentes necessidades
de aplicagoes em condigoes adversas. Para este caso, o estudo do
comportamento dos novos agos e a compreensao da metalurgia da soldagem
tornam-se fatores essenciais, possibilitando o desenvolvimento de metais de
adigao compativeis, elaboragao de procedimentos de soldagem adequados as
condigoes impostas e o estudo do comportamento da solda em relacao a
fendmenos degradativos. Tudo isto leva a reducao de custos, ao aumento da
seguranga do sistema e tambem enorme ganhos tecnologicos da industria
petrolifera nacional.
Os agos tipicamente utilizados para confecgao de dutos e tubulacoes da
industria do petroleo sao os agos de Alta Resistencia e Baixa Liga (ARBL), em
particular os agos classificados segundo a norma A P I 5L (American Petroleum
Institute). A norma
API 5L de 2000 estabelece que esses agos para serem
enquadrados como um ago ARBL, devem preencher uma serie de requisites
que vao desde a composicao quimica definida ate vaiores pre-estabelecidos
para certas propriedades mecanicas. Dentre as principais caracteristicas
destes agos podemos citar a sua elevada resistencia mecanica, alta tenacidade
e boa soldabilidade.
Atualmente no Brasil os agos ARBL mais empregados pela industria do
petroleo e gas na produgao de dutos e tubulagoes sao os agos API 5L X65 e
X70. Entretanto, o ago API 5L-X80 vem sendo cada dia mais pesquisado e
utiiizado devido ao seu limite de escoamento superior associado com uma
elevada tenacidade que e proporcionada por sua microestrutura refinada. O
mesmo e produzido a partir de uma combinagao apropriada de composicao
quimica e condicoes otimizadas de laminagao controlada; por enquanto o
mesmo tern demonstrado possuir propriedades mecanicas que atendem as
exigencias da especificagao antes mencionadas (ROCHA, 2010).
A fabricagao de tubos para dutos com este tipo de ago no Brasil,
apresentou um importante avango a partir do final dos anos 80 e comego dos
anos 90, em decorrencia das mudangas no processamento dos agos antes
realizado com tratamento termico convencionai; com a introdugao das novas
tecnicas processamento termomecanico de laminagao controlada foi possivel
um melhor controle do processo de fabricagao. Desde entao, o uso deste ago
tern apresentado bons resultados tambem quando a melhoria de custos ja que
devido a sua maior resistencia ocorre reducao na espessura do tubo, reduzindo
a quantidade de ago exigida e o custo no transporte e construgao das
tubulagoes devido a reducao de peso.
E importante mencionar que a soldagem dos agos de ARBL envolve
sempre recomendagoes especiais, principalmente em reiagao a integridade da
junta soldada; uma vez que esta regiao torna-se mais propfcia a uma serie de
problemas degradativos. Uma das grandes preocupagoes existentes em
estudos de soldabilidade em uma junta soldada e o seu comportamento em
relacao ao fendmeno de degradagao das propriedades causadas pelo
hidrogenio. Nos agos, particularmente em juntas soidadas, os danos induzidos
por hidrogenio podem ocorrer durante; execugao da soldagem na forma de
trincamento a frio {Cold Cracking)', e em operacao em ambiente corrosivo na
forma de fragilizagao por hidrogenio (Hydrogen Embrittiement), trincamento
induzido por hidrogenio (Hydrogen Induced Cracking) ou corrosao sob tensao
intensificada por hidrogenio {Hydrogen Enhanced Stress Corrosion Cracking)
(GEMELLl, 2001).
A fragilizacao pelo hidrogenio em juntas dos agos ARBL caracteriza-se
por ser um fendmeno de deterioragao das suas propriedades mecanicas,
principalmente a perda de ductilidade afraves da propagagao de trincas. A
difusao do hidrogenio pela rede cristalina e favorecida devido a este elemento
quimico ser de diametro muito pequeno e de facil mobiiidade, atraves de
difusao no estado solido (Siquara, 2006). A junta soldada, dependendo do
conjunto de procedimentos adotados, nao mantem a mesma resistencia do
metal de base devido a mudangas metalurgicas devido ao ciclo termico de
soldagem. Neste caso o desafio e manter a resistencia sem prejufzo da
tenacidade, uma vez que o procedimento de soldagem envolvido na uniao dos
dutos, alem de introduzir uma regiao fundida com diferentes morfologias de
grao e compostgao quimica modiflca a microestrutura da regiao vizinha ao
metal de solda (Zona Termicamente Afetada) da junta soldada com reiagao ao
restante do material (Metal de Base), modificando as propriedades mecanicas
destas regides podendo torna-las susceptivel ao fendmeno de fragilizacao, em
especial a fragilizacao por hidrogenio (Fedele, 2002).
No caso da soldagem e de se considerar que na relacao entre
microestrutura e susceptibilidade a fragilizacao pelo hidrogenio e importante
avaliar a influencia dos parametros de soldagem sobre o metal de base, bem
como a combinagao adequada de processos de soldagens na confecgao das
juntas, uma vez que estes parametros definem as propriedades mecanicas da
junta, como por exemplo, a dureza, resistencia mecanica, etc.(Ballesteros,
2009).
A importancia do estudo da ocorrencia do fendmeno da Fragilizacao por
hidrogenio (FPH) principalmente em meio contendo H 2 S em juntas soidadas de
agos de alta resistencia e baixa (iga (ARBL) especialmente os API5L-X80, se
deve primeiramente ao empenho por parte da sociedade cientifica e tecnica de
todo o mundo no sentido de entender, monitorar e controlar os mecanismos
que dao origem as falhas induzidas pelo Hidrogenio, em seguida vem o
interesse da Industria Petrolifera Nacional na aplicacao deste material, visando
um cenario de crescimento no que se refere a extracao e exploracao de
petroleo, alem do que o H 2 S e um contaminante muito presente no petroleo
brasileiro. Uma vez que a fabricagao e a utilizacao deste ago ainda e muito
recente no Brasil, nao se possui total compreensao do comportamento
microestrutura! quando submetidos a processos de soldagem, bem como um
melhor conhecimento sobre a elaboragao de praticas preventives na soldagem
referentes ao fendmeno da fragilizacao por hidrogenio, tais como: Escolha
adequada dos processos e consumiveis de soldagem empregados,
condicionamento apropriado dos consumiveis e o controle dos parametros de
soldagem, principalmente a energia de soldagem. Saber como estas variaveis
podem influenciar na maneira que o material ira se comportar frente ao
fendmeno da FPH pode trazer uma serie de beneficios que vao desde da
elevagao da produtividade ate a prevengao de acidentes
Desta forma, este trabaiho tern como objetivo estudar a susceptibilidade
a fragilizagao pelo hidrogenio em presenga de H
2S, em juntas soidadas do ago
API 5L X80 nacional, avaliando e comparando a influencia das combinagdes de
consumiveis e procedimentos de soldagem utilizados.
2 - REVISAO BIBLIOGRAFICA
A presents revisao bibliografica busca abordar os principals aspectos
que envolvem a soldagem dos agos API5L-X80, destacando os processos com
eletrodo revestido (SMAW - Shielded Metal Arc Welding), arame tubular
(FCAW - Flux Cored Arc Welding) e TIG (GTAW - Gas Tungsten Arc Welding);
fazer consideragoes sobre o fendmeno de fragilizacao por hidrogenio e por fim,
reaiizar um breve comentario sobre os ensaios de tragao a baixa taxa de
deformacao.
2.1 - Agos ARBL para dutos
2.1.1 - Agos ARBL
Agos carbono de alta resistencia e baixa liga (ARBL) sao aqueles que
possuem baixo teor de carbono (entre 0,05 ate 0,25%) e pequenas adigoes de
elementos de liga, tais como o cromo, niquel, molibdenio, cobre, vanadio,
nidbio, titanio e zircdnio que sao utilizados em diversas combinagdes,
dificilmente excedendo 0,1% de cada uma, obtendo-se assim agos com limites
de escoamento acima de 40ksi (276MPa), na condicao laminado, tendo
tambem como principal caracteristica uma boa relacao entre a resistencia
mecanica e a tenacidade, quando comparados com os agos convencionais.
Esses tipos de ago foram inicialmente projetados para atender as necessidades
da industria de gas e petroleo, embora o bom desempenho industrial tenha
incrementado seu uso em outros tipos de industria como a automotiva e a de
estruturas {ORDONEZ, 2004).
As caracteristicas mecanicas destes agos sao devidas a sua granulagao
fina (6-7um), e a fendmenos de precipitagao resultantes da composigao
quimica e do processo de fabricagao (BALLESTEROS, 2009). Dentre as
praticas utiiizadas na fabricagao dos agos ARBL, a mais difundida tern sido a
laminagao controlada seguida de resfriamento acelerado, onde combinagoes
diversas entre temperatura e quantidade de deformacao a quente objetivam
elevados vaiores de resistencia e tenacidade. Para se obter estas propriedades
e necessario ter muita atengao especial no controle do processo de laminado a
quente dando enfase a temperatura e a deformacao durante as etapas finais e
as condigoes de resfriamento depois da ultima laminagao. Para a elaboragao
das chapas dos agos ARBL, que serao utiiizadas na fabricagao dos tubos,
podem ser empregados dois processos de laminagao a quente que sao
(GORNI, 2009):
• A laminagao convencional controlada ou TMCR
(Thermomechanical Controled Roiling): Este processo consiste em obter
um refino de grao e aumento da resistencia atraves da adigao de uma
maior quantidade de elementos de liga, tais como niquel e molibdenio
nos agos ligados originalmente ao niobio e vanadio, seguido de um
refinado processo de laminagao e resfriamento convencional.
• A laminagao controlada seguida de resfriamento acelerado ou
TMCP - (Thermomechanical Controled Process): Este processo consiste
em resfriar o material rapidamente apos a etapa final de laminagao, de
800°C a 500°C. Apos atingir esta temperatura o resfriamento e feito ao
ar para que haja a formagao de bainita. Utilizando-se desta tecnica e
possivel obter uma microestrutura com graos refinados dependente da
composigao quimica, espessura da chapa e das propriedades
mecanicas requeridas para o material.
A partir desses dois processos, se consegue o refinamento do tamanho
de grao que e o fator mais importante nos agos ARBL, porque contribui para o
incremento do limite de escoamento e da tenacidade (ver Figura 2.1).
1000 800 600 Resfriamento Acelerado T M C P C o n v e n e ion.il t TMCR 400
Figura 2.1 - Ciclo de Laminacao Controlada de tempo versos temperatura. [Adaptado de ROCHA, 2010]
E x i s t e m b a s i c a m e n t e tres classificagoes o u f a m i l i a s d e agos A R B L . A primeira e m a i s c o m u m e a d o s agos microligados. c h a m a d o s a s s i m p o r q u e c o n t e m d e t e r m i n a d o s e l e m e n t o s q u i m i c o s (Cr, Ni, M o , C u , V , N b , etc) e m q u a n t i d a d e s m u i t o p e q u e n a s . A s e g u n d a e a d o s agos A R B L c o m microestrutura ferrita acicular, os q u a i s c o n t e m m e n o s d o q u e 0 , 1 % d e c a r b o n o c o m adigoes d e m a n g a n e s , m o l i b d e n i o e boro a t u a n d o c o m o e l e m e n t o s d e liga principals. A terceira classificacao e a d o s agos A R B L dupla-fase, cuja microestrutura consiste d e p e q u e n a s ilhas d e martensita c o m alto c o n t e u d o d e c a r b o n o e u n i f o r m e m e n t e distribuidas n u m a matriz d e ferrita. A q u i , a martensita t i p i c a m e n t e e n c o n t r a - s e o c u p a n d o q u a s e 2 0 % d o v o l u m e ( O R D O N E Z , 2 0 0 4 ) .
2.1.2 - A g o s A P I
O s agos da classificacao A P I (American Petroleum Institute) sao considerados agos A R B L , c o m caracteristicas d e elevada resistencia, aliada a boa soldabiiidade na fabricacao d e agos para produgao d e dutos e t u b o s . O s agos utilizados para confeccionar os dutos e tubulagoes utilizados na industria do petroleo sao geralmente classificados s e g u n d o a n o r m a A P I e m fungao de sua aplicagao e resistencia mecanica. Esta especificagao refere-se diretamente a tubos c o m e s e m costura.
A A P I surgiu no ano d e 1919, para prover a n e c e s s i d a d e d e se normalizar as especificagoes de engenharia referentes a perfuragao e e q u i p a m e n t o s d e produgao. C o m o decorrer dos anos este Institute se tornou a maior associagao de negocios relacionados a o petroleo d e t o d o os Estados Unidos, representando t o d o s os setores da industria petrolifera. ( A L B U Q U E R Q U E , 2 0 1 0 ) .
A norma A P I 5L d e 2 0 0 0 , exige q u e e s s e s agos s e j a m elaborados c o m as melhores praticas para a produgao d e agos limpos. Para tanto os t u b o s para s e r e m classificados pela norma A P I 5 L , d e v e m atender aos requisitos de propriedades mecanicas, composigao q u i m i c a , peso; etc. Exige t a m b e m a formagao de graos finos q u e d i m i n u e m a temperabilidade c o m u m a boa combinagao de resistencia m e c a n i c a e t e n a c i d a d e . Isto assegura sua aplicagao para estes fins, o n d e a tenacidade e u m requisito f u n d a m e n t a l . A finalidade d e t o d a s estas especificagoes e fornecer padroes para dutos e tubulagoes a d e q u a d o s ao transporte d e gas, oleo e a g u a , nas industrias de petr6leo e gas natural.
Na busca d e agos A P I para a construgao d e dutos, cada vez mais resistentes, pesquisadores e produtores v e m nas ultimas d e c a d a s d e s e n v o l v e n d o novos agos desta categoria, d e n t r e estes se d e s t a c a m d e s d e os anos oitenta os agos A R B L para dutos da classe A P I 5 L - X 8 0 . Nos ultimos 60 anos, f o r a m feitas varias modificagoes nas tecnicas d e fabricagao destes agos c o m o intuito d e c o m p r e e n d e r os fatores q u e controlam a resistencia e a tenacidade destes materiais. Desde entao, c o m o desenvolvimento de
a v a n c a d o s m i c r o s c o p i o s e c o m a utilizacao d e p r o c e s s o d e l a m i n a c a o controlada e resfriamentos a c e l e r a d o , c o n s e g u e - s e agos c o m o t i m a s c o m b i n a g o e s d e p r o p r i e d a d e s m e c a n i c a s . O b s e r v a - s e o d e s e n v o l v i m e n t o d o s agos A P I a o longo d o s a n o s s e g u n d o a Figura 2.2.
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Figura 2.2 - Desenvolvimento dos acos API ao longo dos anos. [Adaptado de ALBUQUERQUE, 2010]
O b s e r v a - s e na Figura 2.2 u m r e s u m o cronologico d o d e s e n v o l v i m e n t o d o s agos A P I ; o n d e se d e s t a c a , a partir d e 1970, a utilizagao d o p r o c e s s o t e r m o m e c a n i c o ( T M C P ) e m a i s r e c e n t e m e n t e , o e m p r e g o d o resfriamento a c e l e r a d o . T a m b e m p o d e - s e verificar a influencia d a a d i c a o d e d e t e r m i n a d o s e l e m e n t o s d e liga na c o m p o s i g a o d e s t e s agos, o q u e contribuiu para melhorias nas p r o p r i e d a d e s d e resistencia e t e n a c i d a d e .
A p r o p r i e d a d e q u e d e t e r m i n a o g r a u d o t u b o e o limite d e e s c o a m e n t o e m Ksi, p o d e n d o ser classificado c o m o A 2 5 , A , B e X. O s g r a u s A 2 5 e X s a o s e g u i d o s d e dois digitos q u e d e t e r m i n a m o valor m i n i m o d e e s c o a m e n t o
( S M Y S - Specifield M i n i m u m Y e l d Strenght). O s g r a u s X a b r a n g i d o s pela n o r m a A P I s a o X 4 2 , X 4 6 , X 5 2 , X 5 6 , X 6 0 , X 6 5 , X 7 0 , X 8 0 e g r a u s intermediaries, c o n f o r m e a t a b e l a a b a i x o ( B A L L E S T E R O S , 2 0 0 9 ) . D e s t a f o r m a , o g r a u X - 8 0 a p r e s e n t a r a u m a t e n s a o m i n i m a d e e s c o a m e n t o d e 80ksi ( 5 5 0 M P a ) .
Tabela 2.1 - Propriedades dos agos mais utilizados para fazer tubos. [ F E D E L E , 2002]. C l a s s i f i c a c a o d o A g o L E ( m i n i m o ) L R ( m i n i m o ) A l o n g a m e n t o A P I 5 L ( N / m m2) ( N / m m2) (%) A 2 0 7 3 3 1 2 8 B 2 4 1 4 1 3 2 3 X 4 2 2 8 9 3 1 3 2 3 X 4 6 3 1 7 4 3 4 2 2 X 5 2 3 5 8 4 5 5 21 X 5 6 3 8 6 4 8 9 2 0 X 6 0 4 1 3 5 1 7 19 X 6 5 4 4 8 5 3 0 18 X 7 0 4 8 2 5 6 5 18 X 8 0 5 5 0 6 2 0 18
LE= Limite de Escoamento/ LR = Limite de Resistencia.
A c o m p o s i g a o q u i m i c a d o s a g o s A P I p a r a d u t o s e tubulagoes, p o d e sofrer variagoes c o n f o r m e a n e c e s s i d a d e d e f o r n e c e r p r o p r i e d a d e s e s p e c i f i c a s a o fornecedor. T e o r e s m a x i m o s e m i n i m o s p a r a a l g u n s e l e m e n t o s ( M n , C o , V, etc.) s a o descritos n a s especificagoes ( B A L L E S T E R O S et a l . 2 0 1 0 ) . E m b o r a as c o n d i g o e s d e f o m e c i m e n t o s d o s t u b o s s e j a m e s t a b e l e c i d a s pela n o r m a , estas p o d e m t a m b e m ser n e g o c i a d a s diretamente c o m o cliente e o fornecedor.
••v.... \
Existem, provavelmente, diversas opgoes para o processamento metalurgico de agos para tubulagoes classe X 8 0 e superiores, q u e e n v o l v e m tanto alteragoes sutis d e composigao q u i m i c a , c o m o rotinas diversas de
processamento a quente por laminagao controlada (SILVA, 2 0 0 9 ) . C o m o ja visto, d o ponto de vista metalurgico, ha duas alternativas plausiveis para a produgao deste tipo de agos c o m elevada resistencia e tenacidade. A primeira alternativa refere-se ao processo T M C P ; por deste m e t o d o e possivel produzir o ago grau X 8 0 c o m a adigao de niobio e titanio e m conjunto c o m teor reduzido d e carbono, m e s m o s e m a adigao de elevados teores de e l e m e n t o s de liga caros, tais c o m o niquel e molibidenio, proporcionando desta maneira, excelente soldabilidade. A segunda alternativa e o processo T M C R neste caso, a classe de agos X 8 0 e obtida pela adigao de uma quantidade maior de e l e m e n t o s de liga, seguido de u m processo d e laminagao apurado. Esta maior quantidade de e l e m e n t o s d e liga e prejudicial, pois afeta a soldabilidade, j a q u e esta e influenciada pelo valor d o carbono equivalente e pela microsestrutura resultante ( R O C H A , 2 0 1 0 ) .
A produgao nacional dos agos para tubo A P I 5 L - X 8 0 utiliza o processo T M C R , ou seja, usa a adigao d e e l e m e n t o s microligantes e tecnicas d e laminagao controlada, c o m o objetivo de obter a microestrutura desejada. Este foi o c a m i n h o adotado pela industria nacional, devido a limitagoes operacionais e a falta de conhecimento. Este ago apresenta u m baixo teor de carbono s e n d o microligado ao niobio, v a n a d i o e titanio. O s e l e m e n t o s c r o m o e o molibidenio t a m b e m sao adicionados c o m a finalidade de formar bainita, manter o teor de carbono e m a n g a n e s e m niveis baixos e prevenir a formagao de segregagao. Para fins d e desoxidagao silicio e a l u m i n i o sao adicionados. Calcio e adicionado para promover a globulizagao de inclusoes. O ago X 8 0 nacional, possui u m teor de carbono entre 0,04 a 0 , 0 8 % e de m a n g a n e s entre 1,59 a 1,86%; c o m uma microestrutura c o m morfologia acicular c o m predominancia de bainitica, ferrita primaria e p e q u e n a quantidade de micro-constituinte M A (Martensita-Austenita) o que possibilita ao m e s m o boas propriedades de resistencia e tenacidade ( R O C H A , 2 0 1 0 ) . Observa-se na Figura 2.3 o a u m e n t o da tenacidade associado diretamente c o m o tipo de microestrutura pre'sente, decorrencia do processo de fabricagao utilizado na confecgao destes agos.
G R A U - API
X90
X80
-X70
X60
AUMENTO DE REFINO DE GRAO BAINITA FERRITA + BAINITA TM MICROLIGADO FERRITA + PERLITA (-15% Perlita) TM TRATADO FERRITA + PERLITA (-30% Perlita) TM TRATADO(Laminado a quente e normalizado)
TENACIDADE
Figura 2.3 - Aumento da Tenacidade associado ao tipo de microestrutura presente. [Adaptado de ROCHA, 2010]
E importante m e n c i o n a r q u e a s o l d a g e m d o s agos A P I 5 L X 8 0 requer u m a serie d e c u i d a d o s , principalmente c o m o grau d e e n d u r e c i m e n t o d a j u n t a , pois o m e s m o p o d e p r o v a v e l m e n t e definir f u t u r o s defeitos presentes na m e s m a e principalmente f e n o m e n o s d e g r a d a t i v o s e n v o l v e n d o o hidrogenio. N e s t e c a s o u m a b o a soldabilidade esta ligada a o s efeitos d e varios e l e m e n t o s q u i m i c o s p r e s e n t e s na liga, o u melhor, a o C a r b o n o Equivalente (C.E.) d o ago, q u e n a d a m a i s e d o q u e u m indice q u e indica o efeito da c o m p o s i c a o q u i m i c a na t e m p e r a b i l i d a d e da j u n t a . Desta f o r m a , p o d e - s e afirmar q u e a soldabilidade d e s t e s agos a u m e n t a c o m a d i m i n u i c a o d o t e o r d e c a r b o n o e d o valor d o C a r b o n o Equivalente.
Por f i m , p o d e - s e m e n c i o n a r q u e u m a d a s principals v a n t a g e n s d a utilizagao d e s t e ago para a industria d e petroleo e g a s esta na redugao d o s c u s t o s totais d e material, isto b a s e a d o n o f a t o d e q u e a u m e n t a n d o o limite d e
custos totais d e material, isto b a s e a d o n o fato d e q u e a u m e n t a n d o o limite d e e s c o a m e n t o d o material, a e s p e s s u r a necessaria para o d u t o suportar d e t e r m i n a d a pressao seria reduzida, d i m i n u i n d o - s e a s s i m a q u a n t i d a d e d e material e facilitando a logistica d e transporte e f a b r i c a c a o ( R A M I R E Z , 2 0 0 3 ) . E x e m p l o disto e redugao d o p e s o por q u i l o m e t r o d e tubulagao obtida c o m a e v o l u c a o d o s agos A P I 5 L (Figura 2.4).
2.4 - Evolucao do ganho de material dos acos API5L. [Baseado em dados de KALWA et al, 2002]
2.2 - S o l d a g e m
A s o l d a g e m p o d e ser defmida c o m o o p r o c e s s o d e uniao d e materials u s a d o s para obter a c o a l e s c e n c i a (uniao) localizada d e metais e nao-metais, produzida por a q u e c i m e n t o ate u m a t e m p e r a t u r a a d e q u a d a , c o m o u s e m a utilizacao d e pressao e/ou material d e adigao ( A W S - A m e r i c a n W e l d i n g Society). A s o l d a g e m p o d e t a m b e m ser definida c o m o a o p e r a g a o q u e visa
obter a uniao de d u a s ou mais pegas, a s s e g u r a n d o na junta a continuidade das propriedades fisicas e q u i m i c a s necessarias ao seu d e s e m p e n h o .
2.2.1 - S o l d a b i l i d a d e
A soldabilidade pode ser definida c o m o u m a medida da resistencia intrinseca d o ago (material) para aceitar u m passe de s o l d a g e m sob d a d a s condicoes de aporte de calor s e m q u e ocorra trincas ou q u e produza uma estrutura susceptivel a trincas q u a n d o sob c o n d i c o e s d e t e n s o e s resultantes da manipulacao do material. Ja d e acordo c o m a definicao da A W S (American Welding Society), a soldabilidade corresponderia a c a p a c i d a d e d e u m material ser soldado sob as c o n d i c o e s impostas de fabricacao e m u m a estrutura especifica e c o n v e n i e n t e m e n t e projetada, de m o d o a executar satisfatoriamente o servigo pretendido ( R O C H A , 2 0 1 0 ) .
A soldabilidade pode indicar c o m o estes agos sao preferencialmente soldado, s e m defeitos de s o l d a g e m e, c o n s e q u e n t e m e n t e , c o m melhor d e s e m p e n h o da junta soldada e m servigo ( Y U R I O K A , 2 0 0 1 ) . Soldabilidade nao e u m parametro fixo para cada material, m a s d e p e n d e r a d o s detalhes das juntas, das exigencias e m servigo, dos processos de s o l d a g e m e caracteristicas d o material.
A soldabilidade d o s agos, de u m m o d o geral, e e x t r e m a m e n t e d e p e n d e n t e da composigao q u i m i c a e d a s condigoes termicas q u e d e t e r m i n a m a microestruturas da junta soldada ( P I N T O , 2 0 0 6 ) . A s s i m , pode-se dizer q u e os fatores mais importantes q u e influenciam na soldabilidade s a o :
• A s transformagoes produzidas na Z T A ;
• A composigao q u i m i c a d o metal d e base e do c o n s u m i v e l ; • A s t e n s o e s residuais g e r a d a s durante a s o l d a g e m ;
• O procedimento de s o l d a g e m e m p r e g a d o .
G e r a l m e n t e u m ago apresentara boa soldabilidade se depois d e soldado possuir boa tenacidade e o metal d e solda nao se torna fragil.
U m dos criterios mais e m p r e g a d o s q u e relaciona o grau d e soldabilidade e a utilizagao d o indice c h a m a d o carbono equivalente (C.E.). C o m o o carbono e o elemento q u e mais influencia na temperabilidade e na dureza final do ago, tern se considerado o C a r b o n o equivalente c o m o u m indice q u e possibilita correlacionar a composigao q u i m i c a d o ago c o m sua tendencia a apresentar estruturas frageis q u a n d o este e s u b m e t i d o a u m processo de s o l d a g e m ; p o r e m atualmente existe u m a tendencia de reduzir a q u a n t i d a d e d e carbono nos agos c o m o o mostrado nos agos A R B L , o n d e e s s a redugao tern u m efeito benefico nas propriedades da junta soldada principalmente na tenacidade.
A t u a l m e n t e existem d u a s f o r m u l a s mais c o m u m e n t e utilizadas para o calculo do C.E., a m b a s sao a p r e s e n t a d a s abaixo ( M A L C O L N , 2 0 0 7 ) :
Mn (Cr + Mo-V) [Nf-Cu) (2.1) = C + - h —: — + 6 5 _ Si Mn Cu Ni O- Mo V ( 2 2 ) Pcni = C + + >B K^-^i 30 20 20 60 20 15 10
A primeira equagao (2.1) e conhecida c o m o formula d o carbono equivalente do IIW (International Institute of W e l d i n g ) . Ela foi desenvolvida por volta da d e c a d a d e 4 0 para agos normalizados q u e a p r e s e n t a v a m alto teor de carbono, entretanto pela sua vasta aplicagao ainda e especificada e r e c o m e n d a d a pela A P I 5 L . V a l o r e s abaixo d e 0,45 indicam u m a boa soldabilidade dos agos, e n q u a n t o valores a c i m a deste requerem alguns cuidados q u a n d o da s o l d a g e m . A g o s da classe A P I 5 L m o d e r n o s p o s s u e m o valor do c a r b o n o equivalente calculado c o m esta formula e m torno d e 0,35 ou m e n o s . A l g u n s agos X 8 0 p o s s u e m valores entre 0,40 e 0,45.
A s e g u n d a equagao (2.2) e conhecida c o m o parametro d o carbono equivalente ou formula de Ito-Bessyo. Foi desenvolvida na d e c a d a de 6 0 no J a p a o especificamente para os novos agos c o m teor d e carbono mais baixo. Valores entre 0,18 a 0,20 sao compativeis c o m o valor 0,40 da formula anterior. ( R O C H A , 2 0 1 0 ) .
Nas d u a s equagoes anteriores, os e l e m e n t o s a p a r e c e m e m p o r c e n t a g e m d e peso. A e q u a g a o 2.1 e e m p r e g a d a para agos c o m alto conteudo de carbono, superior a 0,12%, j a a e q u a g a o 2.2 e e m p r e g a d a s o m e n t e para agos c o m baixo conteudo de c a r b o n o , igual ou inferior a 0 , 1 2 % ( O R D O N E Z , 2 0 0 4 ) .
S e g u n d o a n o r m a A P I 5L de 2 0 0 0 , e r e c o m e n d a d o que o valor m a x i m o para o P c m nao ultrapasse 0,25%; quanto m e n o r o valor de PCm melhor a
soldabilidade do ago. Desta f o r m a , a soldabilidade destes agos a u m e n t a c o m a diminuigao do teor de c a r b o n o e d o valor do carbono equivalente.
2.2.2 - P a r a m e t r o s d e S o l d a g e m
A qualidade, a produtividade e a confiabilidade de uma junta s o l d a g e m estao diretamente relacionadas a o s parametros d e s o l d a g e m envolvidos durante a execugao d o processo d e s o l d a g e m . Estes parametros sao de grande valor para a c o m p r e e n s a o d a s alteragoes microestruturais e c o n s e q u e n t e m e n t e das propriedades m e c a n i c a s da j u n t a .
S e g u n d o G O D O Y (2008), o processo d e s o l d a g e m se caracteriza por u m a grande quantidade d e parametros operacionais envolvidos, os quais d e v e m apresentar valores definidos dentro d e faixas que possibilitem a meihoria no rendimento d o processo e na qualidade desejada ao cordao de solda. O conhecimento dos efeitos d e s s e s parametros, sobre as propriedades finais da junta soldada possibilita o ajuste mais efetivo e o controle d e seus valores d e forma a se obter u m a melhor utilizagao d o m e s m o . O s principals parametros de s o l d a g e m sao a temperatura d e pre-aquecimento e a energia d e s o l d a g e m .
2.2.2.1 - E n e r g i a d e S o l d a g e m
A quantidade de calor adicionada a u m material, por unidade d e c o m p r i m e n t o linear, e o que se c h a m a energia d e s o l d a g e m , ou aporte termico, o u m e s m o "heat input", geralmente representada pelas letras E ou H e cuja unidade usual e K J / m m , s e n d o t a m b e m a p r e s e n t a d a e m KJ/cm ou J/mm ( I N F O S O L D A , 2 0 1 0 ) . Para o processo d e s o l d a g e m q u e utiliza arco eletrico o valor da energia de s o l d a g e m , e m J / m m , e b e m conhecido e d a d o pela f o r m u l a :
p=l]-^L (2.3)
O n d e :
• E - Energia de S o l d a g e m (J/mm); • q - Rendimento termico (A.D); <» V - T e n s a o (Volts);
• I - Corrente (Amperes);
» v - V e l o c i d a d e de S o l d a g e m ( m m / m i n ) .
E de se observer q u e a energia d e s o l d a g e m d e p e n d e muito d o processo de s o l d a g e m (atraves de r\ e d a s faixas d e V e I) e da tecnica que se utiliza (atraves de v, p o d e n d o variar muito d e p e n d e n d o da oscilacao d o arco).
A energia d e s o l d a g e m e u m parametro d e g r a n d e importancia para o estudo da s o l d a g e m , pois influencia nas propriedades m e c a n i c a s dos conjuntos soldados, devido as variacoes q u e p o d e m provocar no ciclo termico de s o l d a g e m , alterando a morfologia d o cordao d e solda (penetracao, largura e altura do reforco) e as t r a n s f o r m a c o e s d e f a s e durante a s o l d a g e m , influenciando na microestrutura e nas propriedades resultantes tanto d o metal d e solda c o m o na zona t e r m i c a m e n t e afetada da junta soldada ( N E T O , 2 0 0 3 ) .
Por isso, q u a n d o se pretende estudar os efeitos metalurgicos por diferentes procedimentos de s o l d a g e m e m uma j u n t a , e importante caracterizar
m u i t o b e m a energia d e s o l d a g e m , a s s i m c o m o e n t e n d e r e registrar os outros f a t o r e s q u e p o d e m contribuir para modificar os ciclos t e r m i c o s i m p o s t o s a junta s o l d a d a .
2.2.3 - R e g i o e s d a J u n t a S o l d a d a
U m a j u n t a s o l d a d a e f o n n a d a por tres regioes b e m distintas, s a o elas:
• Metal d e B a s e ( M B ) : R e g i a o m a i s afastada d a solda q u e n a o foi alterada pelo ciclo t e r m i c o ;
• Metal d e Solda ( M S ) : R e g i a o o n d e o material foi f u n d i d o d u r a n t e a s o l d a g e m e caracterizado por t e m p e r a t u r a s d e pico superiores a sua t e m p e r a t u r a d e f u s a o ;
• Z o n a T e r m i c a m e n t e A f e t a d a ( Z T A ) : R e g i a o n a o f u n d i d a d o metal b a s e , m a s cuja microestrutura e/ou p r o p r i e d a d e s f o r a m alteradas pelo ciclo t e r m i c o d e s o l d a g e m . Figura 2.5
Figura 2.5 - Regioes da Junta Soldada.
2.2.3.1 - M i c r o e s t r u t u r a n o M e t a l d e S o l d a
C o m o t e r m i n o d a s o l d a g e m , o m e t a l d e solda a p r e s e n t a r a u m a microestrutura c o m p l e x a q u e e b e m distinta d a q u e se encontra no metal d e b a s e . Esta microestrutura sera f u n c a o d a v e l o c i d a d e d e resfriamento (ciclo
termico) da junta e da composigao q u i m i c a d o s c o n s u m i v e i s e d o metai d e base. Para o caso de soldas c o m multiplos passes, devido a deposigao de passes s u b s e q u e n t e s certas regioes d a microestrutura do metal de solda serao reaquecidas, nessas regioes, devido a temperatura ficar pouco a c i m a da temperatura de recristalizagao, o c o r r e m processos de transformagao de fases q u e geralmente ocorrem no estado solido e na recristalizagao. C o m o consequencia, havera um a u m e n t o da heterogeneidade microestrutural e das propriedades m e c a n i c a s resultantes. S e n d o assim a microestrutura final e c o m p o s t a por passes contendo regioes nao afetadas pelo passe s u b s e q u e n t e de caracteristica colunar, seguidas d e regioes reaquecidas q u e f o r a m recristalizadas c o m diferentes granulometrias e m fungao da distancia ao passe s u b s e q u e n t e .
A s terminologias utilizadas para a identificagao dos microconstituintes d o metal d e solda f o r a m propostas e a d o t a d a s pelo Instituto Internacional d e S o l d a g e m (Internacional Institute of Welding - IIW-1988). Este sistema d e classificagao foi desenvolvido pela falta q u e se observava de uma padronizagao na terminologia dos constituintes do metal d e solda. Pois, ate entao, diversos autores a d o t a v a m terminologias proprias, diferentes e conflitantes para descrever u m a m e s m a microestrutura. Desta f o r m a , e m 1988, o IIW desenvolveu u m sistema d e classificagao para normalizar internacionalmente a nomenclatura d o s m e s m o s , se b a s e a d o na observagao realizada c o m o auxilio da microscopia optica. De acordo c o m o IIW, os microconstituintes mais c o m u n s do metal de solda sao:
1. A Ferrita primaria (FP): q u e p o d e ocorrer sob d u a s f o r m a s b e m distintas de constituintes, q u e sao:
• A Ferrita de contorno de grao ou alotriomorfica - FP (G): E o constituinte de mais facil identificagao no metal de solda pelo seu aspecto claro e liso. A p r e s e n t a - s e na f o r m a d e veios finos delineando o contorno de grao colunar da austenita previa. Sua f o r m a g a o e favorecida por baixa taxa d e resfriamento, pelo p e q u e n o t a m a n h o de grao austenitico e por baixo teor d e e l e m e n t o s de liga. • A Ferrita poliqonal intragranular ou idiomorfica - FP (I):
poligonal, encontrados no interior d o s graos da austenita anterior, m a s c o m d i m e n s o e s superiores ao triplo da largura media d a s ripas da ferrita acicular ou da ferrita c o m s e g u n d a f a s e , que as c i r c u n d a m . Sua f o r m a c a o acontece c o m taxas de resfriamento muito lentas. 2. Ferrita c o m s e g u n d a fase (FS): Pode ocorrer sob as f o r m a s c o m p u t a d a s
c o m o constituintes distintos, sao elas:
• Ferrita c o m segunda fase alinhada - FS (A): A p r e s e n t a - s e e m f o r m a de placas ou agulhas q u e nucleiam a partir da ferrita de contorno de grao - FP (G) ou diretamente a partir dos contornos d e graos da austenita anterior. A relacao comprimento/largura da FS (A) e superior a 4:1 e estao orientadas para o interior do grao austenitico. • Ferrita c o m segunda fase nao alinhada - FS (NA): O constituinte FS
(NA) aparece circundando ripas d e ferrita acicular ou outros microconstituintes q u e se a p r e s e n t e m c o m f o r m a equiaxial (carbonetos ou o constituinte austenita-martensita - (AM)). A p r e s e n t a - s e e m forma nao paralela.
3. Ferrita acicular (AF): A ferrita acicular nucleia geralmente e m inclusoes nao-metalicas dentro dos graos da austenita atraves d e taxas d e resfriamento mais elevadas q u a n d o c o m p a r a d o s c o m a ferrita primaria. E, portanto, u m constituinte intragranular de graos finos, c o m uma morfologia d e e m a r a n h a d o e c o m graos se entrecruzando, s e p a r a d o s por contornos de alto angulo e razao de aspecto variando de 3:1 ate 1 0 : 1 . A FA e n o r m a l m e n t e observada e m metais d e solda de baixa liga, nos quais u m a fina dispersao de inclusoes de oxidos p r o m o v e locais favoraveis para sua nucleacao heterogenea. Microconstituintes c o m o a cementita e constituintes A - M t a m b e m p o d e m ser observados nas interfaces entre graos de FA adjacentes Este microconstituinte torna-se bastante favoravel no a u m e n t o da tenacidade no metal de solda de agos A R B L .
4 . A q r e g a d o ferrita-carboneto (FC): A p r e s e n t a uma estrutura fina d e ferrita e carbonetos, incluindo a perlita e a ferrita c o m carbonetos interfasicos. Este constituinte e f o r m a d o no interior dos graos da austenita, afastados
d o s c o n t o r n o s d e g r a o . C a s o o a g r e g a d o seja c l a r a m e n t e identificado pelo o b s e r v a d o r c o m o perlita, e n t a o podera ser distinguido c o m o FC (P). 5. Martensita (M): A martensita e o constituinte q u e se f o r m a c o m o produto
final d e t r a n s f o r m a c a o d a austenita e m c o n d i c o e s d e altas t a x a s d e resfriamento. P o d e n d o ocorrer e m s o l d a g e m c o m baixo a p o r t e d e calor e/ou e m m e t a i s d e solda c o m e l e v a d o s t e o r e s d e e l e m e n t o s d e liga. A t r a n s f o r m a c a o d a austenita e m martensita p o d e n a o s e dar c o m p l e t a m e n t e e ainda existir austenita retida a o final d o processo, f o r m a n d o ilhas d e austenita c o m martensita q u e , a p e s a r d e ser u m a microfase, e n o r m a l m e n t e d e n o m i n a d a d e constituinte a u s t e n i t a -martensita - ( A M ) . A identificagao d e constituinte n o r m a l m e n t e n a o e p o s s i v e l d e ser realizada utilizando-se a p e n a s d e tecnicas d e microscopia otica.
A Figura 2.6 a p r e s e n t a o s principals microconstituintes e n c o n t r a d o s no metal d e solda.
FP (I) - Ferrta potgonal rtragraru** f s ^ _ ^ i e g u n d f l ^
'id j a i m a (.a
FA - Ferrita acicila- FC - Agregado ferrita-carboneto
Figura 2.6 - Microestrutura do metal de solda com indicacao dos constituintes. [WELDING IN THE WOLRD, 1991]
2.2.3.2 - M i c r o e s t r u t u r a n a Z o n a T e r m i c a m e n t e A f e t a d a
A Z o n a T e r m i c a m e n t e A f e t a d a ( Z T A ) c o m u m e n t e tern propriedades m e c a n i c a s diferente d o metal d e solda d e v i d o a microestruturas d e s f a v o r a v e i s , d e c o r r e n t e d e u m rapido ciclo t e r m i c o d e a q u e c i m e n t o e resfriamento d u r a n t e o p r o c e s s o d e s o l d a g e m .
A e x t e n s a o d a Z T A d e p e n d e d a g e o m e t r i a d a j u n t a , e s p e s s u r a d a c h a p a , p r o p r i e d a d e s t e r m i c a s d o material, t e m p e r a t u r a d e p r e a q u e c i m e n t o e principalmente d o p r o c e s s o e respectivos p a r a m e t r o s d e s o l d a g e m .
A Z T A g e r a l m e n t e e subdividida e m f u n c a o d a t e m p e r a t u r a atingida d u r a n t e o ciclo t e r m i c o d e s o l d a g e m e m quatro regioes, a Figura 2.7 ilustra u m d e s e n h o e s q u e m a t i c o c o m as regioes (zonas) d e s o l d a g e m . A Z T A e n o r m a l m e n t e subdividida e m quatro regioes:
Figura 2.7 - Representacao das regiSes da ZTA. [Adaptadode EASTERLING, 1983].
• Regiao d e grao grosseiro ( R G G ) : Caracterizada por u m a t e m p e r a t u r a de pico entre 1100 - 1450 °C. Esta faixa d e temperatura e suficiente para iniciar o processo de crescimento d o grao austenitico, s e n d o portanto, uma regiao de baixa. D e p e n d e n d o da taxa d e resfriamento as fases o b s e r v a d a s nesta regiao incluem ferrita poligona!, ferrita d e W i d m a n s t a t t e n , ferrita bainitica, e martensita e m ripas. A l e m disso, as fases enriquecidas e m carbono ou fases secundarias p o d e m transformar-se e m perlita, carbonetos ou constituinte A M .
• Regiao d e grao fino ( R G F ) : E a regiao o n d e a t e m p e r a t u r a d o ciclo termico se encontra entre Ar3 - 1100 °C, nao s e n d o portanto suficiente para proporcionar crescimento de grao austenitico, a p e n a s o refino do grao do,metal de base. A g r a n d e area d e contorno de grao t e n d e a promover a nucleacao de ferrita, s e n d o q u e a austenita enriquecida r e m a n e s c e n t e no centra do grao pode transformar-se e m perlita.
• Regiao intercritica (RIC): Nesta regiao, a t e m p e r a t u r a q u e atinge a Z T A esta entre A r 1 - A r 3 , a qual e uma regiao relativamente estreita, e m q u e as transformagoes da perlita ocorrem parcialmente. Durante o resfriamento, a austenita enriquecida e m carbono e m a n g a n e s rejeitadas pela ferrita, podera transformar-se e m uma grande variedade d e microestruturas c o m o perlita, bainita superior, martensita auto-revenida ou martensita d e alto carbono, de acordo c o m o seu percentual d e C e da taxa d e resfriamento d e junta.
• Regiao subcritica ( R S C ) : Esta regiao estara a uma t e m p e r a t u r a m e n o r que A r 1 , portanto nao estara sujeito a m u d a n g a nas morfologias dos microconstituintes. Entretanto, o efeito c o m b i n a d o do a q u e c i m e n t o e da tensao residuai pode causar envelhecimentos dinamicos, levando a uma fragilizagao da estrutura.
T e m - s e verificado q u e a fragilidade da Z T A p o d e ocorrer e m todas as regioes, d e p e n d e n d o do tipo do ago e do processo de s o l d a g e m . Entretanto devido a sua granulometria e altas taxas de resfriamento, a R G G e aquela que s e m p r e tern apresentado a maior fragilidade dentre as d e m a i s regioes da Z T A ( P I N T O , 2 0 0 6 ) .
2.2.4 - P r o c e s s o s d e S o l d a g e m
A norma A P I 1104 define c o m o principais processos utilizados na s o l d a g e m transversal de dutos, os processos ao A r c o Eletrico: Eletrodo Revestido ( S M A W - S h i e l d e d Metal A r c W e l d i n g ) , Eletrodo de T u n g s t e n i o e protecao gasosa ( G T A W - G a s T u n g s t e n A r c W e l d i n g ) t a m b e m conhecido c o m o T I G (Tungsten Inert Gas) e A r a m e Tubular ( F C A W - Flux Cored A r c Welding)
2.2.4.1 - S o l d a g e m a o A r c o E l e t r i c o c o m E l e t r o d o R e v e s t i d o - S M A W
O processo S M A W e definido c o m o u m processo d e s o l d a g e m por f u s a o a arco eletrico q u e utiliza u m eletrodo c o n s u m i v e l , no qual o calor necessario para a s o l d a g e m v e m da energia liberada pelo arco f o r m a d o entre a peca a ser soldada e o referido eletrodo (Figura 2.8). O arco f u n d e s i m u l t a n e a m e n t e o eletrodo e a peca. O metal fundido d o eletrodo e transferido para a peca, f o r m a n d o u m a poga fundida q u e e protegida da atmosfera pelos g a s e s d e c o m b u s t a o d o revestimento. O metal depositado e as gotas do metal fundido q u e s a o ejetadas, r e c e b e m uma protegao adicionai atraves d o b a n h o de escoria, q u e e f o r m a d a pela queima de alguns c o m p o n e n t e s do revestimento ( I N F O S O L D A , 2 0 1 0 ) .
Para obtengao de u m a junta soldada d e qualidade, a l e m da tecnica de manipulagao do eletrodo; e necessario levar e m consideragao outros fatores c o m o : tipo e diametro d o eletrodo; tipo, polaridade e valor da corrente d e s o l d a g e m ; tensao e c o m p r i m e n t o do arco e t a m b e m da velocidade de s o l d a g e m . T o d a s as caracteristicas apresentadas acima f a z e m parte da Especificagao d o Procedimento d e S o l d a g e m (EPS). O b o m controle dos parametros de s o l d a g e m e o c u m p r i m e n t o final da E P S s a o necessarios para a execugao d e uma junta soldada d e qualidade ( A L B U Q U E R Q U E , 2 0 0 9 ) .
