Caracterização e avaliação da resistência à corrosão na soldagem de tubulação de aço inoxidável duplex UNS S31803 pelo processo a arco submerso

1. Introdução

Os aços inoxidáveis duplex (AID) possuem atualmente uma vasta aplicabilidade na construção e montagem de componentes na indústria offshore, destacando-se pelos altos valores de resistência mecânica e resistência à corrosão por pites [1-2]. Estas características são devidas à sua microestrutura bifásica composta por quantidades semelhantes de austenita (γ) e ferrita (δ) e aos elementos de liga Cr, Mo e N [3]. Para a soldagem de tubulações desta família de aços inoxidáveis é, normalmente, empregado o processo de soldagem TIG (GTAW), devido à necessidade de cuidados especiais durante a operação, principalmente quando da impossibilidade de realização de tratamento térmico de solubilização posterior. Como estes aços se solidificam com uma microestrutura 100 % ferrítica e o surgimento da austenita ocorre por difusão no resfriamento abaixo de 1250-1300 ºC, o emprego de velocidades de resfriamento muito altas conduzirão a uma microestrutura preponderantemente ferrítica, contendo nitretos de cromo (Cr2N) dispersos nesta fase. Por outro lado, um resfriamento muito lento poderá promover a formação das fases intermetálicas σ e χ que atuam em detrimento da resistência mecânica e à corrosão. Ambas as formas de desbalanço microestrutural devem ser evitadas na soldagem dos aços duplex. Para que não haja a precipitação de um teor excessivamente elevado de ferrita as medidas usuais são a utilização de metal de adição mais rico em níquel, utilização de argônio (Ar) com adição de 1 a 3% de nitrogênio (N) como gás de proteção e controle do aporte térmico para que não seja muito baixo, Entretanto, a principal medida para evitar a precipitação de fases deletérias é o controle do aporte de calor, evitando que seja excessivamente alto. Neste sentido, recomenda-se um aporte térmico entre 0,5 kJ/mm e 2,5 kJ/mm para a soldagem de aços duplex e entre 0,2 kJ/mm e 1,5 kJ/mm para os aços inoxidáveis superduplex (AISD) [4]. Porém, no caso de tubulações de paredes espessas, a utilização do processo GTAW torna-se pouco produtivo.

Neste contexto, alguns trabalhos [5-7] avaliaram as propriedades e a caracterização de juntas soldadas pelo processo de arco submerso (SAW). Nowacki e Rybicki [5] analisaram a influência do aporte de calor na taxa de defeitos produzidos em uma junta de topo do AID UNS S31803, enquanto que Sieurin e Sandström [6] estabeleceram um método para descrever a taxa de resfriamento e a reformação de austenita, avaliando também a mecânica da fratura e tenacidade ao impacto [7] em juntas soldadas de chapas grossas de AID.

Portanto, o presente trabalho tem como objetivo caracterizar e avaliar a soldagem de uma tubulação de AID UNS S31803 pelo processo de arco submerso (SAW), utilizando arames AISD. A importância da implementação e utilização deste processo nesta família de aços inoxidáveis visa aumentar a produtividade na soldagem de tubulações espessas na indústria de construção e montagem na área offshore.

2. Materiais e Métodos


Neste trabalho, foi realizada a soldagem de uma tubulação de AID UNS S31803 pelos processos TIG (GTAW) na raiz e arco submerso (SAW) no enchimento e acabamento, respectivamente. A geometria e dimensões do bisel empregado são apresentadas na Figura 1 [8], onde a abertura da junta utilizada foi de 5 mm.

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As características do material utilizado estão descritas na Tabela 1, assim como na Tabela 2 são apresentadas as composições químicas dos materiais de estudo, observando-se que os consumíveis para soldagem correspondem à classificação de aços inoxidáveis superduplex (AISD). Os eletrodos utilizados foram da marca BTS THERMANIT 25/09 CuT da Böehler, com diâmetro de bitola 3,2 e 2,4 mm para os processos GTAW e SAW, respectivamente. No caso do processo SAW foi utilizado fluxo marca MARATHON 431 da Böehler. A distância do bico de contacto à peça (DBCP) foi de 20 mm, sendo a velocidade de alimentação do arame no processo SAW entre 38 e 42 mm/s. Para o processo GTAW foi utilizado como gás de proteção e gás de purga uma mistura contendo 97,5 % Ar +2,5 % N, com vazões de 14 e 20 l/m, respectivamente. A proteção na purga foi avaliada através de oxímetro para que o teor de oxigênio não excedesse a 0,5% em peso. As polaridades empregadas foram CC- e CC+, para os processos GTAW e SAW, respectivamente. As temperaturas interpasses máximas foram 50ºC para o processo GTAW e 125ºC para o processo SAW. A Tabela 3 apresenta os valores de tensão, corrente de soldagem, velocidade de avanço e aporte térmico, para cada passe durante a soldagem da tubulação pelo processo SAW (Figura 2).

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Ao término da soldagem e antes da realização dos ensaios mecânicos foi realizado o ensaio radiográfico através da técnica de PD/VS (parede dupla/vista simples), objetivando avaliar o atendimento do cordão de solda aos requisitos estabelecidos pela norma de projeto da tubulação para a categoria de fluído classe "M" [8].

Ensaios de tração foram realizados à temperatura ambiente, com velocidade de ensaio de 1,7 Kgf/mm2/seg, segundo especificações da ASME IX [9], para corpos de prova (cps) extraídos transversalmente à junta soldada, assim como a partir do metal de solda depositado.

Foram efetuados ensaios de dobramento lateral a 180º empregando-se cutelo com diâmetro de 40 mm, conforme ASME IX [9].

Avaliou-se a tenacidade ao impacto fazendo uso de um pêndulo universal Charpy, à temperatura de -46 ºC, em 24 cps de tamanho padronizado de 55 x 10 x 10 mm [10], retirados transversalmente na junta soldada a 2 mm da superfície da raiz e do enchimento. O entalhe, tal como apresentado na Figura 3, foi realizado no centro do metal de solda (CMS), na zona de ligação ou linha de fusão (LF) e a 2 e 5 mm da LF na direção da ZTA, totalizando 3 cps por cada condição, tal como exigido pela norma SBM SPF92033A1 [11].

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Análises de microdureza Vickers foram realizadas ao longo da seção transversal da face da junta soldada no metal de solda (MS) e zona termicamente afetada (ZTA) para comparação com o metal de base (MB). Os ensaios de dureza foram precedidos de análise macrográfica da junta soldada, preparada através de lixamento convencional até lixa 400, com posterior ataque eletrolítico através de solução aquosa de ácido oxálico a 10%.

A avaliação microestrutural da junta soldada foi realizada através de microscopia ótica em amostras do metal de solda atacadas com o reagente Beraha e KOH [2]. As quantificações das fases δ e γ em diferentes regiões do metal de solda foram realizadas através do programa Image Tools v.3.0 [12], com média de 20 imagens por região e com diferentes aumentos metalográficos.

O teor de nitrogênio foi avaliado em diversas regiões da junta via instrumental, através da retirada com broca helicoidal de 1g de cavaco, no metal de base (MB), na raiz (MS GTAW), na região central do metal de solda (MSSAW) e na zona do metal de solda próxima à zona de ligação (MSSAWD), tal como mostrado na Figura 4(a) e (b).

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As análises eletroquímicas por estimativa da temperatura crítica de pites (CPT) de cada região da junta soldada foram efetuadas conforme a norma ASTM G150 [13], através de um potenciostato galvanostato µ Autolab® Type III e uma célula eletroquímica, em banho maria, contendo o eletrodo de trabalho, o contra-eletrodo de platina e o eletrodo de referência de calomelano saturado (SCE).

Os eletrodos de trabalho foram fabricados por fixação das amostras extraídas em distintas regiões da junta soldada a um fio rígido de cobre (Cu) através de um rasgo em cada amostra, possibilitando, deste modo, a inserção do fio sob pressão. Foram analisadas as regiões do metal de solda depositado pelo processo de arco submerso (MSSAW), metal de solda depositado pelo processo TIG (MSGTAW), zona termicamente afetada correspondente ao processo de arco submerso (ZTASAW) e metal de base (MB). Em seguida, estes eletrodos foram embutidos em resina de cura a frio. A superfície de cada amostra em contato com o eletrólito foi preparada até a lixa de granulometria 400. De modo a evitar a corrosão por frestas, as laterais e vértices do eletrodo em contato com a resina foram recobertos com verniz. A Figura 5 apresenta os eletrodos de trabalho ensaiados.

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O ensaio foi efetuado com uma solução de 1M NaCl, sem desaeração prévia. Durante o ensaio, um potencial constante de 700 mVSCE foi aplicado na amostra em relação ao eletrodo de referência. Os valores de temperatura foram adquiridos manualmente em intervalos de quinze segundos, utilizando um termômetro digital. O aquecimento da solução foi realizado com uma taxa de 4 ºC por minuto, a partir da temperatura de 8 ºC.

Foram representados graficamente os valores de temperatura e densidade de correntes versus o tempo de ensaio. Assim, a CPT é a temperatura pela qual a densidade de corrente (δi) aumenta acima de 100 µA/cm2 mantendo-se acima deste valor crítico no mínimo por sessenta segundos [13].

Por fim, foram realizados três ensaios de CPT para cada amostra avaliada seguindo a metodologia descrita. A Figura 6 exibe um dos ensaios de CPT realizado na raiz do metal de solda (MSGTAW).

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Pode-se observar através da Figura 6 que ao longo do ensaio os valores da densidade de corrente se mantiveram próximos a zero na maior parte do tempo, situação na qual o filme passivo esteve agindo de maneira efetiva protegendo o material. No entanto, pode ocorrer em algum instante uma pequena variação na densidade de corrente como destacado nesta figura, caracterizando o aparecimento de pites transientes metaestáveis [14] que desapareceram posteriormente com a repassivação do metal. Há ocorrência de pites estáveis no momento em que a densidade de corrente cresce continuamente de forma abrupta por rompimento do filme protetor, indicando, deste modo, a temperatura crítica.

Ensaios de imersão por perda de massa foram realizados na junta soldada conforme estabelecido pela norma ASTM G48 [15]. Os cps de ensaio foram retirados da tubulação, em formato retangular, como indicado pela SBM SPF92033A1 [11], sendo identificados conforme mostrado na Figura 7. Logo, procedeu-se ao corte destes corpos de provas conforme ilustrado na Figura 8 de modo a não exceder a capacidade de carga máxima da balança utilizada para avaliar a perda de massa de cada cp.

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Inicialmente, a superfície e a massa de cada amostra foram determinadas em uma balança analítica, marca Bell. As amostras foram imersas por 24 horas em uma solução aquosa contendo 100 g de cloreto férrico hexa-hidratado (FeCl3.6H20) em 900 ml de H2O à temperatura de 22 ± 2 ºC. Após o período de tempo de imersão especificado procedeu-se à limpeza, secagem e pesagem final de cada cp analisado.

 

 



     

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