Soldagem de juntas dissimilares entre aços CrMo e aços inoxidáveis austeníticos

Uma situação muito comum encontrada em refinarias de petróleo e plantas de geração de energia termoelétricas, dentre outras aplicações, é a necessidade de soldar juntas dissimilares entre aços CrMo resistentes à fluência e aços inoxidáveis austeníticos. Essa situação ocorre em tubulações que estão expostas a temperaturas elevadas em condições cíclicas.

Nestes casos, as diferenças existentes entre os coeficientes de expansão térmica para os diferentes materiais, promovem o acúmulo de tensões na junta durante as variações de temperatura. Por este motivo, no passado era comum a falha prematura quando estas soldagens eram realizadas com metais de adição de aços inoxidáveis austeníticos, como o 309, por exemplo.

Esta situação foi eliminada através do uso de metais de adição de níque-cromo-ferro, o qual possui um coeficiente de expansão térmica intermediário entre os dois metais de base citados acima. A Figura 1 apresenta um exemplo de uma junta dissimilar que sofreu falha em uma planta de geração de energia termoelétrica, onde foi utilizado um consumível de aço inoxidável austenítico do tipo 309. Neste caso, os materiais de base envolvidos foram o aço inoxidáveis austenítico do tipo 304H e o aço CrMo resistente a fluência T-22.

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Figura 1 – Pedaços de tubos após a falha por fadiga térmica em junta dissimilar de 304H com T-22.

O coeficiente de expansão térmica pode ser definido como uma variação na deformação do material em função da variação de temperatura, como apresentado na equação 1.

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Onde:
- = coeficiente de expansão térmica
- =variação da deformação
- = variação da temperatura

A Figura 2 mostra um exemplo das diferenças dos coeficientes de expansão relativos em uma junta dissimilar entre um aço inoxidável austenítico e um aço CrMo, soldados com uma liga NiCr. Teoricamente o coeficiente de expansão térmica linear do metal de solda deve estar no meio entre os coeficientes dos metais de base, especialmente se a diferença entre eles for grande.

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Figura 2 – Relação entre os coeficientes de expansão térmica relativa em uma junta dissimilar entre um aço inoxidável austenítico e um aço CrMo.

As trincas e consequentemente a falha em operação que podem aparecer para estas juntas dissimilares podem ser atribuídas a três fatores principais:

  1. A diferença entre os coeficientes de expansão térmica dos materiais dissimilares. É o fator principal. Esta diferença resulta na introdução de tensões provocadas pela variação de temperatura na interface da solda;
  2. A difusão de carbono da ferrita para a austenita. Isto ocorre principalmente durante a soldagem e a operação em temperaturas elevadas, deixando uma faixa do aço ferrítico empobrecida em carbono a qual perde as suas propriedades mecânicas e tende a fraturar por fluência;
  3. A diferença quanto a resistência à oxidação. Essa diferença resulta na formação de um filme de óxido na superfície interna e externa do tubo, que cresce em espessura com o passar do tempo, diminuindo a espessura da sessão transversal do tubo e sua capacidade de resistir as tensões impostas.

No caso apresentado de soldagem de junta dissimilar entre um aço inoxidável austenítico e um aço CrMo, a seleção de parâmetros de temperatura de pré-aquecimento e tratamento térmico podem ser um desafio ao engenheiro de soldagem. Neste caso, o aço CrMo requer tanto pré-aquecimento quanto tratamento térmico de alívio de tensões após a soldagem. Por sua vez, o aço inoxidável austenítico limita a temperatura de interpasse e não aceita tratamento térmico após a soldagem, podendo ter suas propriedades prejudicadas se este for requerido. Nestes casos, duas soluções podem ser apresentadas:

  1. Mudança de Material – pode-se utilizar um aço inoxidável austenítico estabilizado, se for possível, ou usar uma liga de níquel-cromo que não seja sujeita a precipitação de carbonetos.
  2. Amanteigamento – pode-se amanteigar o metal de base que requer tanto o pré-aquecimento quanto o tratamento térmico pós-soldagem (aço CrMo) com uma liga que suporte estas temperaturas e depois de tratada, possa ser soldada com o aço inoxidável sem a necessidade de pré-aquecimento e posterior tratamento térmico. Veja um exemplo na Figura 3.

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Figura 3 – Exemplo de junta dissimilar soldada com o uso da técnica de amanteigamento.

Para qualquer uma das opções a ser selecionada, os metais de adição mais comunmente usados nas soldagens dissimilares entre aços inoxidáveis e aços CrMo para trabalho em temperaturas elevadas são ligas de níquel. Conforme a norma da Petrobras N-133 Rev.K, veja na Tabela 1 as classificações dos consumíveis a serem utilizados.

Tabela 1 – Classificação dos consumíveis a serem utilizados na soldagem de juntas dissimilares entre aços CrMo e aços inoxidáveis austeníticos conforme N-133 Rev.K.

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Fonte:

Bohler Welding Group

 

     
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