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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
MARCELO LIMA CARDOSO / 08188002001
ESTUDO TÉCNICO DA SOLDAGEM DOS TUBOS DE UMA CALDEIRA PARA GERAÇÃO DE VAPOR QUE UTILIZA CICLO RANKINE
BELÉM 2013
MARCELO LIMA CARDOSO / 08188002001
ESTUDO TÉCNICO DA SOLDAGEM DOS TUBOS DE UMA CALDEIRA PARA GERAÇÃO DE VAPOR QUE UTILIZA CICLO RANKINE
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Colegiado da Faculdade de Engenharia Mecânica do Instituto de Tecnologia da Universidade Federal do Pará para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador: Prof. Dr. Eng. Alexandre Saldanha do Nascimento. Coorientador: Eng. Henrique Fernando Pinheiro Espirito Santo.
BELÉM 2013
MARCELO LIMA CARDOSO / 08188002001
ESTUDO TÉCNICO DA SOLDAGEM DOS TUBOS DE UMA CALDEIRA PARA GERAÇÃO DE VAPOR QUE UTILIZA CICLO RANKINE Trabalho de Conclusão de Curso apresentado para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico pela Universidade Federal do Pará . Submetido à banca examinadora constituída por: __________________________________________ Prof. Dr. Eng. Alexandre Saldanha do Nascimento UFPA – Orientador/ Presidente __________________________________________ Prof. Me. Douglas Neves Garcia UFPA – Membro __________________________________________ Prof. Dr. Carlos Alberto Mendes da Mota UFPA – Membro __________________________________________ Eng. Henrique Fernando Pinheiro Espirito Santo UFPA – Coorientador. Julgado em ____ de _______________de 201___ Conceito:__________________________________ BELÉM 2013
Dedico este trabalho aos meus pais, Marcelo e Ineti, e em especial aos meus avós, José Maria e Maria de Nazaré, onde estes, juntamente com meus pais sempre estiveram ao meu lado e me incentivaram no decorrer da vida a ser um vencedor, me proporcionando a oportunidade de vencer mais uma batalha na vida.
Marcelo Lima Cardoso
AGRADECIMENTOS Meu primeiro agradecimento é para Deus, por me presentear com todas as oportunidades que tive na vida que resultaram nesta chegada ao final do curso de graduação em Engenheiro Mecânico. A minha família que tem cem por cento de influencia na minha formação, pois me apoiou em todos os momentos, acreditando que eu conseguiria quando nem eu mesmo acreditava. Ao meu pai, Raimundo Marcelo, que sempre acreditou e me apoiou em minhas decisões, acarretando em suporte e força para alcançar meus objetivos, sendo o de Engenheiro Mecânico um grande orgulho para meu pai. Um agradecimento especial para minha mãe, Ineti, que sempre esteve disposta a me ajudar de todas as formas para alcançar os melhores resultados na minha vida. Ao professor Alexandre Saldanha, que concordou em me orientar e me apoiou na realização do referido trabalho me mostrando os caminhos corretos para a finalização deste trabalho. Ao Engenheiro mecânico Henrique, meu coorientador, que me ajudou de forma fundamental no termino deste trabalho. Por último e mais importante um agradecimento ao meu avô José Maria que sempre me aconselhou a seguir os caminhos corretos e a minha avó Maria de Nazaré que por muito tempo acordou cedo e me incentivou diariamente a estudar para chegar a este momento que culminou na minha formação
RESUMO A soldagem de manutenção é um dos métodos de união mais utilizados na recuperação dos componentes mecânicos, pois é um método muito eficiente e com um tempo de trabalho relativamente curto relacionado a outros métodos de união. Na soldagem de tubulações garante maior estanqueidade do que, por exemplo, união por roscamento. Na caldeiraria o emprego da soldagem também se faz presente na união dos dutos que fazem parte de sua estrutura, no entanto, as soldagens destes equipamentos por serem de altíssima responsabilidade necessitam de cuidados especiais na hora de soldar como a escolha adequada dos parâmetros de soldagem e procedimentos de soldagem para a realização do serviço, além dos ensaios posteriores para verificar a qualidade da união. Uma vez que estes equipamentos por serem geradores de vapor e se utilizarem uma grande quantidade de calor muito grande em seu interior. Normalmente utilizam-se quatro tipos de processos mais comuns para a soldagem de caldeiras, ou seja, a soldagem por Eletrodo Revestido, Arame Tubular, MIG e TIG. Este trabalho consiste no desenvolvimento de um estudo dos aspectos práticos da soldagem de manutenção em tubulações de uma caldeira a vapor. Sendo que a mesma usa como combustível, resíduos sólidos (madeira), gerando vapor para posterior geração de energia elétrica, foi realizado um levantamento de alguns parâmetros de soldagem, observando e pontuando os acertos e as posteriores falhas ocorridas nesta soldagem mediante as normas técnicas adotadas.
Palavras-chave: Soldagem. Caldeiras. Soldagem de tubulações. Tubulação.
ABSTRACT The welding maintenance is one of the joining methods commonly used in the recovery of mechanical components, it is a very efficient method and with a relatively short working time related to other joining methods. In welding of pipes ensures greater tightness than, for example, by tapping union. In the boiler the use of welding is also present in the union of the ducts that are part of its structure, however, these welding equipment to be of the highest responsibility requiring special care when welding as a suitable choice of welding parameters and welding procedures for performing the service, plus the subsequent tests to check the quality of marriage. Since these devices because they generate steam and use a large amount of heat very large inside. They usually have four types of the most common processes for welding boiler, the welding electrode Coated, Tubular Wire, MIG and TIG. This work is to develop a study of the practical aspects of maintenance welding on pipes of a steam boiler. Being that it uses as fuel, solid waste (wood), generating steam for electricity generation later, a survey of some welding parameters, observing and pointing out the successes and failures later this welding technical standards adopted by .
Keywords: Welding. Boilers. Welding of pipes. Pipe.
LISTA DE ABREVIATURA API
American Petroleum Institute
ARBL
Alta Resistência e Baixa Liga
ASME
American Society of Mechanical Engineers
ASTM
American Society for Testing Materials
AWS
American Welding Society
BLAR
Baixa Liga e Alta Resistência
BS
British Standars Institution
BVD
Basic Vertical Down
CA
Corrente alternada
CC -
Corrente contínua
CC+
Corrente contínua polaridade positiva
CC-
Corrente contínua polaridade negativa
DIN
Deutsches Institut für Normung
ER
Eletrodo Revestido
ESAB
Elektriska Svetsnings Aktie Bolaget
EWI
Edison Welding institute
GTAW
Gas Tungsten Arc Welding
MIG
Metal inert Gas
NR
Norma Regulamentadora
PMTA
Pressão Máxima de Trabalho Admissível
TIG
Tungstên Inerte Gás
TM
Conformação Termomecânica
TTAT
Tratamento Térmico de Alivio de Tensões
ZTA
Zona Termicamente Afetada
LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 2.1 - Classificação de eletrodos revestidos para aços carbonos pela especificação da AWS 5.1 ................................................................................................................................... 18 Quadro 2.1 - Classificação dos eletrodos para aços carbono ................................................... 19 Quadro 2.2 - Requisitos químicos para eletrodos revestidos para aços carbono ...................... 19 Quadro 2.3 - Propriedades mecânicas dos eletrodos revestidos para aços carbono ................. 20 Figura 2.2 - Valores típicos de tenacidade dos metais de solda após soldagem de tubulações de BLAR ................................................................................................................................... 24 Quadro 2.4 - Seleção de eletrodos revestidos para soldagem de tubulações ............................ 26 Figura 2.3 - Esquema do processo TIG .................................................................................... 27 Figura 2.4 - Tocha TIG ............................................................................................................. 29 Figura 2.5 - Especificação das Varetas TIG ............................................................................. 31 Figura 2.6 - Soldagem automática onde os tubos rodam .......................................................... 33 Figura 2.7 - Soldagem automática de tubos fixos .................................................................... 34 Quadro 3.1 - Propriedades mecânicas dos aços mais utilizados para fabricação de tubos...... 36 Quadro 3.2 - A resistência destes aços mediante adição de pequenas quantidades de elementos de liga ....................................................................................................................................... 37 Quadro 3.3 - Características técnicas da fornalha .................................................................... 38 Quadro 3.4 - Características técnicas dos tubos coletores da fornalha ..................................... 39 Quadro 3.5 - Características técnicas dos tubos das paredes da fornalha................................. 39 Quadro 3.6 - Dimensões do corpo da fornalha ......................................................................... 39 Quadro 3.7 - Características técnicas da grelha refrigerada ..................................................... 40 Figura 3.1 - Grelha refrigerada ................................................................................................. 40 Quadro 3.8 - Mostra a composição química e propriedades mecânicas dos tubos utilizados .. 41 Figura 3.2 - Lixamento e preparação ........................................................................................ 42 Figura 3.3 - Entrada para tubulões lixadas e preparadas para ponteamento............................. 42 Figura 3.4 - Alinhamento dos tubos ......................................................................................... 43 Figura 3.5 - Ponteamento dos tubos ......................................................................................... 43 Figura 3.6 - Junta soldada com TIG ......................................................................................... 44 Figura 3.7 - Fonte Origo Arc 286i ............................................................................................ 45 Quadro 3.9 - Caracteristicas técnicas da fomte origoArc 286i ................................................. 45
Quadro 3.10 - Propriedades químicas e mecânicas da vareta AWS ER 80S-G ....................... 46 Quadro 3.11 - Eletrodo E 7018 utilizado na soldagem............................................................ 47 Figura 3.8 - Fonte de soldagem ER .......................................................................................... 47 Quadro 3.12- Características técnicas da fonte ........................................................................ 48 Figura 4.1 - Penetração excessiva na junta soldada.................................................................. 50 Figura 4.2 - Cordão de solda após a realização do enchimento ............................................... 51
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 13 1.1 Considerações gerais ........................................................................................................ 13 1.2 Importância do trabalho .................................................................................................. 15 1.3 Objetivos do trabalho ....................................................................................................... 15 1.3.1 Objetivos gerais ............................................................................................................... 15 1.3.2 Objetivos específicos ....................................................................................................... 15 1.4 Limitações do trabalho..................................................................................................... 15 1.5 Estrutura do trabalho ...................................................................................................... 16 2 REVISÃO BIBLOGRÁFICA............................................................................................. 17 2.1 Soldagem com eletrodos revestidos ................................................................................. 17 2.1.2 Propriedades mecânicas ................................................................................................... 20 2.1.3 Funções dos revestimentos dos eletrodos ........................................................................ 20 2.1.4 Eletrodos com revestimento celulósico ........................................................................... 23 2.1.5 Eletrodos com revestimento básicos ............................................................................... 24 2.2 Soldagem Tungstênio inerte gás (TIG) ........................................................................... 26 2.2.1 Princípios de operação ..................................................................................................... 27 2.2.2 Variáveis do processo ...................................................................................................... 27 2.2.3 Equipamentos: ................................................................................................................. 29 2.2.3.1 Tochas........................................................................................................................... 29 2.2.3.2 Bocais ........................................................................................................................... 30 2.2.3.3 Eletrodos....................................................................................................................... 30 2.2.3.4 Fontes de potência ........................................................................................................ 30 2.2.4 Consumíveis .................................................................................................................... 30 2.2.5 Gases de proteção ............................................................................................................ 31 2.2.5.1 Tipos de gases............................................................................................................... 31 2.3 Novos métodos automatizados para a soldagem de tubulações ................................... 32 2.3.1 Soldagem automática TIG quando tubos rodam durante o trabalho ............................... 32 2.3.2 Orbital automático de soldagem TIG com o tubo ficando fixo e a cabeça gira soldagem durante a soldagem ................................................................................................................... 33 2.4 A produtividade das juntas soldadas .............................................................................. 34
3 METODOLOGIA................................................................................................................ 36 3.1 Metais utilizados ............................................................................................................... 36 3.1.1 Composição ..................................................................................................................... 37 3.2 Características técnicas da Caldeira .............................................................................. 38 3.2.1 Corpo da fornalha ............................................................................................................ 38 3.2.2 Grelha refrigerada ............................................................................................................ 39 3.3 Processo de preparo para a soldagem de tubulações .................................................... 41 3.4 Processos de soldagem utilizados .................................................................................... 44 3.4.1 Soldagem de raiz ............................................................................................................. 44 3.4.2 Enchimento ...................................................................................................................... 46 4 RESULTADOS .................................................................................................................... 49 4.1 Inspeção das juntas soldadas ........................................................................................... 49 4.2 Analise visual das juntas soldadas .................................................................................. 49 4.3 Parâmetros da soldagem .................................................................................................. 50 4.4 A avaliação da produtividade das juntas soldadas ........................................................ 52 5 CONCLUSÃO...................................................................................................................... 53 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 54
13 1 INTRODUÇÃO 1.1 Considerações gerais Ao longo da história tem-se usado a soldagem como o processo de junção mais empregado na construção e montagem de dutos. O emprego deste tipo de soldagem tem crescido pela alta da demanda mundial de alguns insumos importantes, tais como o óleo, gás e etc. Que tem motivado a expansão e construção de muitos dutos soldados, procurando-se novas formas de reduzir os custos dos projetos, bem como novos processos de soldagem com alta velocidade e maior produtividade são altamente empregados. A transmissão e distribuição de importantes insumos para a sobrevivência e crescimento de um país são normalmente realizadas através de sistemas integrados, compostos por tubulações. Por estes sistemas, a água, os óleos combustíveis, o gás natural, o gás liquefeito de petróleo, os minérios e muitas outras substâncias são transportadas das regiões de nascente ou extração até as indústrias de transformação ou usuários finais. Tecnicamente, essas tubulações podem receber diferentes nomes, tais como, aguodutos, gasodutos, oleodutos, minero dutos, etc. A designação é dependente da substância que está sendo escoada em seu interior. Como exemplo da importância da soldagem, observa-se que a maior parte das tubulações instaladas atualmente nos Estados Unidos foi construída por sistemas integrados (FEDELE, 2002.). Entretanto, mesmo considerando toda a experiência já adquirida, a tecnologia de soldagem de tubulações encontra-se
em constante desenvolvimento, atualizando-se para
atender os requisitos de soldabilidade de novos materiais e às crescentes necessidades de aumento da produtividade. Para isso, o estudo das características dos novos aços e o conhecimento da metalurgia da soldagem tornam-se fatores essenciais, permitindo o desenvolvimento de metais de adição compatíveis e a elaboração de procedimentos de soldagem adequado de forma a assegurar a qualidade do metal depositado e evitar acidentes que em geral são catastróficos. A experiência de campo também é fundamental para a compreensão de importantes condições de contorno e deve ser sempre levada em consideração. Apesar das grandes inovações em soldagem de tubulações, o principal processo de soldagem ainda utilizado na instalação de tubulações é a soldagem manual com eletrodo
14 revestido, graças a sua versatilidade. Entretanto para reduzir custos e aumentar a produtividade, particularmente em longos percursos, várias empreiteiras adotaram processos de soldagem semiautomáticos ou totalmente automatizados com arames tubulares com alma metálica ou não metálica e arames sólidos. Alguns códigos reconhecidos, tais como códigos ASME ou códigos BS devem ser seguidos sempre que aplicáveis para a realização dos procedimentos soldagem de tubulações e as soldas devem ser realizadas sob a supervisão direta de um encarregado experiente e com um inspetor habilitado. O material deve cumprir as especificações originais, estas especificações podem ser obtidas a partir dos esquemas da caldeira. Deve-se realizar uma supervisão muito cuidadosa deve ser dada em todas as fases do trabalho de reparação. Eletrodo de baixo hidrogênio deve ser utilizado para ter propriedades mecânicas semelhantes ao do metal original e prevenir trincas induzidas por hidrogênio. Para localizar trincas em solda, realiza-se os chamados testes não destrutivos como, líquido penetrante, inspeção por partículas magnéticas, ultrassom e raio-x primeiro a localizar as rachaduras ou descontinuidades superficiais e os posteriores localizam trincas imperceptíveis através da superfície da junta soldada. Se houver áreas defeituosas precisam ser cortadas por um corte com maçarico. Em função da energia térmica imposta pelo processo de soldagem alterações podem ocorrer na estrutura metalúrgica do metal de base adjacente à solda (zona termicamente afetada ou ZTA). Estas mudanças podem fragilizar ou degradar as propriedades do material. Portanto, após a soldagem em alguns casos é recomendado realizar um tratamento térmico de alivio de tensões (TTAT) para restaurar a ductilidade do material e, assim, evitar tensões residuais e fissurações. Além desses cuidados é recomendado que a caldeira seja submetida a um teste hidrostático de 1,5 vezes a pressão máxima de trabalho admitida (PMTA) durante pelo menos 15 minutos, para minimizar os riscos de explosões e identificar possíveis falhas (FEDELE, HUPPES, 2002, 2009). No entanto foi dedicado um amplo espaço para a soldagem manual, com referência especial às práticas operacionais e à avaliação da qualidade, devido ao seu uso frequente na soldagem de tubos da Caldeira de geração de vapor, como observado na empresa em que foi realizado o serviço, porém sem desprezar os métodos mais modernos e produtivos que estão sendo e serão cada vez mais utilizados no brasil.
15 1.2 Importância do trabalho Com o crescente aumento da soldagem de tubulações buscou-se neste trabalho, mostrar os métodos mais utilizados na soldagem da tubulação de uma caldeira de geração de vapor, assim como mencionar outros métodos para a soldagem e também mostrar os métodos utilizados para testes de falhas nas juntas soldadas, mostrando também os métodos de inspeção que poderiam ser utilizados para verificar a confiabilidade e a melhoria da qualidade do serviço. 1.3 Objetivos do trabalho 1.3.1 Objetivos gerais O objetivo deste trabalho consiste no desenvolvimento de um estudo dos aspectos práticos da soldagem dos tubos de uma caldeira de geração de vapor que realiza a queima de resíduo sólido, neste caso é usado como combustível a madeira. Observado os procedimentos utilizados para a soldagem da mesma, procurou-se pontuar os acertos e as falhas ocorridas nesta soldagem mediante as normas técnicas adotadas, indicando os métodos de inspeção utilizados e que poderiam ser utilizados procurando melhor qualidade da solda. 1.3.2 Objetivos específicos a)
Estudar na prática soldagem de manutenção em tubulações bem como sua
importância para o processo industrial. b)
Realizar um apanhado de como é vista a produtividade da solda na soldagem
de tubulações. c)
Demonstrar os erros e acertos normalmente cometidos nestes processos de
soldagem. 1.4 Limitações do trabalho Este trabalho se limita a expor e discutir resultados referentes somente a soldagem de manutenção em caldeira realizada em uma empresa madeireira, com as falhas e informações da realização da soldagem com dois tipos de processos: TIG e Eletrodo revestido. Também realizando uma analise dos meios de detecção de falhas da soldagem.
16 1.5 Estrutura do trabalho Após observar as considerações do trabalho e os objetivos na seção 1, temos posteriormente seção 2 apresenta uma breve revisão sobre os processos de soldagem utilizados na realização do trabalho, apresentando as normas, os consumíveis e a utilização dos equipamentos, bem como novas tecnologias que estão sendo desenvolvidas. A seção 3 apresenta a metodologia em que se realizou o trabalho, como o trabalho foi desenvolvido e faz um reconhecimento das características técnicas. A seção 4 expõe os resultados obtidos durante o período de realização do trabalho, e faz uma analise destes resultados buscando mencionar os erros e como poderiam ter sido evitados. Por fim, a seção 5 apresenta as conclusões retiradas do trabalho.
17 2 REVISÃO BIBLOGRÁFICA 2.1 Soldagem com eletrodos revestidos Segundo Machado (1996), este processo de soldagem ocorre entre o Eletrodo Revestido e a peça, sendo assim estabelecida a poça de fusão onde será realizada a união entre as peças. A soldagem com eletrodo revestido é o processo de soldagem mais utilizado no Brasil caracterizando por apresentar fusão a arco elétrico um eletrodo consumível, onde o calor necessário para a soldagem, provem da energia liberada pelo arco formado entre a peça a ser soldada e o eletrodo. A proteção da poça de fusão é obtida por meio dos gases gerados pela decomposição do revestimento do eletrodo, estes revestimentos são compostos de matérias orgânicas e ou minerais de dosagem bem definida, os principais revestimentos são oxidante, básico, ácido, rutílico, celulósico, sendo que o material de adição que provem do metal que compõe a alma do eletrodo, a soldagem a ER apresenta um custo inicial relativamente mais baixo que as outras formas de soldagem, no entanto, apresenta menor produtividade. Os vários materiais que compõe estes tipos de revestimento entram na forma de pó, com exceção do aglomerante que é geralmente silicato de sódio ou potássio. O revestimento é composto por elementos de liga e desoxidantes, estabilizadores de arco formadores de escória, materiais fundentes e materiais que formam uma atmosfera protetora. A princípio, as funções básicas do revestimento são: •
Proteger o arco contra o oxigênio e nitrogênio do ar, através dos gases gerados
pela decomposição do revestimento em alta temperatura. •
Reduzir a velocidade de solidificação, proteger contra a ação da atmosfera e
permitir a desgazeificação do metal de solda através da escória. •
Facilitar a abertura e estabilizar o arco.
•
Introduzir elementos de liga no material depositado e desoxidar o metal de
•
Facilitar a soldagem nas diversas posições de trabalho.
•
Servir de guia às gotas em fusão em direção ao banho.
•
Constituir-se em isolante elétrico na soldagem em chanfros estreitos ou de
solda.
difícil acesso. A classificação dos ER estão em conformidade com a especificação AWS 5.1 que são determinadas pelo fabricante de eletrodos de acordo com os resultados dos testes mecânicos.
18 A American Welding Society não aprova nem reprova eletrodos. A American Society of Mechanical Engineers (ASME) utiliza na íntegra as especificações de eletrodos da AWS 5.1 ( Figura 2.1 ). Tanto a classificação (Quadro 2.1) quanto os requisitos (Quadro 2.2 ) são os mesmos. Figura 2.1 - Classificação de eletrodos revestidos para aços carbonos pela especificação da AWS 5.1
Fonte: Adaptado de Machado, 1996
19 Quadro 2.1 - Classificação dos eletrodos para aços carbono
Fonte: ESAB,2005 Quadro 2.2 - Requisitos químicos para eletrodos revestidos para aços carbono
Fonte: ESAB, 2005
20 2.1.2 Propriedades mecânicas As propriedades mecânicas dos eletrodos revestidos são muito importantes, pois nos dão um conhecimento mais profundo sobre cada tipo de eletrodo, onde, os ensaios para a obtenção das propriedades mecânicas (Quadro 2.3) do metal depositado são realizados em todos os corpos de prova na condição como soldado. Isso significa que a solda ou o metal de solda não ficam sujeitos a qualquer tipo de tratamento térmico. Corpos de prova de tração para todas as classificações de eletrodos exceto os de baixo hidrogênio são aquecidos na faixa de 95°C a 105°C por 48 horas antes do ensaio de tração. Este método realizado antes do teste não é considerado um tratamento térmico, porque ele não muda a estrutura cristalina do material somente acelera a difusão do hidrogênio do metal de solda nos eletrodos do tipo celulósico ou rutílico. Quadro 2.3 - Propriedades mecânicas dos eletrodos revestidos para aços carbono
Fonte: ESAB, 2005 2.1.3 Funções dos revestimentos dos eletrodos Os ingredientes que são usualmente empregados nos revestimentos dos eletrodos podem ser classificados fisicamente a grosso modo, como líquidos e sólidos. Os líquidos são
21 geralmente o silicato de sódio e o silicato de potássio. Os sólidos são pós ou materiais granulados que podem ser encontrados livres na natureza, e necessitam apenas de concentração e redução de tamanho até o tamanho de partícula adequado. Outros materiais sólidos empregados são produzidos como resultado de reações químicas, tais como ligas ou outros compostos sintéticos complexos. A estrutura física dos ingredientes do revestimento pode ser classificada como cristalina, fibrosa ou amorfa (não-cristalina). Materiais cristalinos como rutilo, quartzo e mica são comumente utilizados. O rutilo é a originado natural do mineral dióxido de titânio (TiO2), e é largamente empregado no revestimento dos eletrodos. Materiais fibrosos como celulose, e materiais amorfos como sílica e outros compostos orgânicos são também ingredientes comuns dos revestimentos. A função mais importante do revestimento é proteger o metal de solda do oxigênio e do nitrogênio do ar, uma vez que o metal de adição está sendo transferido no estado líquido. A proteção é necessária para garantir que o metal de solda seja íntegro, livre de bolhas de gás, e tenha a resistência e a ductilidade adequadas. Nas altas temperaturas do arco voltaico, o nitrogênio e o oxigênio no metal de solda liquido se combinam com o ferro e formam nitretos de ferro e óxidos de ferro respectivamente. Estes elementos presentes acima de certos valores causarão fragilidade e porosidade no metal de solda. O nitrogênio é o mais relevante, visto que é difícil controlar seu efeito uma vez que ele tenha entrado no depósito de solda e o oxigênio pode ser removido com o uso de desoxidantes adequados. Para evitar a contaminação por estes gases presentes na atmosfera o fluxo de metal fundido, precisa ser protegido por gases que expulsem a atmosfera circundante ao arco e ao metal de solda. Ainda tem a função de estabilizar o arco, um arco estabilizado é aquele que abre facilmente, queima suavemente mesmo a baixas correntes e pode ser mantido empregando-se um arco longo ou um curto. Adições de elementos de liga ao metal de tais como cromo, níquel, molibdênio, vanádio e cobre, pode ser adicionada ao metal de solda incluindo-os na composição do revestimento. É frequentemente necessário adicionar elementos de liga ao revestimento para balancear a perda esperada desses elementos da vareta durante a atividade de soldagem devido à volatilização e às reações químicas. Eletrodos de aço doce requerem pequenas quantidades de carbono, manganês e silício no depósito de solda para resultar em soldas íntegras com o nível desejado de resistência. Uma parte do carbono e do manganês provém da vareta, mas é necessário suplementá-la com ligas ferro-manganês e em alguns casos com adições de ligas ferro-silício no revestimento.
22 Ao se degradar, o revestimento direciona o jato de plasma e a transferência do metal de adição fundido através de uma cratera que se forma na ponta dos eletrodos, conhecido como efeito canhão. O uso de aglomerantes adequados assegura um revestimento consistente que manterá a cratera e dará uma penetração adicional e melhor direcionamento do arco elétrico. Já a função da escória como agente fluxante a função da escória é (1) fornecer proteção adicional contra os contaminantes atmosféricos, (2) agir como purificadora e absorver impurezas que são levadas à superfície e ficam aprisionadas pela escória, e (3) reduzir a velocidade de resfriamento do metal fundido para permitir o escape de gases. A escória também controla o contorno, a uniformidade e a aparência geral do cordão de solda. Isso é particularmente importante nas juntas em ângulo. A adição de certos ingredientes no revestimento controla a características da posição de soldagem (plana, vertical, horizontal e sobre cabeça), principalmente compostos de titânio, que tornam possível a soldagem fora de posição (posição vertical e sobre cabeça). As características da escória principalmente a tensão superficial e a temperatura de solidificação determinam fortemente a capacidade de um eletrodo ser empregado na soldagem fora de posição. Controle da integridade do metal de solda - a porosidade ou os gases aprisionados no metal de solda podem ser controlados de uma maneira geral pela composição do revestimento. É o balanço de certos ingredientes no revestimento que tem um efeito marcante na presença de gases aprisionados no metal de solda. O balanço adequado desses ingredientes é crítico para a integridade que pode ser obtida para o metal de solda. O ferro-manganês é provavelmente o ingrediente mais comum utilizado para se conseguir a fórmula corretamente balanceada. Assim como as propriedades mecânicas específicas do metal de solda, propriedades mecânicas específicas podem ser incorporadas ao metal de solda por meio do revestimento. Altos valores de impacto a baixas temperaturas, alta ductilidade, e o aumento nas propriedades de escoamento e resistência mecânica podem ser obtidos pelas adições de elementos de liga ao revestimento. Isolamento da alma de aço - o revestimento atua como um isolante de tal modo que a alma não causará curto-circuito durante a soldagem de chanfros profundos ou de aberturas estreitas; o revestimento também serve como proteção para o operador quando os eletrodos são trocados.
23 Na soldagem de tubulação utiliza-se soldagem com revestimento celulósico e revestimento básico, que serão abordados a seguir. 2.1.4 Eletrodos com revestimento celulósico Segundo Fedele (2002), o desenvolvimento de aços com maior resistência mecânica reflete a pesquisa e o aperfeiçoamento de metais de adição compatíveis, visando atender aos novos requisitos estabelecidos e manter a viabilidade operacional de soldagem.
Assim,
existem atualmente metais de adição apropriados para cada classe de aço (Quadro 2.4). Para a soldagem manual de campo, os eletrodos com revestimento celulósico são os mais usados, pois possuem ótima penetração e um arco elétrico de boa qualidade e promovem a fusão completa das paredes a serem soldadas nas tubulações. Segundo Machado (1996), a sua penetração é alta e produz uma fina escória facilmente destacável, sendo capaz de realizar a solda em posição vertical descendente. Nas soldagens com consumíveis celulósicos, costuma-se selecionar o eletrodo E6010 para a deposição do primeiro passe de solda (passe de raiz). Este eletrodo deposita um metal com menor resistência mecânica, mas com elevados valores de tenacidade quando comparados aos dos metais depositados pelos outros eletrodos celulósicos. Por isso, é o mais indicado para absorver as tensões térmicas e mecânicas de soldagem, também provenientes da movimentação relativa dos tubos, garantindo a ausência de trincas na raiz. Em seguida, os demais passes de solda são depositados com eletrodos que apresentam valores de resistência mecânica superiores aos valores do metal de base (FEDELE, 2002). Ao final do processo de soldagem, a resistência mecânica da junta é dada pela proporcionalidade entre as propriedades dos metais depositados e as respectivas espessuras de depósito. Como a espessura do passe de raiz é praticamente insignificante em relação à espessura total da solda, considera-se que a resistência mecânica final da junta esteja associada ao metal depositado pelo eletrodo de enchimento. Contudo, este conceito deve ser repensado para a soldagem de tubos com espessuras reduzidas, uma vez que a espessura de depósito do primeiro passe tende a representar uma fração considerável da espessura total da junta. Principalmente em aços baixo carbono, com pequenas frações de perlita, nos quais a diluição do metal de adição com o metal de base provoca o decréscimo da resistência mecânica do metal de solda (FEDELE, 2002) Nestes casos, aconselha-se a utilização de um mesmo eletrodo para o preenchimento total da junta. É importante ressaltar que todos os procedimentos de soldagem devem ser previamente qualificados de acordo com normas específicas. Dentre elas, utiliza-se mais
24 frequentemente a norma API 1104, para tubulações petrolíferas e NR-13 para caldeiras e vasos de pressão. (FEDELE, 2002) 2.1.5 Eletrodos com revestimento básicos Para a soldagem manual de tubos aconselha-se a utilização de eletrodos com revestimento básico, apropriados para a soldagem na posição vertical descendente ou BVD. Esta nomenclatura está associada ao caráter básico da escória que se forma sobre a poça de fusão durante a soldagem. O equilíbrio metalúrgico metal-escória é atingido de maneira semelhante ao que ocorre na produção de aço em um conversor siderúrgico, mesmo considerando certas barreiras cinéticas, como o reduzido intervalo de tempo em que o metal permanece no estado líquido em contato com a escória. Neste processo, ocorrem algumas reações de desoxidação importantes e o metal de solda passa a apresentar menores teores de oxigênio em comparação aqueles depositados por eletrodos com revestimento celulósico. Consequentemente, tem-se um metal de solda com elevados valores de tenacidade (Figura 2.2). Figura 2.2 - Valores típicos de tenacidade dos metais de solda após soldagem de tubulações de BLAR
Fonte: Fedele, 2002
25 O uso desse eletrodo proporciona um ganho em tenacidade e é imprescindível para a soldagem dos tubos com alta resistência, principalmente devido à elevada susceptibilidade ao trincamento que esses materiais apresentam. Tal fragilização está diretamente relacionada à fração de microestrutura frágil, a concentração de tensões e a quantidade de hidrogênio presente na junta soldada. Deste modo, os metais de solda mais tenazes conseguem absorver grande parte do efeito das tensões térmicas e mecânicas de soldagem, solicitando menor esforço do metal de base no instante da solidificação ou
mesmo
nas
situações
de
movimentação relativa dos tubos. Além disso, o metal depositado a partir de eletrodos básicos possui reduzidos teores de hidrogênio difusível, contribuindo para evitar o trincamento. Do ponto de vista operacional, os eletrodos básicos podem ser utilizados na soldagem vertical descendente,
igualmente aos eletrodos celulósicos. Eles apresentam uma superioridade
quanto a taxa de deposição (kg/h) e um maior rendimento (% em peso) durante a soldagem. Ao contrário dos eletrodos básicos convencionais, os eletrodos básicos BVD não necessitam de ressecagem inicial, nem conservação em estufas, podendo ser utilizados diretamente a partir da embalagem de fornecimento. A ressecagem é necessária somente para os eletrodos que ficam expostos por mais de 10 horas às condições ambientais. Este procedimento visa controlar o teor de umidade do revestimento do eletrodo em reduzidos,
evitando
níveis
possíveis problemas de porosidade ou de trincas induzidas por
hidrogênio Por outro lado, devido à reduzida quantidade de hidrogênio presente em seu arco elétrico, este perde a agressividade e a capacidade penetração. Então, maiores aberturas de raiz são necessárias (2 a 3 mm) em relação àquelas requeridas para a soldagem com eletrodos celulósicos (1,6 a 2 mm). Neste caso, o volume
do
chanfro
é
aumentado
e,
consequentemente, uma maior quantidade de eletrodos é necessária para completar a união. Para solucionar este problemas indicasse a utilização de um misto de eletrodos celulósicobásico, Utilizando o eletrodo celulósico para o primeiro e segundo passe, onde a penetração deste eletrodo é alta, portanto, garante uma penetração total dos cordão de solda. Posteriormente utiliza-se o eletrodo básico para uma deposição de material realizando os passes de enchimento e cobertura, oferecendo também uma redução do tempo do serviço ( FEDELE, 2002, p. 8). A solução mais interessante para este impasse é o emprego do procedimento misto celulósico-básico, o qual resume-se em utilizar eletrodos celulósicos para a deposição do primeiro e segundo passe, garantindo a penetração total da solda e, posteriormente, eletrodos básicos do tipo E7018-G, E8018-G, E9018-G, E10018-G ou E11018-G para a
26 deposição dos demais passes de enchimento e cobertura. Este procedimento também oferece uma redução do tempo total de soldagem, pois a velocidade de deposição do passe de raiz com eletrodo celulósico é bastante superior àquela conseguida com eletrodo básico. Adicionalmente, o tempo gasto para a remoção da escória do passe de raiz também é menor no caso da utilização de eletrodos celulósicos. Quadro 2.4 - Seleção de eletrodos revestidos para soldagem de tubulações Especificação ASTM
Descrição
Grau(s)
Consumivel (AWS)
TUBOS, CANOS E CONEXÕES A53-73, A106-74, A120-73, A135-73d, A139-74, A179-73, A192-73, A211-73, A214-71, A226-73, A252-74, A523-73, A587-73, A589-73
Tubos-Aço baixo carbono
Todos
Desde que a especificação não seja contrariada, os eletrodos revestidos da classes E60XX ou E70XX devem ser empregados sobre aços com resistência à tração de 60.000 psi, ou menor. Para aços com resistência à ração entre 60.000 psi e 70.000psi, os consumíveis devem ser utilizados. O 7010-G deve ser utilizado para soldagem no campo de tubos.
A105-73
Conexões-Alta temperatura
Classe I e II
E7018
A106-74
Tubos-Alta temperatura
A,B,C
E7018
A155-74
E161-72
E178-73
Tubos-Alta temperatura
C45, C50, C55, Desde que a especificação não seja contrariada, os eletrodos KCF-55, 60, revestidos da classes E60XX ou E70XX devem ser empregados sobre CM75, aços com resistência à tração de 60.000 psi, ou menor. Para aços com CMSH70, resistência à ração entre 60.000 psi e 70.000psi, os consumíveis Cr devem ser utilizados.
Tubos-destilaria
Desde que a especificação não seja contrariada, os eletrodos revestidos da classes E60XX ou E70XX devem ser empregados sobre Baixo Carbono aços com resistência à tração de 60.000 psi, ou menor. Para aços com T1 resistência à ração entre 60.000 psi e 70.000psi, os consumíveis devem ser utilizados. E7010-A1 ou E7018-A1
Tubos-condensadores de caldeiras
Todos
Desde que a especificação não seja contrariada, os eletrodos revestidos da classes E60XX ou E70XX devem ser empregados sobre aços com resistência à tração de 60.000 psi, ou menor. Para aços com resistência à ração entre 60.000 psi e 70.000psi, os consumíveis devem ser utilizados.
Fonte: Adaptado de Machado, 1996 2.2 Soldagem Tungstênio inerte gás (TIG) Segundo Quites (2002), a soldagem é realizada mediante a aplicação do arco sobre a junta, ocasionando a fusão do metal de adição quando este for necessário, podendo a solda ser autógena. Ocorrendo a união pela posterior solidificação do cordão. Conforme se pode notar pela figura 2.3, a poça de soldagem, o eletrodo e parte do cordão são protegidos através do gás de proteção que é direcionado pelo bocal da tocha. Podese utilizar adição ou não de metal de solda chamada solda autógena, e seu grande desenvolvimento deveu-se à necessidade de disponibilidade de processos eficientes de soldagem para materiais de difícil soldabilidade, como o alumínio e magnésio, notadamente na indústria da aviação no começo da Segunda grande guerra mundial. Assim, com o seu
27 aperfeiçoamento, surgiu um processo de alta qualidade e relativo baixo custo de uso em aplicações diversas com inúmeras vantagens que escreveremos a seguir. Figura 2.3 - Esquema do processo TIG
Fonte: Machado, 1996 2.2.1 Princípios de operação O GTAW funciona através do eletrodo de tungstênio (ou liga de tungstênio) preso a uma tocha. Por essa mesma tocha é alimentado o gás que irá proteger a soldagem contra a contaminação da atmosfera. O arco elétrico é criado pela passagem de corrente elétrica pelo gás de proteção ionizado, estabelecendo-se o arco entre a ponta do eletrodo e a peça. Em termos básicos, os componentes do GTAW são: 1. Tocha; 2. Eletrodo não consumivel; 3. Fonte de potência; 4. Bocal; 5. Gás de Proteção. 2.2.2 Variáveis do processo As variáveis que determinam basicamente o processo são a tensão do arco, a corrente de soldagem, velocidade de avanço e o gás de proteção. Deve-se considerar que as variáveis não agem especificamente de forma independente, havendo forte interação entre elas.
28 No caso do gás de proteção, ao utilizar-se o hélio é possível obter uma solda com maior penetração, devido ao maior potencial de ionização deste gás. Mais adiante, escreveremos mais detalhadamente os gases de proteção e suas características. Em relação à corrente de soldagem pode-se considerar, de forma geral, que ela controla a penetração da solda. Ainda assim, a corrente afeta também a tensão do arco, sendo que para um mesmo comprimento de arco, um aumento na corrente causará um aumento na tensão do arco. As soldagens com corrente contínua em eletrodo no polo negativo oferecem elevada penetração e maiores velocidades de soldagem, enquanto a corrente alternada é especialmente eficaz quando na soldagem de materiais com óxidos refratários como alumínio e magnésio, pois pode-se realizar a chamada limpeza catódica, quando o eletrodo encontra-se no polo positivo. A tensão do arco, designação dada para a tensão entre o eletrodo e a peça, é fortemente influenciada por diversos fatores, a saber: 1. Corrente do arco; 2. Perfil da ponta do eletrodo; 3. Distância entre o eletrodo e a peça (comprimento do arco); 4. Tipo do gás de proteção; Como existe uma relação direta entre a tensão e o comprimento do arco, a tensão é usada para controlar o processo, pois uma vez fixados diversos outros parâmetros, a tensão do arco possibilita o controle do comprimento do arco, que é difícil de monitorar. Por sua vez, o comprimento do arco afeta diretamente a largura da poça. Apesar disso, na maioria dos processos com chapas, o comprimento do arco desejado é o menor possível. Este controle do comprimento do arco pela tensão, entretanto, deve ser feito de maneira cuidadosa, observando-se outros parâmetros que também afetam a tensão como contaminação do eletrodo e do gás de proteção, alimentação imprópria do material de adição, mudanças de temperatura no eletrodo e erosão do eletrodo. A velocidade de avanço afeta a penetração e a largura no processo, sendo esta última, porém, muito mais afetada. Sua grande importância reside no fato dela determinar o custo do processo por estar intimamente ligada à velocidade do processo. Entretanto, muitas vezes, a velocidade torna-se apenas uma consequência a partir da definição de padrões de qualidade e uniformidade. A forma de alimentação do material de adição é outro parâmetro importante. Em processos manuais, a maneira como o material é adicionado, influencia no número de passes e na aparência da solda acabada. Já no caso de soldas mecanizadas e automatizadas, a variação na velocidade (variação na quantidade de adição por unidade de comprimento).
29 Aumentando-se a velocidade de alimentação do arame produz-se soldas com menor penetração e perfis convexos Diminuindo-se a velocidade aumenta-se a penetração e tem-se perfis mais achatados. A redução da velocidade tem um limite, entretanto, pois pode levar a fissuras e falta de material. 2.2.3 Equipamentos: 2.2.3.1 Tochas As tochas de soldagem TIG ( Figura 2.4 ) , que suportam o eletrodo e conduzem o gás de proteção até o arco são classificadas, basicamente, pelo seu mecanismo de refrigeração. As tochas refrigeradas a gás são mantidas na temperatura adequada pelo efeito de resfriamento causado pelo próprio gás de proteção. Estas tochas estão limitadas a uma corrente máxima de cerca de 200 A. Já as tochas refrigeradas a água promovem a circulação de água normalmente em circuito fechado, para refrigeração. Desta forma, pode-se dispor de tochas que suportam correntes de até 1000 A. A tocha refrigerada a água é a mais empregada em equipamentos automatizados de GTAW. Figura 2.4 - Tocha TIG
Fonte: Autoria nossa, 2012
30 2.2.3.2 Bocais Gás de proteção é dirigido para a zona de soldagem por bocais fixados na extremidade das tochas. O objetivo da utilização dos bocais é produzir um fluxo laminar do gás de proteção. O bocal pode ser fabricado de materiais cerâmicos, metais, metais revestidos com cerâmicos, quartzo fundido ou outros materiais. Dentre estes, os bocais de materiais cerâmicos são os mais baratos e mais populares, apesar de serem quebradiços e necessitarem de troca constante. Bocais metálicos tem vida útil mais longa e são usados principalmente em processos automatizados que operam com correntes acima de 250 A. Os aspectos mais importantes nos bocais são suas dimensões e perfis. Os bocais devem ser largos o suficiente para prover cobertura da área de soldagem pelo gás e devem estar de acordo com o volume e a densidade necessária do gás no processo. Se a vazão do gás for excessiva para um determinado diâmetro a eficiência da proteção é afetada devido à turbulência. Vazões mais altas sem este efeito de turbulência requerem maiores diâmetros de bocais, condições estas, essenciais para altas correntes. 2.2.3.3 Eletrodos No processo GTAW os eletrodos não são consumíveis e tem o papel de servir como um dos terminais do arco que irá gerar o calor para o processo. Ao aproximar-se da sua temperatura de fusão (3410º C), o tungstênio torna-se termo iônico como uma fonte disponível de elétrons. Ele alcança esta temperatura através de aquecimento por resistência e caso não houvesse um forte efeito de resfriamento pela saída dos elétrons de sua extremidade esta ponta poderia fundir-se. Os eletrodos são classificados com base em sua composição química. 2.2.3.4 Fontes de potência As fontes de potência utilizadas para soldagem TIG são fontes inversoras que podem ser CC ou CC/CA. 2.2.4 Consumíveis Os consumíveis (Figura 2.5 ) regidos pela norma AWS 5.28, apresentam varetas de metal de adição com várias formas e composições como mostrado abaixo.
31 Figura 2.5 - Especificação das Varetas TIG
Fonte: ESAB, 2010 2.2.5 Gases de proteção Os gases de proteção são direcionados pela tocha para o arco e a poça de fusão para proteger o eletrodo e o material metálico fundido da contaminação atmosférica. Eles também podem ser utilizados como “back-up” para proteção do lado contrário da solda da oxidação durante a soldagem. 2.2.5.1 Tipos de gases Os tipos mais comuns de gases são o argônio e o hélio e as misturas entre estes utilizadas em aplicações especiais, além de misturas com hidrogênio e nitrogênio. O argônio utilizado em processos de soldagem normalmente possui uma pureza de 99,95 % sendo aceitável para a maioria dos metais, excetuando-se aqueles reativos ou refratários. O argônio é mais utilizado que o hélio no processo devido às seguintes características: - Possibilita arco mais suave; - Penetração reduzida; - Ação de limpeza quando da soldagem de alumínio ou magnésio; - Baixo custo e alta disponibilidade; - Boa proteção com baixos fluxos; - Maior resistência a ventos cruzados; - Melhor partida do arco.
32 A menor penetração é particularmente útil na soldagem de materiais finos ou soldagens verticais ou sobre cabeça. Como vimos anteriormente, o hélio transmite maior calor para uma mesma corrente e tensão que o argônio e, portanto, é particularmente importante na soldagem de peças espessas ou materiais com alta condutividade térmica como o cobre. Características intermediárias podem ser obtidas através da mistura dos dois gases. A principal característica envolvida no processo de proteção é a densidade dos gases. Neste aspecto, o argônio, por ter uma densidade aproximadamente dez vezes maior que a do hélio, forma uma camada sobre a área de solda após deixar o bocal, ao contrário do hélio que, por ser extremamente leve, tende a subir em torno do bocal ao deixá-lo. Assim, para prover a mesma eficiência de proteção, a vazão de hélio deverá ser de 2 a 3 vezes maior que a vazão de argônio, no entanto, o hélio fornece mais calor ao processo, permitindo as vantagens discutidas acima. Misturas de argônio-hidrogênio também podem ser utilizadas, especialmente em casos de soldas mecanizadas de tubos finos de aço inoxidável. Aumento na velocidade pode ser obtido de forma proporcional à quantidade de hidrogênio adicionada à mistura, limitado, entretanto, para não permitir a porosidade. A vazão de gás é baseada no movimento do ar, no tamanho do bocal e na dimensão da poça de fusão. O ponto mínimo é determinado pela necessidade de manutenção de uma corrente firme do gás, enquanto vazões excessivas causam turbulência que pode aspirar contaminantes da atmosfera. Quando o ambiente for sujeito a ventos cruzados, devem-se introduzir telas de proteção, ao invés de aumentar a vazão do gás, o que além de mais oneroso pode levar ao problema da turbulência. 2.3 Novos métodos automatizados para a soldagem de tubulações O processo de soldagem TIG automatizado é um processo muito eficiente e com alta produtividade e uma qualidade muito boa. Aqui será citada a soldagem automática TIG quando tubos rodam durante a soldagem, Orbital automático de soldagem TIG quando a cabeça gira soldagem durante a soldagem (tubos são fixos). 2.3.1 Soldagem automática TIG quando tubos rodam durante o trabalho Principais parâmetros de soldagem automática de soldagem TIG quando a cabeça de soldagem é fixo (Figura 2.6), corrente e velocidade de soldagem são divididos em quatro
33 setores em torno do tubo de parâmetros de soldagem, onde estes parâmetros principais são programados de uma unica vez para a realização de um unico passe. Figura 2.6 - Soldagem automática onde os tubos rodam
Fonte: Samardžić, 2012 2.3.2 Orbital automático de soldagem TIG com o tubo ficando fixo e a cabeça gira soldagem durante a soldagem Soldagem TIG em orbital quando a cabeça de soldagem roda durante a realização da união e os tubos estão imóveis (figura 2.7), sendo um processo de alta eficiência e qualidade que o processo de soldagem TIG manual. Na linha de produção completamente automática, as vantagens são máximas com a aplicação deste processo de soldagem. Na aplicação considerada, este processo de soldagem é realizado por soldagem de vários passes, com a adição do material de enchimento, a preparação deste tipo de soldagem é realizada por intermédio de instrumentos adequados especiais, imediatamente antes da soldagem.
34 Figura 2.7 - Soldagem automática de tubos fixos
Fonte: Samardžić, 2012 2.4 A produtividade das juntas soldadas Segundo Ferreira (1998, p. 90-91 apud GIOIA, 2004, p.11), para uma investigação de caráter exploratório, procura-se entender o processo e como o mesmo ocorre na prática, desse modo a abordagem do estudo deste trabalho deverá ser eminentemente qualitativa, ou seja, abordagem na qual se está mais interessado no conhecimento do processo ao invés de se testar hipóteses a partir de formulações embasadas teoricamente. Ainda segundo o autor, quando não temos controle sobre os eventos e estamos tratando de questões contemporâneas, sobre as quais temos acesso às organizações e as pessoas, o método do estudo de caso parece ser o mais indicado. Entre 2000 e 2002 ocorreu uma pesquisa nos Estados Unidos, que foi realizada para observar o custo e a produtividade da soldagem. Esta pesquisa mostrou que a soldagem não se relaciona exclusivamente ao tema produtividade, mostrando que a maioria das empresas não medem seus níveis de produtividade na soldagem, pois com isto não há uma avaliação da solda utilizada que contribui para que haja a observação das oportunidades de melhorias nos processos ligados a soldagem (AWS, 2012). Alguns resultados em relação a indicadores mostram que cerca de 56% das empresas de construção não realizavam medição de produtividade, 30% realizavam uma medição e 14% realizavam de 2 a 5 medições (AWS, 2012).
35 Destas empresas 56% não realizavam nenhuma medição da eficiência da soldagem. Onde, dos 44% das empresas realizavam medição de produtividade, os resultados obtidos foram os seguintes: •
12% - Componentes por tempo;
•
25% - Taxa de defeito;
•
4% - Tempo x desempenho;
•
29% - juntas completadas por período de tempo;
•
8% - Metal depositado por período de tempo;
•
10% - Peso de peças unidas por período de tempo.
36 3 METODOLOGIA 3.1 Metais utilizados Normalmente, para as construções de tubulações para vasos de pressão devem atender a requisitos das normas NR – 13, API 5L, DIN 17172 ou EN 10208-2. Essas normas classificam os diferentes tubos em subgrupos de acordo com seus valores mecânicos como mostrado no (quadro 3.1), facilitando a seleção do material adequado para cada aplicação. Observando-se que utilizando tubos com melhores propriedades mecânicas contribuem para a diminuição dos custos dos projetos, pois com isso é possível utilizar tubos com paredes de menores espessuras com pressões de serviço equivalentes, pois ocasiona a diminuição do peso dos tubos e da quantidade de solda depositada em cada junta (FEDELE, 2002). Quadro 3.1 - Propriedades mecânicas dos aços mais utilizados para fabricação de tubos
Fonte: Fedele, 2002
37 3.1.1 Composição A composição química de um aço de baixa liga e alta resistência pode variar de um produto para outro como mostrado no quadro 3.2. Um aço típico possui normalmente menos que 0,15% de carbono, 1,65% de manganês e níveis baixos (abaixo de 0,035%) de Fósforo, enxofre e outros elementos. O baixo carbono garante boa conformabilidade e soldabilidade. A resistência destes aços é aumentada pela adição de pequenas quantidades de elementos de liga, o quadro 3.2 mostra alguns desses elementos (CIMM, 2012). Quadro 3.2 - A resistência destes aços mediante adição de pequenas quantidades de elementos de liga
Fonte: CIMM, 2012 Com a introdução de elementos de liga novos aços alta resistência baixa liga (ARBL) para a fabricação de tubos foram desenvolvidos. Até os anos 1970, esses aços eram produzidos pelo processo de laminação a quente seguido de normalização, visando obter uma microestrutura composta de finas lamelas de ferrita, perlita e grãos maiores de ferrita. Após este período o processo foi modificado para operações de conformação termomecânica (TM), com isso houve a produção de aços, com reduzidos teores de carbono e adições de elementos nióbio e vanádio. A microestrutura passou a apresentar maior uniformidade, com grãos mais refinados de ferrita. Esta tecnologia foi aperfeiçoada nos anos 1980, com a introdução do processo de resfriamento controlado (accelerated cooling), juntamente com o conceito de laminação
38 termomecânica. Foi então possível produzir o aço, com teores de carbono ainda mais reduzidos, melhorando sua soldabilidade. Neste caso, a microestrutura ferrítica-bainítica apresentava-se mais refinada, do tipo. Nos últimos anos, adições de molibdênio, cobre e níquel tem sido testadas com sucesso em conjunto com processos modificados de resfriamento controlado, objetivando o desenvolvimento de tubos da classe mais elevada (CIMM, 2012). 3.2 Características técnicas da Caldeira A caldeira onde será realizado o serviço de soldagem é uma caldeira mista, sendo realizada a união dos tubos da grelha refrigerada aos tubulões da caldeira pelos processos TIG e ER. 3.2.1 Corpo da fornalha Construída totalmente em lençol d’água com tubos verticais estruturados embutidos e soldados nos tubos coletores em processo contínuo. Nela é realizado um processo de extrusão a frio e tem por finalidade deixar os tubos mais próximos ou encostados para facilitar a vedação e possibilitar a soldagem nos tubos coletores. A vedação entre os tubos é feita com cordão de amianto, com proteção externa de um filete em chapa de aço. A fornalha é interligada com o corpo da caldeira através de tubulações com circulação de água e vapor por convecção natural. A fornalha é dotada de um nariz interno construído em tubos refrigerados à água, que tem por finalidade dividir o passe dos gases da caldeira, uniformizar a pressão sobre os pontos de queima, aumentar a superfície de troca, diminuir o arraste de particulados não queimados e aumentar a temperatura da fornalha. Sendo projetada para queima de combustíveis sólidos, triturados, mostram-se as características técnica da fornalha, dos tubos coletores da fornalha e dos tubos das paredes da fornalha, respectivamente nos quadro 3.3 a 3.6. Os quadros mostram as dimensões do corpo da fornalha. Quadro 3.3 - Características técnicas da fornalha Área de troca térmica:
80m^2
Volume:
29.6 m3
Peso total da fornalha:
8890Kg
Fonte: Borges, 2004
39
Quadro 3.4 - Características técnicas dos tubos coletores da fornalha Material:
ASTM A106
Diâmetro nominal:
168.3 e 219.1mm
Espessuras das paredes: 12.7 / 11 / 7mm Fonte: Borges, 2004 Quadro 3.5 - Características técnicas dos tubos das paredes da fornalha Material:
ASTM A178
Diâmetro nominal:
60.3mm
Espessura das paredes:
4mm
Fonte: Borges, 2004 Quadro 3.6 - Dimensões do corpo da fornalha Comprimento com isolamento:
5200mm
Largura com isolamento:
3680mm
Altura com isolamento:
5400mm
Fonte: Borges, 2004 3.2.2 Grelha refrigerada É construída em tubos de aço, refrigerada a água, interligada com a fornalha, com circulação por convecção natural. A grelha é projetada para queima de combustíveis sólidos, triturados ou não, permitindo a entrada de ar de combustão, com temperatura de até 350ºC, possibilitando a queima de combustível com qualquer teor de umidade. A grelha possui quatro zonas de distribuição de ar, garantindo uma maior uniformidade na combustão. O coletor inferior da grelha é provido, em uma de suas extremidades, de uma porta de visita flangeada para a inspeção, e ao centro uma válvula para descarga de fundo. Na outra extremidade da grelha encontra-se instalada uma porta para acesso ao interior da fornalha. Os tubos são aletados entre si, não permitindo assim a passagem de gases para o lado externo da fornalha, proporcionando maior vida útil ao isolamento térmico. O quadro 3.7 mostra as características técnicas de uma grelha refrigerada.
40
Quadro 3.7 - Características técnicas da grelha refrigerada Área total: Material do tubo:
ASTM A 106 SCH-80
Diâmetro dos tubos:
48,26 mm
Espessura dos tubos
5,08 mm
Diâmetro dos tubos coletores:
168,3 mm
Dimensões p/ transporte(mm): Peso:
7400 x 3450 x 800 2332 Kg
Fonte: Borges, 2004 Figura 3.1 - Grelha refrigerada
Fonte: Autoria nossa, 2012 Os tubos da grelha e fornalha são constituídos pelos tubos ASTM 106 SCH 80 e ASTM 178 que tem suas propriedades químicas e mecânicas mostradas no quadro 3.9.
41
Quadro 3.8 – Mostra a composição química e propriedades mecânicas dos tubos utilizados
Fonte: PIPESYSTEM, 2012 3.3 Processo de preparo para a soldagem de tubulações Para se realizar uma soldagem com qualidade é necessário que se atenda a algumas exigências antes de proceder a soldagem, onde, deve ser feito o preparo da junta a ser soldada que inclui a limpeza, chanframento, acoplamento e ponteamento dos tubos. Para um bom preparo devem-se seguir os seguintes passos, marcar o tubo para posterior realização do corte, que pode ser feito por serras mecânicas ou maçaricos, sendo que se for pela segunda opção o profissional indicado para realizar esta operação deve ser o maçariqueiro, onde também pode ser utilizado este sistema de corte de forma semiautomática onde o maçarico é fixo e gira sobre roletes motorizados. Terminando o corte passa-se para o chanframento que pode ser feito por esmeriladoras e retificas manual para a parte interna. Geralmente o profissional responsável por essa etapa é uma encanador industrial, pois recebe treinamento para deixar as pontas dos tubos em uma angulação correta para a soldagem. Após o chanframento, passamos a etapa de ajustagem e alinhamento do tubo a ser soldado, posteriormente ocorre o ponteamento para fixar a posição onde ira ocorrer a união onde depois destes passos já pode ser realizada a solda de raiz no tubo. As figuras 3.2 a 3.6 mostram o passo a passo do procedimento de reparo da tubulação.
42 Figura 3.2 - Lixamento e preparação
Fonte: Autoria nossa, 2012 Figura 3.3 - Entrada para tubulões lixadas e preparadas para ponteamento
Fonte: Autoria nossa, 2012
43 Figura 3.4 - Alinhamento dos tubos
Fonte: Autoria nossa, 2012 Figura 3.5 - Ponteamento dos tubos
Fonte: Autoria nossa, 2012
44 Figura 3.6 - Junta soldada com TIG
Fonte: Autoria nossa, 2012 3.4 Processos de soldagem utilizados Os processos utilizados na soldagem de manutenção desta caldeira foram os processos eletrodo revestido e Tungsten Inert Gas (TIG), onde foi feito primeiramente a soldagem da raiz com o processo TIG utilizando o eletrodo cobreado ER 80S-G e o enchimento com o processo eletrodo revestido utilizando o eletrodo E7018, sendo realizado pelo intermédio de 6 profissionais, sendo 3
soldadores qualificados para utilizar o processo TIG chamados
comumente de “Tigueiros” e 3 soldadores de ER, todos apresentando certificação a empresa supervisora da soldagem. 3.4.1 Soldagem de raiz A soldagem de raiz foi realizada com o processo de soldagem TIG levando em consideração a importância do passe de raiz para a soldagem de um vazo de pressão e por apresentar alta confiabilidade e uma solda de alta qualidade, utilizando a vareta de adição de ER 80S-G (Quadro 3.10) de 3,2 mm de diâmetro com alimentação da vareta de forma manual
45 no arco, gás de proteção sendo argônio e a fonte de soldagem utilizada foi a Origo Arc 286i mostrada na figura 3.7 e suas características técnicas mostradas no quadro 3.9. Figura 3.7 - Fonte Origo Arc 286i
Fonte:ESAB, 2008 Quadro 3.9 - Caracteristicas técnicas da fomte origoArc 286i
Fonte: ESAB, 2008
46 Quadro 3.10 - Propriedades químicas e mecânicas da vareta AWS ER 80S-G VARETA OK
T IGROD 13.09 AWS / ASME SFA 5. 28 ER80S- G EN ISO 636- A W2Mo EN ISO 21952- A WMoSi EN ISO 21952- B W5Z 1M3
COMPOSIÇÃO DA VARETA
APLICAÇÕES
C = 0,1 Si = 0,5 Mn = 1,1 Mo = 0,5
Vareta sólida cobreada para soldagem de aços baixa liga 0,5%Mo. Muito utilizada para passe de raiz de tubos de aços baixa liga ligados ao molibdênio. Aplicada , em vasos de pressão, caldeiras , tambores de coque, aquecedores, dentre outros. Homologações: FBTS DNV III YMS VdTÜV 04950
PROPRIEDADES DIÂM TIPO DE COMPR. GÁS DE MECÂNICAS . CORRENTE (mm) PROTEÇÃO TÍPICAS (mm)
Como soldado: L.R. 630 Mpa L.E. 540 Mpa A 25% ChV (+20°C) 180J ChV (-20°C) 130J ChV (-40°C) 90J ChV (-60°C) 25J
CC-
2,4 3,2
1000 1000
100% Ar (EN 439 I1)
Fone: ESAB, 2011 O processo TIG é um processo de alta qualidade e baixo índice de defeitos, no entanto de baixa produtividade além de incidir com a necessidade de uma elevada habilidade do soldador. Parâmetros de corrente utilizados para soldagem da raiz e o metal de adição utilizado com diâmetro de 3,2 mm: 1 – Corrente de soldagem para chanfro aberto: 170 A. 2 – Corrente de soldagem para chanfro fechado: 150 A. A escolha da corrente é definida pelos parâmetros de soldagem estabelecidos pelo soldador, como posição de soldagem, amperagem e etc. 3.4.2 Enchimento A solda de enchimento foi realizada utilizando a soldagem com eletrodo revestido básico E 7018 (Quadro 3.11), com diâmetro de 3,2 mm, sendo utilizados os seguintes parâmetros de soldagem. A Soldagem com eletrodo revestido foi feita utilizando - se a fonte de soldagem Origo 406 da ESAB (Figura 3.8) e com suas características técnicas mostradas no quadro 3.12. Parâmetros de corrente utilizados para soldagem de enchimento: 1 – Corrente de soldagem utilizada para enchimento foi de 120A.
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Quadro 3.11 - Eletrodo E 7018 utilizado na soldagem
Fonte: ESAB, 2008 Figura 3.8 - Fonte de soldagem ER
Fonte: Autoria nossa, 2012
48 Quadro 3.12 - Características técnicas da fonte
Fonte: ESAB, 2008 Mediante a utilização de uma câmera foi realizada uma inspeção visual para a observação de possíveis defeitos na soldagem. Foram visualizadas penetrações excessivas na soldagem, ocasionadas por parâmetros inadequados de soldagem. Após a soldagem foi feito a realização do teste hidrostático exigido pela ASME que consiste na injeção de água no interior da caldeira a temperatura normal e a uma pressão 1,5 da Pressão máxima de trabalho.
49 4 RESULTADOS Na realização da soldagem da troca da tubulação da caldeira a norma regulamentadora NR-13 foi seguida de forma satisfatória, no entanto, ocorreram algumas irregularidades nos procedimentos de realização da soldagem, que poderiam ter sido evitadas, necessitando somente de um maior cuidado na realização do trabalho. 4.1 Inspeção das juntas soldadas Foram utilizados para a descoberta de falhas, teste hidrostático e inspeção visual a olho nu, sendo que o mesmo é importante, pois confirma a ausência de vazamentos, mostra se há estanqueidade no sistema, estado de integridade ou se ele tem condições de resistir as condições de operação e também funciona como um método de alivio de tensões na estrutura testada. No entanto, possui suas desvantagens como a possibilidade do crescimento de descontinuidades e destruição do equipamento caso haja regiões danificadas por mecanismos ou falhas na montagem, elevando também a relação custo/benefício da sua aplicação, pois ele somente informa se houve vazamento ou não. Este método pode mostrar se a caldeira apresenta vazamento, mais não demonstra o nível da falha da solda e nem realmente há alguma falha estrutural na região de soldagem. Na avaliação das juntas soldadas houve a execução de inspeções visuais após a realização do teste de estanqueidade, que mesmo sendo um método onde é sempre exigida sua realização em todas as soldas e se for feito por uma pessoa experiente pode ser capaz de não só descobrir falhas superficiais, como pode indicar locais de defeitos. Não foram realizados métodos de inspeção não destrutivos como, liquido penetrante, ultrassom ou raio x, onde apesar da possibilidade da capacidade de visualizar alguma possível falha na soldagem ela só será comprovada se houver a realização de ensaios não destrutivos, sendo que a não utilização destes ensaios pode acarretar na dificuldade de encontrar algum foco de trincas que podem vir a se propagar após a utilização do teste hidrostático em operação normal. 4.2 Analise visual das juntas soldadas Após a soldagem deveriam ter sido realizados mais testes, como ensaios não destrutivos de ultrassom ou liquido penetrante para averiguar a qualidade da solda para que não ocorressem falhas decorrentes de mal dimensionamento dos parâmetros de soldagem, sendo que quantos menos testes forem realizados a chance da ocorrência de falhas na soldagem é aumentada.
50 As falhas que ocorrem na realização de soldagem em nossa região, são ocasionadas por não haver uma preocupação com a medição da produtividade que da soldagem realizada, que acarreta no não conhecimento de várias pequenas falhas ocorridas na soldagem que podem acarretar em perda de tempo na realização do trabalho, ocasionando retrabalho no futuro. Se estas medidas fossem tomadas e todos os parâmetros de soldagem para cada ocasião fossem catalogados e utilizados para estudos, podem-se haver muitos melhoramentos nos processos de soldagem hoje utilizados na união de tubulações, como parâmetros mais estáveis na utilização da soldagem. 4.3 Parâmetros da soldagem Na realização da soldagem foi verificado que os parâmetros de soldagem não foram ajustados de maneira adequada por parte dos soldadores, sendo descoberto que com a amperagem utilizada ocasionou uma penetração excessiva, assim sendo a amperagem foi modificada. Parâmetros de corrente corrigido para solda de raiz e o metal de adição utilizado com diâmetro de 3,2 mm: 1 – Corrente de soldagem para chanfro aberto: 140 A. 2 – Corrente de soldagem para chanfro fechado: 120 A. Após a utilização dos níveis de corrente de soldagem mostrados, observamos através de uma câmera no interior dos tubos principais (figura 4.1) que se localizam no início e no final da grelha percebeu-se que em vários tubos ocorreu penetração excessiva, que no caso de caldeiras de geração de vapor é um fato que não deve ocorrer, pois essas irregularidades podem criar depósitos de materiais que podem acarretar em corrosão próximo a essas juntas. Figura 4.1 - Penetração excessiva na junta soldada
Fonte: Autoria nossa, 2012
51 Isto é um problema que encontramos neste tipo de soldagem, pois com as variações ocasionadas pela soldagem manual como distância da peça para o eletrodo, velocidade de soldagem que quase sempre não apresenta velocidade constante. São parâmetros importantíssimos para que não ocorram erros na soldagem, neste caso a estudos sobre a utilização do modelo automático de soldagem TIG em orbital apresentando uma boa conformidade na junta soldada, pois, não ocorrem variações dos parâmetros citados anteriormente. Posteriormente ao ver esta falha na soldagem houve a correção de alguns parâmetros de soldagem que são primordiais para a obtenção de uma solda de melhor qualidade, como a procura do aumento da velocidade de soldagem por parte operacional dos soldadores e a diminuição da corrente de soldagem, acarretando na melhora da qualidade dos cordões com uma quantidade considerável de respingos diminuindo a um nível aceitável de falhas estruturais no cordão de solda. Parâmetros de corrente de soldagem para o enchimento de 110A apresentou um perfil externo com boa conformidade do cordão de solda, com uma quantidade aceitável de como vemos na figura 4.2. Figura 4.2 - Cordão de solda após a realização do enchimento
Fonte: Autoria nossa, 2012
52 4.4 A avaliação da produtividade das juntas soldadas Neste trabalho observa-se que não há uma importância por parte das empresas sobre os processos de soldagem, onde o mesmo é fundamental no processo de fabricação como um todo. Como o relatado no item 2.4 pode-se observar que na empresa que presenciei a soldagem das tubulações da caldeira percebi que não há uma coleta de dados por parte da empresa contratada para a realização do serviço e que foi enviado para analisar se a soldagem estaria ocorrendo de forma correta. Na realidade a soldagem de manutenção dos tubos desta caldeira foi encontrada algumas conformidades nos processos de soldagem e outras não. Uma não conformidade foi a não contratação de profissionais específicos para o preparo das juntas soldadas, como um encanador industrial com treinamento para preparação de chanfros para soldagem de tubulações, onde a preparação foi feita por profissionais sem treinamento especifico para a realização da atividade, na soldagem os soldadores apresentaram a certificação para cada processo realizado.
53 5 CONCLUSÃO Foi realizado um estudo da soldagem das tubulações desta caldeira foi abordado o processo de realização da união dos tubos por intermédio de solda TIG e ER, podendo-se constatar através da realização deste trabalho, que deveria haver uma maior preocupação com todas as etapas da soldagem não somente com a solda propriamente dita pelos profissionais envolvidos. No entanto, alguns procedimentos para a realização do trabalho podem acarretar em falhas estruturais do cordão de solda. Na análise das uniões poderiam ter sido utilizados mais métodos de inspeção não somente inspeção visual a olho nu e teste hidrostático, como liquido penetrante que apesar de ser considerado como uma inspeção visual pode-se perceber através dele falhas no cordão não perceptíveis a olho nu. A conclusão sobre a produtividade é que nem todas as empresas de construção e montagem tratam a soldagem de tubulação com o critério e o cuidado que ela merece, e que para melhoria da dos níveis de produtividade, destaca-se duas medidas que devem ser adotadas, qualificação de mão-de-obra e aumento da troca de conhecimentos em relação a práticas produtivas, pois quanto maior a qualificação dos profissionais sobre os procedimentos pré-solda e sobre os processos que vão ser utilizados permite que o processo ocorra de forma mais eficaz e que falhas futuras não venham a ocorrer. Para que isso aconteça à empresa realizadora do serviço deve fazer um catalogamento das atividades realizados com parâmetros e procedimentos adotados para cada tipo de serviço para realização de estudo de possíveis locais de redução de custo na soldagem, como estudo de taxa de deposição com a quantidade de passes feitos para cada serviço diminuindo a taxa de metal depositado e etc. Estes podem ser fatores determinantes para proporcionar uma solda de melhor qualidade e consequentemente evitando aumento de custos, tornando mais eficaz o trabalho facilitando a prevenção de possíveis falhas que possam vir a ocorrer com a integridade da junta soldada.
54 REFERÊNCIAS AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API 1104: Standard for Welding Pipe Lines and Related, 19. ed. Washington: IHS 1999, 79 p. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NR-13: Caldeiras e vasos de pressão. Disponível em: . Acesso em: 13 jan. 2013. AMERICAN WELDING SOCIETY - AWS: Welding-Related Expenditures, Investments, and Productivity Measurement in. U.S. Manufacturing, Construction, and Mining Industries. Disponível em: < www.aws.org/research/HIM.pdf>. Acesso em: 10 nov.. 2012. BORGES, F. J. S. P.;LOPES, A. S. Estudo técnico-econômico da usina de geração de energia elétrica à biomassa da empresa Tramontina Belém S/A. 2004. 109f.. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – Curso de Engenharia Mecânica, Faculdade de Engenharia Mecânica, Instituto de Tecnologia, Universidade Federal do Pará, Belém, 2004. CENTRO DE INFORMAÇÃO METAL MECÂNICA - CIMM. Aços de alta resistência e baixa liga. Disponível em: < http://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6340-acosde-alta-resistencia-e-baixa-liga#.UTtW7FeNCXk>. Acesso em: 12 nov.. 2012. ELEKTRISKA SVETSNINGS AKTIE BOLAGET - ESAB. Eletrodos revestidos OK. São Paulo, 2005, 66 p. ELEKTRISKA SVETSNINGS AKTIE BOLAGET - ESAB. Equipamentos para soldagem e corte. São Paulo, 2008, 48 p. ELEKTRISKA SVETSNINGS AKTIE BOLAGET - ESAB. Soldagem TIG. São Paulo, 2011, 28 p. ELEKTRISKA SVETSNINGS AKTIE BOLAGET - ESAB. Soluções ESAB para soldagem de tubulações. São Paulo, 2011, 40 p. ELEKTRISKA SVETSNINGS AKTIE BOLAGET - ESAB. Soldagem de tubulações. São Paulo, 2003, 63 p. FORTES, Cleber; DOMINGUES, José Roberto. Soldagem de tubulações. São Paulo, 2004, 160 p. FEDELE, Eng. Ricardo. Soldagem de tubulações: Metalurgia, Procedimentos e Desafios. Metalurgia e Materiais, Rio de Janeiro, v. 58 – N. 521- 05/2002, 11p. GIOIA, Alexandre Luis Souza; SILVA JUNIOR, Isnaldo Franciso da. Metodologia de medição de índices de produtividade em soldagem de tubulações em obras industriais . Niterói: 2008, 35 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Pós-Graduação Montagem Industrial) Coordenação do Programa de Pós-Graduação em Engenharia, Rio de Janeiro, 2005.
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