Produção De Tubos Com Costura Em Aço Inox Da Classe “lean Duplex” Utilizados...

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‘ Seg. 17 à Sex. 21 de Outubro de 2016 – EEIMVR/UFF – Volta Redonda - RJ PRODUÇÃO DE TUBOS COM COSTURA EM AÇO INOX DA CLASSE “LEAN DUPLEX” UTILIZADOS NA CONSTRUÇÃO DE REDE DE TUBULAÇÕES PARA USO COMO MODAL DUTOVIÁRIO (GASODUTOS, OLEODUTOS, GRANULODUTOS, MINERODUTOS) André Luis de Brito Baptista Mestre em Materiais (Fabricação e Reaproveitamento) Laboratório de Metalurgia Extrativa – EEIMVR/UFF Rodrigo Chaves Baptísta Curso Técnico de Petróleo e Gás - ETPC Resumo Tubos podem ser produzidos por laminação, conformação, extrusão, estiramento, soldagem, fundição, usinagem ou pela combinação destes processos, estes métodos de fabricação são, em geral, divididos em com ou sem costura (cordão de solda unindo duas chapas). Os aços inoxidáveis duplex ocupam posição de destaque ao lado dos inox austeníticos, ferríticos, martensíticos e endurecíveis por precipitação. Seu campo de aplicação é onde existe elevada solicitação mecânica, por desgaste e requisitos de resistência à corrosão química, sob tensão ou piting durante serviço. São empregados em tubulações de trocadores de calor, tanques para produtos químicos, vasos de reatores químicos, sistemas de manuseio de ácidos acético e fosfórico, aquecedores de água domésticos, sistemas de combate a incêndio, separadores de água e gás, equipamentos para evaporação de sal, plantas de dessalinização, peças fundidas, implantes cirúrgicos, etc. Os dutos são quarenta vezes mais seguros que o transporte de carga ferroviária e cem vezes mais seguros que o transporte por caminhão. O transporte dutoviário vem se revelando como uma das formas econômicas de transporte para grandes volumes quando comparados com os outros modais. No presente trabalho mostra-se as características principais do aço inox duplex que interessam para chapas usadas na produção de tubos e os processos mais empregados na manufatura dos mesmos INTRODUÇÃO Produtos tubulares de aço são aqueles de formato cilíndrico, ocos, utilizados para o transporte de gases, líquidos ou sólidos em toda a faixa de variação de pressão e temperatura e para uma grande variedade de aplicações mecânicas ou estruturais. Desde o começo da civilização o emprego das canalizações é conhecido pelo homem antes mesmo do surgimento da escrita, sendo descobertos vestígios ou redes completas de tubulações nas ruínas da Babilônia, Pompéia, China Antiga e muitas outras. Em Nippur (Babilônia), foram encontrados tubos de argila cozida com mais de 5000 anos de idade. Materiais dessa natureza foram encontrados na Civilização de Cnossos na Ilha de Creta, cerca de 2000 anos a.C. e na antiga Mesopotâmia junto a conexões, com curvas, tês, etc. Se buscarmos as linhas de estrutura do progresso, através da história observamos que, os materiais de fabricação de tubos, evoluíram da madeira para a pedra, seguida da argila e depois vieram o cobre e o chumbo, passando para o ferro e mais adiante o aço. A área dos materiais é muito abrangente e a sua evolução histórica acompanha a própria evolução da humanidade e do mundo civilizado. É praticamente impossível imaginar uma atividade humana sem a utilização de um material qualquer. Assim, os materiais sólidos podem ser classificados em materiais metálicos, em materiais cerâmicos e em materiais orgânicos. Esses grupos de materiais são mostrados na Figura 1, com suas principais áreas de utilização. Figura 1 – Os três grandes grupos dos materiais Embora os materiais estejam disponíveis ao homem há milhares de anos, estes só receberam a atenção e o estudo adequados no momento em que o ser humano foi capaz de fazer uso dos materiais para aproveitamento próprio Figura 2. .Figura 2 - Evolução dos materiais utilizados na fabricação de componentes Os aços constituem-se numa importante classe de materiais metálicos usados em engenharia, oferecendo uma combinação altamente atraente de características de fabricabilidade como bom comportamento no corte, boa conformação, soldabilidade, usinabilidade e pintabilidade, total aceitação de revestimentos, larga faixa de resistência mecânica e alguma resistência a corrosão e degradação com uma relação custo/benefício inatingível pela maioria das demais ligas existentes. A Figura 3 mostra a gama de aplicações doa aços. Figura 3 – Aplicação dos aços TUBOS DE AÇO PARA EQUIPAMENTOS DE PROCESSO Equipamentos de processos são aqueles usados em industrias, nas quais materiais sólidos ou fluidos sofrem transformações físicas ou químicas, ou as que dedicam à armazenagem, manuseio ou distribuição de fluidos ou polpas (Figura 4). A Figura 5 mostra o fatores que regem a seleção de materiais para tubos de equipamentos de processos e a Figura 6 elenca os tipos de materiais para fabricação de tubos utilizados em equipamentos de processo. Figura 4 Figura 5 Figura 6 Motivado pelo constante desenvolvimento tecnológico e pela necessidade de adequar a infra-estrutura à necessidade humana, o desenvolvimento de materiais que atendessem aos mais diversos requisitos – mecânicos, físicos, ambientais e de custos se fez necessário. Deste modo houve uma série de desenvolvimentos nos tipos de aço como mostra a Figura 7 a, b, c, d, e, f, g, h, i Figura 7 (a) – Geração de Aços conforme a resistência Figura 7 (b) – Classificação dos aços Figura 7 (c) – Geração de Aços conforme o requisito tecnológico Figura 7 (e) – Microestruturas dos aços de maior resistência Figura 7 (d) – Geração de Aços conforme a microestrutura básica Figura 7 (f) – Sistemas de aumento da resistência pela alteração da microestrutura Figura 7 (g) – Correlação entre as classes de tubos e a microestrutura Figura 7 (h) – Desenvolvimento dos aços API desde a década de 50 Figura 7 (i) – Evolução dos aços usados na fabricação de tubos com grande diâmetro para transporte de óleo e gás. Aço inox é o termo empregado para identificar uma família de aços contendo no mínimo 10,5% de cromo, elemento químico que garante ao material elevada resistência à corrosão. Distribuído de forma homogênea por todo o inox, o cromo, ao entrar em contato com o oxigênio do ar, forma uma camada fina, contínua e resistente de óxido sobre a superfície do aço, protegendo-o contra ataques corrosivos do meio ambiente (Figura 8). Figura 8 – Ação do cromo na proteção do aço Apesar de invisível, estável e com espessura finíssima, essa película é muito aderente ao inox e tem sua resistência aumentada à medida que se adiciona mais cromo à mistura. Mesmo quando o aço sofre algum tipo de dano, sejam arranhões, amassamentos ou cortes, o oxigênio do ar imediatamente combina-se com o cromo, formando novamente o filme protetor. Mas outros elementos adicionados ao inox (níquel, molibdênio, vanádio e tungstênio) também elevam a resistência desse aço à corrosão, além de garantirem ao produto múltiplas aplicações. A figura 9 - mostra a influência da composição química na resistência a corrosão Figura 9 - Resistência a corrosão em solução ácida x composição química Os aços inoxidáveis são divididos em cinco tipos básicos: • Austeníticos; • Ferríticos; • Martensíticos; • Austeno-ferríticos (duplex); • Endurecíveis por Precipitação. Os nomes dos três primeiros tipos é uma homenagem aos descobridores das estruturas internas. Portanto, o Sr. Austen, o Sr. Ferri e o Sr. Marten emprestaram seus nomes para definir os tipos de aços inox O nome dos tipos de aço inox deriva também do nome da estrutura interna do material como visto na Figura 10. Cada estrutura interna determina propriedades específicas (Figura 11 e 12). A formação da estrutura interna do material é influenciada pelos elementos químicos que compõem o material (Figura 13 ). Estas propriedades específicas vão indicar a melhor aplicação para cada tipo de aço inox. Por isso, conhecer a estrutura interna do material determina seu tipo e suas propriedades (Figura 14, Quadro 1 e 2). As composições e características do aço inox “Lean Duplex” , são mostradas nas Tabelas 1 até 5. Figura 10 - micrografias dos tipos de aços inox utilizados em tubos Figura 11 Figura 12 Figura 13 A Figura 14 mostra as famílias de aços inox utilizados em tubulações. Figura 14 Quadro 1 Quadro 2 Tabela 1 Tabela 2 Tabela 3 Tabela 4 Tabela 5 A seleção correta do tipo de inox e de sua superfície de acabamento são importantes para assegurar uma longa vida útil ao material. A composição química afeta o comportamento do aço inox quando utilizado em diferentes meios, como pode ser visto nas Figuras 15 até 19. Figura 15 - Seleção de aço inox para resistir a corrosão atmosférica Há uma relação entre Composição química, comportamento mecânico, resist. a corrosão e aplicação de aços inox. A existência de espaços entre os componentes mecânicos que formam uma estrutura de aço, somado a influência do meio ambiente de trabalho e as solicitações mecânicas, acabam por conduzir a comportamentos diferenciados dos tubos de aço inox, como pode ser visto a seguir.. A resistência a corrosão por pite é mostrada nas Figuras 16 e 17 , a corrosão em frestas na Figura 18 e a corrosão sob tensão na Figura 19. Figura 16 - Resistência a corrosão por tipo de aço inox Figura 17 - Resistência a corrosão por tipo de aço inox em relação ao meio de exposição Figura 18 - Resistência a corrosão em frestas dos aços inox Figura 19- Resistência a corrosão sob tensão dos aços inox No presente trabalho mostra-se as características e a produção de tubos de aço inox duplex de baixa liga (“lean duplex”) aplicados na construção de redes de distribuição (pipe lines). 2 - REVISÃO DE CONCEITOS : Tratamento Teórico Transporte via modal dutoviário O transporte é o principal componente do sistema logístico, é utilizado para movimentação de produtos e materiais ao longo dos canais de distribuição e, em geral, tem uma importância significativa na formação dos custos logísticos, podendo representar um fator de vantagem competitiva para o sistema. Sua importância pode ser medida através de pelo menos três indicadores financeiros: custos, faturamento, e lucro. O transporte representa, em média, 60% dos custos logísticos, 3,5% do faturamento, e em alguns casos, mais que o dobro do lucro. São basicamente cinco os modais de transporte de cargas; rodoviário, ferroviário, aquaviário, dutoviário e aéreo. Cada um possui custos e características operacionais próprias, que os tornam mais adequados para certos tipos de operações e produtos. Assim os critérios para escolha do modal são : menor custo, capacidade de transportes, natureza da carga, versatilidade, segurança, rapidez (Figura 20). Figura 20 – Comparação de critérios na escolha do modal de transporte O modal dutoviário, seria aquele efetuado no interior de uma linha de tubos ou dutos, que são tubulações especialmente desenvolvidas e construídas de acordo com normas internacionais de segurança (Figura 21). Trata-se de uma modalidade antiga na área dos equipamentos urbanos, em especial na adução e distribuição de água à população e na captação e deposição de esgotos domiciliares. Quando empregados para transportar petróleo e seus derivados, álcool, gás e produtos químicos diversos por distâncias especialmente longas, são então denominados como oleodutos e gasodutos. No modal dutoviário realiza-se o transporte de gases, líquidos, materiais secos a granel e minérios através de dutos. este tipo de modalidade de transporte é singular, pois operam em tempo integral, salvo momentos de mudança de produto transportado ou manutenção sendo uma forma eficiente e segura de transporte Figura 21 – Exemplo de mineroduto CLASSIFICAÇÃO DOS DUTOS : Os dutos podem ser classificados de acordo com: o tipo de operação, rigidez, localização, temperatura de operação, material de constituição e carga conduzida. A Tabela 6 mostra TUBOS DE AÇO INOX DUPLEX “Tubulação é o conjunto de tubos e conexões assentados com a finalidade de transportar um fluido ou sólido ou a mistura dos mesmos de um ponto a outro.” Para a seleção adequada das tubulações deve-se considerar vários fatores, tais como: diâmetros, custo dos tubos, pressões de trabalho, cargas externas que poderão atuar sobre as tubulações, custo de instalação, manutenção, qualidade da água a transportar e características do terreno onde serão instalados os condutos. As condições a que os materiais empregados nas tubulações devem obedecer são: - Quanto à qualidade do material conduzido: uso de materiais que não alterem a qualidade da Carga conduzida; que não sejam facilmente dissolvidos e que, com a dissolução no líquido, não provoquem danos aos usuários do emsmo; - Quanto à quantidade de material conduzido: materiais que permitam a obtenção de tubos de diâmetros ou seções de escoamento desejados, que não permitam a sensível alteração da seção de escoamento ao decorrer do tempo; que não permitam grande alteração da rugosidade relativa ao decorrer do tempo; que permitam a confecção de juntas com o mínimo de vazamentos e que provoquem o mínimo de trincas, corrosões e arrebentamentos pelas ações internas e externas; - Quanto à pressão de trabalho: materiais que permitam a obtenção de tubos com espessuras de paredes desejadas e que consigam resistir aos esforços internos e externos; - Quanto à economia: materiais que sejam resistentes aos choques que ocorrem durante a fase de carga/descarga e assentamento; que permitam cortes e furos com relativa facilidade; materiais mais leves que facilitem o transporte e assentamento; materiais que permitam menor número de juntas ou conexões; que satisfazendo condições técnicas, sejam de menor custo; mais duráveis e que permitam menor custo na operação e manutenção. O ciclo de vida de uma tubulação enterrada é freqüentemente descrito pela chamada “curva da banheira”, apresentada por Kleiner e Rajani , como ilustrado na Figura 22. A primeira fase deste ciclo, também conhecida por “fase de queima”, descreve o período diretamente após a instalação da tubulação, na qual as quebras ocorrem principalmente como um resultado de má instalação e tubulações defeituosas, sendo que surgem gradualmente e decrescem com o tempo. Uma vez que o sistema está “limpo” desses “problemas de infância”, a tubulação entra na fase dois, conhecida por “fase de uso”, na qual o tubo opera relativamente livre de problemas, com uma freqüência de quebras baixa, resultante de fenômenos aleatórios tais como um eventual carregamento pesado sobre a tubulação, interferências de outras partes, etc. A terceira fase, também chamada de “fase de desgaste” descreve um período de acréscimo da freqüência de quebras devido à deterioração das tubulações e a sua idade. Nem toda tubulação experimenta cada fase e o comprimento das fases pode variar dramaticamente para várias tubulações e sobre várias condições. Figura 22 – Curva da banheira do ciclo de vida de tubulações enterradas Na Figura 23 pode-se ver as principais causas de falhas para cada fase da curva da banheira. A curva da banheira pode também apresentar diferentes formas (Figura 24). O modo A é a tradicional curva (figura 22), o modo B apresenta taxa de falhas crescente e zona de desgaste acentuado. O modo C apresenta uma leve taxa crescente de falhas, porém sem uma zona definida de desgaste. O modo D destaca que o equipamento irá apresentar uma taxa de falhas baixa quando este é novo, seguindo de uma taxa de falhas constante ao longo de sua vida útil. No modo E, o equipamento apresenta uma taxa constante de falhas desde sua instalação até o final de sua vida útil. No modo F a taxa de falhas inicia–se com uma redução rápida, seguindo por um período de taxas constantes. As porcentagens mostram como as peças de um lote se comportaram. Figura 23 - Descrição das falhas que podem ocorrer nas etapas da curva de banheira Figura 24 - Comportamentos que a curva da banheira podem apresentar Vários fatores devem ser levados em consideração com relação a dutos velhos. Tal como: • Aços antigos: Estes dutos foram construídos com aços que geralmente apresentam baixo limite de escoamento e grande quantidade de defeitos. • Procedimentos antigos de produção, gerando soldas de baixa qualidade, concentradores de tensão, etc. • Pontos do revestimento provavelmente deteriorados, o que pode conduzir a ocorrência de corrosão externa. • Diferentes produtos já podem ter sido transportados por estes dutos, induzindo corrosão interna. • Provavelmente estes dutos já sofreram modificações e reparos que não foram registrados. • O duto pode ter sido operado com proteção catódica ineficiente por vários anos. • Muitos grupos de gerenciamento já devem ter operados estes dutos, o que pode causar modificações no processo de gerenciamento de integridade. Estes são apenas alguns dos possíveis problemas relacionados com dutos envelhecidos As mais importantes variáveis que descrevem a deterioração estrutural das tubulações e que causam as quebras e rompimentos de um sistema de abastecimento podem ser agrupadas em quatro categorias : - Físicas ou estruturais; - Ambientais ou externas; - Hidráulicas ou internas; - De manutenção. Uma lista de possíveis fatores que causam quebras em tubulações é proposta na Figura 25. A maioria dos fatores é constante no tempo, mas alguns podem ser tempo-dependentes, como por exemplo, a qualidade da água, carregamentos externos e velocidade da água Figura 25 – Fatores que causam quebras em tubulações O produto denominado “tubo de aço inoxidável” é aplicado em praticamente todas as indústrias de processo (Figura 26) com a finalidade de : • Distribuição de vapor para força e/ou para aquecimento; • Distribuição de água potável ou de processos industriais; • Distribuição de óleos combustíveis ou lubrificantes; • Distribuição de ar comprimido; • Distribuição de gases e/ou líquidos industriais Figura 26 – Utilização de Tubulações A combinação explosiva de uma sociedade de consumo cada vez mais sofisti-cada com a expansão demográfica implicou numa demanda cada vez maior por matérias primas e energia. Tornou-se necessário construir e manter uma infra-estrutura cada vez maior para atender a essas necessidades, inclusive complexas redes de dutos com gran-de diâmetro para o transporte de diversos tipos de fluidos, como água, inclusive potável; efluentes domésticos ou industriais; petróleo e seus derivados; gás natural e G.L.P.; e minérios ou carvão, estes geralmente na forma de uma suspensão aquosa. As proprieda-des requeridas pelos tubos variam muito, dependendo das características específicas da aplicação: diâmetro do tubo, propriedades do fluido a ser transportado (por exemplo, pH e abrasividade), condições de transporte (por exemplo, pressão e temperatura), meio ambiente ao qual o tubo estará exposto, custos de instalação e operação, facilidade de reparo, etc. A figura 27 mostra uma correlação entre tendências e requisitos associados para tubos. A seleção e especificação dos materiais adequados para cada serviço, é um dos problemas mais difíceis que enfrenta o projeto de tubulações.Para a solução do problema da escolha dos materiais, a experiência éindispensável e insubstituível ou seja, material para ser bom já deve ter sidousado por alguém anteriormente.Seguir a experiência é a solução mais segura, embora nem sempre conduza à solução mais econômica. Desta forma pode-se seguir uma rotina básica para seleção de materiais: 1 – Conhecer os materiais disponíveis na prática e suas limitações físicas e de fabricação. 2 – Selecionar o grupo mais adequado para o caso tendo em vista as condições de trabalho, corrosão, nível de tensão etc. 3 – Comparar economicamente os diversos materiais selecionados, levando em conta todos os fatores de custo. A comparação de custos deve ser feita comparando a relação custo/resistênciamecânica ou seja, a comparação deve ser feita entre preços corrigidos que serãoos preços por kg multiplicado pelo peso específico e dividido pela tensãoadmissível de cada material.Na comparação de custos dos materiais devem ainda ser levados em consideração os seguintes pontos: - Resistência à corrosão ( sobreespessura de sacrifício ). - Maior ou menor dificuldade de solda - Maior ou menor facilidade de conformação e de trabalho - Necessidade ou não de alívio de tensões. Os principais fatores que influenciam na seleção de um material para tubos são: fluido conduzido, condições de serviço (pressão e temperatura de operação), nível de tensões do material, natureza dos esforços mecânicos, disponibilidade do material, sistema de ligação, custo do material, segurança, experiência prévia, facilidade de fabricação e de montagem, velocidade de fluído, perdas de carga e de tempo de vida previsto. Figura 27 – Correlação entre as tendências para dutos e os requisitos correspondentes para tubos Em alguns casos, entretanto, podem haver outros fatores determinantes desta relação. Os principais casos em que se justificam o emprego dos aços especiais (tipo inoxidáveis) são quando se deparam em situações de altas ou baixas temperaturas, alta corrosão ou reação com o meio ambiente de trabalho, exigências de não contaminantes e segurança. As figuras 28 à 30 mostram a seleção de aços inox para tubos empregados na industria. Aços inoxidáveis austeníticos apresentam grande ductilidade e tenacidade, além de boa soldabilidade , mas no entanto apresentam elevado custo principalmente devido ao níquel adicionado, e são muito susceptíveis à corrosão sob tensão. Aços inoxidáveis ferríticos apresentam ductilidade e tenacidade menores que as apresentadas pelos austeníticos, além de transição de fratura dúctil-frágil, sendo no entanto imunes à corrosão sob tensão. Além disso, possuem normalmente baixo custo. Figura 28 - Seleção de aço inox para resistir a corrosão na indústria Figura 29 - Seleção de aço inox para resistir a corrosão na indústria (condições medianas) Figura 30 - Seleção de aço inox para resistir a corrosão na indústria (condições severas) Surge então a necessidade de se obter um aço inoxidável que combine as qualidades de aços ferríticos e austeníticos, particularmente grande resistência à corrosão aliada a elevada resistência mecânica e tenacidade. Como resposta à essa necessidade surgem os aços inoxidáveis dúplex que devido ao processamento especial, a microestrtura refinada e texturizada e a composição química apresenta propriedades melhoradas. Sua principal característica é possuir uma microestrutura bifásica típica constituída em média de aproximadamente 40 a 45% de ferrita e 55 a 60% de austenita em diversas configurações cristalinas Figura 31. Os aços inoxidáveis duplex são materiais de alto desempenho tecnológico, utilizados para aplicações especiais nas indústrias de extração de petróleo e gás, química, petroquímica, mineração, nuclear e exploração de águas subterrâneas. Figura 31 – Texturas apresentadas pela microestrtura de austenita (fase clara) e ferrita (fase escura) do aço inox duplex Em termos gerais, os aços inoxidáveis duplex têm as seguintes características: ótima resistência à corrosão geral, por pites e por frestas; alta resistência à corrosão sob tensão e corrosão sob fadiga; alta resistência mecânica (maiores limites de escoamento e de ruptura); boa resistência à abrasão e à erosão devido a sua maior dureza; boa resistência à fadiga; alta absorção de energia; baixa expansão térmica; boa soldabilidade; boa usinabilidade. Estes aços duplex são freqüentemente usados como ligas laminadas, forjadas tratadas termicamente, soldadas e fundidas. A Figura 32 mostra o efeito do processamento na estrutura e a Figura 33 (a) e (b) o seu reflexo na propriedade mecânica dos tubos. Figura 32 - Microestrutura de aço inox duplex variando o processamento Figura 33 (a) - Resistência de tubos de aço inox 33 (b) - Influência da microestrutura no comportamento plástico de aços inoxidáveis duplex As Características ou particularidades principais dos tubos de aço inox duplex que justificam a sua utilização em relação aos outros materiais são : - utiliza menos matéria prima natural na sua fabricação - emprega varias fontes metálicas na sua fundição - trabalha com ferro primário produzido com biomassa - é fabricado com o conceito de “aço limpo e/ou verde” - reutiliza os resíduos de sua produção - pode ser 100% reciclado trabalhando somente com sucata - o custo de fabricação é menor - as propriedades mecânicas são superiores as dos outros aços - melhor resistência a corrosão - permite menor freqüência de manutenção e trocas - não reage com o conteúdo transportado - possui grande capacidade de assepsia - fácil de ser limpo O aço inoxidável é utilizado para fabricação de tubos empregados na construção de redes de tubulações enterradas, submersas ou montadas na superfície para condução de água, gás, produtos químicos, bebidas, petróleo, óleos e minérios, em temperatura alta, ambiente ou fria A utilização vantajosa dos aços inoxidáveis em tubos pode ser visto nas Figura 34. e na Figura 35 mostra a taxa de corrosão comparativa de alguns materiais de tubos. Figura 34 Figura 35 – Taxa anual de corrosão CLASSIFICAÇÃO DE AÇOS INOX DUPLEX Os diferentes tipos de aços inoxidáveis duplex são usualmente separados em dois grupos (Figura: 36 a e b ) : - Trabalhados ou de baixo carbono - Fundidos ou de alto carbono Figura 36 a e b - Aços inox da série duplex de baixo carbono e alto carbono Com relação à composição química geral são classificados em três grupos: a) Aços inoxidáveis duplex de baixa liga: devido ao menor teor de elementos de liga são materiais econômicos, não possuem molibdênio na composição química e podem substituir aços inoxidáveis austeníticos como TP304L/316L. Uma qualidade utilizada é o UNS S32304 (SAF 2304). b) Aços inoxidáveis duplex de média liga: nesta família enquadram-se os duplex mais utilizados. A qualidade típica é o UNS S31803 (SAF 2205). Apresentam resistência à corrosão intermediária entre os austeníticos comuns TP304L/316L e aços inoxidáveis superausteniticos com 5 e 6% de molibdênio. c) Aços inoxidáveis duplex de alta liga: comumente designados por superduplex. O UNS S32750 (SAF 2507) apresenta elevada resistência à corrosão comparável aos superausteníticos que possui entre 5 e 6% de molibdênio As figuras 37 a 40 mostram as classes de aços inox duplex levando em consideração a composição química básica. Figura 37 – Classificação de tubos de aço inox pela composição química Figura 38 – Evolução da microestrutura de acordo com o teor de Ni (níquel) Figura 39 - % de Ferrita em função do Cr equiv. e Ni equiv. Figura 40 – Classificação dos aços inox duplex de acordo com a composição química Outra classificação leva em conta a resistência à corrosão avaliada pelo Pitting Resistance Equivalent (Figura 41 e 42): PRE = Cr% + 3.3Mo% + 16N% PRE = Cr + 3.3 Mo + 0.5 W + 16 N - Lean duplex (sem adição de Mo) PREN : 22-27 Tipos : 2001/ 2101 / 2202 / 32304. (pode-se ter a adição de Cu). - ‘Low Mo” (abaixo de 3% tipico 1.5%) PREN 30-34 Tipos 2003 / 2404. - “Standard” ou Duplex 2205 PREN 33-36 - “Classical” Super-Duplex PREN >40-42 (25Cr / Cu / W) com adições de Mo e N - Hyperduplex PREN 46 - 56 Figura 41 – Classificação pelo PRE Figura 42 – Correlação da Resistência com CPT (Critical Pitting Temperature) PERFIL DE PROPRIEDADES E APLICAÇÕES DOS AÇOS INOXIDÁVEIS DUPLEX : A maior vantagem dos aços inoxidáveis duplex ferrítico-austeníticos é a combinação favorável de propriedades, que resulta da composição microestrutural da ferrita e da austenita. As figuras 43 (a e b), 44 (a,b,c) e 45 fazem uma comparação entre os aços inox. Figura 43 (a) – Comparação da resistência mecânica Figura 43 (b) Figura 44 (a) – Propriedades dos aços inox duplex em relação aos outros aços inoxidáveis Figura 44 (b) Figura 44 (c) Figura 45 – Vantagens e desvantagens dos aços inox PROPRIEDADES FÍSICAS As Figuras 46 (a, b, c), mostram as propriedades físicas do aço inox duplex em comparação com outros aços. (a) (b) (c) Figura 46 (a, b, c) Propriedades físicas do aço inox duplex PROPRIEDADES MECÂNICAS A Figura 47 (a e b) e 48 mostram os valores de resistência e alongamento e a figura 49 mostra os valores de resistência ao impacto. A figura 50 limite de resistência com a % de ferrita e austenita. A Figura 51 (a, b, c, d, e) o limite de resistência com a temperatura de operação da tubulação. Figura 47 (a) – Resistência mecânica de componentes hidráulicos em aços inox Figura 47 (b) Figura 48 – Limites de resistência de aço inox duplex Figura 49 – Resistência ao impacto de aço inox duplex Figura 50 – Limite de escoamento para aços com diferentes % de ferrita e austenita Figura 51 (a) - Propriedades em temperatura elevada Figura 51 (b) Figura 51 (c) Figura 51 (d) Figura 51 (e) CORROSÃO : O excelente comportamento à corrosão dos aços inoxidáveis duplex é principalmente baseado no alto teor de cromo, que provoca uma alta fragilidade nos aços inox ferríticos, e alto custo nos aços inoxidáveis austeníticos, por causa da compensação com níquel. Elementos de liga adicionais são vantajosos, de modo que no trabalho de Von Lorenz e Medawar foi definido um equivalente de resistência à corrosão por pites : (Figura 52 à 56) PRE = %Cr + 3,3%Mo + 16%N Apesar do comportamento à corrosão geralmente bom, tem sido verificado que, especialmente, os aços duplex reagem de maneira catastrófica as mudanças termicamente induzidas na microestrutura. A figura 57 (a e b) mostra a relação de resistência a corrosão sob tensão a determinada temperatura. Figura 52 a e b – comparação do limite de escoamento e da resistência à corosão por pites de aços duplex com aços austeníticos e ferrítico Figura 53 – Composição e resistência a corrosão por pites (a) Figura 54 (a)- Correlação entre temperatura critica e resistência a formação de pitting em algumas ligas (b) Figura 54 (b)- Correlação entre temperatura critica e resistência a formação de pitting em algumas ligas Figura 54 (c) - Correlação entre temperatura critica e resistência a formação de pitting em alguns aços inox Figura 55 – Resistência a formação de pites em tubos centrifugados de aço inox em água salgada Figura 56 – Resistência a formação de pites em componentes fundidos (conexões, curvas e tês) de aço inox em água salgada Figura 57 (a) – Resistência à corrosão sob tensão Figura 57 (b) - Resistência à corrosão sob tensão A Figura 58 mostra a influência do teor de cromo na resistência a corrosão, a Figura 59 mostra o efeito do conteúdo de cloretos no meio corrosivo e a Figura 60 a aplicação de determinados aços inox em meio contendo cloro e fluor. Figura 58 – Efeito da composição na resistência a corrosão em meio contendo cloro Figura 59 – Efeito do teor de cloro do meio corrosivo Figura 60- Aplicação de aços inox e meio contendo cloro FALHA EM AÇO INOX DUPLEX Falhar significa deixar de fazer ou cumprir uma função original. Em termos técnicos, falha é um termo geral utilizado para indicar que um componente ou peça em serviço (1) se tronou completamente inoperante, (2) continua operante mas se tornou incapaz de desempenhar satisfatoriamente a sua função, ou (3) está seriamente comprometido a ponto de se tornar inseguro para uso contínuo. A falha pode originar fundamentalmente de aspectos relacionados ao projeto, material, fabricação e condições gerais da montagem e do uso do componente. É quase sempre um evento indesejável. Vidas humnas podem ser colocadas em risco, ocorrem perdas econômicas, danos ao meio ambiente e interferência na disponibilidade de produtos e serviços. Em aços duplex é provocada pelo surgimento de fases deletérias, como mostra a Figura 61. Figura 61 (a) - Principais fases secundárias dos aços inoxidáveis duplex que provocam fragilidade e reduzem a resistência do material Figura 61 (b) – Fases deletérias que causam fragilidade em aços inox A figura 62 mostra o diagrama de fases típico das classes de aços inox duplex. Quando se tem a presença de Mo, Cr e W, os mesmos facilitam a transformação da ferrita (em temperaturas mais altas) em um intermetálico (sigma e/ou chi), nitretos carbonetos, carbonitretos ou em temperaturas mais baixas em alpha prima (decomposição spinoidal). Quando também se tem cobre ocorre a precipitação da fase épsilon-Cu na faixa de 300/600°C. Todas as fases causando fragilidade, falha catastrófica (fratura) no material. Figura 62 - tipo de aço inox duplex x temperatura e tempo para formação de fases deletérias Geralmente, a fragilidade condicionada dentro da faixa de temperatura de 300 a 1000°C (Figura 63, 64 e 65) é a causa mais freqüente de danos aos componentes, que levam a falhas significativas. Aços inoxidáveis duplex não são adequados para uso prolongado nessa faixa de temperatura. Dependendo da composição do aço, a fragilidade poderia ser também observada em temperaturas mesmo abaixo de 300°C. Na maioria dos casos de danos, a causa da fragilidade detectada não está relacionada com a influência da temperatura que é provocada pela operação, mas sim com a influência da temperatura provocada pelos processos de produção. Figura 63 – diagrama TTT mostrando as áreas de fragilidade Figura 64 – Fases precipitadas dentro da curva TTT transformação - tempo – temperatura que provocam a fragilidade de tubos centrifugados Figura 65 (a) – Fases deletérias precipitadas dentro da curva TTP transformação - tempo – precipitação que provocam a fragilidade de tubos centrifugados Figura 65 (b) – Fases deletérias no aço inox Na Figura 66 (a) e (b) pode-se ver a comparação de falhas em tubos de materiais diferentes (a) Materiais dos Tubos (b) Tipo de Falha Figura 66 (a) e (b) Falha (por ano) de tubos em tubulações de 100 Km de extensão O desempenho do aço inox duplex esta entre o PVC e tubos centrifugados de concreto (CCP – Centrifugal Concrete Pipe) A Figura 67 mostra os tipos de falhas que normalmente ocorrem em tubos da industria de petróleo e gás. Figura 67 – Causa de falhas em tubos CUSTOS Como os aços inox duplex apresentam uma resistência superior permite a redução do material empregado na execução de um projeto, como visto na Figuras 68 e 69 levando a uma boa economia. O custo do aço inox varia com a composição (Figura 70). Baseado na avaliação de valor (desempenho / custo) o aço inox é mais barato que outros aços, devido a longevidade, como indica a Figura 71. Figura 68 - Relação de redução na construção de estruturas em inox Figura 69 - Substituição do aço inox austenítico pelo duplex Figura 70 Figura 71 - Custo de produtos tubulares de inox ao longo do tempo O custo total dos componentes metálicos é relativamente baixo. Na Figura 72 são apresentados índices de custos dos componentes metálicos em função da resistência à corrosão. Figura 72 – Relação custo x desempenho de tubos Produção do Aço Os aços inox duplex podem ser feitos na rota de produção chamada duplex ou triplex , a rota duplex consiste de um forno elétrico a arco e de um convertedor tipo, AOD Argon Oxygem Degasing , ou um desgaseificador tipo VOD. A vantagem do processo FEA - VOD consiste em baixo consumo de argônio, baixo consumo de ferro ligas, desoxidantes e fluxos e a possibilidade de se obter teores ultra -baixos de carbono e nitrogênio. As vantagens da rota de processo FEAAOD são o tempo de tratamento muito curto e os baixos custos de produção quando comparados com o processo FEA - VOD. Outro sistema de produção de aços inox é o processo baseado na fusão de ferro - ligas e sucata em fornos elétricos, remoção de carbono na “faixa alta” em um convertedor e remoção de carbono para teores baixos e ultrabaixos em um desgaseificador, é chamado processo triplex. A idéia geral do processo triplex é combinar o melhor de ambos os processos reduzindo simultaneamente as desvantagens, como altos consumos de argônio e refratários no processo FEA - AOD e os tempos de tratamento muito longos obtidos no processo FEA - VOD. (Figura 73 e 74) Figura 73 – Processo Duplex e Triplex de fabricação de aço inox líquido Figura 74 - Fluxo de Produção de Chapas de Aço Inox Conformação dos Tubos Os tubos de aço podem ser fabricados, em geral, por dois processos: com ou sem costura. O termo com costura significa a obtenção do produto tubular a partir da aplicação de um processo de soldagem para a união de duas bordas. Existem duas disposições da costura soldada: longitudinal e espiral. Os processos de laminação e soldagem ou conformação e soldagem são os de maior importância. O método de produção é definido pela relação diâmetro X espessura de chapa como mostra a Figura 75, 76 e 77 Figura 75 – Relação diâmetro X espessura da chapa x processo de fabricação (a) Figura 76 – Relação dimensões e processo de fabricação (b) Figura 77 – Relação diâmetro e processo de fabricação (c) As Figuras 78 até 86 mostram os principais processo de produção de tubos soldados de aço inox “lean duplex”. Longitudinal Submerged arc Welded (LSAW) Pipe (Conformação U, O, E) Figura 78 - Processo de fabricação LSAW Longitudinal Electric Resistance Welded (ERW) Pipe (Linha de Laminação) Figura 79 - Processo de produção ERW DSAW (Double Submerged Arc Welded) (Solda em Espiral) Figura 80 - Processo de fabricação DSAW Fabricação de Tubos de Grande Diâmetro (OFF Line) Figura 81 – Fabricação de Tubo por Montagem – Soldagem TIG Figura 82 – Processo de Conformação por Calandragem TRB Figura 83 – Processo COE Figura 84 – Processo HFW - High-Frequency Electric Welded Pipes Figura 85 – Processo SAWH Figura 86 – Processo JCOE CONCLUSÃO As características ou particularidades principais dos tubos de aço inox duplex que justificam a sua utilização em relação aos outros materiais são : utiliza menos matéria prima natural na sua fabricação, emprega varias fontes metálicas na sua fundição, trabalha com ferro primário produzido com biomassa, é fabricado com o conceito de “aço limpo e/ou verde”, reutiliza os resíduos de sua produção, pode ser 100% reciclado trabalhando somente com sucata, o custo de fabricação é menor, as propriedades mecânicas são superiores as dos outros aços, melhor resistência a corrosão, permite menor freqüência de manutenção e trocas, não reage com o conteúdo transportado, possui grande capacidade de assepsia, fácil de ser limpo. Deste modo para se estudar as vantagens competitivas deste aço inox na forma de tubos agrupou-se as particularidades anteriores em três itens : material produzido de forma ecologicamente correta e sustentável “produto verde”, apresenta características mecânicas e tecnológica melhores, possibilitando maior durabilidade e segurança, possui uma relação custo/beneficio vantajosa. Embora as vantagens econômicas da aplicação de tubos inoxidáveis com costura sejam evidentes, principalmente pelos menores preços e pela maior oferta de produto no mercado, muitas dúvidas técnicas surgiram no passado, principalmente pela presença da solda longitudinal. A presença da solda longitudinal, por décadas, foi motivo de objeção técnica para a aplicação de tubos com costura em aços. Os avanços tecnológicos observados, tanto nos processos de soldagem como nos ensaios desenvolvidos, tornaram o consumo mundial dos tubos com costura em aços inoxidáveis bem superior ao consumo dos tubos sem costura. A presença do cordão longitudinal nos tubos com costura não apresentaram nenhuma desvantagem sobre os tubos com costura. Dentre as vantagens apresentadas pelos tubos com costura, destacam-se: menores preços, maior disponibilidade de produto no mercado, menor tempo de manufatura do produto, maior variedade de diâmetros e espessuras disponíveis, tolerâncias dimensionais mais estreitas, obtenção de tubos com diâmetros elevados, melhor condição superficial, portanto maior facilidade em se obter assepsia. O transporte de fluidos é através de um duto é geralmente o meio mais econômico e conveniente de transporte de líquidos, especialmente em grandes quantidades ou em maiores freqüências Apesar das várias vantagens dos dutos em comparação a outros meios de transporte, eles só são viáveis se houver escala. "Tudo depende da distância e dos volumes transportados". O transporte dutoviário vem se revelando como uma das formas econômicas de transporte para grandes volumes quando comparados com os modais ferroviário e rodoviário. Algumas características são atribuídas ao transporte dutoviário como, agilidade, segurança, baixa flexibilidade e capacidade de fluxo. O transporte tubular é o tipo de transporte mais seguro e eficiente no que se refere à transportação de petróleo bruto e gás natural, desde os campos de produção até às refinarias e fábricas de transformação. É também o mais indicado para fazer chegar os derivados do petróleo e gás natural até aos consumidores Em termos estruturais os tubos possuem características bastantes atraentes devido à sua geometria, que confere, especialmente para os tubos de seção reta ou circular, grande rigidez com baixo peso e volumes relativos. No desenvolvimento de materiais para tubos, além da resistência, é necessário atenção com a tenacidade, soldabilidade, resistência a trincas por hidrogênio, resistência à fadiga das juntas soldadas e resistência a corrosão, pois os dutos são expostos a ambientes hostis. BIBLIOGRAFIA BAPTÍSTA, A. L. B. – Aços Inoxidáveis – Spectru Ltda, 2000 BAPTÍSTA, A. L. B.; NASCIMENTO, A. M.; ROLIM, E.; NASCIMENTO, I. A.; BAPTISTA, L. A. C.; DAER, S. B. R.; Tubos e Conexões de Aço Duplex na Industria de ÓLeo e Gás - Tubo e Cia - Ano VI - n° 34 Out./Nov. - 2010 - págs.: 48 à 55. BAPTÍSTA, A. L. B. - O desenvolvimento de produto fundido como fator estratégico para a criação de vantagem competitiva na indústria de petróleo e gás: estudo de caso dos tubos centrifugados de aço inoxidável duplex. Projeto de Pesquisa de Conclusão de Curso de Graduação em Administração com Especialização em Gestão de Ciência e Tecnologia/Pesquisa e Desenvolvimento. Volta Redonda, 2011. BAPTÍSTA, A. L. B. e GONÇALVES, I. 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