ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS NA SOLDAGEM DE TUBULAÇÃO DE AÇO P91 PELOS PROCESSOS MCAW/FCAW

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1 ESTUDO DAS TENSÕES RESIDUAIS GERADAS NA SOLDAGEM DE TUBULAÇÃO DE AÇO P91 PELOS PROCESSOS MCAW/FCAW Tatiane C.Chuvas 1,2 ; Juan M. Pardal 1 ; Pedro P. Garcia 1,3 ; Guttemberg C. de Souza 1,3 ; Ismael Cardote 3 ; Maria P. Cindra Fonseca 1 1 Departamento de Engenharia Mecânica/PGMEC Escola de Engenharia, UFF Universidade Federal Fluminense, Rua Passo da Pátria, 156, São Domingos, Niterói, RJ, Brasil. chuvas@vm.uff.br 2 Departamento de Engenharia Mecânica - CEFET/RJ Av. Maracanã, 229, Maracanã, Rio de Janeiro RJ 3 UTC Engenharia S/A, Niterói, Rio de Janeiro, Brasil RESUMO Sendo a soldagem um dos principais processos industriais de fabricação de estruturas e tubulações, o conhecimento das tensões residuais provenientes desse processo é de suma importância, pois as propriedades mecânicas dos componentes soldados não são apenas determinadas pelas microestruturas presentes na junta, mas também pelas tensões residuais introduzidas pelo ciclo térmico heterogêneo durante o processo. O objetivo do presente trabalho é a caracterização de juntas de aços de alto cromo (ASTM P91), soldadas pelos processos MCAW/FCAW (Metal Cored Arc Welding & Flux Cored Arc Welding), através da avaliação das tensões residuais associadas à soldagem e aos tratamentos térmicos pós-soldagem. As tensões residuais foram analisadas por difração de raios-x, pelo método do sen2psi e se apresentaram trativas na raiz das juntas, com maiores magnitudes na região do metal de solda, e compressivas na superfície. O tratamento térmico pós-soldagem provocou alivio das tensões residuais na raiz das juntas. Entretanto, o mesmo efeito foi observado nas tensões compressivas superficiais, o que poderia prejudicar a vida em serviço da tubulação, diminuindo a resistência à fadiga e à corrosão sob tensão da mesma. Palavras-chave: Tensões residuais; Difração de raios-x; Aço ASTM P91; Soldagem MCAW/FCAW 5328

2 INTRODUÇÃO Dentre os novos materiais para aplicações em usinas de energia, o aço ASTM Grau 91 (X1CrMoVNb9-1) tem sido amplamente adotado em virtude de suas excelentes propriedades mecânicas em temperaturas elevadas, aliadas à boa trabalhabilidade e soldabilidade (Vaillant et al., 8; Narasimhachary & Saxena, 213). Sendo a soldagem um dos principais processos industriais de fabricação de estruturas e tubulações, o conhecimento das tensões residuais provenientes desse processo é de suma importância, pois as propriedades mecânicas dos componentes soldados não são apenas determinadas pelas microestruturas presentes na junta, mas também pelas tensões residuais (TR) introduzidas pelo ciclo térmico heterogêneo durante o processo de fabricação e em serviço. Neste âmbito, a construção de linhas de tubulações soldadas de elevadas integridade e resistência são necessárias para o funcionamento seguro das centrais energéticas, o que pode ser comprometido pela presença de tensões residuais, que podem atingir valores muito próximos ao limite de escoamento do material em determinados locais e tornar a vida em serviço insegura (Yaghi et al., 213). Muitas pesquisas, que visam contribuir para a melhor compreensão do surgimento das falhas em tubulações de aço P91, são realizadas do ponto de vista microestrutural. Em particular, Paddea et al. (212), observando que poucos estudos investigaram a influência da magnitude das tensões residuais nas falhas conhecidas como Tipo IV (na região da ZTA de grãos finos), relatou que os maiores valores de tensões residuais em tração estão localizadas nos limites da ZTA, coincidentemente na região microestrutural propensa às fraturas do Tipo IV em juntas soldadas de P91, tanto na condição pós soldagem quanto após tratamento térmico. Dentre os processos de soldagem utilizados na confecção de linhas de tubulações para altas temperaturas, os processos Metal Cored Arc Welding (MCAW) e Flux Cored Arc Welding (FCAW) ainda não são amplamente explorados, não obstante a alta produtividade que apresentam (Arivazhagan et al., 8). Alguns autores relatam que essas juntas estão associadas a menores valores de tenacidade na zona fundida em comparação aos processos convencionais, o que pode significar um ponto fraco do processo. Entretanto, estes trabalhos não incluem dados sobre a natureza e a magnitude das tensões residuais geradas pelos processos 5329

3 MCAW/FCAW e qual o impacto do tratamento térmico pós soldagem (TTPS) nas mesmas e, consequentemente, nas propriedades da junta. A compreensão da distribuição, natureza e magnitude das tensões residuais pode ser obtida a partir de medições experimentais, que no âmbito de uma abordagem conjunta de diferentes técnicas de caracterização e análises das propriedades, possibilita o sucesso do projeto e da operação de uma instalação industrial, por exemplo. Assim, esse trabalho tem por objetivo avaliar a influência do TTPS nas tensões residuais provenientes do processo de soldagem MCAW/FCAW no aço P91. MATERIAIS E MÉTODOS No presente trabalho foi utilizado um tubo de classificação ASTM A335 Grau P91 com diâmetro externo de 152mm e espessura de parede de 18mm, fabricado sem costura e na condição de normalizado e revenido. A composição química e as propriedades mecânicas do metal de base e estão mostradas nas Tab. 1 e 2. Tabela 1 - Composição química do aço P91 (em % de peso). C Si Mn P S Cu Cr Ni,18,33,53,13,2,19 8,56,3 Mo V N Al Nb As Sn Ti,87,221,53,12,67,6,15,3 Tabela Propriedades mecânicas do material (temperatura ambiente). σ LE (MPa) σ LR (MPa) Alongamento (%) ASTM 335 > 415 > 585 > 19 Laboratório As amostras foram soldadas pelos processos de arame tubular com núcleo fluxado (Flux Cored) e arame tubular com núcleo metálico (Metal Cored), que vêm sendo cada vez mais aplicados em juntas tubulares, em campo ou fábrica, devido à alta produtividade e boa qualidade superficial das juntas. 533

4 Para o passe de raiz foi usado o eletrodo metálico, em forma de arame, pertence à especificação SFA 5.28, classificação E9C-B9 com diâmetro de 1,2mm. Para o eletrodo de enchimento foi utilizado o eletrodo fluxado E91T1-B9. O gás de proteção utilizado na soldagem foi uma mistura de 98% Argônio e 2% de CO 2 com vazão de 12L/min e como gás de purga utilizou-se gás argônio comercial (99,99% de pureza) com vazão de 16L/min (apenas no passe de raiz). A temperatura de interpasse foi de, aproximadamente, 255 C e o aquecimento realizado por meio de resistência elétrica, protegida por manta isolante. O dimensionamento final da amostra e o croqui com a sequência de passes estão representando na Fig. 1. Figura 1 Detalhamento da junta soldada em mm; sequência de passes. As tensões residuais superficiais foram medidas na direção transversal ao cordão de solda das amostras, na superfície e na raiz através da técnica da tensometria por difração de raios-x, pelo método sen 2, utilizando radiação Cr ( Crk = 2,2992 Å), usando um analisador de tensões da marca XStress3, adquirido através da Rede de Materiais TMEC/Petrobras. Uma das grandes dificuldades das análises de integridade em tubulações é a avaliação da raiz das juntas soldadas, tendo em vistas que as mesmas ficam inacessíveis. Assim, este trabalho propôs a análise das TR na raiz das juntas soldadas e para isso foi necessário o corte da amostra em meia-cana, possibilitando o acesso à parte interna do tubo. As meias cana foram denominadas amostras 1A e 1B. 5331

5 Primeiramente foram medidas as tensões residuais provenientes do processo de soldagem/corte (Fig. 2). Logo após essa análise, uma das amostras foi tratada termicamente e novamente as tensões residuais foram medidas. Figura 2 Esquema de medição das tensões residuais superfície; raiz. Após a soldagem das amostras foi realizado após aquecimento a 3 C por 19 min. Em seguida, após resfriar até temperatura ambiente, o tubo foi submetido a um tratamento térmico em forno elétrico, onde foi aquecido a uma taxa máxima de 125 C/h até a temperatura de patamar correspondente a 76 C ±5 C, a qual foi mantida por 2 h. O resfriamento até 25 C foi controlado a uma taxa máxima de 125 C/h. RESULTADOS E DISCUSSÕES Inicialmente as tensões residuais superficiais foram medidas nas amostras, em dois pontos distintos, na direção transversal ao cordão, a fim de caracterizar o estado de tensões superficiais após a soldagem. Sendo o processo de soldagem muito heterogêneo, cada amostras apresenta um perfil próprio de tensões residuais. Entretanto, é possível verificar a relação entre a natureza e a magnitude dessas tensões e uma determinada localização da junta. Na Fig. 3 fica evidente que as tensões residuais após soldagem na superfície das juntas são de natureza compressiva, o que a princípio caracterizaria uma junta apropriada no âmbito das tensões residuais. Contudo, como são poucas as técnicas não destrutivas de análise das tensões residuais no interior de tubos, a raiz das juntas comumente não são verificadas, mesmo sendo uma região com grande incidência de trincas e falhas. A 5332

6 Tensão Residual (MPa) Tensaõ Residual (MPa) Tensaõ Residual (MPa) Tensaõ Residual (MPa) Fig. 4 mostra que as duas juntas apresentam tensões residuais trativas e de elevada magnitude na raiz da junta em ambos os pontos analisados, que pode influenciar diretamente na nucleação e propagação de trincas em serviço. Junta 1A - Superficial Junta 1B - Superfície Ponto 1 Ponto 2 Ponto 1 Ponto Figura 3 Tensões residuais após soldagem na superfície: a) Junta 1A, b) Junta 1B. Junta 1A - Raiz Junta 1B - Raiz Ponto 1 Ponto Ponto 1 Ponto 2 Figura 4 Tensões residuais após soldagem na raiz: a) Junta 1A, b) Junta 1B. Heinze et al., 211 descreveu que durante a soldagem, as tensões residuais podem ser desenvolvidas devido ao aquecimento e resfriamento não uniforme em uma pequena área, acompanhado dos gradientes térmicos que surgem entre a superfície e o núcleo da junta. Além disso, as transformações de fase que ocorrem no metal de solda e zona termicamente afetada podem contribuir para a evolução da tensão residual. Com relação ao tratamento térmico pós soldagem (TTPS), as juntas foram aquecidas a uma taxa máxima de 125 C/h até a temperatura de patamar 5333

7 Tensão Residual (MPa) Tensão Residual (MPa) correspondente a 76 C +/- 5 C, a qual foi mantida por 2 horas. Após o resfriamento controlado a uma taxa máxima de 125 C/h as tensões foram analisadas nas juntas, no ponto 1 de cada junta. A Fig. 5 mostra que após o tratamento térmico a tensões foram aliviadas e as amostras praticamente estariam isentas de TR na raiz das juntas. Entretanto, o mesmo ocorreu na superfície das juntas que estavam com campos de TR de compressão. Segundo a literatura este estado compressivo é benéfico, principalmente, para materiais submetidos que trabalham em fadiga, como é o caso da tubulação de aço P91 onde a fadiga térmica é uma das principais causas de falhas nos componentes. Assim, o TTPS atingiu o objetivo de aliviar as TR trativas na raiz das juntas provenientes do processo de soldagem. Contudo, alivio também as tensões compressivas na superfície das juntas, que seriam benéficas as mesmas em trabalho. Superfície - TTPS Raíz - TTPS 1A 2A 1A 1B Figura 5 Tensões Residuais transversais após TTPS Superfície e Raíz. A análise microestrutural do aço estudado mostrou que o material de base (MB) é constituído por martensita revenida + carbonetos (pontos pretos) (Fig. 6). A Fig. 7a mostra a microestrutura do metal de solda da junta após soldagem onde se observa ripas de martensita. Entretanto, após o tratamento térmico novamente podemos observar uma microestrutura de martensita revenida, como mostra a Fig. 7b. 5334

8 Figura 6 Metal de base. Figura 7 Metal de solda pós soldagem; Metal de solda após TTPS. CONCLUSÕES O presente trabalho permite as seguintes conclusões: 1. O processo de soldagem originou tensões residuais de natureza compressiva no topo das juntas, apresentando valores médios de -3MPa. Entretanto, na raiz das mesmas essas tensões se apresentaram trativas com valores de até MPa, o que seria deletério para a vida em serviço do componente. 2. O tratamento térmico pós soldagem (TTPS) resultou em um significativo alívio das tensões residuais, resultando em amostras praticamente isentas de tensões residuais superficiais, tanto na raiz quanto no topo. 5335

9 3. A análise microestrutural mostrou que após a soldagem a metal de solda apresenta uma microestrutura de ripas de martensita, possivelmente muito duras. Contudo, após o TTPS essas ripas foram transformadas em martensita revenida, com características muito próximas ao metal de base. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq, à CAPES e à FAPERJ pelo suporte financeiro, que permitiu a realização do presente trabalho. REFRERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ARIVAZHAGAN, B., SUNDARESAN, S., KAMARAJ, M. Effect of TIG arc surface melting process on weld metal toughness of modified 9Cr-1Mo (P91) steel. Materials Letters, v. 62, p , HEINZE, C., SCHWENK, C., RETHMEIER M. Numerical calculation of residual stress development of multi-pass gas metal arc welding. Journal of Constructional Steel Research, doi:1.116/j.jcsr , NARASIMHACHARY, S.B., SAXENA, A. Crack growth behavior of 9Cr-1Mo (P91) steel under creep-fatigue conditions. International Journal of Fatigue (impresso), PADDEA, S., FRANCIS, J.A., PARADOWSKA, A.M., BOUCHARD, P.J., SHIBLI, I.A. Residual stress distributions in a P91 steel-pipe girth weld before and after post weld heat treatment. Materials Science and Engineering A, v. 534, p , VAILLANT, J.C., VANDENBERGHE, B., HAHN, B., HEUSERD, H., JOCHUM C. T/P23, 24, 911 and 92: new grades for advanced coal-fired power plants - properties and experience. International Journal of Pressure Vessels and Piping, v. 85, p , YAGHI,A.H. HYDE, T.H. BECKER, A.A. SUN, W. Finite element simulation of residual stresses induced by the dissimilar welding of a P92 steel pipe with weld metal IN625. International Journal of Pressure Vessels and Piping (in press), p. 1-14,

10 STUDY OF RESIDUAL STRESSES GENERATED IN P91 PIPE STEEL WELDED BY MCAW / FCAW PROCESSES ABSTRACT The welding is one of the main industrial manufacturing processes structures and piping, knowledge of residual stress from this process is of paramount importance because the mechanical properties of welded components are not only determined by the microstructures present in the joint, but also by residual stresses heterogeneous introduced by thermal cycling during the process. The aim of this work is the characterization ASTM P91 joints welded by MCAW / FCAW (Metal Cored Arc Welding Flux Cored Arc Welding &) processes through the residual stresses evaluating associated with welding and post-weld heat treatments. Residual stresses were measured using X-rays diffraction sin2psi method, with Crκα radiation and they presented tensile at the root joints with larger magnitudes in the weld metal region and compressive on the surface. The post weld heat treatment resulted relief of residual stresses at the root of the joints. However, the same effect was observed in compressive surface stresses, which could adversely affect the service life of the pipe, reducing the fatigue and stress corrosion cracking resistances. Key-words: Residual stress, X-rays diffraction, ASTM P91 steel, MCAW/FCAW 5337