RESISTÊNCIA AO JATEAMENTO ABRASIVO DE REVESTIMENTO METÁLICO OBTIDO POR ASPERSÃO TÉRMICA PARA TUBOS DE CALDEIRAS DE CENTRAIS TERMELÉTRICAS

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1 RESISTÊNCIA AO JATEAMENTO ABRASIVO DE REVESTIMENTO METÁLICO OBTIDO POR ASPERSÃO TÉRMICA PARA TUBOS DE CALDEIRAS DE CENTRAIS TERMELÉTRICAS Márcio M. Cossenza (*) Universidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ Rua Fonseca Telles 121, Rio de Janeiro, Brasil. CEP: (*) Marilia G. Diniz Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica Universidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ Bruno R. Cardoso Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CEPEL Heloísa C. Furtado Centro de Pesquisas de Energia Elétrica CEPEL André R. Pimenta Instituto Federal do Rio de Janeiro Unidade Paracambi RESUMO Entre outros combustíveis aplicáveis, as centrais termelétricas brasileiras utilizam também o carvão mineral, que é empregado por meio de combustão pulverizada com granulometria controlada. O carvão aplicado, entretanto, gera resíduos de partículas ricas em óxidos com elevada dureza, que impactam nos tubos das caldeiras. Surge como solução viável para proteção das superfícies, o uso de revestimento metálico que possua elevada resistência ao desgaste abrasivo, com boa adesão, baixa porosidade, e boa resistência à corrosão. Este trabalho avaliou a resistência ao desgaste abrasivo de um revestimento metálico obtido por processo de aspersão térmica a arco elétrico. Os ensaios por jateamento sobre os revestimentos utilizaram partículas abrasivas de alumina com 50 µm, projetadas com ângulos de 90, 60, 45 e 30, que resultaram em taxas de erosão de 0,027, 0,021, 0,018 e 0,017 miligramas de revestimento erodido por grama de abrasivo, e partículas abrasivas de alumina com 125 µm, projetadas com ângulos de 90 e 45, 4553

2 que resultaram em taxas de erosão de 0,022 e 0,014 mg/g. Os resultados estão associados à morfologia e à rugosidade superficial do revestimento avaliado. Palavras-chave: caldeiras, revestimentos, desgaste erosivo INTRODUÇÃO Embora a energia hidráulica seja predominante no setor elétrico brasileiro, cerca 28% da capacidade instalada no país são produzidos por usinas termoelétricas, onde 9% são gerados pelo carvão mineral. As usinas que empregam o carvão utilizam a tecnologia de combustão pulverizada. O carvão é processado até uma granulometria adequada, para ser injetado nas caldeiras aquatubulares por meio de queimadores. O calor liberado na queima é transferido para a água que circula nos tubos, e gera o vapor que movimenta as turbinas (1). Entretanto, a baixa qualidade dos carvões brasileiros é responsável pelo alto teor de resíduos inorgânicos ricos em sílica e alumina (2). O intenso fluxo de gases quentes projeta essas cinzas em diversas direções, e faz com que as tubulações dos equipamentos sofram abrasão intensa. O processo de ataque às superfícies metálicas reduz a espessura dos tubos e aumenta a ocorrência de perfurações. Para minimizar os processos combinados de corrosão e erosão, uma solução comum é a aplicação de revestimentos nas regiões afetadas, que possam apresentar alta resistência ao desgaste contra o impacto de partículas duras, baixa porosidade, elevada resistência à corrosão, e boa adesão ao substrato, com espessuras que não aumentem em demasia a massa construtiva do material. Na deposição do revestimento, o processo de aspersão térmica por arco elétrico é indicado por apresentar boa qualidade do produto final, e permitir a portabilidade do equipamento de aplicação em locais de difícil acesso. O método produz revestimentos com alta dureza em baixas espessuras (3). Hutchings e Shipway (1992) entendem que a dureza da superfície revestida deve ser 20% maior que a dureza das partículas erosivas (4). Entretanto, Divakar, Agarwal e Singh (2005) consideram que um aumento deliberado da dureza em detrimento da tenacidade pode causar fraturas frágeis no impacto das partículas (5). Os revestimentos aplicados por aspersão a arco podem ser ligas metálicas com alto percentual de níquel e cromo, com boa resistência à oxidação em altas temperaturas, e dureza maior do que aquela das cinzas erosivas (~800HV), resultando em maior resistência ao desgaste abrasivo (6). Martins e Kejelin (2012) estudaram três ligas metálicas 4554

3 aspergidas à base de cromo e níquel, na busca por materiais resistentes ao desgaste abrasivo. Foram avaliadas a microdureza e a porosidade dos revestimentos, e suas resistências contra o desgaste erosivo por partículas projetadas perpendicularmente às superfícies das amostras. O material de nome comercial SM-8297 (1044 HV), com porosidade de 11,5%, apresentou alta taxa de erosão, equivalente a 0,074 mg de material erodido por grama de abrasivo jateado. O material AISI-420 (508 HV), com porosidade de 2,1%, apresentou taxa de erosão equivalente a 0,022 mg/grama. O Inconel-625 (339 HV) com porosidade de 3,5%, apresentou taxa de erosão de 0,033 mg/grama. Os resultados mostraram que o revestimento com maior dureza e maior porosidade apresentou menor resistência ao desgaste erosivo, indicando que a maior dureza não deveria ser um guia único para a seleção do material para revestimentos aspergidos, onde a porosidade também tem muita influência sobre a resistência à erosão (6). O objetivo deste trabalho foi então avaliar o comportamento de um revestimento metálico proposto, obtido por aspersão térmica a arco elétrico, em função do desgaste por jateamento abrasivo. Foram utilizadas partículas abrasivas de alumina, fluindo no ar comprimido, para simular o efeito abrasivo de partículas de cinzas de carvão mineral, atendendo aos requisitos da norma ASTM G76 para jateamento abrasivo (7). MATERIAIS E MÉTODOS A chapa do substrato para aplicação do revestimento tinha superfície plana e 8,15 mm de espessura, com composição química formada por ferro, carbono (0,17%), manganês (1,17%), cromo (0,025%), fósforo (0,019%), e enxofre (0,0027%), próxima do aço ASTM A178, comumente usado em tubulações de caldeiras (8). A superfície foi preparada por um jato de produção industrial com granalha de alumina angular, para adquirir perfil de rugosidade adequado para ancoragem mecânica do depósito aspergido. O revestimento foi obtido por técnica de aspersão térmica a arco elétrico, e produzido a partir de arames compostos de ferro, cromo (13,2%), nióbio (6,0%), níquel (5,5%), boro (4,2%), alumínio (2,0%), manganês (1,3%), e silício (1,2%). O substrato revestido foi cortado em seis amostras com 8,60 mm de espessura. 4555

4 Os ensaios de jateamento abrasivo foram realizados com base na norma ASTM G76 (7). Como referência para padronização dos resultados, foram feitos ensaios em amostras de aço SAE 1020, o mesmo material usado nos resultados de taxa de erosão apresentados no corpo da referida norma de jateamento abrasivo (7). O conceito da Taxa de Erosão de um material, quantificado em miligramas por grama (mg/g), está relacionado com a razão entre a massa erodida de uma amostra jateada, em miligramas por minuto (mg/min), pelo fluxo de massa do abrasivo jateado sobre a amostra, em gramas por minuto (g/min), conforme é apresentado na Equação (A). Quando a Taxa de Erosão (mg/g) é dividida pela densidade do material erodido, expressa em miligramas por milímetro cúbico (mg/mm 3 ), encontra-se o valor da Taxa de Erosão Volumétrica, em milímetros cúbicos por grama (mm 3 /g), conforme é demonstrado em (B). Taxa de Erosão do Material (miligramas/grama) = Erosão do Material = mg/min Fluxo de Abrasivo g/min (A) Taxa de Erosão Volumétrica (mm 3 /grama) = Taxa de Erosão do Material Densidade do Material = mg/g mg/mm³ (B) O fluxo e a velocidade das partículas abrasivas foram ajustados pela taxa de erosão definida na tabela 2 da norma ASTM G76 (7), para partículas de 50 µm de alumina, projetadas a 90, e com velocidade de 30 m/s. A utilização destes parâmetros nos ensaios realizados pelos laboratórios credenciados pela ASTM resultou em uma taxa de erosão volumétrica de 2,734 x 0,001 mm 3 /grama para o aço SAE 1020, que corresponde a 0,021 mg/gramas, considerando uma densidade de 7,86 mg/mm 3 para o aço. O valor de 0,021 mg/grama passou então a ser o valor objetivo para a taxa de erosão no momento da calibração da pressão de trabalho a ser utilizada para todos os jateamentos na sequência dos ensaios. Foram utilizados diversos corpos de prova de aço SAE 1020, até que se chegasse a esse valor de taxa de erosão por meio da regulagem da pressão do fluxo de ar entre o compressor e a câmara de jato. Após a calibração da pressão de trabalho, tiveram início os ensaios com as amostras revestidas, que foram jateadas com dois diferentes tamanhos de partículas abrasivas. A granulometria da alumina utilizada também foi baseada nas propriedades das cinzas do carvão mineral brasileiro (9), projetada com diferentes ângulos de ataque. Para os testes com as partículas abrasivas de 50 µm 4556

5 foram utilizadas 4 amostras, aplicando-se os ângulos de ataque de 90, 60, 45, e 30, e com as partículas de 125 µm foram utilizadas 2 amostras, aplicando-se os ângulos de ataque de 90 e 45. Entende-se aqui como ângulo de ataque, aquele formado entre a direção da projeção do centro do jato e a superfície da amostra no ponto de impacto. Foram preparadas ainda duas amostras não revestidas com perfis de rugosidade superficial Ra = 8,5 µm, para a superfície conforme recebida, e outra com perfil de rugosidade Ra = 43,5 µm, preparada com jateamento industrial, esta com rugosidade média mais próxima das superfícies revestidas, que possuíam perfil médio de rugosidade Ra = 51,9 µm. As rugosidades foram medidas com rugosímetro digital, e definidas pelo parâmetro de rugosidade Ra constante na norma JIS B 0601 (10). A Tabela 1 apresenta um resumo das características e dos parâmetros de ensaio para cada amostra. Tabela 1 Características de Ensaio e Identificação das Amostras Materiais Submetidos ao Velocidade Abrasivo Ângulo de Espessura Dimensões Jateamento Abrasivo do Jato Utilizado Ataque Amostra mm mm x mm m / s µm graus número Aço 1020 para calibração 6,60 21 x calibração Revestimento aspergido 8,60 14 x Revestimento aspergido 8,60 14 x Revestimento aspergido 8,60 15 x Revestimento aspergido 8,60 15 x Revestimento aspergido 8,60 16 x Revestimento aspergido 8,60 16 x Substrato recebido 8,15 15 x Substrato preparado 8,15 20 x A rotina do ensaio foi iniciada pela pesagem das amostras, em balança analítica com resolução de 0,0001 grama. A seguir, cada amostra foi submetida ao jateamento abrasivo em Câmara de Jato de bancada com aberturas para manipulação dos espécimes. Na câmara, um suporte para o bico de jato com regulagem angular permitia a montagem do bico naqueles ângulos já mencionados de 30, 45, 60 e 90 graus, sempre respeitando a distância de 10 mm entre a extremidade do bico e o ponto de impacto projetado na amostra, conforme estabelecido na norma ASTM G76 (7). Na saída do Compressor de Ar, um regulador 4557

6 de pressão mantinha a pressão de trabalho estabelecida na câmara de jato. As partículas abrasivas de óxido de alumínio (Al2O3) usadas no jateamento tinham granulometria de 50 e 125 µm, ambas com pureza de 99,5%. O tempo determinado para a exposição de cada amostra ao jateamento foi de 24 minutos, medidos com precisão de 1 segundo. Para a amostra submetida ao jato raso de 30, foi programada somente uma impressão de 24 minutos. Para aquelas submetidas aos jatos a 45 e 60 foram programadas duas impressões de 12 minutos cada. Para as amostras revestidas e submetidas ao jato a 90 foram programadas três impressões de oito minutos cada, de forma que o jato não erodisse o substrato de nenhuma das peças. Para as amostras do aço 1020 (calibração) e do aço do substrato, sem revestimento, ainda que atacadas com jatos perpendiculares, foram determinadas impressões únicas de 24 minutos para cada peça, uma vez que a avaliação seria feita somente no substrato, sem revestimento. Terminado o jateamento das amostras, estas foram submetidas a limpeza por ultrassom, imersas em acetona com pureza analítica por 10 minutos, com a finalidade de remover partículas de alumina e quaisquer outros resíduos agregados no material. Após a secagem, as amostras erodidas foram pesadas novamente em balança analítica, para procedimento do cálculo da taxa de erosão. Segundo a norma ASTM G76 (7), durante os ensaios é também previsto algum desgaste do orifício do bico de jato, cujo aumento do diâmetro interno não deve exceder 10%. Para controlar possíveis alterações na velocidade das partículas, ainda que mantida a pressão de calibração, foram verificados os fluxos de partículas após cada amostra ensaiada. Para tanto, uma porção de partículas era jateada em um vasilhame por 1 minuto, e verificado seu peso. A taxa de erosão era então calculada com base na taxa de fluxo do abrasivo atualizada. RESULTADOS E DISCUSSÃO As amostras revestidas, e identificadas por 01, 02, 03 e 04, foram jateadas com partículas abrasivas de 50 µm de tamanho, projetadas nos ângulos de ataque de 90, 60, 45, e 30 graus, respectivamente. As amostras revestidas 05 e 06 foram jateadas com partículas de 125 µm de tamanho, projetadas nos ângulos de 90 e 45 graus. Todas as seis amostras revestidas pós-jateamento estão apresentadas na Figura

7 Figura 1. Amostras revestidas submetidas ao jateamento abrasivo A Tabela 2 mostra os resultados das seis amostras revestidas e as duas não revestidas. Tabela 2 Resultados da Taxa de Erosão por Massa após Jateamento Abrasivo Amostra Peso Inicial Tempo de Fluxo do Taxa de Peso Final Erosão Exposição Abrasivo Erosão número grama minutos grama mg/min grama/min mg/grama calibração 38, x 24 38,3831 0,0458 2,2019 0, , x 08 36,8985 0,0625 2,2777 0, , x 12 37,0954 0,0458 2,1882 0, , x 12 39,1970 0,0417 2,3218 0, , x 24 39,4664 0,0375 2,2631 0, , x 08 41,0585 0,0458 2,1263 0, , x 12 42,5127 0,0292 2,1236 0, , x 24 36,7982 0,0375 2,2714 0, , x 24 35,0215 0,0542 2,3064 0,0235 A Tabela 3 apresenta os parâmetros de jateamento, a taxa de erosão obtida, e as propriedades de dureza e acabamento superficial dos materiais testados. 4559

8 Tabela 3 Identificação das Amostras, Parâmetros de Ensaio e Características Materiais Abrasivo Ângulo de Taxa de Microdureza Rugosidade Amostra Ensaiados Utilizado Ataque Erosão Vickers Média Ra número µm graus mg/grama HV µm Revestimento , / ,9 Revestimento , / ,9 Revestimento , / ,9 Revestimento , / ,9 Revestimento , / ,9 Revestimento , / ,9 Substrato Recebido , /- 12 8,5 Substrato Preparado , / ,5 Considerando o tamanho do abrasivo utilizado, foram selecionadas as amostras revestidas 01, 03, 05 e 06. As duas primeiras usaram alumina de 50 µm e as duas últimas a alumina de 125 µm, sendo que 01 e 05 se relacionam pelo ângulo de ataque de 90, e 03 e 06 pelo ângulo de 45, todas com as mesmas características de dureza e rugosidade superficial. A peça 01 apresentou taxa de erosão 27% maior que 05, enquanto que a peça 03 apresentou taxa de erosão 30% maior que 06, indicando que o uso da alumina de 50 µm desgastou mais o material do que a alumina de 125 µm. Com relação aos ângulos de ataque, foram selecionadas as amostras revestidas 01, 02, 03 e 04, que foram submetidas ao ataque com abrasivo de 50 µm. A peça 01 atacada a 90, foi desgastada 31% mais que a 02 (60 ), que por sua vez foi desgastada 16% mais que a 03 (45 ), que foi desgastada 8% mais que a 04 (30 ). Com relação a alumina de 125 µm, a peça 05 atacada a 90 foi desgastada 56% mais que a peça 06 (45 ). Assim, verificou-se uma diminuição no poder de abrasão com a diminuição do ângulo de ataque do jato. A respeito das características dos materiais ensaiados, um ponto de vista a ser analisado é com relação ao acabamento superficial, onde podemos comparar as amostras 07 e 08, de mesmo material. A peça 08, com rugosidade superficial Ra = 43,5 µm, apresentou taxa de erosão 42% maior do que a peça 07, com perfil de rugosidade Ra = 8,5 µm, apesar de a primeira ter maior dureza que a segunda (264 HV contra 187 HV), devido ao jateamento para preparo do perfil de rugosidade. Portanto, entende-se que um maior perfil de rugosidade superficial também induz um maior desgaste abrasivo da superfície. 4560

9 CONCLUSÃO Com base nos resultados obtidos, pôde-se observar que o revestimento está sujeito a um desgaste abrasivo maior para ângulos maiores de ataque das partículas abrasivas. Foi observado que as partículas com tamanhos de 125 µm provocam menor desgaste nas superfícies metalizadas do que aquelas com tamanhos de 50 µm, mantidas as demais condições de jateamento. Notou-se ainda que o resultado referente ao substrato de aço carbono com maior rugosidade (43,5 µm), apresentou maior desgaste do que aquele com menor rugosidade (8,5 µm). O mecanismo de desgaste aparentemente é mais eficiente quando encontra uma superfície com maior irregularidade superficial, ao nível micrométrico. Da mesma forma, a porosidade do material revestido pode provocar uma menor resistência ao jateamento abrasivo. Vale ressaltar que tais experimentos foram realizados em temperatura ambiente, não sendo levada em consideração aquela que possa ser a maior virtude do revestimento, ou seja, sua resistência e sua integridade em altas temperaturas. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem aos colaboradores dos laboratórios da Universidade do Estado do Rio de janeiro, Sr. Antônio Carlos e Prof. Manoel Augusto, e ao pessoal da empresa VGK, Sr. Guilherme Bungner, Srta. Alexandra Marins e Sr. Leandro Duarte da Silva, pelo apoio técnico. Os agradecimentos são extensivos à Capes e FAPERJ. REFERÊNCIAS (1) CAMPOS, P.K. Desenvolvimento de Revestimento para Tubulação de Caldeiras de Centrais Termelétricas que Operam a Carvão Mineral. 2017, 75p. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, UERJ, Rio de Janeiro. (2) JOÃO, J.J.; SKORONSKI, E.; SILVEIRA, F.; MACHADO, D.B.; BORTOLATTO, L.B. Determinação da Composição Química das Cinzas do Carvão Mineral do Sul Catarinense e sua Correlação com a Temperatura de Fusão (Universidade 4561

10 do Sul de Santa Catarina). Artigo da 35 Reunião Anual da Sociedade Brasileira de Química, Águas de Lindóia, SP, 1p, 2012, Ref. ANA-068. (3) MONTANI, U.R.S. Quantificação de Defeitos por Processamento Digital de Imagens em Revestimentos obtidos por Aspersão Térmica. 2016, 120p. Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, UERJ, Rio de Janeiro. (4) HUTCHINGS, I.M.; SHIPWAY P. Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials. Oxford: Butterworth-Heinemann, (5) DIVAKAR, M.; AGARWAL V.K.; SINGH S.N. Effect of the Material Surface Hardness on the Erosion of AISI 316. Artigo na 15 th International Conference on Wear of Materials, v.259, p , (6) MARTINS, B.R.; KEJELIN, N.Z. Estudo do Desempenho de Revestimentos Metalicos Depositados pelo Processo de Aspersão Térmica à Arco em Relação ao Desgaste Erosivo em Trocadores de Calor Ar/Gases (Faculdade SATC). Artigo para Tractebel, Florianópolis, SC, 25p, 2012, Ref. PD /2010. (7) ASTM G76. Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement Using Gas Jets, (8) ASTM A178. Standard Specification for Eletric-Resistence-Welded Carbon Steel and Carbon-Manganese Steel Boiler and Superheater Tubes, (9) GOMES, D.L.; DINIZ, M.G.; CARDOSO, B.R. Análise de Cinzas Leves Resultantes da Queima de Carvão Mineral Nacional (Universidade do Estado do Rio de Janeiro). Artigo no VIII Encontro de Ciências e Tecnologia de Materiais, Friburgo, RJ, 9p, (10) JIS B Geometrical Product Specification (GPS) Surface Texture: Profile Method Terms, Definitions and Surface Texture Parameters, RESISTANCE TO ABRASIVE BLASTING OF METALLIC COATING APPLIED BY THERMAL SPRAY FOR PIPES OF THERMELECTRIC PLANT BOILERS ABSTRACT Among other applicable fuels, Brazilian thermoelectric plants also use mineral coal, which is used by pulverized combustion with controlled granulometry. The applied coal, however, generates ashes with high hardness oxides particles, which usually impact the tubes of the boilers. It appears as a viable solution for surfaces protection, 4562

11 the use of metallic coatings with high resistance to abrasive wear, good adhesion, low porosity, and good corrosion resistance. This work evaluated the abrasive wear resistance of a metallic coating obtained by the electric arc thermal spray process. Blasting tests on the coatings used 50 μm alumina abrasive particles, impacting at 90, 60, 45 and 30 angles, which resulted in erosion rates of 0.027, 0.021, and milligrams of eroded coating per gram of abrasive, and 125 μm alumina particles, impacting at 90 and 45 angles, resulting in erosion rates of and mg/g. The results are associated with the morphology and surface roughness of the evaluated coating. Key words: boilers, coatings, erosive wear 4563