INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO NO MATERIAL ASTM A178 GR.A UTILIZADO EM TUBOS NA CONSTRUÇÃO DE VASOS DE PRESSÃO

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1 INFLUÊNCIA DO TRATAMENTO TÉRMICO NO MATERIAL ASTM A178 GR.A UTILIZADO EM TUBOS NA CONSTRUÇÃO DE VASOS DE PRESSÃO Péricles Bosquetti a, Denis de Oliveira Lima b, Claudinei Doreto b, Otávio Contart Gamboni a, Maurício Angeloni a, Alessandro Fraga Farah a, Diógenes Bosquetti a a: Professor Dr. Fatec - Sertãozinho b: Tecnólogo em Mecânica: Processos de Soldagem FATEC Sertãozinho pericles.bosquetti@fatec.sp.gov.br RESUMO Na construção de caldeiras do tipo aquatubulares (EBAH, 2016), tubos afunilados são utilizados para interligarem os tubulões inferiores e superiores deste tipo de caldeira (SNATURAL, 2016). Esse equipamento tem como finalidade gerar vapor através do aquecimento da água acima do ponto de ebulição, podendo ser utilizadas para o acionamento de turbinas, turbos geradores de energia, energia elétrica, aquecimento de matéria prima para fabricação de açúcar e etanol, etc (TITANIC MOMENTO, 2016). Em virtude dessas características, avaliou-se neste trabalho, as alterações microestruturais e o comportamento mecânico do material ASTM A178 Gr.A, durante o processo de conformação a frio por afunilamento onde ocorre a redução de área do material. Para isso, apresenta-se um comparativo envolvendo três corpos de prova, sendo um deles a condição normal do tubo recebido, outro que recebeu um processo de conformação a frio de afunilamento e em seguida a realização de um tratamento térmico de normalização, e um terceiro que logo após o afunilamento, sofreu um tratamento térmico de normalização. Foram aqui discutidos os resultados dos testes e analisados os comportamentos das microestruturas e das microdurezas antes e após o processo de trabalho a frio e as alterações devido à normalização. Palavras-Chave: Tubos afunilados. ASTM A178 Gr.A. Conformação a frio. 6090

2 1. INTRODUÇÃO As refinarias de petróleo, usinas sucroenergéticas, indústrias químicas e petroquímicas utilizam equipamentos conhecidos como vasos de pressão com a finalidade de resistir com segurança às altas pressões internas, muito superiores à pressão atmosférica, com a finalidade de produzir vapores com altas temperaturas, usados como fonte de energia em diversos processos. Caldeiras são equipamentos destinados à produção de vapor saturado, ocorrendo o aquecimento da água acima do ponto de ebulição, ou vapor superaquecido (ABAH, 2016). A água utilizada neste processo recebe um rigoroso tratamento para que não ocorram danos no equipamento (ICAV, 2016). Caldeiras do tipo aquatubular de tubos curvos têm a função de produzir vapor através de um sistema onde a água ocupa o interior dos tubos enquanto o fogo e os gases quentes ficam por fora, tendo uma maior superfície de aquecimento, obtendo-se vantagens como redução do espaço comparado à outras caldeiras, quedas de temperatura, fácil manutenção (SNATURAL, 2016). Objetiva-se neste trabalho a realização comparativa de ensaios (GARCIA, 2008) de um tubo da caldeira, fabricado em ASTM A-178 Gr.A da tubulação de vapor, analisando resistência, dureza e microestrutura (CHIAVERINI 2008) antes e após a realização de conformação à frio dos tubos e também antes e após tratamento térmico de normalização aplicado aos mesmos. 2. MATERIAIS E MÉTODOS 2.1 Material em estudo O material em estudo consiste em três corpos de prova de formato cilíndrico com diâmetro de 63,5mm e espessura de 4,19 mm fabricado no material ASTM Gr.A. A Tabela 2.1 ilustra a composição química do material. Tabela 2.1 Composição ASTM A178. Composição química % C Mn P S Si Al 0,07 0,53 0,016 0,007 0,019 0,057 Fonte: ASTM A178/A178M 02 (2012) 6091

3 Os corpos de prova utilizados neste trabalho são: Figura 2.1: sem trabalho nem tratamento térmico (original); Figura 2.2: após trabalho a frio de afunilamento nas extremidades e Figura 2.3: após deformado e normalizado. Figura 2.1 Corpo de prova original. Figura 2.2 Corpos de prova após deformação (afunilamento). Figura 2.3 3º Corpo de prova afunilado e normalizado. 2.2 Processo de afunilamento Os corpos de prova foram submetidos à conformação a frio, em máquina conformadora de tubos EMT, modelo CFT 102-4P, reduzindo o diâmetro em 10 a 20% nas extremidades, passando o diâmetro externo de 63,6 mm a 50,5mm e a espessura de 4,19mm para 4,62mm. A Figura 2.4. ilustra o afunilamento. Figura 2.4 Corpos de prova sendo afunilados nas extremidades. Para os estudos deste trabalho, foram realizados os ensaios de dureza HBW, achatamento, flangeamento, tração e análise metalográfica. 6092

4 2.3 Ensaios de dureza HBw O ensaio de dureza Brinell seguiu a ASTM E10 01 e ASTM WK3044, com penetrador de 2,2mm de carboneto de tungstênio e carga de 187,5kgf. Os corpos de provas foram mapeados em três regiões conforme a Figura 2.5. Figura 2.5 Pontos de mapeamento para ensaio de dureza. 2.4 Ensaio de Achatamento O ensaio de achatamento foi realizado em prensa hidráulica exercendo força de até N no sentindo vertical, na cadência de ,55N/min resultando na deformação e permitindo avaliação de fissuras na amostra. A Figura 2.6 ilustra o ensaio de achatamento, norma ASTM A450/A450-04a. Figura 2.6 Ensaio de achatamento. 2.5 Ensaio de Flangeamento O ensaio de flangeamento foi realizado através de uma prensa hidráulica que aplicou uma força vertical de N sobre uma matriz cônica. A matriz foi introduzida 18,5mm no corpo de prova, ocorrendo uma deformação plástica de rebordeamento na extremidade, que pode causar fissuras por esforço na região rebordeada. A Figura 2.7 ilustra a sequência do ensaio de flangeamento. 6093

5 Figura 2.7 Sequência esquemática do ensaio de rebordeamento. Neste ensaio, utilizou-se prensa hidráulica da marca Mancon modelo MPH-15s e preparou-se os corpos de prova pela norma ASTM A450/A450-04a. 2.6 Ensaio de tração O ensaio de tração foi realizado através de uma prensa hidráulica Losenhausen modelo UPB20, aplicando-se força de até 10 Ton. A Figura 2.8 mostra as dimensões dos corpos de prova utilizados, seguindo as normas ASTM , e o ensaio seguiu a norma ASTM A e ASTM E8M. Figura 2.8 Dimensional do corpo de prova para ensaio de tração. 2.7 Análise metalográfica Os corpos de provas foram submetidos ao preparo metalográfico convencional: corte do material, embutimento, lixamento e polimento utilizando alumina 0,1μm pasta de diamante, além de ataque químico com nital 3% para análise e revelação do tamanho do grão. Para este ensaio utilizou-se microscópio metalúrgico da Macrotest modelo 3212 MB. A preparação das amostras seguiu as normas ASTM E3, ASTM E407, ASTM E7 ed. 03 (R09). 6094

6 2.8 Tratamento térmico de normalização Após a redução de área pelo afunilamento, realizou-se um tratamento de normalização. A região afunilada de um dos lados do corpo de prova foi introduzida no interior de um forno à gás, marca Eletrans, em faixa de 890º a 915ºC por cinco minutos. O resfriamento foi feito no ambiente do lado externo do forno. A Figura 2.9 mostra o corpo de prova no forno de normalização e a Figura 2.10 apresenta a curva tempo x temperatura da normalização realizada. Figura 2.9 Corpo de prova introduzido no forno. Figura 2.10 Parâmetros de Aquecimento e resfriamento do tratamento térmico utilizado. 3 RESULTADOS E DISCUSSÕES As amostras foram identificadas pelo tipo de processamento e tratamento térmico sofrido. Assim, descreveu-se as amostras conforme Tabela 3.1. Tabela 3.1 Identificação das Amostras analisadas CORPOS DE PROVA CPs original (sem conformação sem normalização) CPs conformado à frio (afunilado) CPs afunilado e normalizado IDENTIFICAÇÃO CP1 CP2 CP3 6095

7 3.1 Ensaios metalográficos O corpo de prova de amostra original, sem sofrer conformação nem o tratamento térmico posterior, apresentou uma estrutura típica de aço baixo carbono laminado à quente e recozido, com tamanho de grãos classificados como 7 e sendo a matriz ferrítica com perlita lamelar, conforme a Figura 3.1. Figura 3.1 Amostra do aço original, sem conformação nem tratamento térmico. Na Figura 3.2, apresenta-se o corpo de prova que sofreu o processo de conformação à frio (afunilamento), sem tratamento térmico posterior, onde observa-se uma estrutura típica de aço baixo carbono laminado a quente com matriz ferrítica e presença de perlita lamelar, com leve encruamento dos grãos. Figura 3.2 Amostra do Aço conformado à frio (afunilado). Na Figura 3.3, apresenta-se o corpo de prova do tubo que após a conformação à frio (afunilameto), foi tratamento termicamente (normalização), apresentando uma microestrutura típica de aço de baixo carbono normalizado onde observou-se o crescimento dos grãos da matriz ferrítica e a ocorrência de leve aglomeramento e alinhamento da fase perlítica em relação ao aço original. 6096

8 Figura 3.3 Amostra do Aço afunilado após tratamento térmico. 3.2 Ensaio de dureza HBw Observou-se para a amostra original CP1, a ocorrência de dureza mais baixa pois não sofreu qualquer tipo de trabalho, em média de 100 HBw. Para o corpo de prova CP2, na região conformada à frio (afunilamento), observou-se um aumento em torno de 40% na dureza em relação à amostra original, devido ao encruamento dos grãos. Após a normalização realizada na amostra CP3, observou-se uma diminuição na dureza, próximo à inicial, devido reorganização da microestrutura. A Tabela 3.2, mostra os valores obtidos de dureza HBw. Tabela 3.2 Resultado ensaio de dureza HBW CP s Valores obtidos HBw Média CP ,33 CP ,66 CP , Ensaios de tração e alongamento Para os parâmetros de limite de resistência e limite de escoamento, os três tipos de corpos de provas obtiveram resultados superiores ao mínimo especificado para o tubo ASTM A178 gra. Já para a % alongamento, os corpos de prova CP1 (originais) e os CP3 (normalizados), apresentaram resultados superiores ao mínimo requerido, enquanto os CP2, mostraram uma acentuada diminuição do alongamento, o que deve estar relacionado às deformações na microestrutura cristalina, ocasionando o encruamento dos grãos. A Tabela 3.3, mostra todos os parâmetros obtidos nos ensaios de tração realizados. 6097

9 Tabela 3.3 Resultados: Ensaio de tração Propriedades Mecânicas Limite de Resistência MPa Limite de Escoamento MPa Alongamento (%) Redução de Área (%) Especificado Mín Máx CP Obtido CP CP Ensaios de achatamento Nestes ensaios, devido à alta ductilidade destes aços, mesmo após o achatamento, nenhuma das amostras apresentaram descontinuidades nem superfície ao longo dos corpos de provas. As Figuras 3.4, 3.5 e 3.6 ilustram o ensaio realizado e os resultados para cada tipo de amostra. Figura 3.4 Corpo de prova CP1, sem conformação e sem tratamento. Figura 3.5 Corpo de prova CP2, após afunilado sem tratamento térmico. Figura 3.6 Corpo de prova CP3, após ser afunilado e normalizado. 3.5 Ensaio de flangeamento Devido apresentarem boa ductilidade, nos três casos, não houve nenhum tipo de descontinuidade nas direções transversal e longitudinal dos corpos de prova. As Figuras 3.7, 3.8 e 3.9 ilustram os ensaios realizados. 6098

10 Figura 3.7 Corpo de prova 1 original flangeado. Figura 3.8 Corpo de prova 2 flangeado e afunilado. Figura 3.9 Corpo de prova 3 flangeado, com tratamento térmico 4. CONCLUSÕES Observou-se pelas microestruturas analisadas, que o afunilamento do tubo ocasionou o encruamento dos grãos, com leves alterações na microestrutura do material que refletiu em algumas de suas propriedades como na elevação da dureza e no aumento da rigidez e da resistência, enquanto por outro lado, observou-se uma diminuição da ductilidade, verificada pela diminuição da % alongamento destas amostras conformadas à frio. Por outro lado, após o tratamento térmico de normalização, verificou-se a recuperação das características iniciais atingindo-se os parâmetros da amostra original. Nos ensaios de tração, as amostras afuniladas não normalizadas apresentaram a resistência e o limite de escoamento com uma redução em média de 43%, em relação aos demais. Apesar disso, mesmo com essas reduções, ainda apresentaram certa ductilidade, visto apresentaram bons resultados nos ensaios de achatamento e flangeamento que não sofreram nenhuma alteração para todas as situações. Assim, constatou-se que após a deformação a frio é recomendável ser realizado o tratamento térmico de normalização com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas como aumento de ductilidade e a diminuição da dureza, além de recuperarem a microestrutura inicial, fazendo que com isso, o material apresente as mesmas características iniciais. 6099

11 5. REFERÊNCIAS EBAH, Disponível em: Acessado em 17 de abril de EBAH, Disponível em: Acessado em 07 de setembro de SNATURAL, Disponível em: Acessado em 17 de abril de TITANIC MOMENTO, Disponível em: titanicmomentos.blogspot.com.br/2005/11/caldeirasgerao-de-vapor Acessado em 07 de setembro de ICAVI, Disponível em: Acessado em 17 de abril de GARCIA, A. et al. Ensaios de Materiais. Rio de Janeiro: LTC, ASTM A178/A178M 02 (2012). Standard Specification for, Eletric-Resistance- Welded Carbon Steel a Carbon Maganese Stell Boiler and Superheater Tubes. ASTM A370-06, Métodos e Definições de Teste Padrão para Ensaio Mecânico do Aço, CHIAVERINI, V. Aços e Ferros Fundidos: características gerais, tratamento térmicos, principais tipos. 7. ed. São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais,

12 COMPARATIVE ANALYSIS OF CORROSION IN STEEL PLATES THIN WITH TWO DIFFERENT COATINGS METALLIC ABSTRACT In the construction of aquatubular type boilers (EBAH, 2016), tapered pipes are used to interconnect the lower and upper pipes of this type of boiler (SNATURAL, 2016). This equipment is intended to generate steam by heating the water above the boiling point, and can be used to drive turbines, turbos generating energy, electricity, heating raw material for sugar and ethanol manufacture, etc. (TITANIC MOMENTO, 2016). Due to these characteristics, the microstructural changes and mechanical behavior of the ASTM A178 Gr.A material during the cold conformation process where the area reduction of the material occurs is evaluated in this work. For this, a comparison is presented involving three specimens, one of them being the normal condition of the tube received, another that received a cold conformation process of tapering and then the accomplishment of a normalization thermal treatment, and a third which shortly after the bottleneck, underwent a standardization heat treatment. The results of the tests were discussed here and the behavior of the microstructures and microhardnesses before and after the cold working process and the changes due to the normalization were analyzed. Keywords: Tubes, tapered. ASTM A178 Gr.A. Cold forming. 6101