ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA PURGA PARA TUBULAÇÕES EM AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO SOLDADOS PELO PROCESSO GTAW

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1 ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA PURGA PARA TUBULAÇÕES EM AÇO INOXIDÁVEL AUSTENÍTICO SOLDADOS PELO PROCESSO GTAW Douglas H. de M. Pereira 1, Danilo H. de M. Pereira 1, Oscar O. Araújo 1, Romulo R. de A. Lima 1. UFPE, Avenida Professor Moraes Rego, nº Cidade Universitária, Recife - PE - CEP: , douglasmec@gmail.com 1 Departamento de Engenharia Mecânica, programa de pós graduação da UFPE. RESUMO Nesse trabalho avaliou-se a junta soldada de uma tubulação de aço inoxidável austenítico AISI 316L soldado pelo processo GTAW (Gas Tungsten Arc Weld). Inicialmente procedeu-se o isolamento da tubulação para possibilitar um melhor controle da purga. Antes da purga propriamente dita estabeleceu-se um tempo de pré-purga onde o nível de oxigênio avaliado pelo oxímetro foi de 0,00% considerouse esse oxigênio residual como padrão para o início de todos os passes de soldagem. Após a pré-purga procedeu-se a soldagem do tubo. Duas situações de soldagem foram utilizadas, quanto a vazão da purga: no teste 1 a 10-12litros/minutos enquanto que o teste 2 foi utilizada 5-6litros/minutos. O procedimento de soldagem seguiu as recomendações da EPS qualificada. A purga foi aplicada no passe de raiz e demais camadas. Amostras do passe de raiz para os quatro quadrantes da junta foram avaliadas individualmente e comparadas com padrões estipulados pela AWS D18.2. Com este trabalho foi possível garantir que a raiz e demais passes, até a terceira camada, sejam executados de forma a mitigar a oxidação, tornando-a aceitável de acordo com seu uso específico, sem a necessidade de realização da decapagem e passivação no interior do tubo. Palavras-chave: Aços Inoxidáveis Austeníticos, GTAW, TIG, Purga, Passivação. INTRODUÇÃO Os aços inoxidáveis austeníticos se caracterizam por apresentarem uma excelente combinação de propriedades mecânicas, aliada a uma excelente 7961

2 resistência à corrosão. Isso justifica a larga utilização destes materiais em diversos segmentos e pode ser bastante observada em diversas indústrias: alimentícia, química, petroquímica, naval, entre outras, seguindo as exigências de fabricação de normas internacionais como o ASME B31.3, tubulações de processos. Os desenvolvimentos de novas técnicas de produção, na soldagem destes materiais, são necessários para a melhoria do setor nos aspectos técnicos, econômicos e ambientais. O processo de decapagem no interior do tubo pode ser eliminado desde que parâmetros e variáveis da soldagem sejam respeitados, controlados e monitorados. MATERIAIS E MÉTODOS O metal de base utilizado no estudo foi o tubo ASTM A 312 TP 316L, UNS S31603, com 114,3 mm de diâmetro e 8,6 mm de espessura de parede, 4 peças de 500mm, formando dois corpos de prova de 1000mm (chamados de Teste 1 e Teste 2). O metal de adição utilizado na soldagem GTAW foi vareta de marca comercial ESAB OK Tigrod 316L, especificação AWS A5.9, classificação AWS ER 316L com bitola de 3,2mm de diâmetro. A tabelas 1 apresenta, as composições químicas do material do metal de base e do metal de adição que foram utilizados neste estudo, de acordo com o certificado de qualidade dos fabricantes. TIPO COMPOSIÇÃO % C Mn P S Si Ni Cr Mo Metal Base 0,033 1,02 0,038 0,006 0,389 8,171 18,319 0,04 Metal Adição 0,02 1,7 0,02 0,01 0,41 11,8 18,2 2,5 Tabela 1 Composição química do metal de base e do metal de adição. Isolamento da linha. Inicialmente isolamos a área a ser realizada o controle da purga. A área controlada vai desde o início até o final da tubulação, utilizando tampões plásticos com vedações em borracha como dispositivos de isolamento. O tampão de entrada do gás de purga possui um orifício de 20mm de diâmetro e está localizado na parte inferior, visto que o gás argônio é mais denso que o ar. Já o tampão de saída de gases possui um orifício de 25mm de diâmetro, este está localizado na parte superior, onde sua capacidade de vazão é maior que o orifício de 7962

3 entrada, afim de garantir que a pressão no interior do tubo seja próxima da pressão atmosférica, evitando assim que no momento da conclusão do passe de raiz, alguma descontinuidade possa ser ocasionada pela pressão interna no tubo. Tempo de pré-purga. Antes do início da soldagem, devemos ter a certeza de que o oxigênio foi eliminado do interior da linha. De acordo com a figura 1, temos o tempo necessário para que todo o volume interior seja preenchido com o gás inerte. (a) (b) Figura 1 (a) Tempo de pré purga variando de acordo com o comprimento 300mm e 1000mm, (b) Tempo de pré purga para cada metro linear da tubulação. Antes do início da soldagem, foi constatado através do instrumento de medição de oxigênio, PurgEye 100 IP65 conforme figura 2, que o tempo de prépurga foi respeitado, onde o valor encontrado (0,00% O₂) do oxigênio residual é aceitável. Figura 2 - PurgEye HFT. Algumas recomendações fazem-se necessárias para início da soldagem. Pede-se 7963

4 uma atenção especial para o início e o final do passe de raiz, além do momento da remoção dos dispositivos auxiliares de montagem, pois a rotação do disco da lixadeira pode introduzir excesso de ar no interior da tubulação, devido a turbulência gerada pelo mesmo. Todas as juntas da tubulação devem estar seladas com fita adesiva, evitando a entrada de ar no interior da tubulação, além da perda do gás da purga. Para a junta a ser soldada deve-se retirar pouco a pouco a fita adesiva de acordo com a progressão da soldagem. Durante o fechamento do passe de raiz, a vazão deve ser reduzida para evitar que haja uma pressão excessiva na junta. Recomenda-se que esta vazão esteja entre 4 e 6 litros/minuto. Soldagem. Teste 1 Posição 5G. O tubo soldado foi posicionado com o eixo longitudinal paralelo ao eixo horizontal(x), conforme figura 3(a); Teste 2 Posição 2G. O tubo soldado foi posicionado com o eixo longitudinal paralelo ao eixo vertical(y), conforme figura 3(b); (b) (a) Figura 3 Posição de teste, conforme ASME Sec. IX, Ed A Soldagem dos tubos de teste foi realizada de acordo com os parâmetros especificados na Especificação do Procedimento de Soldagem EPS Nº002/14, devidamente qualificada segundo ao código ASME Sec IX Ed.2010, Plano de Solda WP-001/16 e Procedimento PO-QL-08, documentos aplicáveis à junta soldada, contendo os seguintes parâmetros comuns: Processo GTAW, junta de topo chanfro em V, ângulo do bisel de 35º, abertura de raiz de 4mm, altura da face da raiz de 1,5mm, corrente 90A-120A, com polaridade direta (CC-) e eletrodo de tungstênio EW-Th2, temperatura de pré-aquecimento >10ºC e interpasse <100ºC. O teste 1 foi 7964

5 realizado sob uma vazão de purga de 10 a 12litros/minutos, com composição do gás sendo 99,99% argônio, enquanto o teste 2 utilizou uma vazão de purga de 5 a 6 litros/minutos, com gás argônio 99,99%. Mesmo após o passe de raiz ter sido concluído, o gás de purga foi mantido na vazão especificada em cada teste para a execução dos passes de enchimento/acabamento, exceto no fechamento do passe de raiz, onde a vazão foi reduzida para 6 litros/minutos e 4 litros/minutos respectivamente. Também vale ressaltar que a retirada da fita adesiva aconteceu de acordo com a progressão da soldagem, afim de evitar ao máximo a entrada de ar no interior da tubulação. A soldagem do passe de raiz, obedeceu a seguinte sequência: Teste 1 Teste Do ponto: 180 até 90 ; 1 - Do ponto: 0 até 90 ; 2 - Do ponto: 90 até 0 ; 2 - Do ponto: 90 até 180 ; 3 -Do ponto: 180 até 270 ; 3 -Do ponto: 180 até 270 ; 4 - Do ponto: 270 até Do ponto: 270 até 0. Tabela 2 Sequência de soldagem do passe de raiz. Observar pontos na figura 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nas imagens abaixo é possível observar os acabamentos obtidos para os testes nos corpos de prova: Figura 4 (a) Teste 1 de 180º até 90º; (b) Teste 1 de 90º até 0º; (c) Teste 2 de 0º até 90º; (d) Teste 2 de 90º até 180º. 7965

6 Os resultados obtidos, foram avaliados com a escala comparativa da Norma AWS D18.2, ver figura 5: Figura 5 Guia para escalas de descoloração em soldas realizadas no interior de tubos de aço inoxidável austenítico. AWS D18.2 TESTE 1 a) Do ponto: 180 até 90 e do ponto: 90 até 0 ; conforme as figuras 4(a) e 4(b), encontram-se na escala entre o No.3 e No.4, ou seja: de 50 a 100ppm; b) Do ponto: 180 até 270 e do ponto: 270 até 0, encontram-se na escala entre o No.3 e No.4, ou seja: de 50 a 100ppm; TESTE 2 c) Do ponto: 0 até 90 e do ponto: 90 até 180, conforme as figuras 4(c) e 4(d), encontram-se na escala entre o No.4 e No.5, ou seja: de 100 a 200ppm; d) Do ponto: 180 até 270 e do ponto: 270 até 0, encontram-se na escala entre o No.5 e No.6, ou seja: de 200 a 500ppm. NOTA: Valores na escala de até No.5 (até 200ppm) são geralmente aceitáveis na indústria alimentícia. Após a comparação visual foi executado uma análise com o kit para teste de passivação (passivation kit test 1626 by koslow scientific testing instruments), onde a presença de qualquer pigmentação na cor vermelha ou tonalidades da cor vermelha no papel indicador submetido à solução, mostra que a superfície não está passivada. Carácter de avaliação: qualitativo apenas. Resultados da análise da camada passivante: As amostras do teste 1 não apresentaram qualquer indicação ou variação de 7966

7 cor, permanecendo na sua condição inicial. As amostras do teste 2 apresentaram indicação avermelhada, mostrando que a superfície não estava completamente passivada. Nota-se ainda no teste 2, especificamente nos pontos onde foram utilizados dispositivos auxiliares de montagem e fixação, a característica de oxidação devido à baixa vazão do gás de purga inclusive no período que compõe a preparação e montagem da junta. CONCLUSÕES Os resultados obtidos mostram que para o teste 1, o qual utilizou-se vazão de purga de 10 a 12 litros/minuto, obteve-se melhores resultados na aparência da raiz, e também na coloração na região aquecida pela soldagem e principalmente na eficiência da camada passivadora. No teste 2, que foi realizado sob vazão de purga de 5 a 6 litros/minutos, observou-se que o aspecto da raiz ficou abaixo dos resultados obtidos no teste 1, a coloração mais intensa nas áreas aquecidas e a ineficiente camada passivadora, necessitando de um tratamento de decapagem e passivação no interior do tubo. Nota-se que a combinação tempo de pré-purga, taxa vazão adequada e técnica de soldagem é determinante para o aspecto do cordão e principalmente para o desempenho da resistência a corrosão do componente mecânico. Sugere-se um estudo quanto a uma avaliação quantitativa da camada passivante interna de tubulações, utilizando de instrumentos e técnicas apropriadas. 7967

8 REFERÊNCIAS 1. MARQUES, V.P.; MODENESI, P.J.; BRACARENSE, A.Q. Soldagem Fundamento e tecnologia, ed.2, Belo Horizonte, Editora UFMG, ISBN AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINNERS (ASME). B31.3: Process Piping. New York, AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINNERS (ASME). Section IX: Boiler and pressure vessel code Welding and brazing qualifications. New York, AMERICAN WELDING SOCIETY (AWS). D10.11: Recommended practices for root pass welding of pipe without backing. Miami, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR 6023: Informação e documentação - Referências - Elaboração. Rio de Janeiro, STUDY OF THE PURGE INFLUENCE FOR AUSTENITIC STAINLESS STEEL PIPE WELDED BY GTAW PROCESS ABSTRACT In this study we evaluated the welded joint of a pipe of a austenitic stainless steel AISI 316L welded by GTAW process (Gas Tungsten Arc Weld). Initially proceeded to the pipe insulation to allow better control of the purge. Before purging itself established a time of previous purging where the oxygen level measured by the oximeter was 0.00% was considered that residual oxygen as standard for the beginning of all welding passes. After the previous purging is carried out tube welding. Two welding conditions were used as purge flow rate: to the test 1, liters/minute, while the test 2 was used 5-6 liters/minute. The welding procedure followed the recommendations of qualified EPS. The purge was applied to the root pass and other layers. Samples for root pass of the four quadrants of the joint were evaluated individually and compared with standards set by AWS D18.2. With this work it was possible to ensure that the root and the other passes to the third layer are executed to mitigate oxidation, making it acceptable according to their specific use, without the need to perform the pickling and passivation within area internal of the pipe. Keywords: Austenitic Stainless Steels, GTAW, TIG, Purge, Pickling. 7968