UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA ESTUDO COMPARATIVO DA RESISTÊNCIA À EROSÃO POR CAVITAÇÃO DO METAL DE SOLDA DEPOSITADO POR UM ARAME TUBULAR TIPO 13%Cr - 4%Ni - 0,4%Mo E DO AÇO FUNDIDO ASTM A 743 CA-6NM BERNARDO HERMONT BARCELLOS GONÇALVES Belo Horizonte, 20 de Abril de 2007
Bernardo Hermont Barcellos Gonçalves ESTUDO COMPARATIVO DA RESISTÊNCIA À EROSÃO POR CAVITAÇÃO DO METAL DE SOLDA DEPOSITADO POR UM ARAME TUBULAR TIPO 13%Cr - 4%Ni - 0,4%Mo E DO AÇO FUNDIDO ASTM A 743 CA-6NM Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial à obtenção do Título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área de concentração: Processos de Fabricação - Soldagem Orientador: Prof. Dr. Paulo Villani Marques UFMG Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2007
Universidade Federal de Minas Gerais Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Av. Antônio Carlos, 6627 - Pampulha - 31.270-901 - Belo Horizonte MG Tel.: +55 31 3499-5145 - Fax.: +55 31 3443-3783 www.demec.ufmg.br - E-mail: cpgmec@demec.ufmg.br ESTUDO COMPARATIVO DA RESISTÊNCIA À EROSÃO POR CAVITAÇÃO DO METAL DE SOLDA DEPOSITADO POR UM ARAME TUBULAR TIPO 13%Cr - 4%Ni - 0,4%Mo E DO AÇO FUNDIDO ASTM A 743 CA-6NM BERNARDO HERMONT BARCELLOS GONÇALVES Dissertação defendida e aprovada em 20 de Abril de 2007, pela Banca Examinadora designada pelo Colegiado do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na área de concentração de Processos de Fabricação Soldagem. Prof./Dr. Paulo Villani Marques - (DEMEC - UFMG) Orientador Prof./Dr. Paulo José Modenesi - (DEMET - UFMG) Examinador Prof./Dr. Cícero Murta Diniz Starling - (DEMC - UFMG) Examinador MSc. Cláudio Turani Vaz (ESAB S.A. Ind. e Com.) Convidado
A Deus, aos meus pais, Luiz Roberto e Maria do Carmo, aos meu avós Hélio e Maria Emília, às minhas irmãs e à minha namorada Stela.
AGRADECIMENTOS À ESAB S.A Indústria e Comércio, nas pessoas do Diretor Comercial Newton de Andrade e Silva e do Gerente Técnico José Roberto Domingues, pela oportunidade dada, pelo tempo de trabalho cedido e pelos recursos materiais e financeiros necessários disponibilizados para a elaboração deste trabalho. À Alstom Power Turbinas Hidráulicas, na pessoa do Engenheiro Décio Vieira, pelo fornecimento dos blocos de aço inoxidável fundido para os testes necessários. Aos Laboratórios de Soldagem e Ensaios Não Destrutivos e de Soldagem, Robótica e Simulação da UFMG por disponibilizarem os recursos necessários para os ensaios. Ao Prof. Dr. Paulo Villani Marques pela paciência, ajuda e orientação prestadas, de fundamental importância para o sucesso deste trabalho. Ao Prof. Dr. Paulo Modenesi pela orientação nos ensaios de cavitação e metalografias. À Engª. Estella Surian pelos artigos fornecidos, os quais se mostraram muito úteis. Ao aluno de Engenharia Mecânica da UFMG, João Bosco Vilaça, pelo empenho nos trabalhos prestados e na execução dos ensaios. Aos colegas de trabalho Fábio Soares, Huelcer Eduardo de Oliveira e Edmílson Santos Batista, pelo empenho durante a soldagem, ensaios não destrutivos e ensaios mecânicos. Às colegas de trabalho Sônia Regina Silva, Alessandra Batista Cruz e Valéria Brugger pela execução das análises químicas e confecção dos reagentes para as metalografias. Aos demais colegas de trabalho que contribuíram de alguma forma, em especial ao Engenheiro Cláudio Turani Vaz, o qual prestou auxílio e forneceu informações fundamentais para o desenvolvimento do trabalho.
O único lugar onde o sucesso vem antes do trabalho é no dicionário. Albert Einstein
SUMÁRIO Pág. 1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS... 1 1.1 Introdução... 1 1.2 Objetivos... 4 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 5 2.1 Usinas hidrelétricas... 5 2.2 Turbinas hidráulicas... 7 2.2.1 Partes de uma turbina hidráulica... 9 2.2.2 Tipos de turbinas hidráulicas...11 2.2.3 Construção de rotores e componentes de turbinas hidráulicas... 14 2.2.4 Reparo de rotores e componentes de turbinas hidráulicas... 18 2.3 Aços inoxidáveis martensíticos... 21 2.3.1 Conceitos básicos... 21 2.3.2 Aço inoxidável martensítico macio ASTM A 743 CA-6NM... 26 2.3.3 Soldagem do aço CA-6NM com o metal de adição similar, 13%Cr, 4%Ni e 0,4%Mo... 30 2.4 Cavitação... 33 2.4.1 Conceitos básicos... 33 2.4.2 Cavitação em turbinas hidráulicas... 38 2.4.3 Relação entre a resistência à erosão por cavitação com a composição química e com as propriedades dos materiais... 40 2.4.4 Tipos de ensaios e dispositivos para simulação da resistência à erosão por cavitação em laboratório... 42 2.4.5 Resistência à erosão por cavitação da liga soldada 13%Cr, 4%Ni e 0,4%Mo e do aço inoxidável martensítico macio CA-6NM... 45 3. METODOLOGIA... 46 3.1 Materiais... 46 3.2 Soldagem e Tratamento Térmico Após Soldagem... 48 3.3 Ensaios... 50 3.3.1 Análise química... 50 3.3.2 Análise metalográfica... 53
3.3.3 Dureza... 54 3.3.4 Ensaios de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica...55 3.3.5 Ensaios de tração e tenacidade ao impacto (Charpy entalhe V)... 58 4. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 63 4.1 Ensaios de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica... 63 4.1.1 Avaliação das perdas de massa... 63 4.1.2 Avaliação das superfícies cavitadas... 69 4.2 Análise Química... 72 4.3 Análise Metalográfica... 74 4.4 Dureza... 76 4.5 Ensaios mecânicos de tração e tenacidade ao impacto (Charpy entalhe em V)... 78 5. CONCLUSÕES... 86 6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS... 88 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 89 8. ANEXOS... 98
LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 2.1 Usina Hidrelétrica Diagrama Esquemático... 5 Figura 2.2 Usina hidrelétrica de Itaipu... 6 Figura 2.3 Vista explodida da Unidade Geradora da Usina de Itaipu mostrando seus componentes... 9 Figura 2.4 - Turbinas Francis... 12 Figura 2.5 - Turbinas Pelton... 13 Figura 2.6 - Turbinas Kaplan... 14 Figura 2.7 Desempenho comparativo de diferentes materiais utilizados na construção de componentes de turbinas hidráulicas no teste de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica... 16 Figura 2.8 - Diagrama de equilíbrio Fe-Cr-C pseudobinário de uma liga com 12% de cromo... 23 Figura 2.9 Diagrama TTT de um aço inoxidável martensítico tipo AISI 410... 23 Figura 2.10 Variação no teor de austenita, limite de resistência (σr), limite de escoamento (σe 0,2%) e energia absorvida no ensaio Charpy do AIMM CA-6NM em função da temperatura de revenimento... 29 Figura 2.11 Diagrama pseudo-binário para aços com relação Cr:Ni = 3:1, válido para o aço CA-6NM... 30 Figura 2.12 Representação esquemática do procedimento recomendado para a soldagem do aço inoxidável martensítico macio ASTM A 743 CA-6NM... 32 Figura 2.13 Danos cavitacionais em palhetas de rotores de turbinas Francis(a) e (c) e Kaplan(b)... 33 Figura 2.14 Formação de cavidades de acordo com a velocidade de separação. V: Velocidade de separação e Vc: Velocidade crítica de separação... 34 Figura 2.15 Curva típica de taxa de perda de massa x tempo mostrando os estágios da cavitação... 36 Figura 2.16 Curva erosão x tempo de cavitação indicando o período de incubação... 36 Figura 2.17 Esquema do dispositivo definido pela norma ASTM G 32 para realização do ensaio de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica... 43 Figura 3.1 - Montagem das chapas de teste para soldagem conforme ASME Seção II
Parte C... 49 Figura 3.2 - Ciclo do tratamento térmico após soldagem realizado nos corpos de prova de metal depositado... 50 Figura 3.3 - Retirada de limalhas do bloco de aço inoxidável fundido ASTM A 743 CA- 6NM... 51 Figura 3.4 Desenho esquemático da solda de almofada para determinação da análise química do metal de solda sem o efeito da diluição... 52 Figura 3.5 Local de retirada dos corpos de prova do metal de solda para realização do ensaio de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica orientado pela norma ASTM G 32... 56 Figura 3.6 Dimensões do corpo de prova para realização do ensaio de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica metal de solda e material de base... 56 Figura 3.7 Dispositivo para controle da temperatura da água... 57 (a) Dispositivo completo (b) Serpentina de Cobre... 57 Figura 3.8 Local de retirada dos corpos de prova do aço CA-6NM para realização do ensaio de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica orientado pela norma ASTM G 32... 58 Figura 3.9 Local de retirada dos corpos de prova para realização dos ensaios de tração e tenacidade ao impacto (Charpy entalhe V) do metal de solda... 59 Figura 3.10 - Dimensões dos corpos de prova de tração(a) e tenacidade ao impacto (Charpy entalhe V) (b) do metal de solda... 59 Figura 3.11 - Dimensões do corpo de prova de tração do aço CA-6NM segundo as orientações das normas ASTM A 743-98a e ASTM A 370-03a... 60 Figura 3.12 Desenho esquemático indicando o local de retirada do corpo de prova de tração do bloco de aço CA-6NM (a) Vista de frente; (b) Vista de cima... 61 Figura 3.13 Desenho esquemático indicando o local de retirada do corpo de prova de tenacidade ao impacto (Charpy entalhe V) do bloco de aço CA-6NM. (a) Vista de frente; (b) Vista de cima... 61 Figura 3.14 - Dimensões do corpo de prova de tenacidade ao impacto (Charpy entalhe V) do aço CA-6NM segundo as orientações das normas ASTM A 781-00 e ASTM A 370-03a... 62 Figura 4.1 Perdas de massa dos corpos de prova ensaiados (a) do aço CA-6NM, (b) do metal depositado como soldado e dos corpos de prova na mesma condição ensaiados
por Vaz e (c) do metal depositado tratado termicamente... 64 Figura 4.2 Perda média de massa acumulada ao longo do tempo dos corpos de prova ensaiados, comparativamente com os dados de Vaz... 65 Figura 4.3 Retas obtidas através da regressão linear dos dados obtidos nos ensaios no intervalo de 45 a 480 minutos e 120 a 480 minutos nos ensaios realizados por Vaz... 66 Figura 4.4 Taxas de perda de massa ao longo dos ensaios de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica.... 67 Figura 4.5 Superfície cavitada do corpo de prova do aço CA-6NM Aumento 10x Setas indicam crateras alongadas no sentido radial adjacentes à periferia e crateras circulares próximas ao centro... 69 Figura 4.6 Superfície cavitada do corpo de prova do metal depositado como soldado Aumento 10x - Setas indicam maior intensidade de danos próximos ao centro do que na periferia... 70 Figura 4.7 - Superfície cavitada do corpo de prova do metal depositado tratado termicamente Aumento 10x - Setas indicam maior intensidade de danos próximos ao centro do que na periferia... 70 Figura 4.8 - Superfície cavitada do corpo de prova do aço CA-6NM Região intermediária Aumento 500x (foto à esquerda) e 2000x (foto à direita) - Setas: regiões mais danificadas... 71 Figura 4.9 - Superfície cavitada do corpo de prova do metal depositado como soldado Região intermediária Aumento 500x (foto à esquerda) e 2000x (foto à direita) - Setas: regiões mais danificadas... 71 Figura 4.10 - Superfície cavitada do corpo de prova do metal depositado tratado termicamente Região intermediária Aumento 500x (foto à esquerda) e 2000x (foto à direita) - Setas: regiões mais danificadas... 71 Figura 4.11 Diagrama de Schaeffler mostrando as microestruturas esperadas considerando-se as composições químicas do aço CA-6NM e do metal de solda 13%Cr, 4%Ni, 0,4%Mo... 73 Figura 4.12 Microestrutura representativa do aço ASTM A 743 CA-6NM (a) Ataque com Klorpikrin 160 e aumento de 1000x (b) Ataque com Villela e aumento de 2000x... 74 Figura 4.13 Microestrutura representativa do metal depositado como soldado (a) Ataque com Klorpikrin 160 e aumento de 1000x (b) Ataque com Villela e aumento
de 2000x... 75 Figura 4.14 Microestrutura representativa do metal depositado tratado termicamente (a) Ataque com Klorpikrin 160 e aumento de 1000x (b) Ataque com Villela e aumento de 2000x... 75 Figura 4.15 Filme obtido do ensaio não destrutivo de radiografia dos corpos de prova do aço CA-6NM (setas indicam regiões com poros)... 79 Figura 4.16 Filme obtido do ensaio não destrutivo de radiografia dos corpos de prova de metal de solda na condição como soldado... 79 Figura 4.17 Filme obtido do ensaio não destrutivo de radiografia dos corpos de prova de metal de solda na condição tratado termicamente... 80 Figura 4.18 Faixa usual de valores de tenacidade ao impacto obtidos em ensaios de Charpy com entalhe em V no aço inoxidável martensítico macio ASTM A 743 CA- 6NM... 83 Figura 4.19 Fotos tiradas através de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) mostrando as superfícies fraturadas dos corpos de prova de tração... 84
LISTA DE TABELAS Pág. TABELA 2.1 Aços Estruturais utilizados em Turbinas Hidráulicas e seus Componentes...17 TABELA 2.2 Propriedades Físicas e Mecânicas típicas do aço fundido CA-6NM... 28 TABELA 3.1 - Composição química do arame tubular T13 4 M M 2... 46 TABELA 3.2 - Propriedades mecânicas do arame tubular T13 4 M M 2 (mínimos requeridos)... 46 TABELA 3.3 - Parâmetros utilizados para a soldagem das chapas de teste... 49 TABELA 3.4 Métodos de análise química utilizados... 51 TABELA 3.5 Soluções utilizadas para preparação do reagente Klorpikrin 160... 53 TABELA 3.6 Solução utilizada para preparação do reagente Villela... 54 TABELA 4.1 Coeficientes dos polinômios de primeira ordem e coeficientes de correlação... 66 TABELA 4.2 Análise química da amostra do aço CA-6NM... 72 TABELA 4.3 Resultado de dureza Brinell do aço CA-6NM... 76 TABELA 4.4 Resultados de dureza Vickers do aço CA-6NM e do metal de solda nas condições soldado e tratado termicamente... 77 TABELA 4.5 Valores obtidos através do ensaio de tração do corpo de prova do aço ASTM A 743 CA-6NM e do metal de solda nas condições como soldado e tratado termicamente... 80 TABELA 4.6 Valores obtidos através dos ensaios de tenacidade ao impacto (Charpy V) dos corpos de prova do metal de solda 13%Cr, 4%Ni, 0,4%Mo e do aço CA-6NM 82 TABELA 8.1: Perda de massa acumulada dos corpos de prova... 98 TABELA 8.2: Média da perda de massa acumulada e desvio padrão (σ)... 99 TABELA 8.3: Perda de massa a cada intervalo de medição... 100
RESUMO A partir do momento do início de seu funcionamento na usina hidrelétrica, rotores e componentes de turbinas hidráulicas estão sujeitos aos danos decorrentes do fenômeno da cavitação. Sendo assim, tudo que puder ser feito de forma a minimizar estes danos cavitacionais trará vantagens como o aumento da vida útil, redução do tempo de paradas para reparos, aumento da disponibilidade da turbina para geração de energia e garantia de uma boa eficiência energética por mais tempo. Um caminho para esta redução destes danos é a utilização de técnicas específicas e de materiais mais resistentes aos mesmos. Este trabalho teve como objetivo avaliar comparativamente o desempenho do aço inoxidável martensítico macio fundido tipo CA-6NM, normalmente empregado na construção de rotores e componentes de turbinas hidráulicas, e do metal de solda tipo 13%Cr, 4%Ni e 0,4%Mo, normalmente empregado na construção e reparo destes mesmos, quanto à resistência à erosão por cavitação. A retirada dos corpos de prova do aço inoxidável foi feita a partir de blocos fundidos e tratados conforme a norma ASTM A 743 especificação CA-6NM. Os corpos de prova de metal depositado foram retirados de chapas de teste soldadas com um arame tubular com fluxo interno metálico, sendo utilizado como gás de proteção a mistura 98%Ar-2%O 2. O metal depositado foi avaliado nas condições como soldado e tratado termicamente a 590 C por 8 horas. O metal depositado na condição como soldado apresentou o melhor desempenho durante o ensaio de erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica realizado segundo a norma ASTM G 32, se comparado ao tratado termicamente e ao aço CA- 6NM, sendo que este último apresentou o pior desempenho. Os ensaios realizados indicaram, tanto para o aço CA-6NM como para o metal depositado, a existência de uma relação direta entre o limite de resistência à tração e a dureza com a resistência à erosão por cavitação. Além disso, verificou-se que nas condições em que se obteve menor tenacidade ao impacto no ensaio Charpy (entalhe V), foi observada melhor resistência à erosão por cavitação induzida por vibração ultrassônica. Palavras chave: usinas hidrelétricas; turbinas hidráulicas; cavitação; aços inoxidáveis martensíticos macios; reparos; soldagem; tratamento térmico.
ABSTRACT Runners and hydraulic turbine components are subjected to damage due to cavitation phenomena starting at their beginning of service at the hydroelectric plant. Therefore, anything that can be done to minimize cavitational damage will bring advantages such as an increase in service life, reduction in time of repair stops, increase in turbine availability for power generation and assurance of good energetic efficiency for a longer time. One way to minimize this damage is to use specific techniques and materials more resistant to cavitation erosion. The purpose of this work is to comparatively analyze the performance against cavitation erosion of the soft martensitic cast stainless steel classified as CA-6NM, normally used in the construction of hydraulic turbine runners and components, versus the 13%Cr, 4%Ni, 0,4%Mo weld metal type, normally applied in the construction and repair of those components. The cast stainless steel test coupons were taken from cast and heat treated blocks which were made according to ASTM A 743 CA-6NM specification. The weld metal test coupons were taken from test plates welded with a metal cored wire and with 98%Ar-2%O 2 shielding gas. The deposited weld metal was analyzed both in as welded and heat treated at 590 C for 8 hours conditions. This weld metal in the as welded condition presented the best performance during the ultrasonic vibratory induced cavitation erosion test performed according to the ASTM G 32 Standard, if compared with the same weld metal in the heat treated condition and with the CA-6NM steel, the last one presenting the worst performance amongst all. Tests indicated, both for CA-6NM steel and for the deposited alloy, the existence of a direct relation between the ultimate tensile strength and hardness with the resistance to cavitation erosion. In addition, it was possible to come to the conclusion that, in the conditions where the lowest impact values measured by Charpy (V-notch) test were obtained, the best ultrasonic vibratory induced cavitation erosion resistance was observed. Key Words: hydroelectric plants; hydraulic turbines; cavitation erosion; soft martensitic stainless steel; repair; welding; heat treatment.
1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS 1.1 Introdução Nas últimas décadas, a eletricidade contribuiu significativamente para o desenvolvimento social e econômico do Brasil, tornando-se o serviço público de mais ampla difusão, passando de 38% dos lares atendidos em 1960 (1) para 97% em 2006 (2). O rápido crescimento da oferta de eletricidade foi possível graças à utilização de uma maior parcela do potencial hidrelétrico do país, com investimentos maciços em empreendimentos de grande porte, onde se destaca a Usina Hidrelétrica de Itaipu, uma das maiores do mundo (1). Entretanto, considerando que o Brasil apresenta o terceiro maior potencial hidrelétrico do mundo, atrás apenas do Canadá e Estados Unidos (3), estudos mostram que a parcela deste potencial utilizada é ainda de apenas cerca de 25% do total disponível (4). O grande potencial hídrico faz com que o sistema elétrico brasileiro tenha um predomínio nítido das usinas hidrelétricas sobre todas as outras formas de geração de energia, com usinas de grande porte com imensos reservatórios, muitos deles localizados a grandes distâncias dos principais centros de consumo (1). Na matriz brasileira de produção de energia elétrica, atualmente a participação hidrelétrica alcança cerca de 73% (5), fazendo com que o sistema gerador brasileiro seja, em termos mundiais, muito diferenciado dos demais países. No restante do mundo, a participação hidrelétrica nas fontes primárias de geração de energia é de apenas 16,1%, predominando a energia provinda de centrais a carvão mineral, com 39,8% da participação (5). Os projetos de geração a base hidrelétrica em potências mais elevadas se caracterizam como projetos de desembolso de capital inicial muito elevado durante a fase de implantação, com fluxos de caixa ocorrendo ao longo de períodos muito longos, podendo assim sofrer grandes influências de variações macroeconômicas, além das dificuldades ambientais referentes à inundação de grandes áreas para a criação de
2 reservatórios de regularização (muitas vezes implicando no deslocamento de populações com a necessidade de indenização dessas) e da aleatoriedade das chuvas necessárias ao enchimento dos reservatórios, sem a qual as usinas não apresentam receitas (1). Esta alta dependência das chuvas, aliada à falta de investimentos em geração de energia levou, no ano de 2002, a uma grande crise energética que ficou marcada com o nome de escândalo do apagão. No início da crise levantou-se a hipótese de que talvez fossem necessários grandes cortes forçados de energia em todo Brasil, aos quais deu-se o nome de "apagão". Com o passar do tempo, a possibilidade de cortes foi descartada, adotando-se apenas algumas medidas de economia de energia e racionamento. No entanto, o termo apagão ganhou uma grande popularidade, e acabou denotando toda a crise energética, e não apenas os eventuais cortes forçados (6). Embora o atual governo descarte uma nova crise nos próximos anos, entidades do setor acreditam nesta hipótese, principalmente se o Produto Interno Bruto do país crescer mais do que o esperado no período (7). Todavia, devido ao baixo custo relativo deste tipo de energia comparado com outros e pelo grande potencial hidráulico ainda restante, o Plano Decenal de Expansão de Energia Elétrica 2006-2015, que contém as diretrizes para atuação do Ministério de Minas e Energia no médio prazo ressalta a eficiência da geração hidráulica, prevendo que a matriz energética brasileira continue tendo 73% de participação das hidrelétricas em 2015 (8). As turbinas hidráulicas desempenham um papel fundamental na geração da energia em uma usina hidrelétrica, sendo projetadas para transformar a energia potencial gravitacional de um fluxo de água em energia cinética e, acopladas a um gerador elétrico, em energia elétrica. Seus rotores podem ser de vários tipos, escolhidos a partir das condições locais e de parâmetros de projeto, como por exemplo, vazão, altura da queda d água e carga a ser atendida. Os materiais escolhidos como matéria-prima para a produção de seus componentes devem proporcionar um baixo custo de fabricação associado a um bom desempenho quando em operação. Desta forma, é fundamental compreender os mecanismos que regem o desgaste destes componentes durante sua vida útil e conhecer o comportamento dos materiais que os compõem quanto ao efeito deste desgaste.
3 Apesar da erosão por cavitação em sistemas hidráulicos ser um problema conhecido há bastante tempo, os mecanismos de formação dos danos cavitacionais ainda não estão completamente desvendados (9)(10). Diversos tipos de ensaios de laboratório que simulam a erosão por cavitação desempenham um importante papel no estudo dos mecanismos de formação dos danos e do comportamento dos materiais quanto à resistência ao fenômeno, porém a geração do mesmo em escala laboratorial esbarra na dificuldade de simular exatamente as condições reais de operação de um componente de turbina hidráulica. Até o final da década de 60, a maioria dos rotores das turbinas hidráulicas e alguns de seus acessórios eram feitos de aços carbono-manganês (C-Mn) fundidos contendo em torno de 0,2% de carbono, sendo que as áreas dos rotores mais susceptíveis à erosão por cavitação eram protegidas por uma camada de revestimento soldada ou revestida com um aço inoxidável austenítico, material mais resistente a este fenômeno e à corrosão. Ao longo dos anos, os aços inoxidáveis martensíticos macios (AIMM) contendo 11 a 13%Cr, 1 a 6%Ni e um máximo de 0,06%C, sendo mais comum o de especificação ASTM A 743 CA-6NM, foram ganhando espaço na fabricação de componentes de turbinas, devido à sua maior resistência à erosão por cavitação aliada a custos competitivos, dentre outras vantagens (11). Paralelamente, foram desenvolvidos consumíveis para a soldagem de construção e reparo dos componentes feitos destes novos materiais, destacando-se os arames sólidos e tubulares devido principalmente à economia de tempo de soldagem proporcionada pelos mesmos. Para a soldagem de fabricação de rotores feitos de aços inoxidáveis martensíticos macios fundidos tais como o CA-6NM, consumíveis que depositam 13%Cr, 4%Ni, 0,4%Mo e um máximo de 0,04%C são os mais indicados, principalmente pela similaridade de propriedades destes com o metal de base. O teor de carbono mais baixo tem como objetivo reduzir a dureza da solda, reduzindo assim a susceptibilidade a trincas a frio. No caso da soldagem de reparo dos componentes de turbinas hidráulicas feitos com este tipo de aço, este mesmo tipo de consumível é indicado sendo, no entanto, mais comum a utilização de ligas de aço inoxidável austenítico devido ao fato de as mesmas não requererem a realização de pré-
4 aquecimento ou controle da temperatura entre passes. Outra opção são as ligas com 8 a 10%Co que apresentam maior resistência à erosão por cavitação que as demais opções, apresentando, entretanto um maior custo. O comportamento quanto à erosão por cavitação das diversas ligas soldadas e dos aços fundidos utilizados na fabricação e reparo dos componentes de turbinas hidráulicas tem sido amplamente pesquisado, entretanto poucos são os trabalhos que se dedicam a estudar comparativamente os comportamentos dos materiais fundidos e dos soldados quanto a este fenômeno. 1.2 Objetivos Este trabalho tem como objetivo avaliar a resistência do metal depositado 13%Cr, 4%Ni e 0,4%Mo e do aço inoxidável martensítico macio ASTM A 743 CA-6NM comparativamente quanto à erosão por cavitação acelerada induzida por ultra-som. O metal depositado foi obtido através da soldagem com o arame tubular EN 12073 T13 4 M M 2 e o gás de proteção 98%Ar-2%O 2 e avaliado nas condições como soldado e após a realização de tratamento térmico específico. O aço inoxidável CA-6NM foi avaliado na condição de fabricação, temperado e revenido, conforme indicado na norma correspondente e nas condições como é fornecido para o uso em campo.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 5 2.1 Usinas hidrelétricas Uma usina hidrelétrica é um complexo constituído por um conjunto de obras e de equipamentos que têm por finalidade produzir energia elétrica através do aproveitamento do potencial hidráulico existente em um curso d água (3). Na usina hidrelétrica, a eletricidade é produzida pela conversão de energia potencial gravitacional de uma massa de água em energia mecânica na turbina e desta em energia elétrica no gerador. Para aproveitar o potencial hídrico de um curso d água, geralmente é feita uma barragem de forma a interromper seu curso normal, a qual provoca a formação de um lago artificial denominado reservatório. A barragem é atravessada por tubos (condutos forçados), que conduzem a água do reservatório até as turbinas, instaladas em um nível mais baixo (1)(3). A Figura 2.1 mostra um diagrama esquemático de uma usina hidrelétrica. Figura 2.1 Usina Hidrelétrica Diagrama Esquemático (12)
6 Figura 2.2 Usina hidrelétrica de Itaipu (13) A Usina hidrelétrica de Tucuruí, por exemplo, constitui-se numa das maiores obras da engenharia mundial e é a maior usina brasileira em potência instalada com seus 8.000 MW previstos, uma vez que a Usina de Itaipu, mostrada na Figura 2.2, é binacional. Ela apresenta, ainda, juntamente com a Usina de Três Gargantas na China, o maior vertedouro do mundo, o qual permite a passagem de uma vazão de até 120.000 m 3 /s em seu limite (3). Uma desvantagem das usinas hidrelétricas é a localização destas cada vez mais distantes dos centros de consumo, uma vez que dependem da disponibilidade dos recursos hídricos, o que cria a necessidade de altos investimentos em linhas de transmissão de energia para o escoamento da produção. Além disso, estudos recentes mostram que a grande reserva de biomassa depositada no fundo dos reservatórios deteriora-se liberando gases como o dióxido de carbono e o metano, que contribuem para o aumento do efeito estufa (1). Segundo ambientalistas, esse tipo de construção gera graves impactos ambientais, também devido à necessidade de inundação de grandes áreas verdes. Os próprios relatórios da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel) indicam os problemas ambientais como a principal causa de atrasos no cronograma energético brasileiro (8)(14).
7 A energia gerada em usinas hidrelétricas é uma energia limpa (principalmente quando comparada às termelétricas, que causam maior aumento do efeito estufa e até mesmo chuvas ácidas nos locais onde se apresentam em grandes concentrações) e renovável sendo nulo o preço pago pelo seu combustível, a água, fato que faz com que não apresente grandes oscilações em seus custos em função de variações nos preços dos energéticos nos mercados mundiais, principalmente os derivados de petróleo (1). Além disso, a eficiência energética das hidrelétricas é alta, geralmente atingindo em torno de 90%, enquanto que as usinas a carvão mineral, principais fontes de geração de energia do mundo, apresentam eficiência de aproximadamente 30% (15). 2.2 Turbinas hidráulicas Turbinas são equipamentos construídos para converter energia mecânica e térmica contida em um fluido, em trabalho de eixo. Podem ser usadas para movimentar um outro equipamento mecânico rotativo, como uma bomba ou ventilador, ou para a geração de eletricidade e, nesse caso, são ligadas a um gerador. Outra aplicação é na área de propulsão naval, ou aeronáutica (16). Os principais tipos encontrados são: turbinas a vapor, a gás, hidráulicas, aeronáuticas e eólicas, sendo que a principal diferença entre os diversos tipos é o fluido de trabalho. Em decorrência disso, é claro, há outras, tais como a temperatura máxima de operação, potência máxima, vazão de fluido, pressão de trabalho e os detalhes construtivos e dimensões (16). A forma construtiva básica é a mesma para todos os tipos: um rotor dotado de um certo número de pás ou palhetas, ligado a um eixo que gira sobre um conjunto de mancais de deslizamento. Todos os tipos podem ter uma rotação fixa ou variável, dentro de uma determinada faixa. Entretanto, quando são usadas para a geração de energia elétrica, a rotação geralmente é mantida num valor fixo para manter a frequência da rede constante (16). As turbinas hidráulicas são projetadas para transformar a energia mecânica (a energia