Trefilação a frio, laminação a frio, curvatura a frio, expansão a frio e torção a frio são métodos comuns de processamento para a fabricação de tubos de aço inoxidável ou tubos de aço resistentes ao calor para trocadores de calor, etc., utilizando tubos de aço inoxidável sem costura ou soldados. A excelente plasticidade do aço inoxidável, especialmente o aço inoxidável austenítico, torna o trabalho a frio (TF) acima mencionado geralmente fácil de realizar; no entanto, todos esses trabalhos a frio, assim como a soldagem, inevitavelmente prejudicam o desempenho dos tubos de aço inoxidável, principalmente a resistência à corrosão ou ao calor. Eliminar, reduzir ou controlar esses danos sempre foi o foco de atenção na fabricação e no processamento subsequente de tubos de aço inoxidável. O tratamento térmico de solubilização ou recozimento antes da entrega é a maneira mais eficaz de eliminar os efeitos nocivos do trabalho a frio. No entanto, esse método, por um lado, requer aquecimento em alta temperatura e tratamento de decapagem, o que aumenta significativamente o custo de fabricação e o ciclo de produção. Além disso, há também problemas como o descarte, tratamento e avaliação de gases e efluentes, como névoa ácida. Portanto, alguns fabricantes omitem esse processo para reduzir custos ou cumprir prazos. Alguns usuários compram esses produtos para economizar dinheiro, o que é extremamente imprudente e pouco rentável. Por outro lado, pode ser difícil implementar esse processo para certos produtos ou condições de aplicação. Portanto, controlar o grau de trabalho a frio (deformação por trabalho a frio) e realizar recozimento localizado para alívio de tensões em baixa temperatura tornaram-se duas outras maneiras práticas de reduzir ou controlar seus efeitos nocivos, mas suas condições de aplicação, incluindo a diferença nos tipos de aço, ainda são controversas.
1. Danos e eliminação do impacto do trabalho a frio no desempenho de tubos de aço inoxidável
1.1 Os danos ao desempenho de tubos de aço inoxidável causados pelo trabalho a frio, resultante da deformação plástica à temperatura ambiente, provocam o endurecimento por trabalho a frio, ou seja, o material aumenta sua dureza e resistência, perdendo parcial ou totalmente sua plasticidade original, o que inevitavelmente prejudica sua resistência à corrosão ou ao calor.
1.2 Métodos para eliminar danos
O tratamento térmico de solubilização final de tubos de aço inoxidável austenítico e duplex antes da entrega, e o tratamento térmico de recozimento final de tubos de aço inoxidável ferrítico antes da entrega, visam eliminar eficazmente os danos ao desempenho causados pelo trabalho a frio, soldagem e outros trabalhos a quente mencionados anteriormente. Por isso, as normas para tubos de aço inoxidável da maioria dos países, especialmente as normas europeias unificadas para tubos de aço inoxidável, estipulam que todos os tubos sem costura de aço inoxidável devem ser fornecidos em estado de solubilização ou recozidos. Usuários nacionais relataram que tubos sem costura de aço inoxidável austenítico 316L apresentam corrosão por pite logo após serem imersos em água do mar (o aço inoxidável 316L não é um material ideal para corrosão ou imersão em água do mar, mas não é normal encontrar corrosão por pite após uma única imersão). O tratamento de solubilização final inadequado provavelmente resulta em um produto de baixa qualidade. O tratamento térmico de solubilização ou recozimento final é um processo muito importante e indispensável na fabricação de tubos sem costura de aço inoxidável.
2. Curvatura a frio e tratamento térmico de alívio de tensões em tubos de aço inoxidável
A curvatura a frio é um método comum de processamento a frio para tubos de aço inoxidável, que pode ser realizado por fabricantes de tubos de aço, usuários ou fabricantes profissionais de conexões para tubos. A necessidade ou não de realizar tratamento térmico de alívio de tensões após a curvatura a frio, bem como a forma de realizar esse tratamento, são frequentemente pontos de divergência entre fabricantes e usuários em pedidos. Essa questão já foi estipulada em normas internacionais para dutos, mas ainda existem pontos que merecem ser discutidos.
2.1 Curvatura a frio e tratamento térmico de alívio de tensões em tubos de aço inoxidável
A curvatura a frio é um método comum de processamento a frio para tubos de aço inoxidável, que pode ser realizado por fabricantes de tubos de aço, usuários ou fabricantes profissionais de conexões para tubos. A necessidade ou não de realizar tratamento térmico de alívio de tensões após a curvatura a frio, bem como a forma de realizar esse tratamento, são frequentemente pontos de divergência entre fabricantes e usuários em pedidos. Essa questão já foi estipulada em normas internacionais para dutos, mas ainda existem pontos que merecem ser discutidos.
2.2 Para aplicações que suportam cargas cíclicas ou ambientes de corrosão sob tensão.
Em relação a aplicações que suportam cargas cíclicas ou ambientes de corrosão sob tensão, as normas europeias e americanas apresentam algumas diferenças. A norma americana estipula que, para materiais com requisitos de ensaio de impacto, o alívio de tensões ou o tratamento de solubilização devem ser realizados quando o alongamento máximo calculado da fibra for de 5% após a curvatura ou quando houver outros requisitos. Tubos em forma de U utilizados em trocadores de calor, como aquecedores de água de alimentação e condensadores em usinas de energia que operam em meios de água/vapor de alta temperatura e alta pressão, são sensíveis à fissuração por corrosão sob tensão devido aos íons cloreto e ao teor de oxigênio no meio. Portanto, as duas normas americanas (as únicas no mundo) ASTM A688/A688M e A803/A803M para tubos de aço inoxidável sem costura e soldados para aquecedores de água de alimentação, e a norma japonesa JISG 3463 para tubos de aço inoxidável para caldeiras e trocadores de calor, estipulam que os usuários podem exigir que os tubos em forma de U sejam submetidos a tratamento térmico de alívio de tensões localizado após a curvatura. A norma francesa de fabricação de reatores nucleares RCC-M3319 estipula que os tubos em forma de U devem passar pelo teste de corrosão sob tensão com MgCl2 após a curvatura, para determinar se é necessário um tratamento térmico de alívio de tensão após a curvatura.
3. Tubos torcidos e permutadores de calor torcidos
Um trocador de calor composto por tubos torcidos (tubos torcidos trabalhados a frio, TwistedTube) é utilizado no exterior. Suas características são: um único tubo de aço é torcido a 60° por passo, e 7 tubos de aço formam uma unidade de trocador de calor torcido. Diz-se que suas vantagens são a estrutura compacta, a alta eficiência térmica e a capacidade de reduzir a zona morta de estagnação do fluxo externo. É uma estrutura ideal para trocadores de calor em espaços reduzidos. Cálculos e análises mostram que a deformação plástica formada pelo trabalho a frio com torção é de apenas 4% a 14%, e sua temperatura de operação não ultrapassa 540°C. De acordo com as disposições do "Código ASME de Caldeiras e Vasos de Pressão", o recozimento para alívio de tensões não é necessário. No entanto, após testes de corrosão sob tensão de acordo com a norma ASTMG36, comprovou-se que os tubos torcidos de aço inoxidável austenítico 316 e 321 devem ser submetidos a recozimento de alívio de tensões ou recozimento de solubilização para obter boa resistência à corrosão sob tensão, sendo o desempenho dos tubos de aço inoxidável 321 muito superior ao dos tubos de aço inoxidável 316.
4. Tubos torcidos e tubos em U de aço inoxidável duplex
Os resultados dos testes realizados no exterior demonstraram que não é apropriado realizar recozimento de alívio de tensões em tubos torcidos ou em U de aço inoxidável duplex. Os resultados atuais dos testes exigem R≥5,33d0 para tubos de aço inoxidável duplex 2205, mas R≥1,5d0 para tubos de aço inoxidável superduplex 2507. As razões são: ① O aço inoxidável duplex possui excelente resistência à corrosão por pite e à corrosão sob tensão, e quanto maior o valor PRE (valor equivalente de resistência à corrosão por pite), melhor a resistência à corrosão sob tensão do material. ② O recozimento de alívio de tensões localizado em baixa temperatura afetará o equilíbrio de fases e os compostos intermetálicos da matriz, ou seja, a precipitação de fases frágeis causará maior prejuízo à resistência à corrosão. Esses resultados de pesquisa demonstram que os tubos de aço inoxidável duplex podem ser um material mais adequado para trocadores de calor, e também justificam a cautela da American Welding Society e das normas ASMEB 31.3 em relação às suas regulamentações de tratamento térmico.
5. Método de recozimento para alívio de tensões em tubos em forma de U
Tanto métodos nacionais quanto estrangeiros utilizam aquecimento por resistência ou aquecimento localizado em forno para realizar o recozimento de alívio de tensões localizado em tubos em forma de U, mas qual método é mais eficaz ou adequado é frequentemente alvo de controvérsia. Os resultados de pesquisas recentes nos Estados Unidos mostram que o aquecimento por resistência é um método mais adequado e eficaz. As razões são as seguintes: ① A corrente alternada de frequência industrial pode ser introduzida diretamente a partir do ponto de corte do tubo em forma de U, a 250 mm de distância, através do eletrodo de fixação, e a seção curvada do tubo pode ser aquecida a 1010~1065 °C em um curto período de tempo (cerca de 10 s), com consumo de energia muito baixo; ② O pirômetro óptico pode ser usado para controlar automaticamente a temperatura da zona de aquecimento; ③ A parede interna é preenchida com gás argônio para prevenir eficazmente a oxidação; ④ Após o aquecimento, o resfriamento por ar forçado pode ser usado para resfriar rapidamente a temperatura para abaixo de 425 °C em 2 a 3 minutos, apresentando uma película de óxido fina e densa, amarela ou azul-clara, que atende aos altos padrões de uso sem a necessidade de decapagem.
6. Conclusão
(1) O processamento a frio, como a trefilação e a laminação a frio, causa o endurecimento a frio do aço inoxidável, especialmente do aço inoxidável austenítico, e induz a formação de discordâncias na rede cristalina, transformação de fase martensítica, precipitação de carbonetos, aumento do magnetismo e tensões residuais, reduzindo assim sua resistência à corrosão. O recozimento ou o tratamento térmico de solubilização após o trabalho a frio podem eliminar eficazmente esses efeitos adversos; portanto, tubos sem costura de aço inoxidável austenítico e tubos soldados de aço inoxidável processados a frio devem ser fornecidos em estado de solubilização ou recozimento para garantir eficazmente sua resistência à corrosão.
(2) Além da fissuração por corrosão sob tensão e das condições ambientais onde existe risco de fadiga por corrosão devido à alternância de tensões, o controle do grau de trabalho a frio é outra forma de evitar seus efeitos adversos. Isso é especialmente importante para trabalhos a frio localizados, como curvatura a frio e expansão a frio, que são difíceis de recozimento. Contanto que o raio de curvatura a frio de tubos de aço inoxidável austenítico seja controlado para não ser inferior a 1,5d0, e o raio de curvatura a frio de tubos de aço inoxidável ferrítico e duplex seja superior a 2,5d0, geralmente não é necessário realizar recozimento de alívio de tensões após a curvatura a frio.
(3) Para curvas que exigem resistência à fissuração por corrosão sob tensão, como curvas em forma de U de aço inoxidável austenítico para trocadores de calor que operam em condições de água ou vapor de alta temperatura e alta pressão, o recozimento de alívio de tensão eficaz deve ser realizado após a curvatura a frio, independentemente do tamanho do raio de curvatura a frio.
(4) O aço inoxidável 06Cr19Ni11Ti (321) tem melhor resistência à fissuração por corrosão sob tensão do que o 316L e é um material de tubo de aço austenítico mais adequado para trocadores de calor de tubo em U. Os tubos em U de aço inoxidável duplex não são adequados ou não devem ser submetidos a recozimento de alívio de tensão local após curvatura ou torção a frio.
(5) Tubos de aço inoxidável torcidos a frio podem formar um novo tipo de trocador de calor com estrutura compacta e maior eficiência de troca de calor, o que merece a atenção de exploração e desenvolvimento dos departamentos de projeto e aplicação relevantes.
(6) Os tubos em U de aço inoxidável duplex não são adequados ou não devem ser submetidos a recozimento de alívio de tensão local após curvatura ou torção a frio.
(7) O aquecimento por resistência é um método de tratamento térmico de alívio de tensão local que é mais econômico em termos de energia e tempo do que o aquecimento indireto no forno, é fácil de implementar o controle automático e deve ser promovido como prioridade.
(8) As normas europeias e americanas para tubagens (ASMEB31.1-2012, ASMEB31.3-2012, BSEN13480-4:2012) contêm regulamentos atualizados e detalhados sobre o tratamento térmico de tubos de aço inoxidável após conformação a frio/quente, que merecem grande atenção.
Data da publicação: 06/11/2024