Graças à sua excelente resistência à corrosão, o aço inoxidável 304 encontra ampla aplicação em equipamentos e peças que exigem boas propriedades abrangentes, como conformabilidade e resistência à corrosão. É amplamente empregado em diversas indústrias, incluindo equipamentos químicos, vasos de pressão, entre outros.
Leitura relacionada: Classes de aço inoxidável
A tubulação de ácido sulfúrico em uma fábrica de fertilizantes conecta a saída (0,82 MPa) da bomba de ácido sulfúrico ao reator.
A bomba tem vazão de 14 m3/h, altura manométrica de 63 m, concentração de ácido sulfúrico de 93,5% e opera em temperatura normal.
A tubulação foi substituída em 2016, mas após dois anos de uso houve vazamento de líquido na solda da tubulação de descarga na entrada e saída da bomba, bem como no flange de gargalo alto na interface do manômetro.
Após a limpeza e teste de penetração da parede do tubo, foram descobertas rachaduras (consulte a Fig. 1).
Com base nos dados originais, o tubo de aço é feito de aço inoxidável 304, tem diâmetro DN50 e espessura de parede de 3,5 mm.
Após a soldagem foi realizado o teste de penetração e o resultado foi satisfatório.
Ao cortar e amostrar o tubo de aço, descobriu-se que a infiltração está localizada na área da solda onde foram encontradas trincas.
Fig. 1 Posição de fissuração e morfologia do tubo de ácido sulfúrico
Para identificar a causa da fissuração por corrosão e prevenir o risco de recorrência, este artigo tem como objetivo analisar a composição química, microscópio metalográfico e microscópio eletrônico de varredura do tubo de aço inoxidável com defeito. Ao fazer isso, podemos determinar a causa raiz da falha e sugerir medidas preventivas eficazes.
1. Método de teste
(1) Análise de composição química
O espectrômetro de leitura direta ARL-4460 é utilizado para detectar a composição química do metal base e da solda do tubo de aço inoxidável, com a finalidade de determinar se atendem aos requisitos da norma.
(2) Análise microscópica metalográfica
Corte uma amostra do ponto de penetração do líquido conforme mostrado na Figura 1c. A amostra deve incluir o metal base, a solda e a zona afetada pelo calor. Em seguida, execute pré-desbaste, desbaste, desbaste fino e polimento na amostra.
Depois, utilize um microscópio metalográfico OLYMPUS-GX51 para observar quaisquer inclusões não metálicas presentes na amostra. Em seguida, ataque a amostra com uma solução aquosa de cloreto férrico e ácido clorídrico. Por fim, observe a estrutura da amostra ao microscópio metalográfico conforme mostrado na Figura 2.
Figura 2 amostra metalográfica
(3) análise SEM
Usando um alicate hidráulico, rasgue a amostra ao longo da rachadura, depois escaneie e observe a superfície da rachadura usando o microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo térmico Hitachi S-3400. Em seguida, realize a análise do espectro de energia com um espectrômetro de energia EDAX.
2. Resultados e discussão
(1) Análise de composição química
A Tabela 1 mostra a composição química do metal base e da solda de um tubo de aço inoxidável.
Conforme mostrado na Tabela 1, a composição química do tubo de aço inoxidável adquirido pela empresa é inferior ao padrão tanto para o metal base quanto para o metal de solda. No entanto, o conteúdo de outros elementos atende aos requisitos da norma.
O cromo (Cr) é o principal elemento resistente à corrosão no aço inoxidável. Quando o teor de Cr é baixo, a resistência à corrosão do aço inoxidável diminuirá.
Tabela 1 Composição Química de Materiais de Tubos de Aço Inoxidável (Fração de Massa (%)
| Elemento | C | Si | Mn | P | S | Cr | Não |
| GB/T4237—2015 | ≤0,07 | ≤0,75 | ≤2,00 | ≤0,045 | ≤0,030 | 17h50~19h50 | 8,0~10,5 |
| Metal básico | 0,07 | 0,39 | 0,99 | 0,033 | 0,011 | 17h36 | 10.14 |
| Cordão de solda | 0,07 | 0,40 | 1,00 | 0,030 | 0,013 | 16,85 | 10.03 |
(2) Análise microscópica metalográfica
Inicialmente, o corpo de prova foi submetido a polimento mecânico e a distribuição das inclusões não metálicas foi observada ao microscópio sem ataque químico.
Após observação, descobriu-se que havia poucas inclusões não metálicas, mas estavam presentes inclusões únicas e de grande porte, classificadas como Ds2 (consulte a Fig. 3a).
A presença de inclusões não metálicas pode perturbar a continuidade da matriz, diminuir as suas propriedades mecânicas e aumentar a sua suscetibilidade a fraturas.
As inclusões não metálicas também podem reduzir a espessura do filme passivo (filme de óxido) formado na superfície do substrato de aço inoxidável, levando primeiro à corrosão da junção entre as inclusões e o substrato. Posteriormente, a corrosão local na interface pode se estender ao substrato, resultando em corrosão por pites.
Além disso, a presença de inclusões não metálicas pode promover fragilização dos limites dos grãos e corrosão intergranular, reduzindo assim a resistência à corrosão do material.
Fig. 3 Microestrutura da fratura da amostra após corrosão
A amostra polida foi submetida a ataque químico e sua estrutura foi observada em microscópio metalográfico.
A Figura 3b representa a micrografia do metal base da amostra. A estrutura é austenita monofásica (com gêmeos), sem anormalidades encontradas no contorno de grão. O tamanho médio do grão do metal é grau 7.
A Figura 3c mostra a microestrutura da zona de fusão (solda esquerda, zona afetada pelo calor à direita). Esta zona apresenta uma estrutura normal, boa fusão e sem rachaduras, poros ou outros defeitos de soldagem.
A microestrutura metalográfica é observada próxima à trinca (zona afetada pelo calor da soldagem), conforme mostrado na Figura 3d. As microfissuras distribuídas ao longo do contorno de grão são claramente visíveis, com carboneto de grão em rede Cr, formando uma zona pobre em cromo, conforme mostrado na Figura 4.
Um teor de cromo (fração de massa) superior a 12% produz um efeito de passivação óbvio, melhorando significativamente a resistência à corrosão do aço inoxidável. Um teor de cromo inferior a 12% destrói o estado de passivação, causando uma queda no potencial, e o estado de passivação permanece no cristal, formando uma célula microgalvânica com um ânodo pequeno (área pobre em cromo na área do contorno do grão) e um grande cátodo (matriz). Isto acelera a corrosão do limite de grão.
A temperatura de precipitação de Cr23C6 o carboneto é 450-850 ℃, que é a faixa de temperatura de sensibilização da corrosão intergranular do aço inoxidável, também conhecida como faixa de temperatura perigosa.
As características morfológicas acima mostram que há sensibilização nesta área após a soldagem, levando à corrosão intergranular na zona afetada pelo calor da solda e reduzindo a resistência à corrosão intergranular da zona afetada pelo calor do aço inoxidável. Este é um dos motivos da fissuração do tubo de aço inoxidável.
(3) Observação de varredura de fratura
Coloque a amostra de fratura processada no microscópio eletrônico de varredura para realizar observação e análise microscópica usando imagens eletrônicas secundárias.
Conforme ilustrado na Figura 4, é evidente que a fratura é irregular, com numerosos produtos de corrosão e fissuras distribuídas num padrão dendrítico.
As trincas apresentam características secundárias e penetraram na matriz do material, indicativo de trincas por corrosão sob tensão como causa da falha no tubo de aço inoxidável 304.
O aço inoxidável possui baixa condutividade térmica e a soldagem gera tensões residuais devido às altas temperaturas.
As microfissuras de corrosão no tubo de aço inoxidável aceleram sob tensão residual, levando à corrosão sob tensão.
Fig. 4 Observação SEM da morfologia da fratura
(4) Análise do espectro energético
O espectrômetro de energia foi utilizado para analisar os produtos de corrosão na superfície de fratura do tubo de aço inoxidável. A Figura 5 apresenta os resultados da análise do espectro de energia.
A partir do espectro do pico de difração, é evidente que o teor de cloro é excepcionalmente alto, indicando que o tubo de aço inoxidável está exposto a um ambiente de corrosão contendo cloro.
Os tubos de aço rachados da fábrica de fertilizantes são armazenados em local ao ar livre.
O local da usina está situado na zona costeira, a apenas 1,1 km da costa, que é um ambiente atmosférico marinho típico.
Durante períodos de alta temperatura e umidade, a água do mar evapora em grandes quantidades, produzindo névoa salina que resulta em alta concentração de íons cloreto no ar.
Água contendo íons cloreto é adsorvida na parede externa do tubo de aço inoxidável, formando um meio corrosivo que corrói continuamente o tubo de aço inoxidável.
O aço inoxidável austenítico forma naturalmente uma película de passivação densa (película de óxido) em sua superfície em um ambiente atmosférico comum.
Esta película de passivação isola a atmosfera do contato direto com a superfície do aço inoxidável, proporcionando excelente resistência à corrosão e proteção.
Mesmo que o filme passivo esteja danificado, ele pode ser regenerado e reparado em tempo hábil.
No entanto, os íons cloreto destroem facilmente o filme de passivação do aço inoxidável austenítico, levando à formação de pites ou pites na superfície e acelerando a corrosão do aço inoxidável.
3. Conclusão
A fissuração por corrosão dos tubos de aço inoxidável, neste caso, não pode ser atribuída a um único fator. Em vez disso, é causado pela ação conjunta de múltiplos fatores.
(1) Inclusões não metálicas podem danificar a integridade do filme passivo na superfície do metal, reduzindo a resistência à corrosão do aço inoxidável. Portanto, é importante controlar rigorosamente as inclusões não metálicas abaixo do Nível 1.5.
(2) O baixo teor de Cr no metal base e no metal de solda reduz a compactação do filme passivo de cromo na superfície do aço inoxidável. Para melhorar a qualidade dos tubos de aço e dos materiais de soldagem, os componentes recebidos devem ser rigorosamente testados para garantir que a composição do metal de solda não seja mais fraca que o metal base.
Durante o processo de soldagem, os parâmetros de soldagem devem ser rigorosamente controlados e a entrada de calor de soldagem deve ser a menor possível para evitar a sensibilização, o que pode fazer com que o Cr precipite ao longo do contorno do grão e gere Cr23C6levando à corrosão intergranular do aço inoxidável.
(3) A fábrica de fertilizantes químicos está localizada em um ambiente atmosférico marinho, onde o alto teor de íons cloreto no ar, a temperatura adequada e a umidade aceleram a corrosão. Isso faz com que o filme de óxido na superfície do aço inoxidável seja facilmente danificado, resultando em corrosão eletroquímica.
As microfissuras de corrosão se expandem rapidamente sob o efeito da tensão residual, levando à fissuração por corrosão sob tensão.
Portanto, é necessário controlar rigorosamente o ambiente aéreo do local e isolar o ambiente de névoa salina (por exemplo, pintando ou adicionando uma camada protetora) para evitar danos causados por íons cloreto.
