Aço inoxidável 304L vs 304H: uma comparação abrangente

2 май 2024 г. Roberto Magalhães

I. Introdução

Durante a construção de um projeto específico em 2014, encontramos problemas de soldagem envolvendo materiais de tubos 304 e 304H.

Através de uma série de atividades de projeto relacionadas ao gerenciamento de materiais, gerenciamento de construção, técnicas de soldagem e inspeções, observamos que os materiais da série 304 compartilham características comuns dentro de uma determinada faixa, mas também possuem distinções claras e separações rigorosas.

Portanto, resumir essas semelhanças e diferenças contribui para a sistematização do conhecimento e para o acúmulo de experiência construtiva futura.

II. Introdução aos materiais de aço inoxidável austenítico 304

O aço inoxidável austenítico geralmente se enquadra na categoria de aço resistente à corrosão e é o tipo de aço mais utilizado.

O aço inoxidável tipo 18-8 é o mais representativo, exibindo propriedades mecânicas favoráveis e é conveniente para processamento mecânico, estampagem e soldagem.

Oferece excelente resistência à corrosão em ambientes oxidativos e boa resistência ao calor. No entanto, é particularmente sensível a meios contendo íons cloreto (Cl-), que podem levar à corrosão sob tensão. O aço inoxidável 18-8, principalmente 304, 304L, 304H, está disponível em vários formatos, incluindo folhas, barras e chapas.

A liga 304H (UNS S30409) é uma versão modificada da liga austenítica 304 com 18% de cromo e 8% de níquel. O teor de carbono neste produto é controlado entre 0,04 e 0,10, aumentando a resistência a altas temperaturas dos componentes do produto em ambientes acima de 800°F.

Esta seção discute principalmente os tipos de aço, a composição química e o desempenho dos materiais de aço inoxidável austenítico 304, comparando principalmente placas de aço e tubos de aço.

Tabela equivalente aproximada de classes de aço para placas de aço inoxidável austenítico de grau 304

Não	GB 24511-2009		GB/T 4237-1992	ASME(2007) SA240		PT 10028-7:2007
Não	Sistema de numeração unificado	Nova nota	Série antiga	Código UNS	Modelo	Código Numérico	Nota
1	S30408	06Cr19Ni10	0Cr18Ni9	S30400	304	1.4301	X5CrNi18-10
2	S30403	022Cr19Ni10	00Cr19Ni10	S30403	304L	1.4306	X2CrNi19-11
3	S30409	07Cr19Ni10	——	S30409	304H	1.4948	X6CrNi18-10

Tabela equivalente aproximada de classes de aço para tubos de aço inoxidável austenítico soldados de classe 304

Não	GB/T 12771-2008		GB/T 12771-2000	ASME(2007) SA312		PT 10028-7:2007
Não	Sistema de numeração unificado	Nova nota	Série antiga	Código UNS	Modelo	Código Numérico	Nota
1	S30408	06Cr19Ni10	0Cr18Ni9	S30400	TP304	1.4301	X5CrNi18-10
2	S30403	022Cr19Ni10	00Cr19Ni10	S30403	TP304L	1.4306	X2CrNi19-11
3

Tabela de Composição Química do Aço Inoxidável Austenítico 304 e Aço Resistente ao Calor

Não	Sistema de numeração unificado	Composição Química (Fração de Massa) % (Composição de acordo com o padrão GB/T 20878-2007)
		C	Si	Mn	P	S	Não	Cr	Mo	N
1	S30408	0,08	1,00	2h00	0,045	0,030	8h00 ~ 11h00	18h00~20h00
2	S30403	0,03	1,00	2h00	0,045	0,030	8h00~12h00	18h00~20h00
3	S30409	0,04~0,10	1,00	2h00	0,045	0,030	8h00 ~ 11h00	18h00~20h00
4	S30458	0,08	1,00	2h00	0,045	0,030	8h00 ~ 11h00	18h00~20h00		0,10~0,16

Tabela de tensões admissíveis para placa de aço inoxidável austenítico grau 304

Nota	Padrões de chapa de aço	Grossura milímetros	Tensão Permissível/MPa nas Seguintes Temperaturas (°C)
Nota	Padrões de chapa de aço	Grossura milímetros	≤20	100	150	200	250	300	350	400	450	500	525	550	575	600	625	650	675	700
S30408	GB24511	1,5~80	137	137	137	130	122	114	111	107	103	100	98	91	79	64	52	42	32	27
S30408	GB24511	1,5~80	137	114	103	96	90	85	82	79	76	74	73	71	67	62	52	42	32	27
S30403	GB24511	1,5~80	120	120	118	110	103	98	94	91	88
S30403	GB24511	1,5~80	120	98	87	81	76	72	69	67	65
S30409	GB24511	1,5~80	137	137	137	130	122	114	111	107	103	100	98	91	79	64	52	42	32	27
S30409	GB24511	1,5~80	137	114	103	96	90	85	82	79	76	74	73	71	67	62	52	42	32	27
Nota: A tensão admissível na primeira linha só é aplicável a componentes que permitem uma ligeira deformação permanente.

Tabela de tensões admissíveis para tubos de aço inoxidável austenítico grau 304

Nota	Padrões de chapa de aço	Grossura milímetros	Tensão Permissível/MPa nas Seguintes Temperaturas (°C)
Nota	Padrões de chapa de aço	Grossura milímetros	≤20	100	150	200	250	300	350	400	450	500	525	550	575	600	625	650	675	700
S30408	GB13296	≤14	137	137	137	130	122	114	111	107	103	100	98	91	79	64	52	42	32	27
S30408	GB13296	≤14	137	114	103	96	90	85	82	79	76	74	73	71	67	62	52	42	32	27
S30403	GB13296	≤14	117	117	117	110	103	98	94	91	88
S30403	GB13296	≤14	117	97	87	81	76	73	69	67	65
S30408	GB/T14976	≤28	137	137	137	130	122	114	111	107	103	100	98	91	79	64	52	42	32	27
S30408	GB/T14976	≤28	137	114	103	96	90	85	82	79	76	74	73	71	67	62	52	42	32	27
S30403	GB/T14976	≤28	117	117	117	110	103	98	94	91	88
S30403	GB/T14976	≤28	117	97	87	81	76	73	69	67	65
S30408	GB/T12771	≤28	116	116	116	111	104	97	94	91	88	85	83	77	67	54	44	36	27	23
S30408	GB/T12771	≤28	116	97	88	82	77	72	70	67	65	63	62	60	57	53	44	36	27	23
S30403	GB/T12771	≤28	99	99	99	94	88	83	80	77	75
S30403	GB/T12771	≤28	99	82	74	69	65	62	59	57	55
S30408	GB/T24593	≤4	116	116	116	111	104	97	94	91	88	85	83	77	67	54	44	36	27	23
S30408	GB/T24593	≤4	116	97	88	82	77	72	70	67	65	63	62	60	57	53	44	36	27	23
S30403	GB/T24593	≤4	99	99	99	94	88	83	80	77	75
S30403	GB/T24593	≤4	99	82	74	69	65	62	59	57	55
Nota: A tensão admissível na primeira linha só é aplicável a componentes que permitem uma ligeira deformação permanente. Os dados correspondentes a GB/T 12771 e GB/T 24593 foram multiplicados pelo coeficiente de junta de soldagem de 0,85.

Ao usar materiais de aço inoxidável austenítico para tubulações de pressão, é essencial observar que o aço inoxidável austenítico de cromo-níquel pode sofrer fragilização de fase sigma quando usado por um longo período em temperaturas entre 540°C e 900°C.

É aconselhável controlar o teor de ferrita e o grau de deformação a frio do aço austenítico. Sob condições de alta temperatura (temperatura operacional superior a 540°C), o aço inoxidável austenítico de baixo carbono (C ≤ 0,08%) também deve atender a requisitos adicionais:

1) O teor de carbono do material original deve ser ≥ 0,04;

2) Estado de tratamento térmico: Resfriamento rápido >1040°C;

3) O tamanho médio do grão deve ser grau 7 ou mais grosso. Se esses requisitos adicionais não puderem ser atendidos, a tensão admissível deverá ser selecionada de acordo com o aço inoxidável de ultrabaixo carbono.

Propriedades mecânicas

Tabela de resistência ao escoamento em alta temperatura para placa de aço inoxidável austenítico grau 304

Nota	Grossura milímetros	R_p0.2/MPa nas seguintes temperaturas (°C)
Nota	Grossura milímetros	20	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550
S30408	≤80	205	171	155	144	135	127	123	119	114	111	106
S30403	≤80	180	147	131	122	114	109	104	101	98
S30409	≤80	205	171	155	144	135	127	123	119	114	111	106

Tabela de resistência ao escoamento em alta temperatura para tubos de aço inoxidável austenítico grau 304

Nota	R_p0.2/MPa nas seguintes temperaturas (°C)
Nota	20	100	150	200	250	300	350	400	450	500	550
S30408	210	174	156	144	135	127	123	119	114	111	106
S30403	180	147	131	122	114	109	104	101	98
S30409

Em GB/T20878-2007 “Classes de aço inoxidável e aço resistente ao calor e composição química”, um novo grau de aço inoxidável austenítico de alta temperatura S30409 (07Cr19Ni10) com um teor de carbono de 0,04% ~ 0,10% foi adicionado.

No entanto, há um problema de classificação dupla com a classificação 304, ou seja, há uma sobreposição de teor de carbono entre S30409 (07Cr19Ni10) e S30408 (06Cr19Ni10). O mesmo problema de classificação dupla também existe com o S31609 (07Cr17Ni12Mo2), que tem um teor de carbono de 0,04%~0,10%, e também há uma sobreposição no teor de carbono com o S31608 (06Cr17Ni12Mo2).

III. Gestão de materiais de aço inoxidável austenítico 304

Rotulagem de materiais e documentos de garantia de qualidade

Os materiais fornecidos e recebidos para tubulação de pressão devem ser rotulados de acordo com os padrões e estipulações contratuais correspondentes. Cada peça de material deve ter marcações claras e firmes e, para materiais com diâmetro nominal menor ou igual a DN40, a etiquetagem pode ser feita por meio de etiquetas ou outros métodos substitutos.

O conteúdo da rotulagem deve, no mínimo, incluir as marcações do fabricante e o nome do material (código). Para componentes de tubos de aço inoxidável austenítico (tipo H) usados sob condições de alta temperatura, os números ou códigos de lote do material também devem ser incluídos.

Os documentos de garantia de qualidade correspondentes incluem resultados de inspeções e testes especificados em normas e contratos e devem ser rastreáveis.

4. Soldagem de aço inoxidável austenítico 304

1. Avaliação do Processo de Soldagem

O material base para soldagem de equipamentos de suporte de pressão é classificado e agrupado de acordo com a composição química, propriedades mecânicas e soldabilidade do material metálico.

De acordo com NB/T47014-2011, as categorias de material base para S30403, S30408 e S30409 são Fe-8, com um grupo de Fe-8-1. A avaliação do processo de soldagem pode consultar nosso relatório de avaliação de processo de soldagem existente HN2006-02-2012.

2. Seleção de materiais de soldagem

O princípio de seleção para materiais de soldagem é dado na NB/T47015-2011: para soldagem de aço de alta liga do mesmo tipo, os materiais de soldagem devem garantir que as propriedades mecânicas do metal de solda sejam iguais ou superiores aos valores limites especificados para o material pai.

Quando necessário, a sua resistência à corrosão não deve ser inferior aos requisitos correspondentes do material de base, ou as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão devem cumprir as condições técnicas estipuladas nos documentos de projeto.

Materiais de soldagem recomendados conforme mostrado na tabela a seguir:

Sistema de numeração unificado (UNS)	Nota	Eletrodos de soldagem por arco metálico blindado (SMAW)		Soldagem de arco submerso (SERRA)		Soldagem a arco de gás tungstênio (GTAW)
Sistema de numeração unificado (UNS)	Nota	Modelos de eletrodo	Exemplo de classes de eletrodo	Tipos de fluxo	Exemplo de classes de fluxo e fio de soldagem	Classes de fio de soldagem
S30408	06Cr19Ni10	E308-16 E308-15	A102A107	F308-H08Cr21Ni10	SJ601-H08Cr21Ni10 HJ260-H08Cr21Ni10	H08Cr21Ni10
S30403	022Cr19Ni10	ER308L-16	A002	F308L-H03Cr21Ni10	SJ601-H03Cr21Ni10 HJ260-H03Cr21Ni10	H03Cr21N i10

3. Considerações sobre Soldagem

Comparado com o aço carbono, a resistência do aço inoxidável austenítico é 5 vezes maior que a do aço carbono, resultando em mais entrada de calor sob as mesmas condições de corrente de soldagem e tensão de arco.

A condutividade térmica é baixa, cerca de 1/3 da do aço carbono, resultando em lenta transferência de calor e aumento da deformação térmica.

O coeficiente de expansão linear é cerca de 40% maior que o do aço carbono, o que pode facilmente levar a um aumento da expansão térmica durante o aquecimento e retração durante o resfriamento, tornando a deformação após a soldagem mais pronunciada.

Pontos-chave para soldagem de aço inoxidável austenítico:

1) Para evitar grandes deformações e tensões de soldagem durante a soldagem, um método de soldagem com energia de soldagem concentrada deve ser escolhido.

2) O controle rigoroso da entrada de calor da soldagem deve ser mantido para evitar que o grão da solda cresça severamente e a ocorrência de trincas a quente na soldagem.

3) Para melhorar a resistência à trinca térmica e à corrosão da solda, a área de soldagem deve ser mantida limpa para evitar que elementos nocivos se infiltrem na solda.

4) O aço inoxidável austenítico não requer pré-aquecimento durante a soldagem. Para evitar o crescimento de grãos na solda e na zona afetada pelo calor e a precipitação de carbonetos, e para garantir a plasticidade, tenacidade e resistência à corrosão da junta soldada, a temperatura entre passes deve ser mantida baixa, geralmente não excedendo 100°C.

4. Problema de grãos de austenita

O grão de austenita é o grão obtido quando o aço é austenitizado, e o tamanho do grão é chamado de tamanho de grão da austenita. O tamanho de grão padrão é dividido em 8 níveis, os níveis 1-4 são grãos grossos, os níveis 5-8 são grãos finos e os níveis 10-13 acima do nível 8 são grãos ultrafinos.

As observações são feitas sob um microscópio de 100x. Na produção real, o refinamento do grão tornou-se um dos métodos importantes para fortalecer os materiais metálicos, o que pode melhorar a resistência e a tenacidade do aço ao mesmo tempo. Também esperamos obter grãos mais finos durante a soldagem de engenharia.

Precisamos prestar atenção à influência da taxa de aquecimento durante o processo de soldagem. A taxa de aquecimento é essencialmente um problema de superaquecimento. Quanto maior o grau de superaquecimento, maior será a relação entre a taxa de nucleação e a taxa de crescimento e menor será o tamanho inicial do grão.

Apesar disso, os grãos de austenita tendem a crescer em altas temperaturas, portanto não pode haver um longo tempo de permanência em altas temperaturas. Portanto, enfatizamos o rápido aquecimento e resfriamento durante a soldagem.

O teor de carbono no aço também afeta o grão de austenita. Quando o teor de carbono no aço não é suficiente para formar carbonetos não dissolvidos, à medida que o teor de carbono aumenta, os grãos de austenita tendem a crescer e ficar mais grossos.

Portanto, entre os três, o S30408 tem maior probabilidade de engrossar, e deve-se prestar atenção ao controle e prevenção do engrossamento dos grãos em outros aspectos.

Controlando a relação cromo-níquel no metal de solda, para o aço inoxidável 304, quando a relação cromo-níquel do material de soldagem é inferior a 1,61, é provável que ocorram trincas a quente; quando a proporção cromo-níquel atinge 2,3-3,2, rachaduras a quente podem ser evitadas.

Limitar estritamente o conteúdo de elementos nocivos como boro, enxofre, fósforo e selênio no metal de solda também pode prevenir a ocorrência de trincas a quente.

V. conclusão

O projeto de equipamentos petroquímicos para alta temperatura, alta pressão e corrosão forte é exigente, e a escolha dos materiais e da construção da soldagem deve ser cuidadosamente considerada para garantir a estabilidade do equipamento a longo prazo.

Compreender as características dos materiais, distinguir as suas diferenças e semelhanças e dominar as técnicas de construção por soldadura específicas são particularmente importantes.

Com o desenvolvimento da tecnologia de materiais, os materiais são cada vez mais otimizados para um desempenho específico, e a “seleção e utilização de materiais” está se tornando mais especializada, assim como o conhecimento. Espera-se que este artigo desempenhe um papel positivo a este respeito.