1. Introdução
O aço cromo-molibdênio, também conhecido como aço resistente ao hidrogênio de média temperatura, refere-se ao tipo de aço que é significativamente aprimorado em resistência a altas temperaturas e limite de fluência pela adição de elementos de liga como Cr (≤10%) e Mo.
Ele também possui excelente resistência à corrosão por hidrogênio e desempenho em altas temperaturas, tornando-o amplamente utilizado em refino de petróleo, dispositivos químicos de hidrogênio e equipamentos de alta temperatura.
É um dos tipos comuns de aço utilizados em vasos de pressão.
Este artigo discute as características dos materiais de aço cromo-molibdênio e considerações em projeto, fabricação, testes não destrutivos, tratamento térmico e operações de inicialização/desligamento no contexto do Projeto de Síntese de Metanol Jiutai.
2. Características básicas do aço cromo molibdênio
2.1 Resistência ao Calor
A adição de elementos como cromo, molibdênio e alúmen melhora a resistência do aço à oxidação em alta temperatura e a resistência em alta temperatura.
O mecanismo de ação é o seguinte: O cromo existe principalmente na cementita (Fe3C), e o cromo dissolvido na cementita aumenta a temperatura de decomposição dos carbonetos, evitando a ocorrência de grafitização, aumentando assim a resistência ao calor do aço.
O molibdênio tem um efeito de fortalecimento da solução sólida na ferrita e também pode aumentar a estabilidade dos carbonetos, o que beneficia a resistência do aço em altas temperaturas.
A inclusão de uma quantidade adequada de vanádio permite que o aço mantenha uma estrutura de granulação fina em temperaturas mais altas, aumentando a estabilidade térmica e a resistência do aço.
2.2 Resistência à corrosão por hidrogênio
Elementos como o cromo e o molibdênio aumentam a estabilidade dos carbonetos, evitando sua decomposição, reduzindo assim a chance de formação de metano devido à reação dos carbonetos e do carbono precipitado com o hidrogênio.
A adição de vanádio permite que o aço mantenha uma estrutura de grão fino em temperaturas mais altas, aumentando significativamente a estabilidade do aço sob condições de alta temperatura e pressão.
2.3 Fragilização por Revenimento
A fragilização por revenido do aço cromo-molibdênio refere-se ao fenômeno em que a resistência ao impacto do aço diminui quando operado por um longo período na faixa de temperatura de 370°C a 595°C.
Esta é a faixa exata de temperatura dentro da qual nosso equipamento de hidrogênio comumente usado opera. Estudos experimentais mostraram que no aço cromo-molibdênio para vasos de pressão, a fragilização por revenimento é mais severa quando o teor de cromo está entre 2% e 3%.
Elementos como fósforo, antimônio, estanho, arsênico, silício e manganês têm um impacto significativo na fragilização por têmpera. A fragilização é reversível; materiais que foram severamente fragilizados podem ser desfragilizados através de tratamento térmico apropriado.
2.4 Alta tendência à fragilidade, podendo gerar trincas retardadas
Devido à adição de elementos de liga como cromo, molibdênio e vanádio, a velocidade crítica de resfriamento do aço é reduzida, aumentando a estabilidade da austenita super-resfriada.
Se a velocidade de resfriamento da soldagem for rápida, é improvável que ocorra a transformação de austenita em perlita na zona superaquecida da zona afetada pelo calor.
Em vez disso, transforma-se em martensita a temperaturas mais baixas, formando uma estrutura temperada.
Sob a acção combinada de tensão residual complexa na junta soldada e hidrogénio difundido, a estrutura temperada na área de soldadura e na zona afectada pelo calor é altamente susceptível à fissuração retardada induzida por hidrogénio.
3. Considerações em Design
3.1 Escolha de Materiais
Sob condições operacionais específicas, os materiais selecionados não devem apenas ter resistência superior à corrosão por hidrogênio, mas também controlar efetivamente a tendência à fragilidade por revenido.
Eles também devem possuir boa soldabilidade. A composição química determina a estrutura, a estrutura determina o desempenho e o desempenho determina o uso. Em última análise, a chave está no controle da composição química.
3.1.1 Medidas Contra Corrosão por Hidrogênio
O aço cromo-molibdênio não sofre corrosão por hidrogênio, mesmo sob alta pressão e temperaturas mais baixas (~200°C). No entanto, pode sofrer corrosão por hidrogênio ao operar em ambientes de hidrogênio de alta temperatura e alta pressão.
Normalmente, selecionamos materiais de aço cromo molibdênio para condições operacionais específicas com base na curva de Nelson, que corresponde à temperatura operacional e à pressão parcial de hidrogênio.
Como pode ser visto na curva de Nelson, quanto maior o teor de cromo e molibdênio, maior será a resistência à corrosão por hidrogênio.
Na curva, se as condições de operação da embarcação estiverem acima da linha sólida, indica a ocorrência de corrosão por hidrogênio. Se estiverem abaixo da linha sólida, indica que não ocorrerá corrosão por hidrogênio.
3.1.2 Medidas para controlar a tendência à fragilidade da têmpera
Ao regular o conteúdo de elementos como P, Sb, Sn, As, Si, Mn no material, a tendência de fragilidade por revenimento pode ser controlada.
O coeficiente de sensibilidade à fragilização por revenido J do aço comum e o coeficiente de sensibilidade à fragilização por revenido x do metal de solda são normalmente usados para esse propósito. Para 2,25Cr-1Mo comumente usado, os seguintes índices de controle são usados:
- J=(Si+Mn)x(P+Sn)x10≤150; Os elementos são substituídos por porcentagem em peso.
- X=(10P+5Sb+4Sn+As)/100≤15ppm; Os elementos são substituídos por x10 (ppm).
Em aplicações práticas de engenharia, também é necessário controlar o conteúdo dos elementos residuais Cu e Ni. O teor de Cu não deve exceder 0,20% e o teor de Ni não deve exceder 0,30%.
3.1.3 Determinação da Sensibilidade à Rachadura
A sensibilidade à trinca está relacionada ao carbono equivalente, cujo valor deve ser determinado pelo fabricante com base na avaliação do processo de soldagem.
O método de cálculo é: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
À medida que o valor equivalente de carbono aumenta, a soldabilidade do aço deteriora-se. Quando o valor Ceq é superior a 0,5%, a sensibilidade à fissuração a frio aumenta e os processos de soldagem e tratamento térmico tornam-se mais rigorosos.
Para materiais de aço Cr-Mo comumente usados com 485Mpa ≤ UTS <550Mpa, Ceq é geralmente limitado a aproximadamente 0,48%.
Quando a soldagem simulada e o tratamento térmico pós-soldagem são realizados em placas de teste de solda do produto, o equivalente máximo de carbono pode ser aumentado para 0,5%.
3.2 Estrutura
Devido à alta tendência de endurecimento do aço Cr-Mo, ele está sujeito a trincas e trincas retardadas nas soldas dos cantos.
Portanto, o projeto estrutural deve atentar para os seguintes pontos:
3.2.1 Reduzir o grau de restrição e projetar razoavelmente a estrutura conjunta.
3.2.2 A superfície de solda não deve apresentar rebaixo.
3.2.3 O reforço de furos deve ser implementado como um todo, não devendo ser utilizadas estruturas de reforço em anel.
3.2.4 Não devem ser utilizados bicos do tipo extensão interna.
3.2.5 A conexão com acessórios deve adotar estrutura de dupla penetração total, não devendo ser utilizadas soldas de canto.
3.2.6 A junta de topo do cilindro deve utilizar preferencialmente uma ranhura em forma de U.
3.3 Soldagem
O aço Cr-Mo tem um valor equivalente de carbono maior e geralmente tem tendência a rachar a frio em graus variados. Isso pode ser evitado pelas seguintes medidas:
3.3.1 Controle rigorosamente o teor de hidrogênio na haste de soldagem e use um eletrodo básico com baixo teor de hidrogênio.
3.3.2 O pré-aquecimento deve ser feito antes de soldar o conjunto do equipamento. Através do pré-aquecimento, a taxa de resfriamento do material de soldagem pode ser reduzida para evitar a formação de estruturas duras e quebradiças.
A temperatura de pré-aquecimento é determinada pela avaliação do processo de soldagem. Antes da avaliação do processo de soldagem, um teste de trinca de soldagem deve ser realizado na amostra para determinar a temperatura de pré-aquecimento, que não deve ser inferior à temperatura de pré-aquecimento durante todo o processo de soldagem.
Ao mesmo tempo, a temperatura intercalar deve ser controlada para não ser inferior à temperatura de pré-aquecimento. Medidas de pós-aquecimento devem ser tomadas imediatamente após a soldagem.
3.4 Ensaios Não Destrutivos
Cada chapa de aço Cr-Mo utilizada no revestimento deve passar por testes ultrassônicos.
Para vasos de reação de alta temperatura, alta pressão e paredes espessas, após inspeção radiográfica de 100% das juntas de topo, testes ultrassônicos e testes adicionais de partículas magnéticas devem ser realizados em juntas soldadas permitidas para testes ultrassônicos após tratamento térmico e testes hidrostáticos.
Os testes ultrassônicos são mais sensíveis a trincas e defeitos do que os testes radiográficos, portanto devem ser realizados com atenção, considerando o momento dos testes não destrutivos.
3.5 Tratamento Térmico Pós-Soldagem
Durante o processo de fabricação do recipiente, o gás hidrogênio pode infiltrar-se no metal, causando pequenas rachaduras no aço, fenômeno conhecido como fragilização por hidrogênio.
Para evitar a fragilização por hidrogênio, o tratamento de desidrogenação pós-soldagem deve ser realizado imediatamente.
O tratamento de desidrogenação envolve o aquecimento da solda e do material original adjacente a uma alta temperatura imediatamente após a soldagem, aumentando assim o coeficiente de difusão do hidrogênio no aço.
Isto estimula a saída de átomos de hidrogênio supersaturados no metal de solda, inibindo assim a ocorrência de trincas a frio. O tratamento de desidrogenação pode ser considerado desnecessário se o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) for realizado imediatamente após a soldagem.
Vasos de qualquer espessura feitos de Cr-Mo devem passar por tratamento térmico geral pós-soldagem. O tratamento térmico pós-soldagem do aço Cr-Mo não apenas elimina a tensão residual, mas também melhora as propriedades mecânicas do aço, o que é vantajoso na resistência à corrosão por hidrogênio.
3.6 Procedimentos de inicialização e desligamento
O aço Cr-Mo pode sucumbir à falha frágil quando sua temperatura operacional é baixa ou próxima da temperatura de transição dúctil para frágil, e a tensão atinge um certo nível.
No entanto, tal falha é quase evitável quando a tensão real no vaso é inferior a um quinto do limite de escoamento do aço Cr-Mo.
Portanto, para vasos de pressão feitos de aço Cr-Mo, um procedimento de aumento da temperatura antes da pressão durante a partida e redução da pressão antes da temperatura durante o desligamento deve ser adotado para evitar falhas frágeis.
4. Escolhendo o estresse permitido
Ao implementar materiais de aço Cr-Mo de padrão internacional
Devido às discrepâncias na determinação do fator de segurança e nos métodos de cálculo entre as normas nacionais e internacionais para tensão admissível de material, ao usar materiais de aço Cr-Mo de padrões internacionais, devem-se aplicar regras nacionais para cálculo de tensão admissível.
Tomando como exemplo SA387Cr.11G1.2, o cálculo de sua tensão admissível é o seguinte:
Primeiro, obtenha a resistência à tração e a resistência ao escoamento em várias temperaturas para o material da ASME.
A tensão admissível à temperatura ambiente é o menor valor entre a resistência à tração à temperatura ambiente dividida por 3,0 e a resistência ao escoamento dividida por 1,5.
Como não existem dados sobre resistência à tração em altas temperaturas no mercado interno, a tensão admissível em altas temperaturas é obtida dividindo a resistência ao escoamento em altas temperaturas por 1,6.
Se o valor calculado for maior que a tensão admissível à temperatura ambiente, adote o valor da temperatura ambiente. Caso contrário, use o valor calculado.
A tensão admissível deste material na ASME revela que quando a temperatura excede 450°C, a tensão admissível cai rapidamente, ponto em que o limite de fluência governa a tensão admissível.
Como a ASME não fornece dados de limite de fluência acima de 450°C, e os fatores de segurança para o limite de fluência nas normas nacionais e na ASME são consistentes, adotamos diretamente a tensão admissível da ASME. A tensão específica admissível na temperatura de projeto pode ser obtida usando interpolação.
5. Conclusão
Este artigo descreve alguns requisitos específicos para materiais de aço Cr-Mo. No trabalho de projeto detalhado, é necessário considerar todos os aspectos de acordo com as especificações padrão, realizar análises abrangentes, de modo a obter um projeto seguro, econômico e racional.
