Melhores práticas para evitar fraturas frágeis em tubos, flanges e conexões de aço carbono

meninokpc/iStock/Getty Images

Nota do editor: Este artigo é uma continuação de “Causas e curas para falhas de componentes de carretel dúctil” e “ASME analisa requisitos de teste para tubos, conexões e flanges”.

As ligas tradicionais têm funções padrão na fabricação de metais, sejam os metais aços inoxidáveis ​​para dispositivos médicos ou produtos marítimos; qualquer uma das gerações de aços de alto desempenho desenvolvidas nas últimas décadas para a indústria automotiva; ou metais como alumínio e titânio, que apresentam altas relações resistência-peso e alta resistência à corrosão, tornando-os especialmente adequados para aplicações aeroespaciais, refinarias e processamento químico.

O mesmo acontece com algumas ligas de aço carbono, especialmente aquelas que possuem quantidades específicas de carbono e manganês. Alguns deles, dependendo das quantidades de elementos de liga, são adequados para uso na fabricação de flanges, conexões e tubos para plantas de processamento químico e refinarias. Todos têm uma característica em comum: os materiais utilizados nessas aplicações devem ser dúcteis o suficiente para resistir à fratura frágil e à corrosão sob tensão (SCC).

Organizações de padronização, como a Sociedade Americana de Engenheiros de Manufatura (ASME) e ASTM Intl. (anteriormente conhecida como Sociedade Americana de Testes e Materiais) fornece orientação neste assunto. Dois códigos industriais relevantes - Código ASME para Caldeiras e Vasos de Pressão (BPVD), Seção VIII, Divisão 1 e ASME B31.3, Tubulação de Processo - consideram aços carbono (qualquer material ferroso com 0,29% a 0,54% de carbono e 0,60% a 1,65% de manganês) ser dúctil o suficiente para serviço em climas quentes, zonas amenas e áreas nas quais a temperatura chega a -20 graus F. No entanto, falhas recentes em temperaturas ambientes levaram a um exame mais minucioso em relação às quantidades e proporções de vários elementos microalimentantes usados na fabricação de tais flanges, acessórios e tubos.

Até recentemente, nem a ASME nem a ASTM exigiam testes de impacto para confirmar o comportamento dúctil de muitos itens de aço carbono usados ​​em temperaturas tão baixas quanto -20 graus F. As decisões de isentar certos produtos baseavam-se nas propriedades históricas dos materiais. Por exemplo, produtos de aço carbono, como flanges A105, acessórios A234-WPB e tubos de aço carbono A106 grau B com espessura de parede de ½ pol. (25 mm) ou menos, quando usados ​​a uma temperatura mínima de projeto do metal (MDMT) de -20 graus F, foram isentos de testes de impacto devido ao seu papel tradicional em tais aplicações.

No entanto, a aceitação histórica e as aplicações tradicionais não duram necessariamente para sempre. Alguns materiais que se enquadram na curva B da revisão de 2017 da ASME VIII-1, UCS-66 (ver Figura 1), têm um histórico recente documentado de falhas devido à fratura frágil em temperaturas superiores a -20 graus F e, em muitos casos, em temperaturas quentes. Portanto, são considerados de risco de fratura frágil em temperatura ambiente, principalmente durante partida, desligamento, testes hidrostáticos e despressurização rápida (autorrefrigeração).

A prática de fazer adições deliberadas de oligoelementos durante a fabricação de aços de médio carbono, que contêm 0,18% a 0,23% de carbono, possivelmente tem como objetivo reduzir a temperatura do tratamento térmico e o tempo de processamento. Em uso nas últimas décadas, esta técnica teve uma consequência indesejada: fissuração frágil de flanges de grau A105, acessórios A234-WPB e tubos de aço carbono A106-B. Sabe-se que este fenômeno ocorre em temperaturas ambientes.

Este problema torna-se agudo quando materiais propensos a SCC são utilizados em determinadas condições de serviço. De acordo com a Associação Nacional de Engenheiros de Corrosão (NACE) MR0103, projeto, processamento (corte, dobra, soldagem), instalação ou manuseio inadequados podem fazer com que materiais resistentes se tornem suscetíveis a SCC. As concentrações de tensão em entalhes locais, como poços de corrosão, tornam as soldas vulneráveis ​​ao CAA. Sabe-se também que tensões de tração residuais da soldagem iniciam trincas sem tensões externas. Soldas que não foram aliviadas de tensão e componentes que foram trabalhados a frio são particularmente vulneráveis. O não cumprimento dos requisitos de tratamento térmico, mecânicos ou químicos das especificações pode ser verificado somente através de exame metalúrgico. Imperfeições em superfícies usinadas de flanges soldados podem ser detectadas somente através de avaliação volumétrica não destrutiva.