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6ª Conferência sobre
Tecnologia de Equipamentos
METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DE FRAÇÃO DE VIDA CONSUMIDA DE
AÇOS 1CR-0,5MO ATRAVÉS DE ENSAIOS ACELERADOS DE FLUÊNCIA
Hector Reynaldo Meneses Costa
CEFET-RJ/DEPES
Ari Sauer Guimarães
UFRJ/PEMM/COPPE
Ivani de S. Bott
PUC-RJ/DCMM
José Claudio Guimarães Teixeira
CEFET-RJ-PETROBRAS/CENPES
Trabalho apresentado na 6° Conferência
sobre Tecnologia de Equipamentos –COTEQ,
Bahia, Salvador, agosto, 2002.
As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos
autores.
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SINÓPSE
Uma metodologia para avaliação de vida residual é proposta com a finalidade de
relacionar evolução microestrutural e quantificação de fração de vida consumida em um
aço Cr-Mo, que opera em regime de fluência.
Ensaios de fluência acelerados, com tensão constante de 49 MPa, são interrompidos
sistematicamente e os corpos de prova avaliados através de microscopia eletrônica de
transmissão.
Intervalos de fração de vida consumida mais precisos são obtidos devido a um melhor
entendimento do processo de transformação morfológica de carbetos ao longo do ensaio.
Com isto é possível propor mapas relacionando característica microestrutural x fração de
vida consumida.
1. INTRODUÇÃO
Para um componente em serviço e operando em altas temperaturas, existe a necessidade
de uma avaliação em qual estágio de degradação se encontra o material. Assim, vários
métodos vêm sendo aplicados com esta finalidade.
No caso específico de aços Cr-Mo, a tendência é a de correlacionar evolução
microestrutural e fração de fração de vida consumida para que se tenha maior precisão
na quantificação do grau de degradação por fluência a que este tipo de material é
submetido (1) .
A confiabilidade desta avaliação será maior no momento em que houver uma
compreensão do processo evolutivo de carbetos através de mudanças morfológicas e da
classificação dos tipos dos mesmos.
Este trabalho tem como finalidade propor uma metodologia para avaliação da evolução
microestrutural e da quantificação de fração de vida de um aço 1Cr-0,5Mo, usado em
tubos de caldeira.
Para atingir tal objetivo foram executados ensaios acelerados de fluência interrompidos
em tempos pré determinados, sendo que a avaliação microestrutural foi feita com a
técnica de microscopia eletrônica de transmissão (MET), através do uso de réplicas de
carbono.
2. MÉTODOS E PROCESSOS
2.1. Material.
O material usado foi um aço 1Cr-0,5Mo(ASTM A 369 grau FP12), utilizado em tubos
de caldeiras, cuja composição química esta na tabela 1.
Tubo novo
C
0,11
S
0,023
P
0,026
Mn
0,54
Si
0,29
Cr
0,94
Ni
0,27
Mo
0,49
Tabela 1. Composição química do aço 1Cr-0,5Mo.
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2.2. Metodologia.
A metodologia proposta caracteriza–se pela utilização de ensaios acelerados de fluência
com tensão constante (Isotensão) de 49,6MPa e temperatura de 600°C. Utilizou-se a
tensão derivada da pressão interna de trabalho e a espessura nominal dos tubos baseados
na norma API RP530 . Os corpos de prova foram retirados no sentido longitudinal do
tubo, com espessura de 4 mm.
Para avaliação da evolução microestrutural os ensaios eram interrompidos
sistematicamente em tempos pré determinados e os corpos de prova foram analisados
por microscopia eletrônica de transmissão, através da técnica de réplica de carbono,
com o uso de uma solução de 20% de Nital. As amostras foram retiradas dos próprios
corpos de prova usados no ensaio de fluência .
Após a avaliação microestrutural verificou-se os intervalos onde ocorria uma variação
morfológica significativa.
A quantificação da vida residual (fração de vida consumida) em relação a variação
morfológica do material foi obtida a partir da lei de Robinson (2) expressa através da
equação 1:
(t0/tr0)ev=1-t0/tr0
(1)
onde (t0/tr0)ev é a taxa de consumação de vida (fração de vida), obtidas a partir de um
ensaio acelerado de fluência, t0 é o intervalo onde houve interrupção do ensaio e tr0 é o
tempo de ruptura para uma mesma tensão. O tempo de ruptura obtido no ensaio
acelerado de fluência foi de 3217h.
Finalmente com os resultados obtidos foi possível levantar uma mapa de evolução
característica microestrutural x fração de vida consumida.
2.3. Difração de raios-X.
Para que houve-se um completo entendimento do processo de transformação
microestrutural foi necessário a identificação de carbetos usando a técnica de extração de
carbetos e análise por raios-X.
Este método dissolve a matriz para as outras fases serem coletadas e examinadas por
difração de raios-X, usando uma solução de H3PO4 (ácido hortofosfórico) diluído em
água na proporção 2:1, permanecendo por 24h .
Procedeu-se posteriormente a lavagem da solução com água destilada e efetuou-se uma
filtragem a vácuo com papel filtro millipore com malha de 0,25µm .
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3. RESULTADOS E DISCUSSÃO.
A partir da avaliação dos tempos em que o ensaio acelerado de fluência foi
interrompido, os resultados obtidos da análise via MET evidenciam uma correlação
entre a variação morfológica de carbetos e o processo de degradação por fluência, sendo
que podemos destacar estágios distintos que serão detalhados a seguir. No estágio inicial
a microestrutura se caracterizava pela presença de regiões perlíticas com carbetos na
forma alongada (figura 1). Inoue (3) e Indocochea(4), estudando a transformação de
carbetos ao longo do processo de fluência em aços Cr-Mo, verificaram que esta
morfologia indicava a presença de carbetos do tipo M3C.
Para 500h e 750h nota-se a precipitação de carbetos grosseiros nos contornos (figura 2 e
3), e presença de duas regiões distintas . Uma com carbetos alongados e irregulares na
estrutura perlítica e outra com presença de maioria de carbetos filamentares, carbetos
M2C, no interior do grão ferrítico, sendo que a presença deste tipo de carbeto
proporciona uma alta resistência a fluência do material (3). Após 1000h, existem alguns
carbetos esferoidizados e coalecimento (figura 4), além de carbetos crescendo a partir de
outros carbetos, provavelmente do tipo M7C3 ou M23C3, e uma quantidade maior de
carbetos filamentares no interior do grão. Entretanto, é difícil a distinção de carbetos
principalmente os alongados e irregulares. Em 1500h a precipitação de carbetos
grosseiros se intensificou, além de surgirem regiões livres de precipitados “free zone
precipitate” (figura 5), que estão relacionados diretamente com a redução da quantidade
de carbetos filamentares (5). Também a distribuição de carbetos filamentares M2C não é
uniforme, com algumas regiões aparentemente contendo uma alta densidade de M2C,
enquanto que outras regiões com poucos precipitados deste tipo.
Para 2000h, além destas regiões, também existem aglomerados de carbetos de várias
morfologias, indicando aumento de carbetos esferoidizados (figura 6), do tipo M6C, e
diminuição na quantidade de carbetos filamentares e retangulares. Esta forma de carbeto
é deletéria no que diz respeito a diminuição da resistência a fluência, sendo que o
aumento da densidade de vazios por fluência esta diretamente relacionado com o
percentual do mesmo (5). A intensidade de aglomerados e de carbetos grosseiros nos
contornos é maior em 2500h (figuras 7). Em 3000h a esferoidização de carbetos do tipo
M6C é maior, além da degeneração da estrutura perlítica se intensificar (figura 8) . No
material rompido nota-se a presença de grande quantidade de carbetos esferoidizados e
ausência quase que completa de carbetos filamentares (figura 9 e 10).
Os resultados obtidos com difração de raios-X confirmaram a presença de carbetos do
tipo M3C na condição de como recebido (figura 11) e de carbetos do tipo M2C e M6C
nos estágios finais (figura 12). Não foi possível identificar claramente a presença de
outros tipos de carbetos, como M7C3 e M23C6.
A tabela 2 propõe um resumo do comportamento microestrutural ao longo do ensaio de
fluência acelerado relacionando com a fração de vida, indicando os intervalos mais
significativos.
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Fig. 1) Microestrutura do aço 1Cr-0,5Mo na condição como recebido. Carbetos M3C no
interior da estrutura perlítica. Sem precipitação de carbetos na matriz. Fig. 2) Após 500h
com presença de carbetos filamentares. MET.
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Fig. 3)Após 750h com detalhe de precipitação de carbetos grosseiros nos contornos de
grão e de carbetos filamentares do tipo M2C no interior da matriz ferrítica e de carbetos
irregulares na colônia perlítica. Fig.4) Após 1000h , presença de carbetos esferoidizados.
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Fig. 5) Microestrutura do aço 1Cr-0,5Mo após 1500h com região livre de precipitados.
Fig. 6) Após 2000h com uma quantidade maior de carbetos esferoidizados.
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Fig. 7) Após 2500h , com presença de aglomerados de carbetos. Fig. 8) Após 3000h,
onde se intensifica a degradação da estrutura perlítica.
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Fig. 9). Microestrutura do aço 1Cr-0,5Mo rompido a 600°C, região com predomínio de
carbetos esferoidizados do tipo M6C. Fig. 10) Detalhe dos carbetos esferoidizados.
2000
1800
1600
Intensidade
1400
M 3C
1200
1000
800
600
400
200
0
36
38
40
42
44
46
48
50
2θ
θ
Figura 11. Difratograma característico de carbetos tipo M3C (como recebido).
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1000
800
M 2C
Intensidade
M6C
600
400
200
0
36
38
40
42
44
46
48
50
52
54
2θ
θ
Figura 12. Difratograma característico de carbetos do tipo M2C e M6C (rompido).
Tabela 2. Relação microestrutura x fração de vida decorrente da degradação
microestrutural do aço 1Cr-0,5Mo .
MICROESTRUTURA
Presença de uma matriz ferrítica sem
precipitação e outra perlítica com a presença
de carbetos do tipo M3C
Presença de carbetos grosseiros nos
contornos de grão,
e de carbetos
filamentares do tipo M2C
Coalecimento de carbetos e presença de
carbetos esferoidizados (M6C) na matriz,
quantidade maior de carbetos filamentares
Presença de regiões livres de precipitados.
Diminuição da quantidade de carbetos
filamentares no interior do grão e uma maior
quantidade de carbetos esferoidizados no
interior do grão
Região com aglomerados de carbetos e
diminuição
acentuada
de
carbetos
filamentares .
Intensa esferoidização de carbetos e
degeneração da estrutura perlítica.
FRAÇÃO DE VIDA CONSUMIDA(%)
Intervalo: como recebido → 500h
Fração de vida
0 ~ 0,15
Intervalo:500h → 1000h
Fração de vida
0,15 ~ 0,31
Intervalo: 1000h → 1500h
Fração de vida
0,31 ~ 0,47
Intervalo:1500h → 2000h
Fração de vida
0,47 ~ 0,62
Intervalo:2000h → 3000h
Fração de vida
0,62 ~0,93
Intervalo:3000h → Ruptura
Fração de vida
0,93 ~ 1
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Finalmente, com os dados da tabela 2, foi possível, levantar o mapa que relaciona
característica microestrutural x fração de vida consumida (Figura 13).
Apesar da complexidade de interpretação dos resultados obtidos a metodologia
empregando MET permite uma avaliação com maior confiabilidade em termos de
quantificação de fração de vida, pois o processo de transformação de carbetos pode ser
verificado detalhadamente. Comparando com metodologias similares, como a de
Dobrazanski(6), nota-se pontos de concôrdancia e algumas variações nos intervalos de
fração de vida consumida encontrados, decorrentes da utilização de parâmetros de
ensaios diferentes.
Figura 13. Mapeamento mostrando a relação característica microestrutural em relação a
fração de vida consumida no ensaio acelerado de fluência usando MET.
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4. CONCLUSÕES
A contribuição mais importante da metodologia desenvolvida, descrita em 2.2, foi a
possibilidade de avaliação com maior confiabilidade da quantificação de fração de vida,
quando relacionada com a evolução microestrutural de aços Cr-Mo. Isto se deve a
utilização do ensaio acelerado de fluência e da técnica de microscopia eletrônica de
transmissão que permitiram compreender o processo de transformação de carbetos
detalhadamente. O mapa de evolução proposto possibilitou uma fácil interpretação do
estágio em que se encontra a relação característica microestrutural x fração de vida
consumida.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
(1) Masuyama, F. et al, “Creep Damage Simulation Test and Creep Life Assessment
System for Elevated Temperature Plant Components”, ISIJ International, vol. 30, No
10.885-894,1990 .
(2) Nishizaka, Y. “Changes in Microstructure and Mechanical Properties of Cr-Mo
Reactor Vessel Steels During Long-Term Service”,
Journal of pressure Vessel
Technology, vol 107, 285-294 (august), 1985.
(3) Inoue, A. “Carbide reactions during temperature of rapildy solidified high carbon CrW and Cr-Mo and Cr-Mo Steels”, Metalurgical Transations ,vol. 11A, , 739-747, may,
1980.
(4) Indocochea, J.E. “An analysis of creep damage in welded low steel rotor” Materials
Science and Enginnering , A234-A236, 555-558,1997.
(5) Lundin, C.D., Khan, K.K., Yang, D., et. al. “Failure Analysis of a Service- Exposed
Hot Reheat Steam Line in a Utility Steam Plant”, WRC Bulletin , v.407( june), 1990.
(6) Dobrazanski, J., Milinskp, P., Woszczek, J.,”Creep Resistant Metallic Materials”,
VITHOVICE, pp. 152-163, 1996.
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