O aço bainítico 15CrMoV5-10 foi originalmente desenvolvido na Rússia sendo conhecido na Alemanha como o aço fundido G17-CrMoV5-10. Esse material é aplicado em tubos para condução de vapor vivo. Na antiga República Democrática Alemã esse material era soldado usando o metal de adição do tipo 10CrMo9-10. Atualmente há metais de adição similares para a soldagem desse material do tipo CrMoV. Esse aço era soldado efetuando-se primeiramente um pré-aquecimento de cerca de 200°C e adotando temperatura entre passes de soldagem igual a 300°C. O tratamento térmico posterior era feito entre 710 e 740°C durante duas a quatro horas. O d e s e n - volvimento de usinas termelétricas a carvão com maior rendimento e baixas emissões de gás carbônico impôs um aumento das temperaturas de operação das paredes de membrana da caldeira e do coletor. Essa tendência levou ao desenvolvimento de novos aços, tais como o bainítico

Fig. 1 – Ciclo de temperatura durante a soldagem e o tratamento térmico (tratamento térmico posterior à soldagem de componentes feitos com aço T/P23 com paredes apresentando grande espessura).

7CrMoVTiB10-10 (T/P24). Do ponto de vista dos elementos de liga, houve a redução do teor de carbono com o objetivo de suprimir, tanto quanto possível, o tratamento térmico posterior à soldagem desse material. Devido aos teores de cromo e molibdênio, de forma similar ao aço 10CrMo9-10, também

Fig. 2 – Ciclo de temperatura durante a soldagem e o tratamento térmico de componentes feitos com aço T/P24 com paredes apresentando grande espessura

bém foram incorporados vanádio, titânio e boro para elevar a resistência mecânica a quente por meio da ação de precipitados finos. O aço bainítico 7CrWVMoNb9-6 (T/ P23), menos conhecido na Europa, tem parte do molibdênio usado no 10CrMo9-10 substituído por tungstênio e adições de vanádio e nióbio.

Os aços T/P23 e T/P24 são similares em termos de soldabilidade e seus parâmetros de soldagem apresentam apenas janelas de processo estreitas. Em princípio usa-se soldagem TIG (sob atmosfera protetiva com eletrodo de tungstênio) para proteger a superfície do primeiro passe (raiz do cordão), adotando argônio como gás de proteção (ou purga). Os tubos com paredes finas da caldeira são unidos às aletas por soldagem com arco submerso em pó. O processo é executado num único passe, sendo usados metal de adição e pó de aluminato-rutilo similares ao produto “Böhler BB 305”. A execução de pré e pós-aquecimento ligeiros, usando a própria tocha de soldagem, é benéfica para evitar o surgimento de altas tensões internas e trincas induzidas pela presença de hidrogênio.

No caso de componentes com paredes grossas, apresentando aproximadamente 10 mm de espessura, poder ser efetuado um pré-aquecimento até 250°C, no máximo. A temperatura entre passes de soldagem deve ser limitada a 280°C. Após o resfriamento lento até a temperatura ambiente deve-se proceder imediatamente ao revenimento a 740°C ao longo de, no mínimo, duas horas (quatro horas no caso do processo de soldagem com arco submerso em pó). Somente por meio desse tratamento térmico é possível obter propriedades otimizadas no cordão de solda, conforme pode ser observado nas figuras 1 (pág. 12) e 2.

Durante os procedimentos de soldagem, executados durante a fase de montagem, estruturas com espessura de parede de até 10 mm são soldadas, por exemplo, por meio de soldagem TIG com pré-aquecimento e resfriamento lento posterior, alcançando os níveis mais baixos possíveis de teores de hidrogênio e de tensões internas. Além disso, a camada de solda depositada deve ser a mais fina possível. Somente assim serão obtidos valores de dureza abaixo de 350 HV10 no cordão de solda, bem como propriedades mecânicas e tecnológicas satisfatórias na junta soldada, permitindo suprimir o tratamento térmico posterior (tabela 1). Outras particularidades sobre o processamento do aço T/P24 encontram-se compiladas no anexo da diretriz da Associação dos Usuários de Vasos de Pressão de Grande Porte (Vereinigung der Grosskesselbesitzer, VGB) denominada VGB-Richtlinie 501.

 

Materiais para adição durante a soldagem pelos processos manual a arco, TIG e com arco submerso em pó encontram-se disponíveis no comércio, tanto para o aço T/ P23 como para o T/ P24 (tabela 2). Esses materiais para adição ainda não foram normalizados.

Dados sobre as suas propriedades podem ser encontrados nos catálogos e fichas dos fabricantes e na ficha técnica da Federação das Associações de Controle Técnico (Verband der technischen Überwachungsvereine e.V., VdTÜV) para materiais de adição.

Aços martensíticos: situação atual e tendências

O material X20CrMoV11-1, utilizado desde os anos 1960, é um aço martensítico com altos valores de resistência à fluência e que apresenta alta resistência à oxidação, característica que também se faz necessária para uso sob altas temperaturas, a partir de 600°C. A desvantagem desse material é a sua processabilidade relativamente ruim. No início dos anos 1980 o aço martensítico X10CrMoVNb9-1 (P91) foi introduzido no mercado, tendo sido aplicado na Alemanha a partir de 1990. Este material apresenta elevada resistência à fluência e menor resistência à oxidação em comparação com o aço X20CrMoVNb11-1. Contudo, ele se caracteriza por apresentar processamento significativamente mais simples.

Já o aço X11CrMoWVNb9-1-1 (E911) foi desenvolvido a partir do X10CrMoVNb9-1 (P91); o novo material inclui a adição de aproximadamente 1% de tungstênio. Contudo, esse aço não obteve aceitação para ser usado na forma de tubos. Atualmente é usado na Alemanha o aço martensítico X10CrWMoVNb9-2 (P92), o qual apresenta tanto boa resistência à fluência como boa processabilidade, bem como suficiente resistência à oxidação sob as típicas temperaturas de aplicação.

O próximo passo no desenvolvimento foi o uso do aço martensítico X12CrCoWMoV Nb12-2-2 (designação comercial “Vallourec VM12-SHC”). Esse aço apresenta processabilidade relativamente boa e possui, em comparação com o P92, melhor resistência à oxidação sob níveis comparáveis de resistência à fluência em relação ao P91 (figura 3).

Características da soldagem do aço X10CrWMoVNb9-2

O material X10CrWMoVNb9-2 é um aço ligado transformável em martensita, frequentemente usado na construção de usinas termelétricas na forma de tubos com paredes espessas, com diâmetro de até 600 mm ou, conforme a aplicação, maiores. A soldagem de aços martensíticos resistentes ao calor requer pré-aquecimento sob temperatura de aproximadamente 250°C, o qual precisa ser feito da maneira mais homogênea possível. Aqui não se pode considerar o pré-aquecimento usando chama.

O primeiro passo da soldagem TIG requer tratamento da superfície da raiz com gás de purga isento de hidrogênio. A temperatura entre passes de soldagem deve estar abaixo de 300°C, ou, melhor ainda, 280°C. A espessura e a configuração das camadas exercem grande influência sobre a

Fig. 3 – Resistência à fluência de aços martensíticos para trabalho a quente

resistência ao impacto. Devem ser aplicadas camadas com espessuras menores que 3 mm. A aplicação das camadas deve ocorrer da esquerda para a direita ou de forma inversa. A configuração geral frequentemente usada, “direita – esquerda – meio” é desfavorável nesse caso.

O tratamento térmico posterior é, juntamente com a composição química do aço, um fator decisivo para obter altos valores de energia absorvida durante o impacto. Mesmo desvios insignificantes rumo a menores temperaturas levam à obtenção de propriedades mecânicas insuficientes no cordão de solda. Portanto, o processo de soldagem mais usado, depois da soldagem TIG do primeiro passe e da soldagem manual a arco, é o que usa arco submerso em pó.

Após um resfriamento lento e homogêneo até, no mínimo, abaixo de 100°C ou temperatura ambiente, é necessário proceder, o mais rápido possível, a um revenimento sob 760°C durante quatro horas no mínimo (figura 4). Após esse procedimento pode-se esperar que a junta soldada apresente boas propriedades, desde que tenham sido usados materiais de adição para soldagem similares, conforme mostram os exemplos reproduzidos nas tabelas 3, 4 (pág. 17) e 5 (pág. 18).

Características da soldagem do aço VM 12-SHC

O processo de soldagem do aço VM 12-SHC é similar ao usado no P92. O VM 12-SHC é usado, acima de tudo, em tubos com espessura de parede de até 10 mm. Portanto,

Fig. 4 – Evolução da temperatura durante a soldagem do aço X10CrWMoVNb9-2

normalmente são usados os processos de soldagem TIG ou manual a arco (tabela 6, pág. 18). Encontram-se disponíveis materiais para adição similares para esse tipo de soldagem. O processo requer temperaturas para pré-aquecimento

de, no mínimo, 200°C e temperaturas entre passes de soldagem de, no máximo, 280°C. O tratamento térmico posterior é feito acima de 770°C durante aproximadamente duas horas. Dessa forma, os valores de resistência ao impacto obtidos serão maiores que os 27 J requeridos, ao mesmo tempo em que são obtidos bons valores de resistência mecânica (tabela 7, pág. 20).

Para altos requisitos: aços austeníticos e ligas de níquel

Atualmente, no caso de temperaturas de operação acima de 620°C, somente os aços austeníticos resistentes ao calor e ligas de níquel apresentam resistência à oxidação suficiente na presença de vapor aquecido e de fumos de combustão, bem como níveis suficientes de resistência à fluência, da ordem de 100.000 horas. Esses materiais são utilizados, por exemplo, nas tubulações do super- aquecedor.

A liga de níquel 617 modificada (617/NiCr22Co12Mo9) apresenta níveis máximos de resistência à oxidação e de resistência a quente (tabela 5, pág. 18). Além disso, foram desenvolvidos novos aços austeníticos, tais como o Super 304H (X10CrNiCuNb 18-9-3) ou DMV 304H (marca registrada da SMST), DMV 310N (X6CrNiNbN 25-20, marca registrada da SMST) ou HR3C (marca registrada da Nippon Steel, hoje designada como Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation) e X7NiCrWCuCoNb- NB 25-3-3-2 (“Sanicro 25”, marca registrada da Sandvik). As propriedades requeridas são obtidas pela incorporação dos elementos de liga cromo e níquel, bem como pela adição de cobre, tungstênio, níquel e/ou boro.

Durante a execução da soldagem dos aços austeníticos para trabalho a quente e da liga de níquel 617 modificada é necessário garantir a máxima limpeza possível da região da junta soldada, além de proteger a superfície da raiz do cordão com gás de purga durante o primeiro passe de soldagem. O processo ocorre sem pré-aquecimento e a temperatura máxima para a aplicação dos passes de soldagem deve ser limitada a 150°C. O aporte de energia específica durante a soldagem deve ser mantido entre 0,8 e 1,5 kJ/mm.

Até o momento foram disponibilizados materiais para adição similares para soldagem, especificados conforme a ficha técnica publicada pela VdTÜV, somente para o aço Super 304H e para a liga de níquel 617 modificada (tabela 8, pág. 20). Por sua vez, os materiais HR3C, DMV 310N e Sanicro 25 somente podem ser soldados com material para adição durante a soldagem específica para a liga de níquel 617 modificada. Também há uma ficha técnica publicada pela VdTÜV para este caso específico. As propriedades mecânicas obtidas nos cordões de solda propriamente ditos são mostradas na tabela 9 (pág. 21).

Fig. 5 – Resistência à fluência de aços austeníticos para trabalho a quente e de ligas de níquel

Dicas para a confecção de juntas mistas com diferentes aços

Frequentemente, é necessário confeccionar juntas soldadas entre diferentes aços durante a construção de usinas termelétricas. Na maioria dos casos essas juntas são produzidas usando o material para adição durante a soldagem relativa ao material menos ligado. Contudo, neste caso, frequentemente a seleção correta do material para adição durante a soldagem e do tratamento térmico posterior otimizado constitui problemas. Portanto, no caso de uniões mistas, deve-se aludir nesse ponto aos guias sobre equivalências entre diretrizes elaborados por diversas instituições, intitulados “Tratamento Térmico de Juntas Soldadas – Dados sobre Temperatura e Duração do Recozimento” (Warmebehandlung Von Schweißverbindungen – Angaben zu Glühtemperatur und Glühdauer) como, por exemplo, a ficha técnica da VdTÜV sobre

 

caldeiras a vapor 451-03/3 (VdTÜV Dampfkessel 451-03/3). Neles podem ser encontradas recomendações sobre tratamentos térmicos, bem como materiais adequados para adição durante a soldagem.

Em alguns casos isolados as juntas soldadas não podem ser confeccionadas de forma direta devido às diferentes temperaturas especificadas para o tratamento térmico posterior. Nesses casos é necessário utilizar um componente intermediário adicional constituído, por exemplo, de aço 10CrMo9-10, ou então fabricá-lo por deposição de, no mínimo, três camadas de material de adição para a soldagem à base de níquel; esse componente é então recozido isoladamente e soldado com os dois materiais diferentes sem a aplicação de tratamento térmico subsequente. Em outros tipos de aplicação pode-se, por exemplo, usar um material de adição para soldagem que não seja indicado especificamente para essa aplicação, como o Böhler P 24, específico para a união do aço 10CrMo9-10 com os aços martensíticos P91, P92 e VM 12- SHC. Aqui, em princípio, é sempre necessário provar que o material de adição possui a correspondente aprovação; além disso, o processo deverá passar por qualificação.