Analise destrutivo em dois tipos de solda para o corpo de uma caldeira geradora de vapor

Prévia do material em texto

13
Área de Inovação e Tecnologia - APS
	
	
	
	
	Área de Inovação e Tecnologia - APS
	
	
	
	
	ANÁLISE DE ENSAIO DESTRUTIVO EM DOIS TIPOS DE SOLDA PARA O CORPO DE UMA CALDEIRA GERADORA DE VAPOR COM PRUDUÇÃO DE 500 KG/H A UMA PRESSÃO DE 10 KGF/CM²
	André Crestanaa, Otavio Lavorattib, Renato Pagelc, Romario Teles de Souzad, Tomé Pauletti Torchettoe
	aEngenharia Mecânica
	Professor Avaliador
Mestre professora Leticia Reinheimer.
	
	Resumo
A grande utilização de vasos de pressão na indústria gera uma elevada e contínua demanda na fabricação destes equipamentos. Por operarem em alta pressão, são considerados equipamentos de alto risco, sua fabricação exige diversos métodos e processos de acordo com normas vigentes afim de garantir a segurança, evitando assim possíveis danos a vida humana. O processo de solda é de extrema importância no processo de produção de vasos de pressão, por isso serão feitos dois corpos de prova de amostra com solda por eletrodos revestidos e arco submerso, levantando os parâmetros de solda, apontando os acertos e as posteriores falhas ocorridas a partir dos testes em laboratório. O principal objetivo é poder orientar empresas do ramo sobre procedimentos corretos na soldagem de vasos de pressão.
	Palavras-chave: 
Solda, ensaio destrutivo, liquido penetrante, corpo de caldeira, vasos de pressão.
	
	
1 INTRODUÇÃO
Diante do grande crescimento da produção industrial, os processos com solda para a união de dois materiais ainda é o mais utilizado, para tão diversificada gama de máquinas e equipamentos, possuímos os diferentes tipos de soldagem.
Para isso, o estudo das características dos novos aços e o conhecimento da metalurgia da soldagem tornam-se fatores essenciais, permitindo o desenvolvimento de metais de adição compatíveis e a elaboração de procedimentos de soldagem adequado de forma a assegurar a qualidade do metal depositado e evitar acidentes que em geral são catastróficos. A experiência de campo também é fundamental para a compreensão de importantes condições de contorno e deve ser sempre levada em consideração. 
Apesar das grandes inovações em soldagem de vasos de pressão, o principal processo de soldagem ainda utilizado é a soldagem manual com eletrodo revestido, graças a sua versatilidade. Entretanto para reduzir custos e aumentar a produtividade, particularmente em longos percursos, várias empreiteiras adotaram processos de soldagem semiautomáticos ou totalmente automatizados com arames tubulares com alma metálica ou não metálica e arames sólidos. 
Para isto devem seguir os códigos ASME, que têm como objetivo criar regras seguras para projetos e fabricação apresentando metodologia e critérios para dimensionamento, fabricação, realização de exames não destrutivos, além de materiais aplicáveis com respectivas tensões admissíveis. (FALCÃO, 2008).
 O material deve cumprir as especificações originais, estas especificações podem ser obtidas a partir dos esquemas da caldeira. Deve-se realizar uma supervisão muito cuidadosa em todas as fases do trabalho de reparação. Eletrodo de baixo hidrogênio deve ser utilizado para ter propriedades mecânicas semelhantes ao do metal original e prevenir trincas induzidas por hidrogênio. 
Para localizar trincas em solda, realiza-se os chamados testes não destrutivos como, líquido penetrante, inspeção por partículas magnéticas, ultrassom e raio-X, sendo primeiro a localizar as rachaduras ou descontinuidades superficiais e os posteriores localizam trincas imperceptíveis a visão através da superfície da junta soldada. Se houver áreas defeituosas precisam ser cortadas por um corte com maçarico.
 Em função da energia térmica imposta pelo processo de soldagem as alterações podem ocorrer na estrutura metalúrgica do metal de base adjacente à solda (zona termicamente afetada). Estas mudanças podem fragilizar ou degradar as propriedades do material. Portanto, após a soldagem em alguns casos é recomendado realizar um tratamento térmico de alivio de tensões para restaurar a ductilidade do material e, assim, evitar tensões residuais e fissurações. Além desses cuidados é recomendado que a caldeira seja submetida a um teste hidrostático de 1,5 vezes a pressão máxima de trabalho admitida (PMTA) durante pelo menos 15 minutos, para minimizar os riscos de explosões e identificar possíveis falhas. No entanto foi dedicado um amplo espaço para a soldagem manual, com referência especial às práticas operacionais e à avaliação da qualidade, devido ao seu uso frequente na soldagem de tubos da Caldeira de geração de vapor, como observado na empresa em que foi realizado o serviço, porém sem desprezar os métodos mais modernos e produtivos que estão sendo e serão cada vez mais utilizados no brasil (CARDOSO, LIMA, 1013).
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 - Solda MIG/MAG
A soldagem MIG/MAG é realizada através do arco elétrico com gás de proteção, entre a peça e o consumível na forma de arame, eletrodo não revestido, onde o mesmo é fornecido por um alimentador contínuo, resultando em uma união de materiais metálicos pelo aquecimento e fusão.
 No caso do processo de soldagem MIG, utiliza-se gás de proteção onde o mesmo precisa ser inerte, ou seja, um gás normalmente monoatômico como argônio ou hélio, que não possuem atividade física com poça de fusão. Já na solda MAG, possuímos um processo semelhante, mudando apenas as misturas dos gases, que neste caso são ativas e também há uma interação com a poça de fusão, normalmente gerado pelo gás dióxido de carbono (CO2) (MARQUES, 2005).
Para realizar a solda, é utilizado uma corrente contínua com o arame no polo positivo (polaridade reversa), na maioria das vezes, porém pode se usar na polaridade direta, mas raramente é utilizado, pois resulta em uma menor taxa de transferência do metal fundido do arame de solda para a peça. Geralmente usa-se correntes de 50 amperes, podendo ultrapassar 600 amperes e tensões de 15 volts até 32 volts (MERKLE, 2017).
O processo de soldagem MIG/MAG pode ser semiautomático ou automático. No processo semiautomático, possuímos o arame-eletrodo alimentado automaticamente por uma tocha de soldagem, onde a mesma é controlada pelo soldador, podendo ajustar a inclinação conforme os ângulos de trabalho e de deslocamento, além da técnica de deposição. No processo automático, o operador de soldagem é responsável por ajustar todos os comandos de operação. 
As vantagens do processo MIG/MAG: A soldagem pode ser feita em qualquer posição, comprimento ilimitado, mínima limpeza após a soldagem, devido à ausência de escoria, longos cordões de solda podem ser depositados sem a necessidade de paradas e reinícios, maior velocidade no processo de soldagem, maior penetração quando a transferência por spray for utilizada, em relação a soldarem com eletrodo revestido (WAINER; BRANDI; MELLO, 2000).
2.2 - Solda arco submerso
É um processo automático, controlado apenas pelo operador, onde o cabeçote de soldagem é movimentado por um mecanismo de avanço junto a um reservatório com fluxo granulado.
Existem dois processos de soldagem por arco submerso, primeiramente possuímos a soldagem de união de cilindros, onde o conjunto do mecanismo se movimenta através de posicionadores giratórios e o cabeçote permanece fixo (WAINER; BRANDI; MELLO, 2000).
O segundo processo é definido como soldagem de revestimento de eixos ou cilindros, onde a peça faz o movimento de rotação gerado pelo emprego de posicionadores giratórios, e o cabeçote por sua vez, realiza o movimento de translação.
As vantagens do processo de soldagem por arco submerso são: os poucos fumos de soldagem, a solda de alta qualidade, a ausência de arco soldável visível, minimizando os requisitos de proteção, podem ser utilizados múltiplos arames e velocidade de deslocamento e taxa de deposição muito altas, resistência a corrosão, boa ductilidade, propriedades praticamente iguais às encontradas no metal base, alta tenacidade ao entalhe, fita como metal de adição, usado para revestimento e variaçãode 5 quilos por hora (kg/h) até 85 kg/h na taxa de deposição (MARQUES, 2005).
Os consumíveis do processo serão o fluxo granulado e o eletrodo. O eletrodo pode ser sólido ou um arame com núcleo fluxado, nu ou fita. O fluxo também altera a composição química e podem influenciar na parte mecânica da solda. Os tipos de fluxos utilizados são: aglomerado, aglutinado, mecanicamente misturado e fundido.
A soldagem por arco submerso é aplicada em diversas áreas industriais, envolvendo a fabricação de navios, vasos de pressão, elementos estruturais para pontes e viadutos, entre outros. As seções soldadas por este processo podem variar de 5 milímetros e até passar de 200 milímetros de espessura. Aplica-se o processo em aços carbonos tratados termicamente, níquel e ligas de níquel, aços cromo-molibdênio, aços de baixa liga, temperados e revenidos (WAINER; BRANDI; MELLO, 2000).
A posição de soldagem na maioria das vezes é feita em posição plana, podendo também ser usada na horizontal em ângulo. Podemos citar também as descontinuidades, sendo elas: falta de fusão, inclusões de escoria, porosidade e falta de penetração. Além também de citarmos as trincas que podem aparecer devido a alguma falha no processo, são elas: mordeduras, trincas de cratera, garganta, na margem e na raiz (MARQUES, 2005).
2.3 – Ensaios não destrutivos e destrutivos
São utilizados com o objetivo de avaliar a qualidade da solda executada na peça, o objeto é submetido a testes que simulam esforços e condições reais de uso, onde serão levados ao limite máximo, de acordo com suas exigências. Esses testes são de extrema importância, pois assim podemos determinar a qualidade do produto, gerando mais segurança e confiabilidade na hora do uso do mesmo. 
2.3.1 - Inspeção visual ou dimensional
O processo que determina a aceitabilidade do produto soldado através de medições manuais e comparação do projeto com o realizado, sempre atendendo as normas de qualidade.
Este é o método mais simples, o mais utilizado e, em geral, precede qualquer outro tipo de ensaio. Ela é usada na inspeção de superfícies externas para a determinação de tamanho, forma, acabamento, ajustes. Pode ser feita a olho nu ou com uso de instrumentos como lupas, espelhos, câmeras de televisão, réguas e gabaritos (MODENESI, 2001).
2.4.2 - Líquidos penetrantes
O ensaio por líquido penetrante (LP), é utilizado para detectar descontinuidades superficiais e que sejam abertas, tais como: trincas, poros, dobras, podendo ser aplicado em todos os materiais sólidos e que não sejam porosos ou com superfície muito grosseira (FERRARESE). Aplica-se, após a limpeza do material, uma camada de líquido penetrante na superfície a ser ensaiada, remove-se o excesso e, com o revelador, é possível identificar a região em que há penetração do líquido, indicando fissura no material (RUSSEL, 2017).
2.4.3 - Ensaios metalográficos: 
Este procedimento tem como principal função verificar a existência de esferoidização de perlita, grafitização ou sinais de fluência na microestrutura dos aços ao carbono e carbono-molibdênio que constituem os coletores dos aquecedores.
Os pontos escolhidos sofrem uma preparação metalográfica superficial com lixamento, polimento, seguido de ataque com reagente adequado para revelar a microestrutura do material. A microestrutura assim revelada é copiada mediante uma réplica de acetato. A réplica de acetato uma vez extraída estará pronta para ser examinada em microscopia óptica, mediante simples preparação prévia, ou se preferir para melhorar o contraste, pode-se metalizar a réplica com alumínio.
Para análises criteriosas em microscópio eletrônico de varredura MEV, deve-se metalizar as réplicas em ouro, cobre ou carbono (INECON Brasil).
2.4.5 – Ensaio de tração
Este procedimento consiste em um ensaio de submeter um corpo de prova a um esforço de tração na direção axial até a sua ruptura. A ruptura acorre depois de um alongamento do corpo de prova. O ponto de ruptura em função da resistência e da deformação do corpo de prova é uma característica de cada material (DAMASCENO, 2010).
Um dos ensaios mais utilizados, consiste em colocar um corpo de prova em uma máquina, onde o mesmo sofrerá um esforço até o seu rompimento, assim medindo a resistência do material.
3 METODOLOGIA
	Para a realização de deste trabalho foram utilizados materiais e procedimentos que obrigatoriamente, para as construções de tubulações para vasos de pressão devem atender a requisitos das normas regulamentadora n°13 (NR13), API 5L, DIN 17172 ou EN 10208-2. Essas normas classificam os diferentes tubos em subgrupos de acordo com seus valores mecânicos facilitando a seleção do material adequado para cada aplicação.
3.1 - Composição 
A composição química de um aço de baixa liga e alta resistência pode variar de um produto para outro. Um aço típico possui normalmente menos que 0,15% de carbono, 1,65% de manganês e níveis baixos (abaixo de 0,035%) de Fósforo, enxofre e outros elementos. O baixo carbono garante boa conformabilidade e solvabilidade. A resistência destes aços é aumentada pela adição de pequenas quantidades de elementos de liga (CIMM, 2012).
O material analisado foi o aço ASTM-A516 na forma de tiras, sem tratamento térmico composição química máximas de 0,21% de carbono, 0,90% de manganês, 0,40 de silício, 0,035 de potássio, 0,04% de enxofre, 0,03% de vanádio, 0,4% de cobre (CEMAÇO).
3.2 – Soldagem
Para a soldagem por arco submerso é importante conhecer a peça, os materiais necessários para o processo e seguir corretamente o procedimento. Nesse processo simulamos a solda de um vaso de pressão, então utilizamos também a solda MIG/MAG para realizar o passe de raiz.
Na seção IX do código ASME refere-se à qualificação dos soldadores, operadores de equipamentos para soldagem, soldadores de brasagem, e dos procedimentos utilizados na soldagem. Ainda são importantes a especificação do procedimento de soldagem (EPS) e do registro da qualificação do procedimento de soldagem (RQPS) é o de determinar se a solda proposta para ser empregada na fabricação é capaz de alcançar as propriedades exigidas para a sua pretendida aplicação (LEGNER,2015).
3.3 – Exames das soldas
Todas as soldas das partes estruturais de vasos de pressão passam por exame não destrutivo e destrutivos, conforme recomendações do código ASME - SECTION IX, confirmando a eficiência construtiva e resistência estrutural do projeto.
Portanto após a realização dos dois procedimentos de solda, foram realizados os diversos ensaios para obtenção das propriedades e validação da solda realizada.
4 ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
	Para análise e discussão foram realizados soldagem de dois corpos de prova com dois processos de soldagem, sendo arco submerso e solda MIG, com realização de ensaios para avaliação dos materiais.
4.1.2 – Materiais utilizados
Os materiais utilizados no processo de soldagem foram conforme os previstos na norma ASME e na qual a empresa que realizou a soldagem emprega e seus processos.
		(a)				(b)				(c)
Figura 01 – Materiais (a) arame solda MIG, (b) arame arco submerso, (c) fluxo arco submerso
 Fonte: Autores
4.1.2 – Preparação das peças e soldagem
	Antes de iniciar o processo de soldagem arco submerso, foram feitos os passes de raiz com o processo de solda MIG, para conseguir uma boa penetração na face do chanfro é essencial manter um movimento lento e uniforme durante a soldagem, os parâmetros de soldagem foram a corrente de 200 amperes e tensão de 180 Volts. O passe de raiz deposita metal até uma altura de 3 a 4 milímetros com arame de 1,20 milímetros de diâmetro. Inicialmente, a fonte foi regulada com corrente de 280 amperes e tensão de 270 Volts conforme os parâmetros de composição do material de base e do eletrodo, a espessura da chapa 3/8 polegadas e diâmetro do arame de 2,38 milímetros. Em função da espessura foi necessário apenas um passe com arco submerso.
	A amostra com solda MIG também foram soldadas com passe de raiz, os parâmetrosde soldagem foram a corrente de 200 Amperes e tensão de 180 Volts. Depois de limpar o passe de raiz, prepara-se a amostra para soldagem de MIG com diâmetro do arame de 1,60 milímetros e os parâmetros de soldagem foram corrente de 220 amperes e tensão de 200 Volts. Em função da espessura foram necessários quatro passes de solda MIG.
Figura 02 – Preparação e soldagem das peças
 Fonte: Autores
4.2 – Teste não destrutivo
As soldas dos corpos de amostras passaram por exame não destrutivo tipo inspeção visual e LP (líquido penetrante) conforme recomendações do código ASME - SECTION IX, confirmando a eficiência construtiva e resistência estrutural do projeto.
 (a)				(b)				(c)
Figura 03 – Ensaio líquido penetrante: (a) líquido penetrante, (b) arco submerso, (c) solda MIG
Fonte: Autores
O corpo de prova foi preparado no laboratório utilizando para o corte uma policorte, com discos abrasivos intensamente refrigerados (evitando deformações devido ao aquecimento) a relativas baixas rotações é largamente utilizado nos laboratórios metalográficos.
Devido ao grau de perfeição requerida no acabamento de uma amostra metalográfica idealmente preparada. Operação que tem por objetivo eliminar riscos e marcas mais profundas da superfície dando um acabamento a esta superfície, preparando-a para o polimento. Após lixamento foi dado um acabamento superficial por polimento, utilizando abrasivos como pasta de diamante ou alumina. A etapa seguinte para permitir a identificação (visualização) dos contornos de grão e as diferentes fases na microestrutura. Um reagente ácido Nital (Nital a 10% 90 ml de álcool etílico 10 ml de ácido nítrico concentrado) foi colocado em contato com a superfície da peça por certo tempo, o reagente causará a corrosão da superfície.
Na análise microscópica observamos as amostras conforme sequência de figuras abaixo, as lentes utilizadas foram 50, 200 e 600 vezes de aumento. No exame microscópico, com seus fatores de aumento, nos possibilitou observar que na solda por arco submerso por ser um processo que apresenta baixa energia de soldagem, o que foi constatado pela análise da amostra, que apresenta uma ZTA pequena, o que é favorável, pois não altera em grande quantidade a microestrutura do metal base.
Figura 04 – Analise microscópica Solda Arco Submerso
Figura 05 – Analise microscópica Solda MIG/MAG
4.3 – Teste destrutivo
	Os ensaios foram realizados em um equipamento de tração, existentes no laboratório de materiais do centro universitário com capacidade de 60 toneladas.
Figura 06 – Ensaios destrutivos de tração
Fonte: Autores
Gráfico 01 – Tensão versus deformação
Fonte: Autores
Após feito ensaio de tração é possível destacar alguns pontos notáveis no gráfico e nas imagens, tais quais: 
 A tensão máxima a qual a barra de aço atingiu antes da deformação, pelo gráfico apresentou valores iguais para todas as amostras que giram em torno de 500 a 520 Mpa, a uma força de 60 kN. A tensão de ruptura, ou a tensão com a qual a barra de aço atingiu a deformação máxima e rompeu. A tensão limite de ruptura, pelo gráfico apresentou valores iguais que giram em torno de 355 Mpa a uma força de 40 kN.
Observamos nas imagens que em nenhum momento as amostras se romperam nas soldas, os quais eram os pontos a serem analisados, isso comprova que as mesmas foram feitas com qualidades, garantindo assim a segurança em um corpo de vaso de pressão categoria B que irá operar com 8 kgf/cm², sendo que a pressão máxima para ruptura é a do material 4527 kgf/cm².
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
	O material apresenta condições de soldagem favoráveis para aplicação nos trabalhos de vasos de pressão. O material é padronizado para uso em vasos de pressão, pode ser verificado que é possível realizar a diminuição da espessura do material e a solda não sofreu nenhum tipo de alteração nos dois procedimentos, para estudos futuros podem ser realizados testes com parâmetros de soldagem menores, como diminuição de bitolas de arames, corrente e tensão.
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS:
FALCÃO, C, Fadiga e Concentração de Tensões: Projeto de Vasos de Pressão e Trocadores de calor, 2008.
MARQUES, Paulo Villani. Soldagem: Fundamentos e Tecnologia. Belo Horizonte: UFMG, 2005.
QUITES, Almir M. Introdução a Soldagem a Arco Voltaico. 2º ed., Florianópolis: Soldasoft, 2003.
WAINER, Emílio. Soldagem: Processos e Metalurgia. São Paulo: Edgard Blucher, 2000.
FEDELE, Eng. Ricardo. Soldagem de tubulações, Metalurgia, Procedimentos e Desafios. Metalurgia e Materiais - Rio de Janeiro: v. 58, n. 521, p. 1-11, 2002.
BESSA, Paulo Cesar. Alusolda. Processo de soldagem MIG/MAG. Disponível em: <http://www.alusolda.com.br/conteudo/processo-de-soldagem-migmag.html>. Acesso em: 08 out 2017.
CARDOSO, Marcelo Lima. EBAH. Estudo técnico da soldagem dos tubos internos de uma caldeira, 2013. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfr-8AG/estudo-tecnico-soldagem-dos-tubos-caldeira-geracao-vapor-que-utiliza-ciclo-rankine>. Acesso em: 10 set 2017.
CEMAÇO. Tabela de Aços A-285 e A-516. Disponível em: <http://www.cemacobr.com.br/tabelas/a285.pdf>. Acesso em 19 nov 2017.
CIMM - CENTRO DE INFORMAÇÃO METAL MECÂNICA. Aços de alta resistência e baixa liga, 2017. Disponível em: <https://www.cimm.com.br/portal/material_didatico/6340-acosde-alta-resistencia-e-baixa-liga#.UTtW7FeNCXk>. Acesso em: 12 nov 2017
FERRARESE, Valtair Antônio. Ensaios não destrutivos, Ensaio por líquido Penetrante Disponível em: <ftp://ftp.mecanica.ufu.br/LIVRE/Valtair%20-%20END/L%CDQUIDO%20PENETRANTE.pdf>. Acesso em: 30 de out 2017. 
GUIA TRABALHISTA. Caldeiras e vasos de pressão, 2014. Disponível em: <http://www.guiatrabalhista.com.br/legislacao/nr/nr13.html>. Acesso em: 10 set 2017.
INECON Brasil. Ensaios por Réplicas Metalográficas. Disponível em: <http://www.ineconbrasil.com.br/blog/ensaio-por-replicas-metalograficas>. Acesso em: 31 out 2017.
INFOSOLDA. Ensaio Macrográfico, 1997. Disponível em: <http://www.infosolda.com.br/biblioteca-digital/livros-senai/ensaios-nao-destrutivos-e-mecanicos/219-ensaio-macrografico.html>. Acesso em: 16 out 2017.
MERKLE. Soldagem MIG/MAG. Disponível em: <http://www.merkle.com.br/mig-mag.html>. Acesso em: 08 out 2017.
LAGNER, Carla. Importância da norma ASME par instalação de vasos de pressão, 2015. Disponível em: <http://www.revistatae.com.br/8656-noticias>. Acesso em 26 nov 2017.
RUSSEL SERVIÇOS. Tipos de ensaios, 2015. Disponível em: <https://www.russelservicos.com.br/tipos-de-ensaios-nao-destrutivos>. Acesso em 26 nov 2017.