apostila - caldeiraria tubulação industrial - senai

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Em temperaturas superiores a 530°C o aço-carbono sofre uma intensa oxidação superficial (scaling), quando exposto ao ar, com formação de grossas crostas de óxidos, o que o torna inaceitável para qualquer serviço contínuo. Deve ser observado que em contato com outros meios essa oxidação pode se iniciar em temperaturas mais baixas. A exposição prolongada do açocarbono a temperaturas superiores a 440°C pode causar ainda uma precipitação de carbono grafitização), que faz o material ficar quebradiço.

Por todas essas razões não se recomenda o uso de açocarbono para tubos trabalhando permanentemente a mais de 450°C, embora possam ser admitidas temperaturas eventuais até 550°C, desde que sejam de curta duração e não coincidentes com grandes esforços mecânicos.

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Quanto maior for a quantidade de carbono no aço maior será a sua dureza e maiores serão os limites de resistência e de escoamento; em compensação o aumento do carbono prejudica a ductilidade e a soldabilidade do aço. Por esse motivo, em aços para tubos limita-se a quantidade de carbono até 0,35%, sendo que até 0,30% de C a solda é bastante fácil, e até 0,25% de C os tubos podem ser facilmente dobrados a frio.

Os aços-carbono podem ser "acalmados" (killed-steel), com adição de até 0,1% de Si, para eliminar os gases, ou "efervescentes" (rimed-steel), que não contêm Si. Os açoscarbono acalmados têm estrutura metalúrgica mais fina e uniforme, sendo de qualidade superior aos efervescentes Recomenda-se o emprego de aços-carbono acalmados sempre que ocorrerem .temperaturas acima de 400°C, ainda que por pouco tempo, ou para temperaturas inferiores a 0°C.

Os aços de baixo carbono (até 0,25%C) têm limite de ruptura da ordem de 31 a 37 kg/mm2, e limite de escoamento de 15 a 2 kg/mm2. Para os aços de médio carbono (até 0,35%C) esses valores são respectivamente 37 a 54 kg/mm2, e 2 a 28 kg/mm2.

Em temperaturas muito baixas o aço-carbono apresenta um comportamento quebradiço, estando sujeito a fraturas frágeis repentinas. Esse efeito é melhorado quando o aço é de baixo carbono e normalizado para obtenção de uma granulação fina. Por esse motivo, os aços para trabalho em temperaturas inferiores a 0°C devem ser aços acalmados, com o máximo de 0,3% de carbono, e normalizados para uma granulação fina. Em todos os tubos operando nessa faixa de temperaturas deve ser exigido o ensaio de impacto "Charpy" para verificação de sua ductilidade. A temperatura mínima limite para uso desses açoscarbono pela norma ANSI.B.31(*) é de —50°C, embora raramente sejam empregados em temperaturas abaixo de — 45°C.

O aço-carbono quando exposto à atmosfera sofre uma corrosão uniforme (ferrugem), que é tanto mais intensa quanto maiores forem a umidade e a poluição do ar. O contato direto com o solo causa não só a ferrugem como uma corrosão alveolar penetrante, que é mais grave em solos úmidos ou ácidos; esse contato deve por isso ser sempre evitado. O aço-carbono é violentamente atacado pelos ácidos minerais, principalmente quando diluídos ou quentes. O serviço com os álcalis, mesmo quando fortes, é possível até 70°C, devendo entretanto, para temperaturas acima de 40°C, ser feito um tratamento térmico de alívio de tensões; temperaturas mais elevadas causam um grave problema de corrosão sob-tensão no aço-carbono. De um modo geral, os resíduos da corrosão do aço-carbono não são tóxicos, mas podem afetar a cor e o gosto do fluido contido.

Especificações para tubos de aço-carbono

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São as seguintes as principais especificações americanas para tubos de aço carbono:

1. Especificações Para "Tubos Para Condução" (Nomenclatura da "COPANT"), Com ou Sem Costura (welded and seamless pipes):

— ASTM-A-106 — Especificação para tubos sem costura de 1/8" a 24" de diâmetro nominal, de alta qualidade, de aço-carbono acalmado, para uso em temperaturas elevadas. Essa especificação fixa as exigências de composição química, ensaios e de propriedades mecânicas que o material deve satisfazer. A especificação abrange três graus de material:

Tabela 1 c %

(máx.) Mn. % Si % (mín.)

Ruptura

Kg/mm2 Escoamento (kg/mm2)

Grau A (baixo carbono) 0,25 0,27 — 0,93 0,10 34 20

Grau A (médio carbono) 0,30 0,29 — 1,06 0,10 41 24

Grau A (médio carbono) 0,35 0,29 — 1,06 0,10 48 27

Os tubos de grau "C", que só devem ser empregados até 200°C, são fabricados apenas, eventualmente, sob encomenda. Para serviços em que haja encurvamento a frio devem ser empregados tubos de grau "A".

Recomenda-se o uso de tubos A-106 quando ocorrerem temperaturas de trabalho acima de 400°C.

— ASTM-A-53 — Especificação para tubos de aço-carbono, de qualidade média, com ou sem costura, de 1/8" a 24" de diâmetro nominal, para uso geral. Essa especificação fixa também as exigências de composição química, de propriedades mecânicas e ensaios que o material deve satisfazer. A aço-carbono por essa especificação não é sempre acalmado. Os tubos podem ser pretos, isto é, sem acabamento, ou galvanizados.

A especificação distingue 2 graus de material:

— Tubos sem costura ou fabricados por solda de resistência elétrica, aço de baixo carbono, ruptura 3 kg/mm2, escoamento 20 kg/mm2 (grau "A").

— Idem, idem, aço de médio carbono, ruptura 41 kg/mm2, escoamento 24 kg/mm2 (grau "B").

Para encurvamento a frio devem ser usados tubos de grau "A". Embora os limites máximos de temperatura permitidos pela

20 Companhia Siderúrgica de Tubarão norma ANSI . B . 31 para os tubos A-53, graus A e B, sejam os mesmos dos tubos A-106 (graus A e B), os materiais dessa especificação não devem ser usados em serviço permanente acima de 400°C.

Os tubos de acordo com a ASTM-A-53 são mais baratos do que os tubos de acordo com a ASTM-A-106, e por isso representam a maior parte das tubulações de aço-carbono das instalações industriais em geral.

— ASTM-A-120 — Especificação para tubos de aço-carbono, com ou sem costura, pretos ou galvanizados, de qualidade estrutural, de 1/8' a 16' de diâmetro nominal. Essa especificação embora, como as anteriores, fixe as dimensões, tolerâncias, testes de aceitação etc., não prescreve exigências de composição química completa, portanto, o material não tem garantia de qualidade.

A norma ANSI.B.31.3 só permite o emprego desses tubos para os fluidos denominados "categoria D", o que inclui fluidos nãoinflamáveis, não-tóxicos, em pressões até 10 kg/cm2, e em temperaturas até 180° C.(*)

Esses tubos, mais baratos do que os anteriores, são, entretanto, muito usados para água, ar comprimido, condensado e outros serviços de baixa responsabilidade.

Os tubos de aço A-120 não devem ser dobrados a frio e nem empregados para temperaturas acima de 200°C ou abaixo de zero °C.

— ASTM-A-3 (Gr. 6) — Especificação para tubos de açocarbono, sem costura, especiais para baixas temperaturas. O aço para esses tubos tem uma taxa de carbono até 0,3%, e de manganês de 0,4 a 1,05b; é sempre normalizado para refinamento do grão e é submetido ao ensaio de impacto "Charpy" a—46°C.

— API-SL — Especificação do "American Petroleum Institute" para tubos de aço-carbono de qualidade média. Abrange tubos de 1/8" a 64" de diâmetro nominal, pretos, com ou sem costura. Os graus de material, os requisitos de composição química e de propriedades mecânicas são semelhantes aos da especificação ASTM-A-53.

— API-SLX — Especificação para tubos com e sem costura, fabricados com aços-carbono de alta resistência, especiais para oleodutos.

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Distinguem-se seis graus de material, todos de aços de médio carbono:

Grau X 42 Ruptura: 42 kg/mm2 Escoamento: 29 kg/mm2 Grau X 46 4 kg/mm2 32 kg/mm2 Grau X 52 46 kg/mm2 36 kg/mm2 Grau X 60 52 kg/mm2 42 kg/mm2 Grau X 65 54 kg/mm2 45 kg/mm2 Grau X 70 58 kg/mm2 49 kg/mm2

De acordo com a norma ANSI.B.31, os tubos desta especificação não devem ser empregados para temperaturas acima de 200°C. A norma ANSI . B .31.1 (tubulações para vapor), proíbe o uso desses tubos para vapor.

1. Especificacões Para Tubos Com Costura (welded pipes):

— ASTM-A-134 —Especificação para tubos fabricados por solda elétrica por arco protegido, para diâmetros acima de 16" e espessuras de parede até 3/4", com solda longitudinal ou em espiral.

— ASTM-A-135 — Especificação para tubos fabricados por solda de resistência elétrica, para diâmetros até 30". Os tubos de grau "A" têm o limite de ruptura de 3 kg/mm2 e os de grau "B" de 41 kg/mm2.

Pela norma ANSI.B.31, os tubos de especificações A-134 e A- 135 só são permitidos para os fluidos de "Categoria D".

— ASTM-A-671 — Especificação para tubos fabricados por solda elétrica (arco protegido), para temperatura ambiente e temperaturas baixas, em diâmetros de 12" ou maiores. A especificação abrange 9 classes, designadas de 10 a 32, conforme as exigências de tratamentos térmicos de alívio de tensões e de normalização, radiografia total e teste de pressão. Os tubos são feitos a partir de chapas de aço-carbono acalmado (ASTM-A-515 ou A-516) ou não-acalmado (ASTM-A-285 Gr C).

— ASTM-A-672 — Especificação para tubos para temperaturas moderadas. O processo de fabricação, faixa de diâmetros e matéria-prima para os tubos de aço-carbono são os mesmos da A-671.

Nota: Os tubos das especificações A-671 e A-672 estavam abrangidos anteriormente pela especificação A-155, que foi suprimida.

— ASTM-A-211 — Especificação para tubos com solda espiral, de 4" a 48" de diâmetro nominal.

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Aços-liga e Aços-inoxidáveis — Casos gerais de emprego

Denominam-se "aços-liga" (alloy-steel) todos os aços que possuem qualquer quantidade de outros elementos, além dos que entram na composição dos aços-carbono. Dependendo da quantidade total de elementos de liga, distinguem-se os aços de baixa liga (low alloy-steel), com até 5% de elementos de liga, aços de liga intermediária (intermediate alloy-steel), contendo entre 5% e 10%, e os aços de alta liga (high alloy-steel), com mais de 10%.

Os aços inoxidáveis (stainless steel), são os que contêm pelo menos 12% de cromo, o que lhes confere a propriedade de não se enferrujarem mesmo em exposição prolongada a uma atmosfera normal.

Todos os tubos de aços-liga são bem mais caros do que os de aço-carbono, sendo de um modo geral o custo tanto mais alto quanto maior for a quantidade de elementos de liga. Além disso, a montagem e soldagem desses tubos é também mais difícil e mais cara.

Como todas as instalações industriais estão sujeitas a se tornarem obsoletas em relativamente pouco tempo, não é em geral econômico nem recomendável o uso de aços-liga apenas para tornar muito mais longa a vida de uma tubulação.

Os principais casos em que se justifica o emprego dos aços especiais (aços-liga e inoxidáveis), são os seguintes:

a) Altas temperaturas — Temperaturas acima dos limites de uso dos aços-carbono, ou mesmo abaixo desses limites, quando seja exigida grande resistência mecânica, resistência à fluência ou resistência à corrosão.

b) Baixas temperaturas — Temperaturas inferiores a — 45°C, para as quais os aços-carbono ficam sujeitos a fratura frágil.

c) Alta corrosão — Serviços com fluidos corrosivos, mesmo quando dentro da faixa de emprego dos aços-carbono. De um modo geral, os aços-liga e inoxidáveis têm melhores qualidades de resistência à corrosão do que os aços-carbono. Existem, entretanto, numerosos casos de exceção: a água salgada, por exemplo, destrói os aços especiais tão rapidamente como os aços-carbono.

d) Necessidade de não contaminação — Serviços para os quais não se possa admitir a contaminação do fluido circulante (produtos alimentares e farmacêuticos, por exemplo). A corrosão, ainda que só seja capaz de destruir o material do tubo depois de muito tempo, pode causar a contaminação do fluido circulante, quando os resíduos da corrosão são carregados pela corrente fluida. Por essa razão, nos casos em que não possa haver contaminação, empregam-se muitas vezes os aços especiais, embora do ponto de vista propriamente da corrosão não fossem necessários.

Departamento Regional do Espírito Santo 23 e) Segurança — Serviços com fluidos perigosos (muito quentes, inflamáveis, tóxicos, explosivos etc.), quando seja exigido o máximo de segurança contra possíveis vazamentos e acidentes. Também nesses casos, estritamente devido à corrosão, não seriam normalmente necessários os aços especiais.

No que se refere à corrosão, convém observar que, exceto quando entram em jogo também a não-contaminação ou a segurança, o problema é puramente econômico: quanto mais resistente for o material, tanto mais longa a vida do tubo. Portanto, a decisão será tomada como resultado da comparação do custo dos diversos materiais possíveis, com o custo de operação e de paralisação do sistema.

Tubos de Aços-liga

Existem tubos de duas classes gerais de aços-liga: Os aços-liga molibdênio e cromo-molibdênio, e os aços-liga níquel.

Os aços-liga molibdênio e cromo-molibdênio contêm até 1% de Mo e até 9% de Cr, em diversas proporções, como mostra a Tabela 2, sendo materiais ferríticos (magnéticos), específicos para emprego em temperaturas elevadas. O cromo causa principalmente uma sensível melhoria na resistência à oxidação em altas temperaturas, e na resistência à corrosão em geral, sobretudo aos meios oxidantes, sendo esses efeitos tanto mais acentuados quanto maior for a quantidade de cromo. Por essa razão, esses aços podem ser empregados em temperaturas mais elevadas do que o permitido para o aço-carbono, como mostram os limites indicados na Tabela 2.

Tabela 2

Especificação ASTM e grau

Tubos sem Costura

Elementos de liga ( % )

Limites de temperatura para serviço contínuo ( ºC )

Cr Mo Ni

A-335 Gr. P1 ½ 500 A-335 Gr. P5 5 ½ 480 A-335 Gr. P11 1 ¼ ½ 530 A-335 Gr. P22 2 ¼ 1 530 A-335 Gr. 3 3 ½ -100 A-335 Gr. 7 2 ¼ -60

Até a quantidade de 2,5% de Cr, há um ligeiro aumento na resistência à fluência, sendo que percentagens maiores de Cr reduzem de forma acentuada essa resistência (exceto nos aços inoxidáveis austeníticos, contendo níquel). Por esse motivo, os aços-liga com até 2,5% de Cr são específicos para serviços de

24 Companhia Siderúrgica de Tubarão alta temperatura, com grandes esforços mecânicos e baixa corrosão, para os quais a principal preocupação é a resistência à fluência, enquanto que os aços com maior quantidade de cromo são específicos para serviços em alta temperatura, com esforços mecânicos reduzidos e alta corrosão, onde se deseja principalmente resistência à oxidação ou à corrosão.

O molibdênio é o elemento mais importante na melhoria da resistência à fluência do aço, contribuindo também para aumentar a resistência à corrosão alveolar.

Da mesma forma que os aços-carbono, esses aços-liga estão também sujeitos a fraturas frágeis repentinas quando submetidos a temperaturas muito baixas, não devendo por isso serem empregados em nenhum serviço com temperatura inferior a 0°C.

Os aços-liga Mo e Cr-Mo também se enferrujam, embora mais lentamente do que os aços-carbono. O comportamento desses aços em relação aos ácidos e álcalis é semelhante ao do açocarbono.

Os materiais com até 2,5% de Cr são específicos para serviços em altas temperaturas, como por exemplo as tubulações de vapor superaquecido. Os materiais com mais de 2,5% de Cr são muito usados em serviços com hidrocarbonetos quentes, devido à sua alta resistência à corrosão pelos compostos de enxofre contidos nos hidrocarbonetos. Todos esses aços são ainda empregados para serviços com hidrogênio. Nos Sub-títulos

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