Um tubo duplex de aço inoxidável perfeitamente resistente à corrosão pode ter suas propriedades arruinadas por alguns minutos de soldagem inadequada. A microestrutura bifásica única que confere ao duplex força e resistência deve ser cuidadosamente preservada durante cada junta realizada na oficina ou no campo. Selecionar o procedimento de soldagem correto não é apenas uma questão de evitar vazamentos-, trata-se de manter a resistência à corrosão conquistada a duras penas pela liga em ambientes agressivos de cloreto e ácido.
A base metalúrgica: por que o Duplex é diferente
Os aços inoxidáveis duplex (por exemplo, UNS S32205, S31803 – comumente 2205) contêm uma mistura balanceada de aproximadamente50% de austenitae50% ferrita. Esta estrutura bifásica fornece:
Alta resistência mecânica (aproximadamente o dobro do 316L).
Excelente resistência à corrosão sob tensão por cloretos (SCC).
Boa resistência à corrosão por pite e em frestas, quantificada por um PREN (número equivalente de resistência ao pite) de 34–36.
Durante a soldagem, o material derrete e solidifica rapidamente. A taxa de resfriamento e o histórico térmico determinam o equilíbrio da fase final no metal de solda e na zona afetada pelo calor (ZTA). Se o procedimento for incorreto, dois fenômenos prejudiciais podem ocorrer:
Formação excessiva de ferrita– O resfriamento lento ou a alta entrada de calor permitem que a ferrita domine, reduzindo a tenacidade e a resistência à corrosão.
Precipitação de fases intermetálicas– Mais notavelmentefase sigma (σ)(FeCrMo) efase chi (χ), que se formam na faixa de temperatura de 600–900 graus. Estas fases são ricas em crómio e molibdénio, pelo que a sua formação deixa a matriz circundante esgotada nestes elementos de liga críticos. O resultado: fragilização severa e uma perda drástica de resistência à corrosão por pites.
Por outro lado, a entrada insuficiente de calor ou o resfriamento muito rápido podem produzir muita austenita, reduzindo a resistência. Portanto, uma janela estreita de processamento deve ser respeitada.
Parâmetros-chave em um procedimento de soldagem duplex de aço inoxidável
Um adequadoprocedimento de soldagem de aço inoxidável duplex corrosão do tuboA estratégia de prevenção controla com precisão as seguintes variáveis.
1. Seleção de metal de adição
O metal de adição deve corresponder ou exceder o conteúdo da liga do metal base para manter a resistência à corrosão e o equilíbrio de fases. Para 2205 duplex, o preenchimento padrão éER2209(UNS S39209). Sua composição é levemente superligada em níquel e nitrogênio em relação ao metal base, o que promove a formação de austenita no depósito de solda. Isto compensa o efeito favorável à ferrita da rápida solidificação.
Para classes super duplex (por exemplo, 2507), é usado metal de adição como ER2594. Nunca use uma carga austenítica (por exemplo, 308L, 316L) em metal base duplex; a solda resultante terá propriedades de corrosão erradas e poderá rachar.
2. Controle de entrada de calor
A entrada de calor é uma função da tensão, corrente e velocidade de deslocamento. Para aços inoxidáveis duplex, a faixa de entrada de calor recomendada é normalmente entre0,5 e 2,5 quilojoules por milímetro. Uma entrada de calor muito baixa pode causar fusão incompleta ou ferrita excessiva; uma entrada de calor muito alta promove um resfriamento lento, o que permite a formação da fase sigma e o espessamento da ferrita.
Um alvo típico para GTAW (soldagem a arco de gás tungstênio) de tubos 2.205 é0,5–1,5kJ/mm. Para GMAW (soldagem por arco de metal a gás) com transferência por spray pulsado, faixas ligeiramente mais altas (até 2,0 kJ/mm) podem ser aceitáveis se a temperatura entre passes for rigorosamente controlada.
3. Temperatura entre passes
A temperatura entre passes (a temperatura da área de solda antes do próximo passe) deve ser mantidaabaixo de 150 graus, e muitas vezes abaixo de 100 graus nas primeiras passagens. As altas temperaturas entre passes acumulam calor, aumentando efetivamente o tempo de resfriamento e promovendo a precipitação da fase sigma. Para tubos de paredes finas (por exemplo, parede de 2–3 mm), o resfriamento natural do ar entre passagens pode ser suficiente. Para seções mais espessas, é necessário o resfriamento forçado com ar ou até mesmo uma espera mais longa entre as passadas.
4. Blindagem e Purga Traseira
As soldas duplex de aço inoxidável devem ser protegidas do oxigênio atmosférico tanto na face da solda quanto no lado da raiz. Para soldagem de tubos:
Gás de proteção primário– Argônio com 1–3% de nitrogênio é frequentemente usado. O nitrogênio é um estabilizador da austenita; adicionar uma pequena porcentagem ao gás de proteção ajuda a manter o equilíbrio de fases desejado no metal de solda.
Purga traseira– O interior do tubo é purgado com argônio puro (ou argônio com 2–5% de nitrogênio) para evitar a oxidação do cordão da raiz. A contaminação por oxigênio produz incrustações de óxido de cromo que causam esgotamento de cromo e perda de resistência à corrosão.
5. Processo e Técnica de Soldagem
As técnicas de arco pulsado (GTAW pulsado ou GMAW pulsado) são preferidas para tubos duplex porque:
Reduza a entrada de calor usando corrente de pico alta seguida por uma corrente de fundo baixa.
Melhore o controle da poça de fusão e reduza o risco de queimaduras em paredes finas.
Produza uma microestrutura mais fina e uniforme.
Para soldagem manual, cordões de longarina (passagem reta sem entrelaçamento) são usados em vez de cordões de trama larga, o que aumenta a entrada de calor e o resfriamento lento.
A etapa crítica: limpeza pós-soldagem (decapagem e passivação)
Mesmo uma solda feita com aporte térmico perfeito terá umtonalidade de calor(escala de óxido) em sua superfície e na ZTA adjacente. Esta camada de óxido é pobre em cromo porque o cromo reage preferencialmente com o oxigênio, deixando o metal subjacente com menor teor de cromo. Nesta zona esgotada, a corrosão por pite e em fendas inicia-se prontamente em serviço com cloreto.
A limpeza pós-solda não é opcional.Dois métodos são eficazes:
Decapagem (Remoção Química)
Pasta de decapagem ou banho– Uma mistura de ácido nítrico (HNO₃) e ácido fluorídrico (HF) dissolve a coloração térmica e remove a camada pobre em cromo. Para tubos, a pasta de decapagem é aplicada na solda e na zona afetada pelo calor, deixada por um tempo específico (por exemplo, 15 a 60 minutos) e depois enxaguada abundantemente com água.
Decapagem por imersão– Para pequenos conjuntos de tubos ou peças de carretel, a imersão em um banho de decapagem aquecido é mais uniforme, mas requer instalações especiais.
Limpeza Mecânica Seguida de Passivação
Esmerilhar ou escovar– A tinta térmica pode ser removida com esponjas abrasivas finas ou escovas não metálicas (por exemplo, escovas de aço inoxidável usadas somente em duplex, nunca em aço carbono). A moagem deve remover toda a camada colorida sem deixar partículas de ferro incrustadas.
Passivação– Após a limpeza mecânica, a superfície é tratada com solução de ácido nítrico ou cítrico para restaurar o filme passivo de óxido de cromo. Esta etapa é essencial porque a retificação por si só pode manchar o metal e deixar uma superfície menos protetora.
Uma boa solda é invisível à corrosão– o que significa que após a decapagem adequada, a solda e a ZTA devem ter a mesma aparência e a mesma resistência à corrosão que o tubo principal. Se a tonalidade do calor permanecer, a solda será o primeiro ponto de falha.
Verificando a qualidade da solda: medição de ferrita
Para confirmar que o procedimento de soldagem manteve o equilíbrio de fases correto, umescopo de ferrite(instrumento de indução magnética) é usado para medir o teor de ferrita do metal de solda e da ZTA. A faixa aceitável para aços inoxidáveis duplex é normalmente30–70% de ferrita(austenita de equilíbrio). Muitas especificações visam 40–60%.
Valores abaixo de 30% indicam excesso de austenita, o que reduz a resistência.
Valores acima de 70% indicam excesso de ferrita, o que reduz a tenacidade e pode sinalizar a presença da fase sigma (sigma não é magnético, mas a porcentagem de ferrita cai à medida que o sigma se forma; uma leitura de ferrita inesperadamente baixa ou inconsistente pode ser uma pista).
Para aplicações críticas, umexame microestrutural(metalografia) pode ser realizada em uma placa soldada para verificar fases intermetálicas. A fase Sigma aparece como um precipitado em forma de bloco ou acicular dentro dos grãos de ferrita.
Erros comuns e como evitá-los
| Erro | Conseqüência | Prevenção |
|---|---|---|
| Usando um metal de adição 308L ou 316L | A solda tem baixa resistência à corrosão e pode rachar | Sempre use preenchimento duplex correspondente (ER2209 para 2205) |
| Entrada excessiva de calor (acima de 2,5 kJ/mm) | Precipitação da fase Sigma, fragilização, baixo PREN | Calcular a entrada de calor, usar arco pulsado, limitar a velocidade de deslocamento |
| Temperatura entre passes acima de 150 graus | Calor acumulado promove sigma | Meça com termopar; permitir resfriamento entre passagens |
| Sem purga posterior na raiz tubular | O cordão da raiz oxida, esgotamento de cromo, corrosão em fendas | Purgar com argônio ou mistura de argônio-nitrogênio |
| Deixando a tonalidade do calor sem remover | A corrosão localizada começa na borda da solda | Decapagem ou limpeza mecânica e passivação |
| Usando escovas de aço carbono ou rebolos | A contaminação por ferro leva à corrosão galvânica | Use ferramentas de aço inoxidável dedicadas, de preferência apenas para duplex |
Especificação e qualificação do procedimento de soldagem (WPS)
Para qualquer aplicação industrial, um documento formalEspecificação do procedimento de soldagem (WPS)deve ser desenvolvido e qualificado de acordo com um código como ASME Seção IX, AWS D1.6 ou ISO 15614. A WPS para tubos duplex de aço inoxidável deve indicar explicitamente:
Classe de metal base e faixa de espessura.
Classificação do metal de adição (por exemplo, ER2209).
Processo de soldagem (GTAW, GMAW ou SMAW).
Composição e vazão do gás de proteção.
Gás e método de purga traseira.
Parâmetros elétricos (tensão, corrente, velocidade de deslocamento) com faixa de entrada de calor.
Limite de temperatura entre passes (por exemplo, máximo de 150 graus).
Requisitos de pré-aquecimento (normalmente nenhum para duplex, a menos que a temperatura ambiente seja inferior a 5 graus).
Procedimento de limpeza pós-soldagem (pasta de decapagem, imersão ou mecânica + passivação).
Critérios de aceitação para conteúdo de ferrita (por exemplo, 30–70% de ferrita no metal de solda).
Os testes de qualificação incluem testes mecânicos (tração, flexão) e testes de corrosão (por exemplo, teste de corrosão por cloreto férrico de acordo com ASTM G48). Para soldas de tubos, umteste hidrostáticoouinspeção por correntes parasitastambém pode ser necessário.
Considerações sobre soldagem em campo
A soldagem de tubos duplex em campo (por exemplo, para reparos ou conexões) é mais desafiadora do que a soldagem em oficina porque o controle ambiental é mais difícil. Atenção especial deve ser dada a:
Proteção contra vento– Uso de lentes e telas de gás para evitar a interrupção do gás de proteção.
Monitoramento de temperatura– Termômetros infravermelhos ou pirômetros de contato para verificar a temperatura entre passes.
Purgando– Para tubos de grande diâmetro, purgar todo o comprimento pode ser impraticável; uma barragem de purga localizada (tampões de borracha infláveis) pode ser usada.
Decapagem– Pastas de decapagem de campo estão disponíveis; eles devem ser aplicados e neutralizados com cuidado para evitar escoamento para os equipamentos próximos.
Conclusão: o material é tão bom quanto as mãos que o unem
Selecionar o procedimento correto de soldagem para tubos de aço inoxidável duplex é essencial para evitar uma perda catastrófica de resistência à corrosão. A microestrutura balanceada de austenita-ferrita, que confere ao duplex sua resistência e resistência à corrosão, pode ser destruída por entrada excessiva de calor, altas temperaturas entre passes, metais de adição incompatíveis ou pela presença de tonalidade de calor pobre em cromo. Um procedimento disciplinado-entrada de calor controlada (normalmente 0,5–2,5 kJ/mm), temperatura entre passes abaixo de 150 graus, enchimento ER2209 para metal base 2205, purga traseira inerte e decapagem pós-solda completa-garante que a zona de solda retenha o mesmo desempenho de corrosão que o tubo principal. A verificação por medição de ferrita (30–70% de ferrita) confirma o sucesso. O material é tão bom quanto as mãos que o unem; uma solda bem executada é invisível à corrosão.
