A soldadura de aço a baixa temperatura requer um conhecimento profundo das propriedades do material, uma vez que condições extremas podem conduzir a falhas frágeis. O artigo discute os requisitos técnicos para o aço de baixa temperatura, enfatizando a importância da tenacidade a baixa temperatura e o papel de vários elementos e tratamentos térmicos na sua obtenção. Além disso, aborda métodos de soldadura, seleção de materiais e práticas específicas para a soldadura de diferentes tipos de aço de baixa temperatura, como o A333-GR6. Os leitores obterão informações sobre como garantir a qualidade da soldadura e evitar defeitos nestas aplicações críticas.
1) Os requisitos técnicos essenciais para os aços de baixa temperatura incluem uma resistência suficiente, uma grande tenacidade em condições criogénicas, uma excelente soldabilidade, uma boa maquinabilidade e uma resistência superior à corrosão.
Entre estas, a tenacidade a baixas temperaturas - a capacidade de resistir à fratura frágil a temperaturas negativas - é fundamental. Consequentemente, a maioria das normas nacionais especifica valores mínimos de resistência ao impacto às temperaturas de serviço mais baixas, normalmente medidas através de ensaios Charpy V-notch.
2) Na composição do aço a baixa temperatura, elementos como o carbono, o silício, o fósforo, o enxofre e o azoto são geralmente prejudiciais para a tenacidade a baixa temperatura, sendo o fósforo o mais prejudicial.
Para atenuar este facto, é dada prioridade à remoção do fósforo durante as fases iniciais da produção de aço, frequentemente através de processos de metalurgia secundária como a desgaseificação a vácuo. Por outro lado, elementos como o manganês e o níquel aumentam a tenacidade a baixa temperatura. Cada aumento de 1% no teor de níquel pode reduzir a temperatura de transição dúctil-frágil (DBTT) em cerca de 20°C, principalmente através da estabilização da fase austenite e do refinamento da estrutura do grão.
3) O processo de tratamento térmico desempenha um papel crucial na determinação da microestrutura e da dimensão do grão do aço de baixa temperatura, influenciando significativamente a sua tenacidade criogénica. Os tratamentos de têmpera e revenido, quando optimizados, podem melhorar significativamente a tenacidade a baixa temperatura, produzindo uma estrutura martensítica ou bainítica de grão fino com precipitação controlada de carbonetos.
4) Com base nos métodos de conformação primária, o aço de baixa temperatura pode ser classificado em aço fundido e aço forjado (laminado).
Em função da composição e das características microestruturais, os aços de baixa temperatura são classificados em: aços de baixa liga (por exemplo, ASTM A353, A553), aços 3.5% Ni, aços 5% Ni, aços 6% Ni, aços 9% Ni, aços austeníticos Cr-Mn ou Cr-Mn-Ni e aços inoxidáveis austeníticos Cr-Ni.
Os aços de baixa liga são normalmente utilizados em aplicações criogénicas moderadas até cerca de -100°C, para o fabrico de equipamento de refrigeração, recipientes de transporte criogénico, tanques de armazenamento de etileno acima do solo e equipamento de processamento petroquímico.
Em países como os EUA, o Reino Unido e o Japão, o aço 9% Ni (por exemplo, ASTM A353) é amplamente utilizado em estruturas de baixa temperatura mais exigentes, tais como tanques de armazenamento e transporte de gás natural liquefeito (GNL) a -162°C, armazenamento de oxigénio líquido a -183°C e no fabrico de unidades de separação de ar para a produção de oxigénio e azoto líquidos.
Os aços inoxidáveis austeníticos, particularmente os tipos 304L, 316L e 347, são excelentes materiais estruturais criogénicos, oferecendo uma excecional resistência a baixas temperaturas, uma soldabilidade superior e uma baixa condutividade térmica. Estes aços mantêm a sua ductilidade até temperaturas de hélio líquido (-269°C) e são amplamente utilizados em aplicações de temperatura extremamente baixa, incluindo tanques de transporte e armazenamento de hidrogénio líquido (-253°C) e oxigénio líquido, bem como em crióstatos magnéticos supercondutores. No entanto, o seu teor mais elevado de crómio e níquel torna-os mais caros, exigindo uma análise cuidadosa da relação custo-benefício para cada aplicação.
Ao selecionar os métodos de construção e as condições de soldadura para o aço a baixa temperatura, a atenção centra-se na prevenção da deterioração da tenacidade a baixa temperatura nas juntas de soldadura e em evitar fissuras de soldadura.
Não existe uma diferença fundamental entre as formas das ranhuras de juntas de soldadura para aço de baixa temperatura, aço-carbono normal, aço de baixa liga ou aço inoxidável; podem ser processados da forma normal. No entanto, para 9Ni aço, o ângulo da ranhura não deve, idealmente, ser inferior a 70 graus e a aresta romba não deve, de preferência, ser inferior a 3 mm.
Todos os aços de baixa temperatura podem ser cortados utilizando uma chama de oxiacetileno. No entanto, ao cortar a gás o aço 9Ni, a velocidade de corte deve ser ligeiramente mais lenta do que ao cortar a gás o aço estrutural de carbono comum. Se a espessura do aço exceder 100 mm, o corte pode ser pré-aquecido a 150-200 ℃ antes do corte a gás, mas não deve exceder 200 ℃.
O corte de gás não tem quaisquer efeitos adversos nas zonas afectadas por calor de soldadura. No entanto, devido às propriedades de auto-endurecimento do aço contendo níquel, a superfície de corte endurecerá.
Para garantir o desempenho satisfatório do junta soldadaÉ melhor utilizar um disco de esmeril para alisar e limpar a superfície cortada antes de soldar.
Durante a construção da soldadura, se for necessário remover a cordão de soldadura ou material de base, pode-se utilizar a goivagem a arco-ar. No entanto, antes de voltar a trabalhar, a superfície da ranhura deve ser limpa e polida.
A goivagem por chama oxiacetilénica não deve ser utilizada, pois pode provocar o sobreaquecimento do aço.
O aço de baixa temperatura pode ser soldado utilizando métodos típicos, tais como soldadura por arcosoldadura por arco submerso e soldadura por arco de metal a gás.
A soldadura por arco é o método mais utilizado para o aço a baixa temperatura e pode ser aplicado em várias posições de soldadura. A sua entrada de calor é de aproximadamente 18~30KJ/cm.
Ao utilizar eléctrodos com baixo teor de hidrogénio, podem ser obtidas juntas soldadas completamente satisfatórias, que não só apresentam boas propriedades mecânicas, mas também uma excelente tenacidade ao entalhe.
Além disso, a soldadura por arco tem as vantagens de máquinas de soldadura simples e baratas, menor investimento em equipamento e sem limitações de posição ou direção.
A entrada de calor da soldadura por arco submerso para aço de baixa temperatura é de cerca de 10~22KJ/cm. É amplamente utilizado devido à sua simplicidade, alta eficiência de soldadura e fácil operação.
No entanto, devido ao efeito isolante do fluxo, este retarda o arrefecimento, levando a uma maior tendência para formar fissuras quentes.
Além disso, as impurezas e o silício podem entrar no metal de solda a partir do fluxo, o que pode exacerbar esta tendência. Por conseguinte, ao utilizar a soldadura por arco submerso, a escolha do fio e do fluxo deve ser cuidadosamente considerada e as operações devem ser efectuadas meticulosamente.
CO2 a soldadura com proteção gasosa produz juntas com menor tenacidade, pelo que não é utilizada na soldadura de aço a baixa temperatura.
A soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG) é tipicamente operada manualmente, e a sua entrada de calor é limitada à gama de 9~15KJ/cm. Embora a junta de soldadura produzida apresente um desempenho satisfatório, este método não é aplicável quando a espessura do aço é superior a 12 mm.
A soldadura por arco de metal a gás (MIG) é o método de soldadura automática ou semi-automática mais utilizado para aço de baixa temperatura, com uma entrada de calor de 23~40KJ/cm.
Com base no método de transferência de gotículas, pode ser dividido em transferência de curto-circuito (menor entrada de calor), transferência globular (maior entrada de calor) e transferência por pulverização pulsada (maior entrada de calor). A soldadura MIG de curto-circuito pode ter uma profundidade de fusão insuficiente, o que pode levar a defeitos de fusão incompletos.
Outros modos de soldadura MIG também podem ter problemas semelhantes, mas em graus diferentes. Para obter uma profundidade de fusão satisfatória, tornando o arco mais concentrado, podem ser introduzidas algumas a várias dezenas de por cento de CO2 ou O2 no árgon puro utilizado como gás de proteção.
A percentagem adequada deve ser determinada experimentalmente, com base no tipo de aço a ser soldada.
Materiais de soldadura (incluindo eléctrodos, fios de soldadura e fluxos), devem geralmente ser seleccionados de acordo com o método de soldadura adotado, a forma da junta, a forma da ranhura e outras características necessárias.
Para o aço a baixa temperatura, o mais importante é assegurar que o metal de solda tenha uma tenacidade a baixa temperatura que corresponda ao metal de base e minimizar a quantidade de hidrogénio difundido.
(1) Aço com alumínio
O aço com alumínio é altamente sensível à velocidade de arrefecimento pós-soldadura. Os eléctrodos utilizados na soldadura por arco manual para aço com alumínio são tipicamente do tipo Si-Mn com baixo teor de hidrogénio ou do tipo 1.5% Ni, 2.0% Ni.
Para reduzir a entrada de calor da soldadura, o aço com alumínio morto adopta normalmente a soldadura multicamada com eléctrodos finos de 3~3,2 mm. Isto pode utilizar o ciclo de calor secundário do passe de soldadura superior para refinar os grãos.
A tenacidade ao impacto do metal de solda soldado com eletrodos Si-Mn a 50 ℃ diminuirá drasticamente à medida que a entrada de calor aumenta. Por exemplo, quando a entrada de calor aumenta de 18KJ/cm para 30KJ/cm, a tenacidade perderá mais do que 60%. Os eléctrodos do tipo 1.5% Ni e 2.5% Ni não são sensíveis a isso, portanto, eles são a melhor escolha para a soldagem.
A soldadura por arco submerso é um método de soldadura automática comum para o aço com alumínio. A melhor composição para o fio de soldadura utilizado na soldadura por arco submerso contém 1,5~3,5% de níquel e 0,5~1,0% de molibdénio.
De acordo com a literatura, com o uso de fio de solda 2.5%Ni-0.8%Cr-0.5%Mo ou 2%Ni e o fluxo apropriado, o valor médio de tenacidade do metal de solda a -55 ℃ pode atingir 56-70J (5.7 ~ 7.1Kg / fem). Mesmo com o fio de solda 0.5%Mo e o fluxo alcalino de liga de manganês, desde que a entrada de calor seja controlada abaixo de 26KJ/cm, um metal de solda com 55J (5.6Kg/f.m) ainda pode ser feito.
Ao escolher o fluxo, preste atenção à correspondência de Si e Mn no metal de solda. Os testes mostraram que diferentes teores de Si e Mn no metal de solda podem afetar grandemente a sua tenacidade. A tenacidade óptima é obtida com 0,1~0,2% Si e 0,7~1,1% Mn. Isto deve ser observado ao selecionar os fios de soldadura e os fluxos.
A soldadura com gás inerte de tungsténio (TIG) e a soldadura com gás inerte metálico (MIG) são menos utilizadas no aço com alumínio. Os fios de soldadura acima mencionados para a soldadura por arco submerso também podem ser utilizados para Soldadura TIG.
(2) Aço 2.5Ni e aço 3.5Ni
Para a soldadura por arco submerso ou a soldadura MIG dos aços 2,5Ni e 3,5Ni, podem geralmente ser utilizados fios de soldadura com o mesmo material que o metal de base. No entanto, como mostrado na fórmula de Wilkinson, o Mn é um inibidor de fissuração a quente para o aço de baixa temperatura com baixo teor de níquel.
Manter o teor de manganês no metal de solda em torno de 1,2% é benéfico para evitar fissuras por arco e outras fissuras a quente. Deve ser dada prioridade a este aspeto ao selecionar a combinação de fio de soldadura e fluxo.
A tendência para a fragilização por têmpera do aço 3.5Ni é elevada, pelo que, após o tratamento térmico pós-soldadura para tensão residual alívio (por exemplo, 620 ℃ × 1 hora, depois resfriamento do forno), a tenacidade diminuirá drasticamente de 3.8Kg / f.m para 2.1Kg / f.m e não atenderá às especificações.
A tendência de fragilização por têmpera do metal de solda feito pelo fio de solda 4.5%Ni-0.2%Mo é muito menor, e a utilização deste fio pode evitar a dificuldade acima mencionada.
(3) Aço 9Ni
O aço 9Ni é normalmente submetido a um tratamento térmico de têmpera ou de dupla normalização para maximizar a sua tenacidade a baixa temperatura. No entanto, o metal de solda deste aço não pode ser submetido ao tratamento térmico acima mencionado.
Por conseguinte, a utilização de materiais de soldadura de ferrite torna difícil a obtenção de metal de solda com uma tenacidade a baixa temperatura comparável à do metal de base. Os mais utilizados são os materiais de soldadura com alto teor de níquel.
O metal de solda destes materiais de soldadura é uma estrutura austenítica completa. Apesar dos inconvenientes de uma menor resistência em comparação com o metal de base do aço 9Ni e do elevado custo, a fratura frágil já não é um problema grave para este material.
Do que precede, sabemos que:
Uma vez que o metal de solda é inteiramente austenítico, a tenacidade a baixa temperatura do metal de solda soldado com os eléctrodos e fios de solda utilizados pode competir totalmente com o metal de base, embora a sua resistência à tração e o ponto de escoamento sejam inferiores aos do metal de base.
O aço que contém níquel tem características de auto-endurecimento, pelo que a maioria dos eléctrodos e fios de soldadura tomaram medidas para limitar a teor de carbono para obter uma boa soldabilidade.
Nos materiais de soldadura, o Mo é um importante elemento de reforço, enquanto o Nb, Ta, Ti e W são importantes elementos de endurecimento. A sua importância foi plenamente reconhecida na seleção e configuração dos materiais de soldadura.
Quando é utilizado o mesmo fio de soldadura, a resistência e a tenacidade do metal de solda da soldadura por arco submerso são um pouco inferiores às da soldadura MIG. Isto pode ser devido à velocidade de arrefecimento mais lenta da soldadura e a possíveis impurezas ou infiltrações de Si do fluxo.
O aço A333-GR6 é um aço de baixa temperatura, com a temperatura de uso mais baixa a -70 ℃, geralmente entregue em um estado normalizado ou normalizado mais temperado. O aço A333-GR6 tem um baixo teor de carbono, portanto, tem uma pequena tendência de endurecimento e rachaduras a frio, boa tenacidade e plasticidade.
Em geral, não produz facilmente defeitos de endurecimento e fissuração, e tem boa soldabilidade.
ER80S-Ni1 soldadura por arco de árgon pode ser utilizado fio com eléctrodos W707Ni, aplicando a soldadura combinada árgon-eléctrica, ou o fio de soldadura por arco de árgon ER80S-Ni1 pode ser utilizado para a soldadura por arco de árgon completo para garantir uma boa tenacidade da junta de soldadura.
A marca do fio e do elétrodo de soldadura por arco de árgon pode ser escolhida entre produtos com o mesmo desempenho, mas a aprovação do proprietário deve ser obtida antes da utilização.
Durante a soldadura, para os tubos com um diâmetro inferior a 76,2 mm, é utilizada uma junta de topo do tipo I e a soldadura completa por arco de árgon; para os tubos com um diâmetro superior a 76,2 mm, é aberta uma ranhura do tipo V e é utilizado o método de raiz de arco de árgon e de soldadura eléctrica de árgon de enchimento multicamada ou de soldadura completa por arco de árgon.
As práticas específicas dependem do diâmetro do tubo e da espessura da parede aprovados pelo proprietário.
(1) Pré-aquecimento antes da soldadura
Quando a temperatura ambiente é inferior a 5 ℃, é necessário o pré-aquecimento da soldadura.
O temperatura de pré-aquecimento é 100 ~ 150 ℃; a faixa de pré-aquecimento é de 100 mm em ambos os lados da solda; a chama de oxiacetileno (chama neutra) é usada para aquecimento, e a temperatura é medida a 50 ~ 100 mm de distância do centro da solda por uma caneta de deteção de temperatura, com pontos de temperatura uniformemente distribuídos para melhor controle de temperatura.
(2) Tratamento térmico pós-soldadura
Para melhorar a resistência ao entalhe do aço de baixa temperatura, os materiais geralmente utilizados já foram submetidos a têmpera e revenido. Um tratamento térmico pós-soldadura incorreto deteriora frequentemente o seu desempenho a baixa temperatura, o que deve ser objeto de atenção suficiente.
Por conseguinte, exceto em condições em que a espessura da soldadura é maior ou as condições de restrição são muito rigorosas, o aço de baixa temperatura não é normalmente submetido a tratamento térmico pós-soldadura.
Por exemplo, a soldadura da conduta de GPL recentemente acrescentada na CSPC não requer tratamento térmico pós-soldadura.
Se o tratamento térmico pós-soldagem for efetivamente necessário em alguns projectos, a taxa de aquecimento, o tempo de temperatura constante e a taxa de arrefecimento do tratamento térmico pós-soldagem devem ser rigorosamente executados de acordo com as disposições seguintes:
O tempo de temperatura constante deve ser de 1h por 25mm de espessura de parede e não inferior a 15min. A diferença de temperatura entre as temperaturas mais alta e mais baixa durante o período de temperatura constante deve ser inferior a 65 ℃.
Após a temperatura constante, a taxa de resfriamento não deve ser maior que 65×25/δ ℃/h, e não mais que 260℃/h. Abaixo de 400 ℃, o resfriamento natural é aceitável. Deve ser utilizado equipamento de tratamento térmico controlado por computador.
(1) Pré-aquecimento rigoroso de acordo com os regulamentos, controlando a temperatura entre camadas dentro de 100 ~ 200 ℃. Cada solda deve ser concluída de uma só vez, se interrompida, medidas de resfriamento lento devem ser tomadas.
(2) Os riscos de arco na superfície da soldadura são estritamente proibidos. Após a extinção do arco, a cratera deve ser preenchida e os eventuais defeitos devem ser limados com uma mó. As juntas entre camadas na soldadura multicamada devem ser escalonadas.
(3) A energia da linha deve ser rigorosamente controlada, utilizando pequenas correntes, baixas tensões e soldadura rápida. Para eléctrodos W707Ni com um diâmetro de 3,2 mm, o comprimento de soldadura por elétrodo deve exceder 8 cm.
(4) Deve ser adoptada uma operação de arco curto e não oscilante.
(5) Soldadura de penetração total deve ser utilizado e deve seguir rigorosamente os requisitos das especificações do processo de soldadura e do cartão do processo de soldadura.
(6) O reforço da soldadura deve ser de 0~2mm, e o alargamento da soldadura deve ser ≤2mm em cada lado.
(7) Após a aprovação da inspeção do aspeto da soldadura, os ensaios não destrutivos só podem ser realizados após, pelo menos, 24 horas. A norma JB 4730-94 deve ser aplicada a soldadura topo a topo costuras do tubo.
(8) A norma "Pressure Vessel: Non-destructive Testing of Pressure Vessels" deve ser respeitada e a qualificação de nível II deve ser alcançada.
(9) As reparações da soldadura devem ser efectuadas antes do tratamento térmico pós-soldadura. Se forem necessárias reparações após o tratamento térmico, a soldadura deve ser novamente tratada com calor após a reparação.
(10) Se a dimensão geométrica da superfície de soldadura não estiver conforme, é permitido rectificá-la, desde que a espessura após a retificação não seja inferior aos requisitos de projeto.
(11) Para o geral defeitos de soldaduraSe a soldadura não for aprovada após duas reparações, é permitido um máximo de duas reparações. Se, depois de duas reparações, a soldadura continuar a não passar, deve ser cortada e soldada de novo de acordo com a norma completa processo de soldadura.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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