Como um metal mantém sua força e resiste à corrosão em altas temperaturas? O aço cromo-molibdênio, amplamente utilizado nos setores de refino de petróleo e químico, consegue isso por meio de sua composição de liga exclusiva. Esta postagem do blog explora as propriedades, a resistência ao calor e a resistência à corrosão do aço cromo-molibdênio. Descubra o projeto, as considerações de fabricação e por que esse material é crucial para aplicações de alta temperatura e alta pressão. Mergulhe de cabeça para saber como o aço cromo-molibdênio pode aprimorar seu próximo projeto de engenharia.
O aço cromo-molibdênio, também conhecido como aço resistente ao hidrogênio de média temperatura, é uma liga de alto desempenho caracterizada por sua maior resistência a altas temperaturas e resistência à fluência. Essa melhoria é obtida por meio da adição estratégica de elementos de liga, principalmente cromo (Cr ≤10%) e molibdênio (Mo).
O efeito sinérgico desses elementos de liga não apenas aprimora as propriedades mecânicas do aço, mas também confere excelente resistência à fragilização por hidrogênio e desempenho superior em alta temperatura. Essas características fazem do aço cromo-molibdênio um material indispensável em várias aplicações industriais exigentes, incluindo refino de petróleo, equipamentos de processamento de hidrogênio químico e aparelhos de alta temperatura.
No âmbito da fabricação de vasos de pressão, o aço cromo-molibdênio se estabeleceu como a escolha de material preferida devido à sua combinação exclusiva de propriedades. Sua capacidade de manter a integridade estrutural sob temperaturas e pressões elevadas, juntamente com sua resistência à degradação induzida por hidrogênio, torna-o particularmente adequado para os ambientes desafiadores encontrados nas indústrias de processo.
Este artigo analisa os aspectos multifacetados do aço cromo-molibdênio no contexto do Projeto de Síntese de Metanol de Jiutai. Exploraremos as características distintas do material e examinaremos as considerações críticas em vários estágios da implementação do projeto, inclusive a otimização do projeto, os processos de fabricação, os protocolos de testes não destrutivos, os regimes de tratamento térmico e os procedimentos operacionais durante a partida e o desligamento da planta. Ao abordar esses fatores de forma abrangente, pretendemos fornecer percepções que possam contribuir para a operação segura, eficiente e confiável de equipamentos de aço cromo-molibdênio na síntese de metanol e em processos industriais similares de alto risco.
A adição de elementos como cromo, molibdênio e alúmen melhora a resistência do aço à oxidação em altas temperaturas e a resistência a altas temperaturas.
O mecanismo de ação é o seguinte: O cromo existe principalmente na cementita (Fe3C), e o cromo dissolvido na cementita aumenta a temperatura de decomposição dos carbonetos, impedindo a ocorrência de grafitização, aumentando assim a resistência ao calor do aço.
O molibdênio tem um efeito de fortalecimento da solução sólida na ferrita e também pode aumentar a estabilidade dos carbonetos, o que beneficia a resistência do aço a altas temperaturas.
A inclusão de uma quantidade adequada de vanádio permite que o aço mantenha uma estrutura de granulação fina em temperaturas mais altas, aumentando a estabilidade térmica e a resistência do aço.
Elementos como cromo e molibdênio aumentam a estabilidade dos carbonetos, impedindo sua decomposição, reduzindo assim a chance de formação de metano devido à reação dos carbonetos e do carbono precipitado com o hidrogênio.
A adição de vanádio permite que o aço mantenha uma estrutura de grão fino em temperaturas mais altas, aumentando significativamente a estabilidade do aço em condições de alta temperatura e pressão.
A fragilização por têmpera do aço cromo-molibdênio refere-se ao fenômeno em que a resistência ao impacto do aço diminui quando operado por um longo período na faixa de temperatura de 370°C a 595°C.
Essa é a faixa exata de temperatura na qual nossos equipamentos de hidrogênio comumente usados operam. Estudos experimentais mostraram que, no aço cromo-molibdênio para vasos de pressão, a fragilização por têmpera é mais grave quando o teor de cromo está entre 2% e 3%.
Elementos como fósforo, antimônio, estanho, arsênico, silício e manganês têm um impacto significativo na fragilização da têmpera. A fragilização é reversível; os materiais que sofreram fragilização severa podem ser desincrustados por meio de tratamento térmico adequado.
Devido à adição de elementos de liga como cromo, molibdênio e vanádio, a velocidade crítica de resfriamento do aço é reduzida, aumentando a estabilidade da austenita super-resfriada.
Se a velocidade de resfriamento da solda for rápida, a transformação de austenita para perlita na zona superaquecida da zona afetada pelo calor é improvável de ocorrer.
Em vez disso, ele se transforma em martensita em temperaturas mais baixas, formando uma estrutura temperada.
Sob a ação combinada de tensão residual complexa no junta soldada e hidrogênio difuso, a estrutura temperada na área de solda e na zona afetada pelo calor é altamente suscetível a trincas retardadas induzidas por hidrogênio.
Sob condições operacionais específicas, os materiais selecionados devem não apenas ter uma resistência superior à corrosão por hidrogênio, mas também controlar efetivamente a tendência à fragilidade da têmpera.
Eles também devem possuir boas soldabilidade. A composição química determina a estrutura, a estrutura determina o desempenho e o desempenho determina o uso. Em última análise, a chave está no controle da composição química.
3.1.1 Medidas contra a corrosão por hidrogênio
O aço cromo-molibdênio não sofre corrosão por hidrogênio mesmo sob alta pressão em temperaturas mais baixas (~200°C). No entanto, ele pode sofrer corrosão por hidrogênio quando operado em ambientes de alta temperatura e alta pressão de hidrogênio.
Normalmente, selecionamos materiais de aço cromo molibdênio para condições operacionais específicas com base na curva de Nelson, que corresponde à temperatura operacional e à pressão parcial de hidrogênio.
Como pode ser visto na curva de Nelson, quanto maior o teor de cromo e molibdênio, maior a resistência à corrosão por hidrogênio.
Na curva, se as condições operacionais do vaso estiverem acima da linha sólida, isso indica a ocorrência de corrosão por hidrogênio. Se estiverem abaixo da linha sólida, isso indica que a corrosão por hidrogênio não ocorrerá.
3.1.2 Medidas para controlar a tendência à fragilidade da têmpera
Ao regular o conteúdo de elementos como P, Sb, Sn, As, Si e Mn no material, a tendência de fragilidade da têmpera pode ser controlada.
O coeficiente de sensibilidade à fragilização por têmpera J do aço comum e o coeficiente de sensibilidade à fragilização por têmpera x do metal de solda são normalmente usados para essa finalidade. Para o 2,25Cr-1Mo comumente usado, são usados os seguintes índices de controle:
Em aplicações práticas de engenharia, também é necessário controlar o conteúdo dos elementos residuais Cu e Ni. O teor de Cu não deve exceder 0,20%, e o teor de Ni não deve exceder 0,30%.
3.1.3 Determinação da sensibilidade à fissura
A sensibilidade à rachadura está relacionada ao equivalente de carbono, cujo valor deve ser determinado pelo fabricante com base no processo de soldagem avaliação.
O método de cálculo é: Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15.
À medida que o valor do carbono equivalente aumenta, a soldabilidade do aço se deteriora. Quando o valor Ceq é maior que 0,5%, a sensibilidade à trinca a frio aumenta, e a soldagem e a processos de tratamento térmico se tornará mais rígida.
Para materiais de aço Cr-Mo comumente usados com 485Mpa ≤ UTS <550Mpa, o Ceq geralmente é limitado a aproximadamente 0,48%.
Quando a soldagem simulada e tratamento térmico pós-soldagem são realizadas em placas de teste de solda de produto, o carbono equivalente máximo pode ser aumentado para 0,5%.
Devido à alta tendência de endurecimento do aço Cr-Mo, ele é propenso a rachaduras retardadas e rachaduras nas soldas de canto.
Portanto, o projeto estrutural deve prestar atenção aos seguintes pontos:
3.2.1 Reduzir o grau de restrição e projetar razoavelmente a estrutura da junta.
3.2.2 A superfície da solda não deve ter rebaixamento.
3.2.3 O reforço do furo deve ser implementado como um todo, e não devem ser usadas estruturas de reforço em anel.
3.2.4 Os bicos do tipo extensão interna não devem ser usados.
3.2.5 A conexão com os acessórios deve ser feita por meio de um cabo de dupla face penetração total estrutura, e não devem ser usadas soldas de canto.
3.2.6 A junta de topo do cilindro deve, de preferência, usar um formato de U ranhura.
O aço Cr-Mo tem um valor maior de carbono equivalente e, em geral, tem uma tendência a rachar a frio em graus variados. Isso pode ser evitado com as seguintes medidas:
3.3.1 Controle rigorosamente o conteúdo de hidrogênio no Vareta de solda e use um eletrodo básico com baixo teor de hidrogênio.
3.3.2 O pré-aquecimento deve ser feito antes da soldagem do conjunto do equipamento. Com o pré-aquecimento, a taxa de resfriamento do material de soldagem pode ser reduzida para evitar a formação de estruturas rígidas e frágeis.
A temperatura de pré-aquecimento é determinada pela avaliação do processo de soldagem. Antes da avaliação do processo de soldagem, um teste de rachaduras deve ser realizado na amostra para determinar a temperatura de pré-aquecimento, que não deve ser menor do que a temperatura de pré-aquecimento durante todo o processo de soldagem.
Ao mesmo tempo, a temperatura da camada intermediária deve ser controlada para não ser inferior à temperatura de temperatura de pré-aquecimento. As medidas de pós-aquecimento devem ser tomadas imediatamente após a soldagem.
Todas as chapas de aço Cr-Mo usadas na carcaça devem passar por testes ultrassônicos.
Para vasos de reação de alta temperatura, alta pressão e paredes espessas, após a inspeção radiográfica das juntas de topo, devem ser realizados testes ultrassônicos e testes adicionais de partículas magnéticas em juntas de solda permitida para teste ultrassônico após tratamento térmico e teste hidrostático.
O teste ultrassônico é mais sensível a rachaduras e defeitos do que o teste radiográfico, portanto, deve ser realizado com atenção, considerando o tempo para testes não destrutivos.
Durante o processo de fabricação do vaso, o gás hidrogênio pode se infiltrar no metal, causando pequenas rachaduras no aço, um fenômeno conhecido como fragilização por hidrogênio.
Para evitar a fragilização por hidrogênio, o tratamento de desidrogenação pós-soldagem deve ser realizado imediatamente.
O tratamento de desidrogenação envolve o aquecimento da solda e do material de base adjacente a uma alta temperatura imediatamente após a soldagem, aumentando assim o coeficiente de difusão do hidrogênio no aço.
Isso incentiva a saída de átomos de hidrogênio supersaturados no metal de solda, inibindo assim a ocorrência de rachaduras frias. O tratamento de desidrogenação pode ser considerado desnecessário se o tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) for realizado imediatamente após a soldagem.
Os vasos de qualquer espessura feitos de Cr-Mo devem passar por um tratamento térmico geral pós-soldagem. O tratamento térmico pós-soldagem do aço Cr-Mo não só elimina tensão residual mas também melhora as propriedades mecânicas do aço, o que é vantajoso para resistir à corrosão por hidrogênio.
O aço Cr-Mo pode sucumbir à falha frágil quando a temperatura de operação é baixa ou próxima à temperatura de transição dúctil para frágil e a tensão atinge um determinado nível.
No entanto, essa falha é praticamente evitável quando a tensão real no vaso é inferior a um quinto da tensão de resistência ao escoamento do aço Cr-Mo.
Portanto, para vasos de pressão feitos de aço Cr-Mo, deve ser adotado um procedimento de aumento da temperatura antes da pressão durante a partida e de redução da pressão antes da temperatura durante o desligamento para evitar falhas frágeis.
Ao implementar materiais de aço Cr-Mo de padrão internacional
Devido às discrepâncias na determinação do fator de segurança e nos métodos de cálculo entre as normas nacionais e internacionais para a tensão permitida do material, ao usar materiais de aço Cr-Mo das normas internacionais, deve-se aplicar as regras nacionais para o cálculo da tensão permitida.
Tomando a SA387Cr.11G1.2 como exemplo, o cálculo de sua tensão permissível é o seguinte:
Primeiro, obtenha a resistência à tração e resistência ao escoamento em várias temperaturas para o material da ASME.
A tensão permitida à temperatura ambiente é o menor valor entre a resistência à tração à temperatura ambiente dividida por 3,0 e a resistência ao escoamento dividida por 1,5.
Como não há dados sobre a resistência à tração em altas temperaturas no país, a tensão permitida em altas temperaturas é obtida dividindo-se a resistência ao escoamento em altas temperaturas por 1,6.
Se o valor calculado for maior do que a tensão permitida para a temperatura ambiente, adote o valor para a temperatura ambiente. Caso contrário, use o valor calculado.
A tensão permissível desse material na ASME revela que, quando a temperatura ultrapassa 450°C, a tensão permissível cai rapidamente, momento em que o limite de fluência rege a tensão permissível.
Como a ASME não fornece dados de limite de fluência acima de 450 ℃ e os fatores de segurança para o limite de fluência nas normas nacionais e na ASME são consistentes, adotamos diretamente a tensão permitida da ASME. A tensão específica permitida na temperatura de projeto pode ser obtida por meio de interpolação.
Este artigo descreve alguns requisitos específicos para materiais de aço Cr-Mo. No trabalho de projeto detalhado, é necessário considerar todos os aspectos de acordo com as especificações padrão, realizar uma análise abrangente, de modo a obter um projeto seguro, econômico e racional.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
PT_BR 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
RU 
KO 
TR