A barra de aço carbono é um material adequado para componentes de vasos de pressão?

A resistência à tração e ao escoamento do material cumprem a Seção II Parte D do ASME BPVC.

No que diz respeito aos vasos de pressão, as barras de aço carbono devem atender a determinados requisitos estabelecidos pelo Código ASME para Caldeiras e Vasos de Pressão, em particular à Seção II, Parte D, que descreve as propriedades mecânicas dos componentes sujeitos à pressão. Em relação ao limite de escoamento, exige-se um valor mínimo de 205 MPa, ou cerca de 30.000 psi. Já a resistência à tração é menos uniforme, podendo variar entre 380 e 485 MPa, ou aproximadamente 55.000 a 70.000 psi, conforme o grau do material e a temperatura de operação. A barra de aço carbono ASTM A36 é citada expressamente nas normas para aplicações em que a pressão não ultrapasse 300 psi. Essas barras atendem às normas exigidas e oferecem também uma boa relação resistência-peso. Outra propriedade importante é o alongamento: se este permanecer acima de 20 %, o material terá flexibilidade suficiente para suportar sobrepresões sem falhar. Manter a dureza abaixo de 200 HB também contribui para evitar fraturas por perda de ductilidade, o que representa um problema de segurança de grande relevância.

Resistência de referência Especificações: Comparação entre a ASTM A516 Grau 70 e os requisitos para serviço em baixas temperaturas

Considerando a natureza do aço carbono e sua temperatura de transição dúctil-frágil, a tenacidade ao impacto torna-se uma consideração crítica. Tome-se, por exemplo, o aço ASTM A516 Grau 70, um material frequentemente utilizado em chapas soldáveis para vasos de pressão. O aço A515 Grau 70 exige apenas 20 J no ensaio de impacto Charpy V com entalhe a aproximadamente menos 30 graus Celsius. Esse requisito é adequado para aplicações com água gelada. No entanto, é inadequado para aplicações que envolvam temperaturas de cerca de menos 45 graus Celsius (–49 graus). Curiosamente, ao analisar os dados da Seção VIII da ASME e os relacionados à mecânica da fratura, verifica-se que o aço carbono tende a apresentar desempenho inferior ao do aço inoxidável austenítico — aproximadamente 40 a 50% menor. Na prática, isso significa que dutos para regiões árticas e instalações de armazenamento de GNL exigem um desempenho mínimo de 40 J. Nesse caso, os engenheiros geralmente não têm outra alternativa senão utilizar ligas de níquel do tipo especificado nas normas ASTM A352 LCB/LCC ou aplicar algum tipo de tratamento térmico especial de alívio de tensões após a construção. Isso ocorre porque barras de aço carbono convencionais não possuem capacidade intrínseca para atender a esses requisitos.

De Vasos de Pressão, Fabricação e Graus de Barras de Aço Carbono Aprovados pela ASTM

Vasos de Pressão Soldados de Aço Carbono: Fixações e acessórios fabricados em A516-70

A516-70 possui todas as propriedades adequadas, pois a resistência ao escoamento inicial é de aproximadamente 260 MPa (38 ksi). Apresenta boa soldabilidade e tenacidade confiável na soldagem através da espessura em temperaturas moderadas de serviço, além de conter um teor de carbono apropriado (menos de 0,27%). Isso ajuda a prevenir a formação de trincas na zona afetada pelo calor (ZAC). Deve-se observar, contudo, que a norma A516 abrange apenas chapas, não barras. A substituição por barras de aço carbono seria não conforme, a menos que seja especificado o grau equivalente de barra. No que diz respeito às formas de barra utilizadas em aplicações que retêm pressão, existem outras normas ASTM que estabelecem os requisitos de equilíbrio mecânico e químico.

Quando Evitar o Uso de Barras ASTM A106 e A29 em Aplicações Estruturais e Cilíndricas

Embora os tubos sem costura ASTM A106 possam ser bastante eficazes para componentes cilíndricos de alta temperatura, como os encontrados em bicos e produtos semelhantes, a estrutura química pobre e inconsistente do produto, bem como a ausência de ensaios de impacto exigidos, significam que ele simplesmente não pode ser utilizado para substituir barras estruturais em aplicações primárias de retenção de pressão. Considere, por exemplo, o aço estrutural ASTM A29, grau 1045. Esse grau destina-se a aplicações estruturais típicas, mas não possui uma resistência ao escoamento mínima definida; consequentemente, sua resistência ao escoamento na região dúctil pode ser potencialmente muito baixa, levando à falha estrutural no pior momento possível. Essas duas especificações também não atendem aos requisitos de composição química, ensaios de impacto e manutenção de registros estabelecidos pela Seção VIII do Código ASME BPVC. Portanto, no caso de componentes não cilíndricos de retenção de pressão, devem ser utilizadas barras de aço carbono ASTM A696. Essas barras apresentam requisitos mais rigorosos de composição química, resistência comprovada ao impacto e resultados de ensaios que demonstram sua capacidade de serem transformadas nos acessórios necessários, tão importantes em nosso mundo.

Comportamento à Corrosão e Restrições Ambientais para Barras de Aço Carbono

Vulnerabilidade à fissuração por H₂S úmido, à corrosão por pites por cloretos e estratégias de mitigação

Vasos de pressão contendo sulfeto de hidrogênio úmido (H₂S) e cloretos são extremamente prejudiciais a barras de aço carbono e causam deterioração rápida do metal. Durante a operação, o aço torna-se suscetível a um fenômeno denominado trinca por tensão sob ação de sulfetos. Nessa trinca por tensão sob ação de sulfetos, o hidrogênio (H) é absorvido pelo metal e pela estrutura do aço. Esse problema é ainda mais acentuado com o aumento da dureza do aço (superior a 22 HRC na escala de dureza Rockwell). A presença de cloretos gera células eletroquímicas (ou pequenas corrosões por pites) na superfície e pontos de concentração de tensão, o que aumenta significativamente a taxa de propagação das trincas. Por essa razão, os engenheiros devem selecionar materiais com níveis de dureza inferiores ao valor de 22 HRC estabelecido nas normas NACE MR0175 e ISO 15156. Também devem ser aplicados revestimentos protetores (por exemplo, alumínio projetado termicamente e epóxi). Deve-se também considerar sistemas de proteção catódica. Sistemas de controle projetados para eliminar o H₂S, reduzir os níveis de pH e utilizar materiais inibidores de corrosão são todos meios de controlar o ambiente. Do ponto de vista do projeto, a eliminação de 'pernas mortas' e de espaços nos quais a água possa ser retida é uma prática comum para prevenir falhas causadas por corrosão.

Redução do Teor de Carbono em Barras de Aço Carbono e Seu Efeito na Soldabilidade, Fabricação e Tratamento Térmico Pós-Soldagem

Como a redução do carbono e seu impacto na Zona Afetada pelo Calor (ZAC) e nos requisitos de Tratamento Térmico Pós-Soldagem (TTPS)?

Ao integrar aço carbono com outros elementos na construção de vasos de pressão, o teor de carbono (C) é crítico para definir a facilidade de soldagem. Quando o teor de C ultrapassa 0,25 %, há um risco aumentado de a zona afetada pelo calor (ZAC) desenvolver propriedades indesejáveis, tornando-a suscetível à fissuração a frio após a soldagem. Manter o teor de carbono abaixo de 0,25 % é, em geral, favorável à soldagem, pois permite maior estabilidade do arco, redução dos requisitos de pré-aquecimento e maior flexibilidade no que diz respeito à qualificação dos procedimentos de soldagem. Conforme a norma ASME BPVC Seção VIII Divisão 1, se qualquer seção tiver espessura igual ou superior a 38 mm, é obrigatória a realização do Tratamento Térmico Pós-Soldagem (TTPS). Trata-se de um procedimento destinado a eliminar as tensões residuais induzidas pelo processo de soldagem e a recuperar um nível de ductilidade necessário em componentes submetidos a carregamentos cíclicos ou em componentes que operam sob condições de alta integridade. O TTPS típico é realizado aquecendo-se a peça até uma temperatura-alvo de 600 a 700 °C, durante 1 hora para cada 25 mm de espessura da amostra; além disso, é obrigatório o pré-aquecimento para evitar choque térmico antes da execução do TTPS, a fim de evitar eventuais efeitos indesejáveis decorrentes de aquecimentos inadequados.

Seguir corretamente estas etapas garante que tudo permaneça dimensionalmente estável e que a estrutura continue confiável ao longo do tempo, sem um grande impacto na taxa de produção.

Qual é a resistência mínima ao escoamento para as barras de aço carbono utilizadas em vasos de pressão?

A resistência mínima ao escoamento exigida é de 205 MPa ou 30.000 PSI.

Por que o aço carbono ASTM A516 Grau 70 é o material preferido para peças soldadas de vasos de aço carbono?

Devido ao seu equilíbrio de características, incluindo uma resistência mínima ao escoamento de cerca de 260 MPa, boa soldabilidade e boa tenacidade.

Quais são os efeitos da temperatura sobre a resistência ao impacto do aço carbono?

Temperaturas baixas reduzem a resistência ao impacto do aço carbono, fazendo com que seu desempenho seja inferior ao dos aços inoxidáveis austeníticos.

Quais são as formas de controlar a corrosão em barras de aço carbono?

Utilização de materiais com dureza inferior a 22 HRC, revestimentos protetores, proteção catódica e ambiente controlado.

Qual é a importância do teor de carbono na soldagem de barras de aço carbono?

Se o teor de carbono permanecer abaixo de 0,25%, isso promoverá um arco estável durante a soldagem, reduzirá a necessidade de pré-aquecimento e o aço será menos propenso à fissuração a frio.