Melhores práticas para evitar fratura frágil em tubos de aço carbono, flanges e conexões

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Nota do editor: Este artigo é uma continuação de "Causas e soluções para falhas de componentes de carretéis dúcteis" e "A ASME revisa os requisitos de teste para tubos, conexões e flanges".

As ligas tradicionais têm funções padrão na fabricação de metais, sejam os metais aços inoxidáveis ​​para dispositivos médicos ou produtos marítimos; qualquer uma das gerações de aços de alto desempenho desenvolvidas nas últimas duas décadas para a indústria automotiva; ou metais como alumínio e titânio, que possuem altas relações resistência/peso e alta resistência à corrosão, tornando-os especialmente adequados para aplicações aeroespaciais, de refinaria e de processamento químico.

O mesmo ocorre com algumas ligas de aço carbono, especialmente aquelas que possuem quantidades específicas de carbono e manganês. Alguns deles, dependendo das quantidades de elementos de liga, são adequados para uso na fabricação de flanges, conexões e tubos para fábricas de processamento químico e refinarias. Todos têm uma característica em comum: os materiais usados ​​nessas aplicações devem ser dúcteis o suficiente para resistir à fratura frágil e à corrosão sob tensão (SCC).

Organizações de padronização como a American Society of Manufacturing Engineers (ASME) e ASTM Intl. (anteriormente conhecida como American Society of Testing and Materials) fornecem orientações sobre este assunto. Dois códigos industriais relevantes - ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVD) Seção VIII, Divisão 1 e ASME B31.3, Tubulação de processo - consideram aços carbono (qualquer material ferroso com 0,29% a 0,54% de carbono e 0,60% a 1,65% de manganês) para ser dúctil o suficiente para serviço em climas quentes, zonas amenas e áreas em que a temperatura chega a -20 graus F. No entanto, falhas recentes em temperaturas ambientes levaram a um exame mais minucioso em relação às quantidades e proporções de vários elementos microalantes usados na fabricação de tais flanges, conexões e tubos.

Até recentemente, nem a ASME nem a ASTM exigiam testes de impacto para confirmar o comportamento dúctil de muitos itens de aço carbono usados ​​em temperaturas tão baixas quanto -20 graus F. As decisões de isentar certos produtos foram baseadas nas propriedades históricas dos materiais. Por exemplo, produtos de aço carbono como flanges A105, conexões A234-WPB e tubos de aço carbono A106 grau B com uma espessura de parede de ½ pol. (25 mm) ou menos, quando usados ​​em uma temperatura mínima do metal de projeto (MDMT) de -20 graus F, foram isentos de testes de impacto devido ao seu papel tradicional em tais aplicações.

No entanto, a aceitação histórica e as aplicações tradicionais não duram necessariamente para sempre. Alguns materiais que se enquadram na curva B da revisão de 2017 da ASME VIII-1, UCS-66 (consulte a Figura 1), têm um histórico documentado recente de falhas devido à fratura frágil em temperaturas superiores a -20 graus F e, em muitos casos, em temperaturas quentes. Portanto, são considerados como estando em risco de fratura frágil em temperatura ambiente, principalmente durante a partida, desligamento, teste hidrostático e despressurização rápida (autorefrigeração).

A prática de fazer adições deliberadas de oligoelementos durante a fabricação de aços de médio carbono, que contêm 0,18% a 0,23% de carbono, possivelmente visa reduzir a temperatura de tratamento térmico e o tempo de processamento. Em uso nas últimas décadas, essa técnica teve uma consequência não intencional: trinca frágil de flanges de grau A105, conexões A234-WPB e tubos de aço carbono A106-B. Este fenômeno é conhecido por ocorrer em temperaturas ambientes.

Este problema torna-se agudo quando os materiais que são propensos a SCC são implantados em certas condições de serviço. De acordo com a Associação Nacional de Engenheiros de Corrosão (NACE) MR0103, projeto, processamento (corte, dobra, soldagem), instalação ou manuseio incorretos podem fazer com que materiais resistentes se tornem suscetíveis a SCC. Concentrações de tensão em entalhes locais, como poços de corrosão, tornam as soldas vulneráveis ​​ao SCC. Tensões de tração residuais da soldagem também são conhecidas por iniciar trincas sem tensões externas. As soldas que não foram aliviadas de tensão e os componentes que foram trabalhados a frio são particularmente vulneráveis. A falha em atender aos requisitos de tratamento térmico, mecânico ou químico das especificações pode ser verificada apenas por meio de exame metalúrgico. Imperfeições em superfícies usinadas de flanges soldados podem ser detectadas apenas por meio de avaliação volumétrica não destrutiva.