Por que os tanques de armazenamento de álcalis de aço inoxidável austenítico 316L racham? Apesar de ser conhecido pela sua durabilidade, o aço 316L pode desenvolver fissuras em condições específicas. Este artigo explora os factores surpreendentes por detrás destas falhas, incluindo a fissuração por corrosão sob tensão em ambientes alcalinos, a influência das tensões residuais da soldadura e do trabalho a frio, e factores ambientais. Compreender estas razões é crucial para evitar problemas futuros e garantir a longevidade destes tanques. Mergulhe para conhecer a análise detalhada e as soluções práticas para este desafio crítico de engenharia.
A fissuração por corrosão sob tensão induzida por álcalis, também conhecida como "fragilização por álcalis" ou "fissuração por álcalis", foi documentada em várias fontes bibliográficas. No entanto, a maior parte da investigação centra-se em condições de alta temperatura, enquanto que há relativamente menos investigação sobre a fragilização alcalina do aço inoxidável a temperaturas médias e baixas.
Embora a falha devido à fragilização alcalina possa ocorrer em ambientes de alta temperatura, tais falhas a temperaturas médias e baixas são relativamente incomuns.
Numa central nuclear doméstica, o tanque de armazenamento para o gerador de hidrogénio era feito de aço inoxidável austenítico 316L e continha solução de KOH, com uma pressão de trabalho de 700-800 kPa. Após oito anos de serviço, a cabeça inferior do tanque desenvolveu fissuras.
Foi realizada uma inspeção física e química minuciosa e uma análise do estado de tensão em diferentes áreas do tanque para determinar a causa da fissuração. Com base nos resultados, foram propostas sugestões de melhoria.
O tanque de fugas é composto por um cilindro e uma cabeça elíptica, que são soldados entre si. A cabeça pode ser dividida numa secção de aresta reta e numa secção curva, como se mostra na figura 1a.
Existe uma fenda passante na parede exterior da cabeça, localizada no bordo reto. A extremidade superior da fenda está a cerca de 8 mm da linha de soldadura, enquanto a extremidade inferior está a cerca de 13 mm da linha de soldadura. O comprimento total da fenda é de cerca de 5 mm.
Foi efectuado um teste de penetração de líquidos no depósito e este revelou que não existiam outras fissuras na parede exterior do depósito, para além da fissura de passagem. No entanto, foram detectadas múltiplas fissuras em ambos os lados da parede interior, perto da soldadura. Estas fissuras incluíam fissuras axiais perpendiculares à soldadura e fissuras circunferenciais paralelas à soldadura, como se mostra na Figura 1b.
As fissuras axiais estavam presentes apenas na secção de bordo reto da cabeça, a 13 mm da linha de soldadura. Tinham uma distribuição circunferencial uniforme e comprimentos diferentes. A extremidade superior da fenda mais longa estava a 1-2 mm da linha de soldadura, enquanto a extremidade inferior estava a cerca de 13 mm de distância. A extremidade superior da fenda mais curta estava a cerca de 4 mm da linha de soldadura e a extremidade inferior a cerca de 10 mm. Esta fenda foi classificada como uma fenda do tipo A, enquanto a fenda passante foi também classificada como uma fenda do tipo A.
As fissuras circunferenciais estavam localizadas em ambos os lados da soldadura, a 1-3 mm da linha de soldadura. As fissuras do lado do cilindro foram classificadas como fissuras de classe B1 e as fissuras do lado da cabeça foram classificadas como fissuras de classe B2.
O diagrama macroscópico da distribuição de fissuras no tanque com fugas é apresentado na Figura 2.
A composição química do metal de base do cilindro e da cabeça foi analisada utilizando um espetrómetro de leitura direta de faíscas. Os resultados mostraram que ambas as composições químicas cumprem os requisitos especificados na norma ASTM A473-2017.
Foram retiradas amostras do metal de base do tambor e da cabeça e sujeitas a inspeção metalográfica utilizando um microscópio ótico. A microestrutura do metal de base do depósito está representada na Figura 3.
A microestrutura do metal de base do barril é constituída por austenite com uma pequena quantidade de gémeos recozidos, e tinha um tamanho de grão de grau 6. Entretanto, a microestrutura do metal de base da cabeça era composta por austenite com uma quantidade significativa de gémeos de deformação e bandas de deslizamento, e tinha um tamanho de grão de 3,5.
Foi utilizado um aparelho digital de medição da dureza Vickers para medir a dureza de várias partes do depósito. Os resultados mostraram que a dureza do metal de base do tambor e da cabeça era de 165 HV e 248 HV, respetivamente.
A dureza da soldadura, lado do cilindro zona afetada pelo calore a zona afetada pelo calor do lado da cabeça foi de 171 HV, 188 HV e 165 HV, respetivamente. A espessura média do lado do cilindro e do lado da cabeça foi de 3,71 mm e 4,24 mm, respetivamente.
O cilindro era feito de Aço 316L no estado recozido em solução normal. A dureza do aço 316L não é especificada na norma ASTM A473-2017. No entanto, de acordo com a norma GB/T 3280-2015 (Cold Rolled Stainless Steel Plates and Strips), a dureza do aço 316L não deve exceder 220 HV.
A elevada dureza da cabeça, que está relacionada com a presença de uma quantidade significativa de gémeos de deformação e bandas de deslizamento na estrutura, pode ser atribuída ao facto de se tratar de aço 316L num estado endurecido por trabalho a frio.
1.5.1 Análise da superfície da fenda
Na parede interior da cisterna, as fissuras na superfície da classe A e da classe B serão objeto de amostragem para análise. A localização da amostra é ilustrada na figura 4.
Depois de a amostra ser aplanada, polida e gravada utilizando um método de superfície em arco, é examinada utilizando um microscópio ótico. A morfologia microscópica é ilustrada na Figura 5.
É evidente que ambos os tipos de fissuras se estendem na direção da estrutura cristalina da superfície.
A parte central da fenda de tipo A é larga, enquanto as suas duas extremidades são estreitas.
A zona afetada pelo calor no lado da cabeça apresenta tanto uma zona de grão grosso como uma zona de grão fino, com um comprimento total de aproximadamente 4 mm.
A zona afetada pelo calor no lado do cilindro apresenta apenas uma zona de grão grosso, com cerca de 0,8 mm de comprimento, sem qualquer zona de grão fino.
O metal de base no lado da cabeça apresenta um número significativo de gémeos de deformação e bandas de deslizamento, caracterizados por elevada deformação e distorção. A recristalização estática ocorre durante a processo de soldadura devido ao aquecimento.
Como resultado da alta temperatura perto da solda, o crescimento de grão ocorre após a recristalização e forma uma área de grão grosso.
Apenas a recristalização estática ocorre na área distante da soldadura, e o grão não cresce, resultando numa área de grão fino.
O metal de base no lado do cilindro está num estado recozido em solução, com deformação e distorção limitadas e força motriz de recristalização insuficiente.
Devido à elevada temperatura perto da soldadura, o crescimento do grão ocorre diretamente, formando uma zona de grão grosseiro.
Como a temperatura na zona afastada da soldadura é inferior à temperatura de crescimento do grão, apenas ocorre a recuperação sem recristalização, e não existe uma zona de grão fino semelhante à do lado da cabeça. Como resultado, não é possível determinar diretamente a extensão da zona afetada pelo calor.
Os materiais de base do cano e da cabeça são feitos de Aço inoxidável 316Lcom condutividade térmica semelhante. A extensão das zonas afectadas pelo calor em ambos os lados da soldadura é aproximadamente a mesma.
Com base na extensão da zona afetada pelo calor no lado da cabeça, deduz-se que a largura da zona afetada pelo calor no tambor é de aproximadamente 4 mm.
Observa-se que uma extremidade de algumas fissuras do Tipo A está localizada na zona afetada pelo calor, enquanto a outra extremidade está localizada na secção da aresta reta da cabeça, com o centro situado na secção da aresta reta da cabeça.
A parte restante das fissuras de tipo A está localizada no bordo reto da cabeça.
Todas as fissuras de tipo B estão situadas nas zonas afectadas pelo calor em ambos os lados da soldadura.
1.5.2 Análise da secção da fenda
As figuras 6 e 7 mostram as microestruturas dos dois tipos de fissuras na direção da espessura da parede.
As fissuras do tipo A correm da parede interior para a parede exterior do depósito, seguindo o cristal, com profundidades variáveis. As partes mais graves destas fissuras cobrem quase toda a espessura da parede do depósito, com uma ponta de fissura bifurcada e um limite de grão que não é sensibilizado. Possuem características típicas de fissuração por corrosão sob tensão intergranular.
As fissuras de tipo B1 e B2 encontram-se principalmente nas zonas afectadas pelo calor em ambos os lados da soldadura. Estas fissuras estendem-se ao longo do grão, com uma ponta de fissura bifurcada e um limite de grão que não é sensibilizado, apresentando características típicas de fissuração por corrosão sob tensão intergranular.
A microdureza das fissuras do tipo A, B1 e B2 é de 242 HV, 171 HV e 157 HV, respetivamente.
A diminuição acentuada da dureza na zona de fissura do tipo B2 deve-se à ocorrência de recristalização estática após a processo de soldaduraque transforma os grãos de austenite deformados originais.
Para obter mais informações sobre a posição de origem da fenda do Tipo A na parede interior do tanque, a profundidade da fenda foi dissecada e medida no centro e em ambos os lados ao longo da direção do seu comprimento. Os resultados são apresentados na Figura 8.
A parte mais profunda da fenda ao longo da direção da espessura da parede encontra-se no meio, indicando que a origem da fenda do Tipo A se encontra no centro da direção do seu comprimento e se estende da superfície interior da parede para ambos os lados.
O Tensão residual O analisador é utilizado para avaliar a tensão residual do cilindro e da cabeça, com a soldadura a servir de limite. O ensaio é realizado em duas direcções, 0° (paralelo à direção da soldadura) e 90° (perpendicular à direção da soldadura), e os resultados são apresentados na Figura 9.
As zonas de tensão de tração residual no lado do cilindro a 0° e 90° estão a aproximadamente 20mm e 12mm, respetivamente, da linha central da soldadura. No lado da cabeça, as zonas de tensão de tração residual nas direcções de 0° e 90° estão aproximadamente a 17mm e 15mm da linha central da soldadura, respetivamente.
As fissuras do tipo A e do tipo B situam-se nas zonas de tensão residual de tração.
As fissuras do tipo A e do tipo B encontram-se na zona de tensão residual de tração do tanque, ambas correndo ao longo da espessura da parede, da parede interior para a exterior, na direção do cristal.
As fissuras de tipo A começam na área do metal de base da cabeça e espalham-se ao longo da superfície perpendicular à soldadura em ambos os lados.
As fissuras de tipo B situam-se na zona afetada pelo calor em ambos os lados da soldadura e estendem-se paralelamente à soldadura ao longo da superfície.
A cabeça é fabricada através de um processo de estampagem a frio.
A aresta reta da cabeça é formada por flangeamento o bordo da chapa original para dentro, o que resulta numa deformação plástica significativa e numa tensão de tração residual.
Sob a influência prolongada da tensão residual inicial do trabalho a frio, uma temperatura de 65-70 ℃ e as condições de serviço de uma solução alcalina de KOH, é gerada a fissuração por corrosão sob tensão intergranular perpendicular à solda.
A tensão residual original desaparece devido à recuperação e recristalização dos grãos de austenite após a soldadura na zona afetada pelo calor.
A tensão de tração residual de soldagem é produzida na zona afetada pelo calor devido ao encolhimento do resfriamento dos grãos de austenita. Essa tensão é principalmente perpendicular à solda e, sob o efeito prolongado das condições de serviço da solução alcalina de KOH a 65-70 ℃, são geradas rachaduras por corrosão sob tensão intergranular paralelas à solda.
O mecanismo de fissuração do tanque pode ser explicado pela teoria de fissuração por membrana da fissuração por corrosão sob tensão induzida por álcalis.
No ambiente de solução alcalina de KOH, forma-se uma película passiva na superfície da parede interior do tanque, mas esta quebra-se sob a elevada tensão de tração residual.
Quando a película de passivação se rompe, não se reforma imediatamente na superfície do metal na área da fratura.
O metal nu entra então em contacto com a lixívia de KOH, e o OH- concentra-se na área de fratura da superfície, levando a uma reação com o metal nu.
O metal nu reage com a lixívia concentrada para formar uma película de óxido de metal, mas esta película quebra-se novamente sob tensão, repetindo o ciclo de passivação-fratura, fazendo com que a fissura continue a expandir-se e a alargar-se. Eventualmente, o tanque racha e tem fugas.
(1) As fissuras circunferenciais e axiais na parede interior do depósito de armazenagem são causadas por fissuras de corrosão sob tensão induzidas por álcalis.
As fissuras circunferenciais são causadas principalmente pela tensão de tração residual da soldadura, enquanto as fissuras axiais se devem principalmente à tensão de tração residual do trabalho a frio no bordo direito da cabeça.
(2) Para evitar fissuras circunferenciais, é importante controlar calor de soldadura e reduzir a tensão residual da soldadura.
Para evitar fissuras axiais, deve ser adicionado um processo de alívio de tensões após o enformação a frio da cabeça para reduzir a tensão residual do trabalho a frio.
(3) Para garantir o funcionamento seguro do equipamento, as medidas de ensaios não destrutivos, como os ensaios por penetração, devem ser reforçadas durante o funcionamento para maior proteção.
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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