Por que os tanques de armazenamento de álcalis de aço inoxidável austenítico 316L racham? Apesar de ser conhecido por sua durabilidade, o aço 316L pode apresentar rachaduras em condições específicas. Este artigo explora os fatores surpreendentes por trás dessas falhas, incluindo rachaduras por corrosão sob tensão em ambientes alcalinos, a influência das tensões residuais da soldagem e do trabalho a frio e fatores ambientais. Entender esses motivos é fundamental para evitar problemas futuros e garantir a longevidade desses tanques. Mergulhe de cabeça para conhecer a análise detalhada e as soluções práticas para esse desafio crítico de engenharia.
A rachadura por corrosão sob tensão induzida por álcalis, também conhecida como "fragilização por álcalis" ou "rachadura por álcalis", foi documentada em várias fontes da literatura. No entanto, a maior parte da pesquisa se concentra em condições de alta temperatura, enquanto há relativamente menos pesquisas sobre a fragilização alcalina do aço inoxidável em temperaturas médias e baixas.
Embora a falha devido à fragilização por álcali possa ocorrer em ambientes de alta temperatura, essas falhas em temperaturas médias e baixas são relativamente incomuns.
Em uma usina nuclear doméstica, o tanque de armazenamento do gerador de hidrogênio 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 parte inferior do tanque apresentou rachaduras.
Uma inspeção física e química completa e uma análise do estado de tensão em diferentes áreas do tanque foram realizadas para determinar a causa da rachadura. Com base nos resultados, foram propostas sugestões de melhorias.
O tanque de vazamento é composto por um cilindro e uma cabeça elíptica, que são soldados juntos. O cabeçote pode ser dividido em uma seção de borda reta e uma seção curva, conforme ilustrado na Figura 1a.
Há uma rachadura na parede externa do cabeçote, localizada na borda reta. A extremidade superior da rachadura está a aproximadamente 8 mm da linha de solda, enquanto a extremidade inferior está a cerca de 13 mm da linha de solda. O comprimento total da rachadura é de cerca de 5 mm.
O teste de líquido penetrante foi realizado no tanque e revelou que não havia mais rachaduras na parede externa do tanque, além da rachadura de passagem. Entretanto, foram detectadas várias rachaduras em ambos os lados da parede interna, perto da solda. Essas rachaduras incluíam rachaduras axiais perpendiculares à solda e rachaduras circunferenciais paralelas à solda, conforme mostrado na Figura 1b.
As trincas axiais estavam presentes apenas na seção de borda reta da cabeça, a 13 mm da linha de solda. Elas tinham uma distribuição circunferencial uniforme e comprimentos diferentes. A extremidade superior da trinca mais longa estava a 1-2 mm da linha de solda, enquanto a extremidade inferior estava a aproximadamente 13 mm de distância. A extremidade superior da trinca mais curta estava a cerca de 4 mm da linha de solda, enquanto a extremidade inferior estava a aproximadamente 10 mm de distância. Essa trinca foi classificada como uma trinca do Tipo A, enquanto a trinca passante também foi classificada como uma trinca do Tipo A.
As trincas circunferenciais estavam localizadas em ambos os lados da solda, a 1-3 mm da linha de solda. As trincas no lado do cilindro foram classificadas como trincas de Classe B1, e as trincas no lado do cabeçote foram classificadas como trincas de Classe B2.
O diagrama macroscópico da distribuição de rachaduras no tanque com vazamento é mostrado na Figura 2.
A composição química do metal de base do cilindro e do cabeçote foi analisada usando um espectrômetro de leitura direta de faísca. Os resultados mostraram que ambas as composições químicas atendem aos requisitos especificados na norma ASTM A473-2017.
As amostras foram retiradas do metal de base do cano e da cabeça e submetidas à inspeção metalográfica usando um microscópio óptico. A microestrutura do metal de base do tanque é mostrada na Figura 3.
A microestrutura do metal base do barril consistia em austenita com uma pequena quantidade de gêmeos recozidos, e tinha um tamanho de grão de grau 6. Enquanto isso, a microestrutura do metal base da cabeça era composta por austenita com uma quantidade significativa de gêmeos de deformação e bandas de deslizamento, e tinha um tamanho de grão de 3,5.
Um testador de dureza Vickers digital foi usado para medir a dureza de várias partes do tanque. Os resultados mostraram que a dureza do barril e do metal base da cabeça era de 165 HV e 248 HV, respectivamente.
A dureza da solda, lado do cilindro zona afetada pelo calore a zona afetada pelo calor do lado do cabeçote foi de 171 HV, 188 HV e 165 HV, respectivamente. A espessura média do lado do cilindro e do lado do cabeçote foi de 3,71 mm e 4,24 mm, respectivamente.
O cilindro era feito de Aço 316L no estado normal de solução recozida. A dureza do aço 316L não é especificada na norma ASTM A473-2017. Entretanto, de acordo com o padrão Cold Rolled Stainless Steel Plates and Strips (GB/T 3280-2015), a dureza do aço 316L não deve exceder 220 HV.
A alta dureza da cabeça, que está relacionada à presença de uma quantidade significativa de gêmeos de deformação e bandas de deslizamento na estrutura, pode ser atribuída ao fato de ser aço 316L em um estado endurecido por trabalho a frio.
1.5.1 Análise da superfície da rachadura
Na parede interna do tanque, as rachaduras na superfície da Classe A e da Classe B devem ser amostradas para análise. A localização da amostra é mostrada na Figura 4.
Depois que a amostra é achatada, polida e gravada usando um método de superfície de arco, ela é examinada usando um microscópio óptico. A morfologia microscópica é ilustrada na Figura 5.
É evidente que ambos os tipos de rachaduras se estendem na direção da estrutura cristalina na superfície.
A parte central da rachadura do Tipo A é larga, enquanto suas duas extremidades são estreitas.
A zona afetada pelo calor no lado da cabeça apresenta uma zona de granulação grossa e uma zona de granulação fina, com um comprimento total de aproximadamente 4 mm.
A zona afetada pelo calor no lado do cilindro exibe apenas uma zona de granulação grossa, com aproximadamente 0,8 mm de comprimento, sem a presença de uma zona de granulação fina.
O metal de base no lado do cabeçote apresenta um número significativo de gêmeos de deformação e bandas de deslizamento, caracterizados por alta deformação e distorção. A recristalização estática ocorre durante a processo de soldagem devido ao aquecimento.
Como resultado da alta temperatura próxima à solda, o crescimento de grãos ocorre após a recristalização e forma uma área de grãos grossos.
Somente a recristalização estática ocorre na área distante da solda, e o grão não cresce, resultando em uma área de grão fino.
O metal de base no lado do cilindro está em um estado recozido em solução, com deformação e distorção limitadas e força motriz de recristalização insuficiente.
Devido à alta temperatura próxima à solda, o crescimento de grãos ocorre diretamente, formando uma zona de grãos grossos.
Como a temperatura na área distante da solda é mais baixa do que a temperatura de crescimento do grão, ocorre apenas a recuperação sem recristalização, e não há área 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 cilindro e da cabeça são feitos de Aço inoxidável 316Lcom condutividade térmica semelhante. A extensão das zonas afetadas pelo calor em ambos os lados da solda é praticamente 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 cilindro é de aproximadamente 4 mm.
Observa-se que uma extremidade de algumas trincas do Tipo A está localizada na zona afetada pelo calor, enquanto a outra extremidade está localizada na seção de borda reta da cabeça, com o centro situado na seção de borda reta da cabeça.
A parte restante das rachaduras do Tipo A está localizada na borda reta da cabeça.
Todas as trincas do Tipo B estão situadas nas zonas afetadas pelo calor em ambos os lados da solda.
1.5.2 Análise da seção de rachadura
As Figuras 6 e 7 mostram as microestruturas dos dois tipos de rachaduras na direção da espessura da parede.
As rachaduras do tipo A vão da parede interna até a parede externa do tanque, seguindo o cristal, com profundidades variadas. As partes mais graves dessas rachaduras cobrem quase toda a espessura da parede do tanque, com uma ponta de rachadura bifurcada e um limite de grão que não é sensibilizado. Elas possuem características típicas de rachaduras por corrosão sob tensão intergranular.
As trincas dos tipos B1 e B2 são encontradas principalmente nas zonas afetadas pelo calor em ambos os lados da solda. Essas trincas se estendem ao longo do grão, com uma ponta de trinca bifurcada e um limite de grão que não é sensibilizado, exibindo características típicas de trincas por corrosão sob tensão intergranular.
A microdureza das trincas dos tipos A, B1 e B2 é de 242 HV, 171 HV e 157 HV, respectivamente.
A diminuição acentuada da dureza na zona de trinca do tipo B2 se deve à ocorrência de recristalização estática após a trinca. processo de soldagemque transforma os grãos de austenita deformados originais.
Para obter mais informações sobre a posição de origem da rachadura Tipo A na parede interna do tanque, a profundidade da rachadura foi dissecada e medida no centro e em ambos os lados ao longo de sua direção de comprimento. Os resultados são apresentados na Figura 8.
A parte mais profunda da trinca ao longo da direção da espessura da parede é encontrada no meio, indicando que a origem da trinca Tipo A está no centro da direção do comprimento e se estende da superfície interna da parede em direção a ambos os lados.
O Estresse residual O Analyzer é utilizado para avaliar a tensão residual do cilindro e do cabeçote, com a solda servindo como limite. O teste é realizado em duas direções, 0° (paralela à direção da solda) e 90° (perpendicular à direção da solda), e os resultados são mostrados na Figura 9.
As zonas de tensão residual de tração no lado do cilindro a 0° e 90° estão a aproximadamente 20 mm e 12 mm, respectivamente, da linha central da solda. No lado do cabeçote, as zonas de tensão residual de tração nas direções de 0° e 90° estão a aproximadamente 17 mm e 15 mm de distância da linha central da solda, respectivamente.
As trincas do tipo A e do tipo B estão situadas nas zonas de tensão residual de tração.
As rachaduras do Tipo A e do Tipo B são encontradas na zona de tensão de tração residual do tanque, ambas correndo ao longo da espessura da parede, da parede interna para a externa, na direção do cristal.
As trincas do tipo A começam na área do metal de base do cabeçote e se espalham ao longo da superfície perpendicular à solda em ambos os lados.
As trincas do tipo B estão situadas na zona afetada pelo calor em ambos os lados da solda e se estendem paralelamente à solda ao longo da superfície.
O cabeçote é fabricado por meio de um processo de estampagem a frio.
A borda reta da cabeça é formada por flangeamento a borda da chapa original para dentro, o que resulta em deformação plástica significativa e tensão de tração residual.
Sob a influência prolongada da tensão residual inicial do trabalho a frio, uma temperatura de 65-70°C e as condições de serviço de uma solução alcalina de KOH, é gerada uma rachadura por corrosão sob tensão intergranular perpendicular à solda.
A tensão residual original desaparece devido à recuperação e à recristalização dos grãos de austenita após a soldagem na zona afetada pelo calor.
A tensão de tração residual da solda é produzida na zona afetada pelo calor devido ao encolhimento por 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°C, são geradas rachaduras por corrosão sob tensão intergranular paralelas à solda.
O mecanismo de rachadura do tanque pode ser explicado pela teoria de rachadura de membrana da rachadura por corrosão sob tensão induzida por álcalis.
No ambiente da solução alcalina de KOH, forma-se um filme passivo na superfície da parede interna do tanque, mas ele se rompe sob a alta tensão de tração residual.
Quando a película de passivação se rompe, ela não se forma imediatamente na superfície do metal na área da fratura.
O metal descoberto entra em contato com a lixívia de KOH e o OH- se concentra na área de fratura da superfície, levando a uma reação com o metal descoberto.
O metal nu reage com a lixívia concentrada para formar uma película de óxido de metal, mas essa película se rompe novamente sob estresse, repetindo o ciclo de passivação-fratura, fazendo com que a rachadura continue a se expandir e se estender. Eventualmente, o tanque racha e vaza.
(1) As rachaduras circunferenciais e axiais na parede interna do tanque de armazenamento são causadas por rachaduras por corrosão sob tensão induzidas por álcalis.
As trincas circunferenciais são causadas principalmente pela tensão de tração residual da soldagem, enquanto as trincas axiais são causadas principalmente pela tensão de tração residual do trabalho a frio na borda reta do cabeçote.
(2) Para evitar rachaduras circunferenciais, é importante controlar calor de soldagem e reduzir a tensão residual da soldagem.
Para evitar rachaduras axiais, um processo de alívio de tensão deve ser adicionado após o conformação a frio do cabeçote para reduzir a tensão residual do trabalho a frio.
(3) Para garantir a operação segura do equipamento, medidas de testes não destrutivos, como testes de penetração, devem ser reforçadas durante a operação para maior proteção.
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.
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