Efeitos do superaquecimento localizado sobre a microestrutura de aços HP modificados usados em fornos de reforma a vapor

Matheus Campolina Mendes1, Luiz Henrique de Almeida, Jean Dille2

1matheus@metalmat.ufrj.br, bolsista de doutorado CNPq1 Laboratório de Propriedades Mecânicas, PEMM-COPPE-UFRJ, CP 68505, 21941-972, Rio de Janeiro, RJ

2 Free University of Brussels, C.P. 194/03, Av. F. D. Roosevelt, 50, B-1050, Brussels, Belgium

Resumo

Aços inoxidáveis da classe HP modificados vêm sendo largamente utilizados na indústria petroquímica devido a sua elevada estabilidade estrutural a altas temperaturas. Adições de Nb e Ti são as principais modificações na composição química destes aços, marcados pela presença de uma precipitação primária de carbetos de Cr e Nb na região interdendrítica e com o envelhecimento de uma fina precipitação secundária dispersa na matriz. Eventos de superaquecimento na operação resultam em regiões com diferentes graus de envelhecimento podendo levar a quadros de falha catastrófica. Este trabalho busca caracterizar o efeito do superaquecimento localizado sobre a microestrutura a fim de avaliar a propriedade técnica da reutilização desses tubos que passaram por eventos de surto de temperatura sem surgimento de trincas. O estudo foi conduzido através de análises por microscopia eletrônica de varredura e transmissão de amostras retiradas em diferentes condições de operação.

Palavras-chave: aços HP modificados, envelhecimento microestrutural, surto de temperatura

IntroduçãoA elevada resistência mecânica a altas

temperaturas é a principal característica dos aços inoxidáveis fundidos resistentes ao calor. Destaca-se nessa família os aços da classe ASTM A297, grau HP, utilizados principalmente na indústria petroquímica como tubos radiantes em fornos de reforma catalítica na conversão de gás natural ou hidrocarbonetos leves em hidrogênio ou amônia [1].

A vida útil destes tubos é tipicamente estimada em 100.000hs em condições normais de operação. Contudo, a crescente demanda pelo aumento da eficiência das plantas petroquímicas tem levado a modificações nestes aços a fim de aumentar sua estabilidade estrutural, destacam-se neste contexto adições de Nb e Ti à composição química. No entanto, a microestrutura destes aços HP modificados não está livre dos efeitos do envelhecimento provocado pela exposição a altas temperaturas na operação [2].

Aços HP modificados possuem uma microestrutura austenítica composta por uma precipitação primária interdendrítica de carbetos de Cr e Nb. Durante o envelhecimento, além da esperada coalescência dos precipitados primários, ocorre o fenômeno da precipitação secundária, marcada por uma fina precipitação na matriz, outro efeito relevante é a transformação

parcial do NbC primário em uma fase deletéria, fase-G (Ni16Nb6Si7) [3].

Durante a operação a temperatura na parede dos tubos radiantes pode variar entre 550°C à um máximo de 950°C, alcançado próximo à metade do eixo longitudinal do tubo na câmara de radiação. Contudo, durante a operação dos fornos, alterações inadivertidas no fluxo do gás de reação podem resultar em aumentos localizados de temperatura, superando 1000°C na parede interna, resultando em diferentes condições de envelhecimento ao longo do comprimento dos tubos ou provocar falhas prematuras com a formação de trincas longitudinais.

O superaquecimento localizado nos tubos que não falharam merece atenção especial sobretudo acerca das incertezas sobre a integridade estrutural dos mesmos, em função das alterações microestruturais ocorridas. Neste cenário este trabalho procura caracterizar os efeitos provocados pelo surto de temperatura sobre a microestrutura de tubos radiantes de aço HP modificado, em comparação com a microestrutura de diferentes condições de envelhecimento após longo tempo de exposição em serviço.Materiais e métodos

Foram utilizadas sete amostras de tubos retirados de operação com diferentes históricos térmicos, Tabela 1, que também destaca a integridade estrutural dos tubos após a retirada.

Painel PEMM 2013 – 04 e 05 de novembro de 2013

Tab.1 - Condição das amostras em estudo

Tubo Vida consumida

Surto detemperatura

Falha catastrófica

Número de amostras

A 70000 hs Não Não 3B 78000 hs Sim Não 3C 78000 hs Sim Sim 1

Para a caracterização microestrutural foram utilizadas microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de transmissão (MET) com identificação dos precipitados por técnicas de EDS e difração de elétrons em amostras previamente preparadas por técnicas convencionais de lixamento e polimento (MEV) e por polimento eletrolítico e Focused Ion Beam (FIB) (MET).

Resultados e DiscussãoApesar da latente fragmentação dos

precipitados primários e da esperada presença de vazios de fluência, a análise por MEV das amostras na mesma região dos diferentes tubos que não sofreram surto de temperatura mostrou, principalmente a presença da precipitação secundária finamente dispersa na matriz, Figura 1. As amostras que sofreram surto mostraram, na resolução de MEV, uma dissolução dessa precipitação secundária Figura 1.

A

BFig.1 - Micrografias em MEV dos tubos em diferentes condições, (A) envelhecido e em (B) com surto de temperatura localizado. 1000X.

A completa dissolução da precipitação secundária observada no MEV das amostras que sofreram superaquecimento era esperada devido a permanência à temperaturas acima de 1000°C por tempo superior a 10 minutos. Contudo, a análise por MET, Figura 2, permitiu observar que na realidade a dissolução foi parcial com uma redução expressiva do tamanho dos precipitados

após o surto de temperatura em comparação com uma amostra que não sofreu falha nem apresenta trincas após este evento.

A

BFig.2 - Micrografias em MET da precipitação secundária dos tubos em diferentes condições, (A) envelhecido e em (B) com surto de temperatura localizado. 19500X.

ConclusõesA caracterização microestrutural destes tubos

permitiu observar como o surto de temperatura afetou a morfologia da precipitação e abre a discussão sobre a possibilidade de reutilização destes tubos que sofreram superaquecimento localizado sem ocorrência ou trincas.

AgradecimentosOs autores gostariam de agradecer à TSEC,

ao CNPq, CAPES e ULB pela cessão das amostras, apoio financeiro, e utilização dos equipamentos.

Referências[1] F.C. Nunes et al., Mater Charact. 58 (2007) 132.[2] G.D.A. Soares et al., Mater Charact. 29 (1992) 387.[3] R.A.P. Ibañez et al., Mater Charact. 30 (1993) 243.

Painel PEMM 2013 – 04 e 05 de novembro de 2013