Como identificar a fragilização da fase Sigma em componentes envelhecidos do trocador de calor de aço inoxidável duplex?

Mesmo que uma chapa tubular de aço inoxidável duplex que tenha sido exposta a altas temperaturas por um longo período possa parecer intacta, uma simples batida com um martelo pode quebrá-la. Este é o terrível fenômeno conhecido como fragilização da fase sigma, uma transformação metalúrgica que, sem alterar sua aparência, transforma uma liga forte e dúctil em uma cerâmica quebradiça. A detecção precoce dos componentes do trocador duplex de aço inoxidável com fragilização da fase sigma é essencial, uma vez que o reparo in{2}}in situ não é viável quando o sigma ocorre. É necessário reparar o componente danificado.

Fragilização da Fase Sigma: O que é?
Austenita e ferrita constituem porcentagens quase iguais da microestrutura balanceada encontrada em aços inoxidáveis ​​duplex (como 2205 e 2507). Alta resistência, ductilidade superior e excelente resistência à corrosão são fornecidas por esta estrutura-de fase dupla. No entanto, ocorre uma transição quando o aço duplex é exposto a temperaturas entre 600 e 900 graus durante longos períodos de tempo. Uma nova fase intermetálica conhecida como sigma (σ) é criada quando a fase ferrita começa a se decompor. Sigma tem uma estrutura cristalina tetragonal e é um composto de ferro, cromo e molibdênio. É rico em molibdênio e cromo, extremamente quebradiço e incrivelmente duro.

A temperatura e o tempo afetam a forma como o sigma é formado. A transição acontece mais rapidamente entre 750 e 850 graus; fragilização substancial pode acontecer em questão de horas. Demora centenas ou milhares de horas em temperaturas mais baixas (600–700 graus). Não existe tratamento térmico in-viável que possa reverter o sigma depois que ele precipita, geralmente como pequenas placas finas nos limites dos grãos e dentro dos grãos de ferrita. O material perde quase totalmente a dureza ao impacto e torna-se quebradiço.

Razões comuns para peças do trocador de calor
As seguintes circunstâncias são as mais comuns em que ocorre a fragilização da fase sigma:

Soldas sem recozimento pós{0}}de solução de soldagem: se o resfriamento for lento, a zona-afetada pelo calor (HAZ) próxima a uma solda poderá permanecer na faixa de temperatura crítica por um longo período de tempo. Particularmente em risco estão peças grandes e grossas. O Sigma permanece na ZTA se o componente não for posteriormente recozido em solução (aquecido a 1040–1100 graus e rapidamente temperado).

Operação prolongada em altas temperaturas: Mesmo inadvertidamente, os trocadores de calor que funcionam continuamente em temperaturas de metal entre 600 e 900 graus podem fragilizar gradualmente. Isto pode acontecer num permutador que não esteja devidamente arrefecido ou numa unidade de recuperação de calor residual.

Exposição ao fogo: Mesmo por um breve período de tempo, um incêndio em uma planta que aqueça uma parte de um trocador duplex na faixa de formação sigma pode resultar em fragilização na área impactada.

Erros de fabricação: O Sigma pode ser incentivado por tratamento térmico inadequado durante a fabricação, como resfriamento lento devido à temperatura de recozimento.

As zonas-afetadas pelo calor de soldas, flanges mais grossos e placas de tubos são as áreas mais suscetíveis. Embora os tubos finos esfriem mais rapidamente e tenham menos probabilidade de produzir sigma, eles ainda são suscetíveis se a temperatura de serviço for muito alta.

Indicadores Mecânicos e Visuais
A aparência da superfície do metal não é afetada pela fragilização da fase sigma. Um componente pode parecer totalmente normal, sem rachaduras ou descoloração óbvias, mas pode ser extremamente frágil. No entanto, sua existência pode ser descoberta com exames e testes minuciosos.

Aparência da superfície da fratura
A superfície de fratura de um aço duplex fragilizado sigma{0}}parecerá brilhante, granular e cristalina, sem rasgos dúcteis ou bordas de cisalhamento se um componente falhar ou for quebrado propositalmente. A aparência monótona e fibrosa de uma fratura dúctil típica contrasta fortemente com isso. Sigma confere ao metal a durabilidade de uma barra de chocolate; um pequeno golpe quebra-o em vez de distorcê-lo.

Teste de resistência ao impacto
O teste de impacto Charpy V-notch (CVN) é o padrão ouro para quantificar a fragilização sigma. Quando recozido-com solução adequada, o Duplex 2205 geralmente tem uma resistência ao impacto de 100–200 J à temperatura ambiente. A tenacidade pode diminuir para menos de 20 J e frequentemente para valores únicos quando sigma está presente. Este teste oferece provas inequívocas de peças minúsculas ou cupons de teste cortados de uma folha de tubo.

Análise Metalográfica: As Manchas Escuras
Após o ataque químico, a característica da fragilização da fase sigma é vista ao microscópio. Um reagente apropriado, como ataque eletrolítico em ácido oxálico a 10% ou uma combinação de HCl e HNO₃ (Aqua Regia) ou KOH (para duplex), é usado para gravar uma amostra polida. Austenita e ferrita ocorrem como duas fases separadas em uma microestrutura duplex típica; a austenita é geralmente pálida ou levemente gravada, enquanto a ferrita é mais escura. Dentro dos grãos de ferrita e ao longo dos limites dos grãos, a fase sigma se manifesta como uma rede escura, frequentemente em blocos ou semelhante a uma placa. As próprias partículas sigma aparecem como uma fase distinta e extremamente escura em ampliações maiores. A identificação positiva é fornecida pelos distintos "pontos escuros" ou redes escuras contínuas.

Uma réplica da superfície gravada pode ser feita no-local usando replicação metalográfica de campo (conforme discutido em artigos anteriores), que é então inspecionada sob um microscópio portátil. O Sigma pode ser encontrado usando esse método não-destrutivo (ou ligeiramente destrutivo) sem remover uma amostra de um grande trocador.

O Método de Detecção Padrão, ASTM A923
Três técnicas reconhecidas são fornecidas pela ASTM A923, "Métodos de teste padrão para detecção de fases intermetálicas prejudiciais em aços inoxidáveis ​​austeníticos/ferríticos duplex", para identificar sigma e outras fases intermetálicas (como chi):

Método A (teste de ataque com hidróxido de sódio): Uma solução aquecida de NaOH a 40% é usada para gravar uma amostra polida. Uma reação de corrosão escura indica a existência da fase sigma ou chi. Este exame de triagem tem um resultado de aprovação/reprovação.

A resistência ao impacto é avaliada usando o Método B (teste de impacto Charpy). A aceitação requer uma energia absorvida média mínima, como 54 J para 2205.

Método C (Medição do teor de ferrita): A porcentagem de ferrita é determinada usando um ferritescópio. O conteúdo de ferrita é bastante diminuído pela formação de sigma. Esta abordagem, no entanto, é menos direta e está sujeita a influências externas.

O método mais viável para manutenção em campo é o Método A (teste de corrosão) em uma pequena área polida ou em uma réplica.

Irreversibilidade: sem reparo{0}}in-situ
A conclusão crucial para os engenheiros da planta é que a fase sigma não pode ser eliminada de um grande trocador de calor construído por meio de tratamento térmico. Todo o componente deve ser aquecido a 1.040–1.100 graus e rapidamente extinto (usando água ou gás pressurizado) para re{3}}dissolver o sigma. Um trocador-em serviço com tubos, juntas e tubulações conectadas não pode realizar isso. Os feixes de tubos internos se expandiriam e distorceriam mesmo se o invólucro pudesse ser aquecido, e o resfriamento rápido resultaria em choque térmico. Consequentemente, um componente crucial (como um tubo ou um flange grosso) precisa ser trocado assim que a fragilização sigma for verificada. As únicas opções para feixes de tubos são remoção e substituição.

Portanto, a chave para evitar falhas catastróficas é a detecção. Uma fratura rápida pode resultar de um choque térmico ou mecânico (como um aumento de pressão, um golpe de martelo ou mesmo vibração regular) se um trocador de calor problemático for usado com peças fragilizadas.

Etapas para identificação prática de campo
As seguintes ações devem ser realizadas em um antigo trocador de calor duplex de aço inoxidável se houver suspeita de fragilização da fase sigma:

Examine o histórico de serviço para ver se o trocador já foi submetido a temperaturas superiores a 600 graus. Examine relatórios de incidentes de incêndio, registros de operação ou interrupções incomuns de processos. Registros de soldagem: as porções espessas foram submetidas a recozimento pós{3}}solução de soldagem?

Realize uma medição de ferrita não-destrutiva. Em uma superfície limpa e retificada, uma leitura do ferritescópio pode indicar um teor de ferrita mais baixo (o normal é entre 40 e 60%; o sigma pode cair para 30%). Mas isto não é definitivo por si só.

Considere uma reprodução metalográfica. Método ASTM A923 Uma solução é usada para alisar, polir e gravar uma região limitada (como a face de uma placa de tubo ou um flange grosso). Uma ampliação de 200–500× é usada para inspecionar uma reprodução em acetato. A fragilização é confirmada pela existência de redes de fase sigma pretas e em blocos.

Obtenha um pequeno cupom, se puder. Para testes de impacto Charpy em laboratório, pode-se pegar um pedaço de tubo curto ou um pedaço de sucata de um local-não crítico. A fragilização severa é indicada por uma medição de energia de impacto inferior a 20 J para 2205 (ou abaixo da especificação).

Determine a urgência: O componente impactado deve ser agendado para substituição se o sigma for descoberto. Entretanto, todas as fontes de vibração devem ser silenciadas e o permutador deve funcionar com cargas mecânicas e térmicas mais baixas.

As medidas preventivas incluem tratamento térmico adequado e limitações de serviço.
Prevenir a fragilização sigma é a melhor estratégia para lidar com ela:

Sempre solucione soldagens duplex com recozimento: o recozimento pós{0}}solda e a têmpera rápida são necessários para seções espessas (mais de 6 mm). Embora o recozimento seja mais seguro, a qualificação eficaz do método de soldagem (baixa entrada de calor, controle de temperatura entre passes) pode frequentemente impedir o sigma para seções finas.

A alternative alloy, such as a nickel-based superalloy, should be taken into consideration if a duplex exchanger is required for a high-temperature application (such as >500 graus) por longos períodos de tempo. Evite serviços prolongados acima de 600 graus.

Controle o resfriamento após qualquer exposição ao calor: Para reduzir o tempo gasto na faixa de 600 a 900 graus, o trocador deve ser resfriado o mais rápido possível (por exemplo, inundando com água) em caso de incêndio ou perturbação térmica.

Para concluir
Somente o tratamento térmico inicial adequado e evitando a exposição prolongada à faixa de temperatura de formação podem prevenir a fragilização da fase sigma, uma degradação irreversível e catastrófica. Um declínio acentuado na resistência ao impacto, uma fratura granular brilhante e o surgimento de manchas ou redes escuras de corrosão em uma análise metalográfica são indicadores de fragilização da fase sigma nos componentes do trocador de aço inoxidável duplex. Os procedimentos de teste padrão para detecção são fornecidos pela ASTM A923. Uma vez verificada, a peça danificada precisa ser substituída porque não pode ser consertada. O calor tem o poder de desescrever a existência de um metal; no caso do aço inoxidável duplex, essa história não escrita é a fragilização sigma. As únicas defesas contra esse inimigo furtivo e produtor de estilhaços são a inspeção de rotina, o conhecimento do histórico de temperatura de serviço e a seleção de material apropriado.