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18 de julho de 2022

Aço Super Duplex

Editoria Serrametal – Esse conteúdo é apenas informativo, pois se trata do universo dos nossos clientes. Nós somos fornecedores de aços especiais.

Aços com a denominação duplex são materiais que apresentam duas fases em sua estrutura, e apresentam propriedades únicas. Normalmente são aços com teores de Cr acima de 20% e de C muito baixos, classificando esses aços como inoxidáveis. Uma das principais propriedades é a resistência a corrosão por trabalho com materiais clorados, e também resistência a corrosão pela maresia, tornando um ótimo material para ser aplicado em tubulações off-shore.

As ligas duplex e super duplex inoxidáveis apresentam em sua composição química principalmente Cr e Ni, com elevados teores de Cr, e com alguns elementos de liga em menores quantidades. A quantidade de C nesses aços é muito baixa, apresentando valores entre 0,03-0,05%. Abaixo uma lista dos principais aços com essas características [1].

  • AISI: UNS S32550 e F61 / DIN | WNr: 1.4507
  • AISI: UNS S32760 e F55 / DIN | WNr: 1.4501
  • AISI: UNS S32750 e F53 / DIN | WNr: 1.4410
  • AISI: UNS S32900 e F52 / DIN | WNr: 1.4460
  • AISI: UNS S31803 / UNS S32205 e F51/F60 / DIN | WNr: 1.4462

 

Estes aços são utilizados em aplicações que exigem resistência a corrosão por pite [2], sendo uma opção em relação os aços inoxidáveis convencionais. Segundo a norma ASTM A890/A890M, existe a propriedade de resistência a corrosão por pite, PREN, calculada pela seguinte equação [2, 3]:

PREN = %Cr + [(3,3) x (%Mo)] + [(16) x (%N)]                                                                  (1)

Esse valor nos fornece uma base de qual aço, listado acima, por exemplo, atende as necessidades da aplicação. No caso, variam entre 35 e 40 o valor do PREN [1, 2], onde a ordem de 35 é para os aços duplex e a ordem de 40 é para os aços super duplex [2].

O nome duplex é atribuído, pois os materiais apresentam duas fases, ferrita e austenita [2], sendo a ferrita com 50% de fração volumétrica [2]. Assim, podemos dizer que estes aços são soluções sólidas, com a precipitação da austenita em temperatura ambiente [2].

Os elementos da liga que estabilizam a ferrita nos fornecem valores para poder calcular a porcentagem desta fase no material, de acordo com a norma ASTM A800/A800M [2, 4]. Assim, consideramos os elementos Niequivalente como os elementos que contribuem para a estabilização da austenita e Cr­equivalente os elementos estabilizadores da ferrita [2, 4].

Aplicações e Hiper duplex

Na indústria de óleo-gás, a exploração e desenvolvimento são direcionados para os reservatórios profundos com altas pressões, ao exemplo o Pré-sal, no Brasil. As peças utilizadas devem resistir a altas temperaturas e ambientes extremamente corrosivos. Isso exige que os materiais utilizados tenham uma boa combinação de resistência extra-alta e excelente resistência à corrosão [5].

Para enfrentar esses desafios, os aços inoxidáveis ​​hiper duplex foram recentemente desenvolvidos. Esses materiais têm teores de nitrogênio de até cerca de 0,5% e valores PREN próximos a 50, e mostram a maior resistência à corrosão e a maior resistência entre os aços inoxidáveis ​​duplex existentes [5].

Como dito antes, os aços duplex são materiais que apresentam uma combinação de excelente resistência à corrosão e altas propriedades mecânicas em comparação com os aços inoxidáveis ​​austeníticos ou ferríticos, especialmente os aços inoxidáveis ​​super duplex, [6].

Eles têm sido amplamente utilizados na indústria de petróleo e gás, e devido à sua alta relação propriedade/custo, os aços inoxidáveis ​​super duplex tornaram-se uma alternativa a outros materiais de alto desempenho, como aços inoxidáveis ​​superausteníticos e ligas à base de Ni, e tiveram aplicações ou experiências muito bem sucedidas de cerca de 20 anos na indústria de petróleo e gás [7].

Com a exploração dos poços mais profundos, a espessura da parede do material do tubo usado pode precisar aumentar e o material também pode precisar de revestimento para proteção adicional contra corrosão. O problema é que o aumento da espessura da parede também aumentará a tensão no material devido ao seu próprio peso [5]. Uma vez que atinge sua tensão admissível, não pode ser aumentado mais o comprimento.

Outro problema é que o aumento da espessura da parede também pode aumentar os custos da instalação. Isso mostra claramente os desejos por novas ligas com resistência ainda maior do que as dos aços inoxidáveis ​​superduplex existentes [5]. Nas demais áreas, são necessários novos aços inoxidáveis ​​duplex de alta liga com uma combinação de excelente resistência à corrosão e maior alta resistência.

O teor de nitrogênio nova ligas é de cerca de 0,5%, para poder atender as demandas apresentadas. Eles têm valores PREN próximos a 50 sem sacrificar a capacidade de fabricação e agora são designados como aço inoxidável hiper duplex, também denominados HDSS. Essas novas ligas apresentam maior resistência à corrosão por pite ou maior CPT e maior resistência entre os modernos DSS [5, 7] existentes.

Esses novos materiais têm um limite de escoamento 20% superior ao do aço inoxidável super duplex e uma temperatura de serviço de até 90°C [5]. Paredes mais finas e instalações mais leves permitem alcançar e operar poços ultraprofundos que anteriormente eram muito caros ou muito complexos para explorar. Ao mesmo tempo, a janela de temperatura e pressão aumenta. Este artigo fornecerá uma visão geral sobre aços inoxidáveis ​​super e hiper duplex, microestrutura, propriedades e aplicações.

Figura 1 – Limite de escoamento de aços inoxidáveis. [5]

De maneira geral, os aços super duplex podem ser aplicados em:

  • Trocadores de calor, tubos e tubulações para produção e manuseio de gás e óleo,
  • Trocadores de calor e tubos em usinas de dessalinização,
  • Componentes mecânicos e estruturais,
  • Sistemas FGD da indústria de energia,
  • Tubos em indústrias de processo que manipulam soluções contendo cloretos,
  • Sistemas utilitários e industriais, rotores, ventiladores, eixos e rolos de prensa onde a alta resistência à fadiga por corrosão pode ser utilizada,
  • Tanques de carga, embarcações, tubulações e consumíveis de soldagem para tanques químicos.
  • Fiação de alta resistência e alta resistência.

Elaboração e Edição: Thiago Cortiz, Renata Brandolin e Karina França
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Referências

[1] Villares Metals – https://www.villaresmetals.com.br/pt/Produtos/Acos-Inoxidaveis/Duplex-e-Super-Duplex

[2] MARTINS, Marcelo; CASTELETTI, Luiz Carlos. Obtenção e caracterização dos aços inoxidáveis dúplex e superdúplex. Fundição e Serviços, São Paulo, v. 17, n. ja 2007, p. 108-119, 2007.

[3] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS – ASTM A890/A890M-91. Standard practice for castings, iron-chromium-nickel-molybdenum corrosion resistant, duplex (austenitic/ferritic) for general application. Annual Book of ASTM Standards. Easton. V.01.02. Ferrous Castings; Ferroalloys. p.556-569, 1999.

[4] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS – ASTM A800/A800M-91. Standards practice for steel casting, austenitic alloy, estimating ferrite content thereof. Annual Book of ASTM Standards. Easton. V.01.02. Ferrous Castings; Ferroalloys. p.458-463, 1999.

[5] Guocai Chail, Pasi Kangas, Super and hyper duplex stainless steels: structures, properties and applications, Procedia Structural Integrity, Volume 2, 2016, Pages 1755-1762, ISSN 2452-3216, https://doi.org/10.1016/j.prostr.2016.06.221.

[6] Charles, J., 1991, Super duplex stainless steel, in Proc. Conference on DSS ’91, Les Ulis, France, Les Editions de Physique, 3, 3-48.

[7] Chai, G., Kangas, P., (2011), New hyper duplex stainless steels, in Porc. Duplex stainless steels 2010, 1043-1054.