Especificações técnicas Vol.15

Oferta e procura para o GNL e Implicações para o aço TMCP de 7% de Ni e dos consumíveis de soldadura

1. Prefácio

Três anos e meio após ter descritos os consumíveis de soldadura de Kobelco para os tanques de armazenamento do gás natural líquido (GNL) feitos de aço de 9% de Ni na Edição de Kobelco Welding Today, Vol.14, No.2, (KWT14-2) (2011), o mercado global para o GNL mudou significativamente.

Não somente a situação de oferta e procura mudou, mas também mudaram as propriedades do aço usado para os tanques de armazenamento. O aço TMCP (Thermo Mechanical Control Process = Processo de Controle Termo-mecânico) de 7% de Ni foi introduzido com sucesso em Japão a fim de reduzir o teor de Ni, que é caro e suscetível às flutuações no mercado. A especificação do aço TMCP de 7% de Ni já é coberta pelos Regulamentos dos Padrões Industriais Japoneses (JIS) assim como as especificações não-Japonesas, tais como ASTM.

Este artigo introduz momentaneamente os consumíveis da soldadura que são apropriados para aços TMCP de 7% de Ni e fornece alguns dados técnicos modernos.

2. Oferta e procura recentes de GNL

A Figura 1 mostra que as exportações de GNL aumentaram acentuadamente em 2010. As exportações mundiais totais de GNL alcançaram 237 milhões de toneladas por ano (MTPA = Million Tons Per Annum) em 2013, segundo as indicações da Figura 2, refletindo um aumento na procura global, principalmente em Ásia e particularmente em China.

A exportação de GNL das unidades de armazenagem flutuantes (FSU = Floating Storage Units) (Figura 1) é também uma tendência recente da oferta. Na maioria dos casos, as FSU ou unidades de armazenagem flutuantes e gasificação (FSRU) são convertidas a partir dos navios de GNL, o que reduz os custos e o tempo associados com a construção, e prossegue-se conseqüentemente com a actual oferta e procura de GNL.

Situação em Ásia

Devido ao grande aumento no consumo do gás natural, a capacidade da liquefacção do gás aumentou e deverá crescer também, particularmente em Ásia e no Pacífico, segundo as indicações da Figura 3.

Então, a necessidade para as jardas de armazenamento de GNL e os sistemas de transporte, tais como os navios-tanque de transporte de GNL (transoceânicos e domésticos) aumentarão.

A Figura 4 mostra o plano do consumo de energia preliminar de China, com base no duodécimo plano quinquenal (2011-2015). Prevê-se que as importações de GNL de China aumentem todos os anos por 50%, de 14,7 milhões de toneladas em 2012 a 100 milhões de toneladas máximo por ano. Naturalmente, um grande número de terminais de GNL e de navios-tanque de transporte de GNL (para o uso transoceânico e doméstico) serão necessários em momento oportuno.

Os navios-tanque de GNL são classificados aproximadamente em três tipos: Navios-tanque Membrana, Moss e OMI (Organização Marítima Internacional) de tipo A, B ou C. Ao aplicar os navios-tanque Membrana e Moss nos navios-tanque de transporte de GNL transoceânicos, o terceiro tipo é para os navios-tanque domésticos de tamanho pequeno, como mostrado na Tabela 1. A Figura 5 mostra um navio-tanque de GNL doméstico típico, e a Figura 6, alguns navios-tanque C de tipo OMI.

Tabela 1: Tipos de navios-tanque de GNL

	Tipo de navio-tanque de GNL
Navio-tanque de GNL transoceânicos	Membrana e Moss
Navio-tanque de GNL doméstico	OMI - Tipo A, B, C

A Figura 7 mostra um navio-tanque de lóbulo triplo recentemente desenvolvido, que será equipado em um navio de gás de etileno liquefeito (LEG = Liquefied Ethylene Gas) para o transporte de LEG em um futuro próximo.

Desenvolvimento e especificações do aço TMCP de 7% de Ni

Para operações seguras sob circunstâncias criogênicas, os tanques de armazenamento de GNL são feitos geralmente de placas de aço de 9% de Ni. Contudo, recentemente, a placa de aço TMCP de 7% de Ni foi desenvolvida, que reduz o teor de Ni caro, por quase 20%.

O aço TMCP de 7% de Ni foi estandardizado como SL7N590 em JIS G3127, "Placas de aço níquel para recipientes de pressão para serviços de baixa temperatura" em março de 2013, quando a aplicação deste produto começou em Japão. Em torno do mesmo tempo nos EUA, ASTM estandardizou o aço TMCP de 7% de Ni como a Gr. G Classe 9 e Classe 10 em A841, "Especificação padrão para as placas de aço para recipientes de pressão, produzidas pelo processo de controle Termo-mecânico (TMCP)".

As especificações de JIS e ASTM dos aços TMCP de 7% de Ni e de 9% de Ni são mostradas na Tabela 2 para a referência.

Tabela 2: Especificações para os aços TMCP de 7% de Ni e 9% de Ni.

Especificação	ASTM			JIS G 3127
	A553 Type I	A841 Grade G		SL9N 590	SL7N 590
		Cl.9	Cl.10
Espessura da placa (mm)	50 Máximo	50 Máximo		100 Máximo	50 Máximo
Processo	QT	TMCP		QT	TMCP
C (%)	0.13 Máximo	0.13 Máximo		0.12 Máximo
Si (%)	0.15-0.40	0.04-0.15		0.30 Máximo
Mn (%)/td>	0.90 Máximo	0.60-1.20		0.90 Máximo	1.20 Máximo
P (%)	0.035 Máximo	0.015 Máximo		0.015 Máximo
S (%)	0.035 Máximo	0.015 Máximo		0.015 Máximo
Ni (%)	8.50-9.50	6.00-7.50		8.50-9.50	6.00-7.50
0.2%PS (MPa)	585 Mínimo	585 Mínimo	620 Mínimo	590 Mínimo
TS (MPa)	690-825	690-825	750-885	690-830
El (%); Espessura (mm)	20 Mínimo	20 Mínimo		21 Mínimo (t ≤ 16) 25 Mínimo (t > 16)
IV (J) a -196°C	34 Mínimo	34 Mínimo		41 Mínimo
LE*1 (mm) a -196°C	0.38 Mínimo	0.38 Mínimo (t ≤ 32) 0.48 Mínimo (t=50)*2		-	-
Nota: *1: LE: Expansão lateral *2: O valor LE entre a espessura 32 e 50 da placa será determinado pela interpolação linear.

Os resultados dos testes que comparam os aços TMCP de 9% e 7% de Ni são descritos abaixo.

4-1. Características básicas do aço TMCP de 7% de Ni

Figura 8: Comparação da microestrutura

Steel	7% Ni TMCP	9% Ni
Microestrutura
γ residual (%)	8.5	3.2

A fim de manter a mesma elevada resistência que o aço de 9% de Ni, a tecnologia TMCP permite a muita austenita residual (γ) ser distribuída na estrutura de base do aço TMCP de 7% de Ni.

Como visto na Figura 8, a estrutura de ripado é refinada no aço TMCP de 7% de Ni, tendo por resultado o aumento de γ residual.

4-2. Avaliação de desempenho básico

Os testes foram realizados em diversas propriedades relativas ao desempenho básico do aço TMCP de 7% de Ni, segundo as indicações da Tabela 3. Os resultados de teste indicados nas Tabelas 4 e 5 mostram que o aço TMCP de 7% de Ni tem um mesmo desempenho do aço de 9% de Ni.

Tabela 3: Testes para a avaliação de desempenho

	Básico	Resistência à fractura por fragilização
Placa	・Teste elástico	・Teste CTOD
	・Teste de ductilidade	・Teste Duplex ESSO
Junta soldada	・Teste elástico	・CTOD test
	・Teste de ductilidade	・Teste de placa larga entalhado de solda transversal

Tabela 4: Resultados de testes de tracção

Aço	Espessura (mm)	0.2%PS (MPa)	TS (MPa)	EL (%)
7% Ni TMCP	40	655	738	31
9% Ni	36	726	743	23
SL7N590		590 Mínimo	690-830	21 Mínimo
Nota: Posição:1/4 t Sentido: Paralelo ao sentido de rolamento

Tabela 5: Resultados de testes de ductilidade

Aço	Espessura (mm)	IV (J)a -196°C	BA(%) a -196°C
7% Ni TMCP	40	Média 256	0
9% Ni	36	Média 243	0
SL7N590		41 Mínimo	-
Nota: BA: Valor de aparência de fractura por fragilização Posição:1/4 t Sentido: Paralelo ao sentido de rolamento

4-3. Resistência de fractura por fragilização

Os aços TMCP de 7% de Ni e de 9% de Ni foram comparados para a resistência de fractura por fragilização, segundo as indicações da Tabela 3.

A resistência à iniciação de rupturas e o rachadura foram avaliadas pelo teste CTOD e por um teste Duplex ESSO, respectivamente. Para a referência, um desenho esquemático do teste Duplex ESSO é mostrado na Figura 9. Os resultados dos testes CTOD e Duplex ESSO mostram uma equivalência básica entre os aços TMCP de 7% de Ni e de 9% de Ni, segundo as indicações das Tabelas 6 e 7, respectivamente.

Figure 9: Desenho esquemático do teste Duplex ESSO

Propriedade excelente	Propriedade pobre

Tabela 6: Resultados de testes CTOD

Aço	Espessura (mm)	Valor crítico CTOD (mm) a -165°C
7% Ni TMCP	40	1.18; 1.05; 1.18
9% Ni	36	0.65; 0.70; 0.68
SL7N590	41 Mínimo	-
Nota: Sentido: Paralelo ao sentido de rolamento

Tabela 7: Resultados dos testes Duplex ESSO

Aço	Espessura (mm)	Temperatura (°C)	Esforço aplicado (MPa)	Julgamento
7% Ni TMCP	40	-196	392	Inacessível
9% Ni Aço	36	-196	392	Inacessível

4-4. Propriedades da soldadura de junta de topo com o aço TMCP de 7% de Ni

A soldadura de junta de topo de V dobro foi executada na placa de aço TMCP de 7% de Ni usando os eléctrodos cobertos de 4 mm de diâmetro PREMIARC™ NI-C70S, na posição ascendente vertical (3G). As condições de soldadura são mostradas na Tabela 8.

Tabela 8: Condições de soldadura

Sentido de soldadura	Processo de soldadura	Nome do produto	Φ mm	Posição de soldadura	Entrada de calor (kJ/mm)
Sentido transversal ao rolamento	SMAW	NI-C70S	4.0	3G ascendente	4.4 Máximo

A Figura 10 mostra o metal de solda de secção transversal esquemático e o lugar de espécimes de teste de ductilidade.

Os resultados de teste de ductilidade são mostrados na Figura 11. Todos os valores cumprem a exigência SL7N590 (34J min. e 41J média a -196°C).

4-4-2 Resistência de fractura por fragilização

A resistência à fractura por fragilização foi testada por CTOD, e todos os valores foram encontrados para exceder as exigências de um tanque de GNL de 140.000m³ (0,085 mm min. a -196°C) segundo as indicações da Figura 12.

Consumíveis de soldadura para o aço TMCP de 7% de Ni

Todos os consumíveis de soldadura recomendados pela Kobe Steel para os aços de 9% de Ni são também apropriados para soldar os aços TMCP de 7% de Ni sem exceção. Os consumíveis típicos de soldadura recomendados para os aços TMCP de 7% de Ni são alistados na Tabela 9.

5-1. PREMIARC™ DW-N709SP

A especificação AWS (A5.34) de ENiMo13-T, em que PREMIARC™ DW-N709SP é incluído, foi emitida formalmente. É classificada agora como ENiMo13T1-4/0-1 segundo as indicações da Tabela 9. Os resultados de teste recentes de soldadura por DW-N709SP e de comparação da eficiência de DW-N709SP com a aquela de um eléctrodo coberto são descritos abaixo.

Tabela 9: Consumíveis de soldadura típicos para o aço TMCP de 7% de Ni

	FCAW	SMAW	GTAW	SAW
Nome do produto	DW-N709SP	NI-C705	TG-S709S	PF-N4 (flux) / US-709S (wire)
Características	・Tipo Hastelloy ・Gás Ar-CO2 para a soldadura "Toda Posição" e gás CO2, para a soldadura 1G, 1F e 2F	Tipo Inconel	・Tipo Hastelloy ・Apropriado para a soldadura TIG automática	・Tipo Hastelloy ・Apropriado para a soldadura de posição 2G
Polaridade	DCEP	AC	DCEN	DCEP
Ni (%)	62.5	63.4	70.4	64.0
Cr (%)	6.5	16.6	2.0	1.7
Mo (%)	17.6	5.3	19.0	17.2
W (%)	2.4	0.7	3.0	2.7
Nb+Ta (%)	-	1.1	-	-
Fe (%)	7.9	9.9	5.5	14.9
0.2%PS (MPa)	447	430	460	410
Ts (MPa)	723	705	730	680
El (%)	51	41	47	43
IV(J) at -196°C	89	62	160	70

Como visto na Figura 13, o gás de protecção Ar-CO₂ não fornece a suficiente penetração no canto na soldadura (2F) da posição de faixa horizontal. Quando a penetração completa é exigida, o gás de protecção de 100%CO₂ está recomendado.

5-2. Soldadura de junta de topo na placa de 10 mm de espesura

Tabela 10: Condições de soldadura

Product name			DW-N709SP
Gás de protecção e caudal			80%Ar-20%CO2 & 25l/min
Posição de soldadura			3G ascendente
Temperatura de interpasse			150°C Máximo
Polarity			DCEP
Parâmetros de soldadura	Frente	1a camada	140A-24V-17 cm/min
		2a camada	160A-26V-16 cm/min
	Verso	Camada final	160A-26V-15 cm/min

A soldadura de junta de topo na posição 3G foi executada em uma placa de 10 mm de espesura. As condições de soldadura são mostradas na Tabela 10, a forma de sulco e a macroestrutura, na Figura 14 e as propriedades de juntas soldadas, na Tabela 11, respectivamente.

Tabela 11: Propriedades de junta soldada

Propriedades	Medidas
TS (MPa)	759; 764 (Fraturado no metal de base) *1
Ductilidade (J) a -196°C	62, 65, 60 (Avg. 62) *2
Dobra longitudinal, 180°	Nenhum defeito
Nota: *1: Devido à limitação plástica, a força do metal de solda é aumentada. *2: O tamanho do espécime é 7,5 mm x 10 mm

5-3. Comparação da eficiência de soldadura de SMAW e FCAW (DW-N709SP)

Tabela 12: Comparação da eficiência

	DW-N709SP (1.2mmΦ)	SMAW (4mmΦ)
Quantidade de produtos (kg)	125	200
Tempo de arco (hora)	29.4	71.4
Taxa de depósito (g/min)	75 (at 200 A)	34 (at 150 A)
Eficiência de depósito (%)	85	50

SMAW e DW-N709SP foram comparados em termos da quantidade de produtos e do tempo de arco necessários para obter 100 kg de metal de solda. A Tabela 12 mostra os resultados. DW-N709SP foi encontrado para ser excelente na taxa de depósito, no tempo de arco assim como na eficiência de depósito.

Notas no uso

Ao usar os aços TMCP de 7% de Ni, os usuários devem tomar as mesmas precauções para os aços de 9% de Ni, que foram descritos em KWT14-2.

(1) Magnetização fácil

O magnetismo residual no aço TMCP de 7% de Ni causará o sopro de arco magnético. Para soldar, é aconselhável usar tanto quanto possível a polaridade de C.A. para SMAW e SAW

(2) Rachadura de cratera

Recomenda-se fortemente que os usuários retificar a cratera cada vez o arco é interrumpido a fim de evitar rachaduras de cratera.

(3) Diluição

A diluição do metal de base no metal de solda pelo arco causa mudanças na química do metal de solda, tendo por resultado a diminuição da resistência à tracção do metal de solda. Os usuários devem assegurar-se de que a resistência à tracção e a força de prova de 0,2% cumpram as exigências no teste do procedimento adiantado.

Postscript

Este artigo discutiu a oferta e procura global recente de GNL assim como a aplicação do aço TMCP de 7% de Ni para os usos criogênicos. Como fonte de energia limpa, a procura de gás natural aumentará mais, exigindo o desenvolvimento de muitas novas tecnologias. Kobe Steel continuará a cultivar as tecnologias novas de soldadura, de acordo com as necessidades de nossos usuários.

Referências

[1] - [4] JOGMEC (Corporação Nacional de Óleo, Gás e Metais do Japão) Tendência do GNL, 2014
[5] Relatórios de engenharia de Kobe Steel, Vol. 64, No. 1 (2014)
[6] Sinopacific Offshore & Engineering Co., Ltd.

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