Especificações técnicas Vol.17

Vol.17:O TRUSTARC™ CM-95B91 (E9015-B91) e o TRUSTARC™ CM-96B91 (E9016-B91) é aplicado aos aços resistentes ao calor ASTM T91/P91 para geração de energia térmica a partir de combustíveis fósseis

1. Prefácio

Hoje em dia, 60% de energia eléctrica em todo o mundo é gerada a partir de combustíveis fósseis, tais como carvão, petróleo e gás natural, como mostrado na Figura 1, e prevê-se que a proporção semelhante irá ser mantida, mesmo depois de 2020.

Porque a geração de energia térmica a partir de combustíveis fósseis levanta questões como a conservação dos recursos e redução de custos, bem como as emissões de dióxido de carbono (CO₂),a melhoria da eficiência de geração de energia tem sido um tema de intensa pesquisa. Actualmente, a eficiência é obtida forçando o vapor de alta temperatura na turbina de geração de energia a alta pressão, o que, naturalmente, significa que os materiais de aço são utilizados em condições de vapor severas. Um tipo de aço projetado para suportar tais condições severas é o aço resistente ao calor ferrítico Cr alto que contenha 9 a 12% Cr.

Porque o seu coeficiente de expansão térmica é menor do que o aço resistente ao calor austenítico, o aço resistente ao calor ferrítico Cr alto é mais útil para a geração de energia térmica, o que requer paradas/partidas repetidas em resposta à demanda de energia elétrica.O aço resistente ao calor ferrítico Cr alto típico é o aço ASTM T91 e P91 (aço 9CR-1Mo modificado, doravante denominado T91/P91), que tem sido aplicado em um grande número de caldeiras térmicas.

Kobe Steel tem desenvolvido e comercializado consumíveis de soldagem para o aço T91/P91, tais como a Série 9Cb aplicada em usinas térmicas no Japão por décadas, e a Série B9 de acordo com as especificações AWS. Nesta edição, discutimos algumas tendências recentes em normas internacionais, bem como os eletrodos de arco revestidos, TRUSTARC™ CM-95B91 e TRUSTARC™ CM-96B91,ambos os quais foram recentemente desenvolvidos para cumprir os requisitos das especificações AWS A5.5: 2014 para o aço T91/P91.
[A designação comercial for omitida mais tarde.]

2. Tendências recentes nas normas internacionais

Tabela 1: Tendências ASME B31.1

Ano	Teor Mn + Ni (% em massa)	Limite superior de temperatura de PWHT para a produção (°C)		Referência (Ano de revisão)
		Condição recomendada	Condição obrigatória
2008 e antes	Não regulamentado	760	Metal de base Ac1: cerca de 800	Tabela 132 P-No. 5B Grupo No. 1 → Grupo No. 2 (2007)
2009-2013	Metal de adição: desconhecido	775	Metal de baseAc1 : cerca de 800	Tabela 132 P-No. 15E Grupo N°1 (2009)
	1.0 ≤ Metal de enchimento < 1.50	790
	Metal de enchimento < 1.0	800
2014 e depois	Metal de enchimento < 1.2	775	Metal de base Ac1: cerca de 800 e metal de enchimento A1 ou Ac1*2	Tabela 132 P-No. 15E Grupo N°1 (2014)
	< 1.0*1	-		125.1.3 (2014) Para reparar as peças fundidas
Nota: *1 B9: SMAW, SAW, GTAW e FCAW *2 A1 ou Ac1 em metais de enchimento é determinado por análise e cálculo ou por medição real.

Tabela 2: Tendências AWS B9/B91

Ano	Limite superior do teor de Mn + Ni em metal depositado*1 (% em massa)	Limite superior de temperatura PWHT no teste de classificação (°C)	Referência (Ano de revisão)*2
2004 e antes	Não regulamentado*3	759 (SMAW) ou 760	B9: SMAW, GMAW, GTAW (1996), SAW (1997)
2005-2010	1.5 ou 1.50	775	B9: GMAW, GTAW (2005), SMAW (2006), SAW (2007), FCAW (2010)
2011 e depois	1.40	775	B9 suprimido → B91 recém-criada B91: SAW (2011), FCAW (2012), SMAW (2014)*4
Nota: *1 Fio ou química de vara de corte em caso de GMAW e GTAW *2 Especificação AWS No .: SMAW: A5.5; SAW* A5.23; GMAW & GTAW: A5.28; FCAW: A5.36. *3 A soma do limite superior especificado de ambos Mn e Ni é 2,25. *4 A revisão de GMAW e GTAW está em discussão a partir de 2015

Tabela 3: Tendências ASME (outras especificações)

Ano	Limite superior do teor de Mn + Ni (% em massa)	Limite superior de temperatura de PWHT para a produção (°C)	Referência
2012	1.0*1	-	Caso de código 2192-8 B9 Para reparar os produtos fundidos
2013	1.2*2	-	Seção I, PW-5.4, B9 Para os membros resistentes de alta pressão
Nota: *1 SMAW, SAW, GTAW e FCAW *2 SMAW, SAW, GTAW, FCAW e GMAW

Tabela 4: Tendências nos Relatórios EPRI publicados

Ano	Limite superior do teor de Mn + Ni (% em massa)	Limite superior de temperatura de PWHT para a produção (°C)	Referência
2011	1.00 (FCAW: 1.50)	770	Relatório No. 1023199 SMAW, SAW, FCAW, GMAW/GTAW
2014	-*1	-	Relatório No. 3002003472 Proposta para otimizar as composições químicas para o aço P91
	-	-*2	Relatório No. 3002004370 Proposta de orientação de fabricação para o aço P91
2015	1.00*4 (FCAW: 1.50*4)	770*4	Relatório No. desconhecido*3SMAW, SAW, FCAW, GMAW/GTAW
Nota: *1 A soma dos limites superiores especificados de ambos Mn e Ni é 0,70. *2 Limite superior da temperatura de têmpera é 770°C. *3 Revisão do Relatório No. 1023199 (2011) está em discussão. *4 Números estimados devidos a *3, o relatório acima mencionado está em discussão.

As normas internacionais relacionadas com os consumíveis de soldagem para os aços T91/P91 mudaram significativamente nos últimos dez anos. As principais mudanças referem-se aos requisitos do teor Mn + Ni e as temperaturas de tratamento térmico pós-solda (PWHT) que estão intimamente relacionados com o teor Mn + Ni. As Tabelas 1 e 3 mostram como as normas foram alteradas pela Norma Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME, the American Standard of Mechanical Engineers , o padrão de fabricação), enquanto que a Tabela 2 mostra as normas AWS (a padrão de consumíveis de soldagem) e a Tabela 4 mostra as do Electric Power Research Institute (Instituto de Pesquisa de Energia Elétrica, EPRI, a organização da indústria).

Para as junta soldadas de aço T91/P91, o PWHT é indispensável, a fim de reduzir o stress residual.Contudo, a resistência à ruptura e/ou a ductilidade dos metais de solda podem tornar-se instável se a temperatura PWHT for superior a sua temperatura de transformação A_c1
(A_c1
), porque a microestrutura de martensita fresca* pode começar a se formar.

*A martensita fresca pode formar por meio de uma transformação martensítica que ocorre durante uma fase austenitica a temperatura elevada como a temperatura cai devido à temperatura PWHT superior a A_c1
. A martensita fresca mostra as mesmas características de alta resistência/baixa tenacidade como martensita porque não foi temperada pela PWHT.

Pelas razões discutidas acima, os limites máximos de ① teor Mn + Ni e ② temperatura PWHT têm sido continuamente revistos em todos os padrões. O que todos eles têm em comum é de evitar a formação de martensita fresca.

As últimas versões dos padrões internacionais típicos especificam o seguinte:
· ASME (B31.1: 2014) ① 1,2%; ② A₁ ou A_c1

· AWS (A5.5: 2014) ① 1,40%; ② 775°C
· Relatório EPRI (No. 2023199: 2011) ① 1,00%; ② 770°C

Pode-se perguntar como A_c1
é medida internacionalmente. O ASTM A1033-04 especifica um método para medir o ponto de transformação do aço carbono e do aço de baixa liga. Contudo, nenhuma norma internacional especifica as condições de teste, tais como método de medição ou índices de aumentar ou diminuir as temperaturas, a fim de medir A_c1
para os aços resistentes ao calor ferrítico Cr alto.

Kobe Steel tem freqüentemente discutido essas condições, e o teste interlaboratorial para os aços T91/P91 foi finalmente adoptado no Instituto Internacional de Soldadura (IIW = International Institute of Welding), em 2013. Nós éramos o único fabricante de consumíveis de soldagem no mundo a participar.

3. CM-95B91 (AWS A5.5 E9015-B91) e CM-96B91 (AWS A5.5 E9016-B91)

As leis e os regulamentos japoneses especificam uma temperatura máxima PWHT de 760°C para os aços T91/P91. Porque a Série 9Cb da Kobe Steel, como CM-9Cb (AWS A5.5 E9016-G), TG-S9Cb (AWS A5.28 ER90S-G), foram testados e confirmados como aceitáveis para a temperatura PWHT mais alta que A_c1
e até 780°C ⁽²⁾, continuam a ser recomendados para projetos semelhantes no Japão

Kobe Steel propôs ao Comitê AWS A5 as especificações modificadas para a Série 9Cb, como um limite superior de 760°C como a temperatura PWHT no teste de classificação.

Por outro lado, como acima se refere, uma temperatura PWHT de 760°C ou superior é especificada agora em normas internacionais recentes e foi solicitada por muitos fabricantes para projetos recentes no mercado externo que se destinam a cumprir com as normas internacionais, como AWS, ASME, EPRI. Em resposta, Kobe Steel desenvolveu recentemente o CM-95B91 (E9015-B91) e o CM-96B91 (E9016-B91).O CM-95B91 é para o uso com corrente contínua (DC) enquanto o CM-96B91 é recomendado para a corrente alternada (AC).

3.1 Características dosCM-95B91 e CM-96B91

Estes eletrodos revestidos foram projetados para atingir as três exigências seguintes:
(1) No aparecimento de microestrutura de martensita fresca, mesmo a 760°C ou a uma temperatura PWHT superior.
(2) Prevenção de ferrite δ residual (que degrada a longo prazo a resistência à ruptura) remanescente no metal depositado.
(3) Resistência à ruptura de longo prazo de metal depositado que é igual ou melhor do que o aço T91/P91.

Os CM-95B91 e CM-96B91 são concebidos para manter o limite inferior de temperatura PWHT, tal como especificado em AWS, isto é, 745°C (= 760-15). A Tabela 5 mostra as composições químicas típicas de seus metais depositados, assim como as recentes especificações AWS A5.5: 2014 .

Tabela 5: Composições químicas dos metais depositados CM-95B91 e CM-96B91 (% em massa)

	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Co	Cr	Mo	V	Nb	Al	N	Mn+Ni	N/Al	X bar*3, ppm
CM-95B91	0.10	0.20	0.64	0.008	0.004	0.02	0.10	0.40	8.20	0.90	0.20	0.05	<0.01	0.03	0.74	14	7
CM-96B91	0.10	0.21	0.63	0.008	0.004	0.03	0.10	0.40	8.45	0.98	0.19	0.05	<0.01	0.03	0.73	15	7
AWS A5.5:2014 E901X-B91*1	0.08 - 0.13	0.30 max.	1.20 max.	0.01 max.	0.01 max.	0.25 max.	0.80 max.	*2	8.0 - 10.5	0.85 - 1.20	0.15 - 0.30	0.02 - 0.10	0.04 max.	0.02 - 0.07	1.40 max.	(4 min.)	(15 max.)
Nota: *1 X em E901X deverá ser de 5 (para DC somente) ou 6 (DC ou AC). *2 Se adicionado intencionalmente, deve-se comunicar. *3 X bar = (10P + 5SB + 4SN + As)/100 (ppm)

3.1.1 Adição ótima de Mn e Ni

Porque uma grande quantidade de Cr (um elemento que produza ferrite) está contida nos consumíveis de soldagem para os aços T91/P91, a ferrite δ que reduz a resistência à ruptura a longo prazo, tende a permanecer no metal de solda. Portanto, adicionando-lhe Mn + Ni, uma composição química eficaz é criada que impede a ferrite δ permanecer no metal de solda (3). Por outro lado, como pode ser visto na Figura 2, a adição de Mn + Ni reduz o A_c1, resultando em um maior risco de formação de martensita fresca.

A Figura 3 indica a relação entre Mn e Ni e o tempo de ruptura à deformação do metal depositado para o aço T91/P91. Pode ver-se que o Mn é menos influente que o Ni no tempo de ruptura à deformação, a qual se torna mais longo, enquanto o teor de Ni é reduzido.Acredita-se que a vida útil à deformação mais longa está relacionada com o atraso de recuperação de microestrutura laminada.

Por estas razões, os CM-95B91 e CM-96B91 foram concebidos para conter a quantidade mínima de Ni necessária para diminuir o ferrite δ residual, e uma suficiente quantidade de Mn de modo que o total das quantidades de teor de Mn + Ni chegue a 1,0%.

3.1.2 CNB (Equilíbrio Cr equivalente - Ni equivalente)

O Relatório EPRI No. 1023199 menciona que os produtos de aço T91/P91 terão uma estrutura de fase única martensita sem ferrite δ para garantir uma resistência à ruptura e propõe um índice pela seguinte equação⁽⁴⁾:

CNB = (Cr equivalente) - (Ni equivalente)
    = (Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb+9Ti+12Al)
     – (40C+30N+4Ni+2Mn+1Cu)
    < 10 % (% em massa)

Os CM-95B91 e CM-96B91 também são projetados para cumprir com o índice CNB acima mencionado, de modo que a resistência à ruptura de longo prazo pode ser mantida através da redução de ferrite δ residual no metal depositado. Além disso, em complemento aos Mn e Ni, o Co é também adicionado, o que também reduz o ferrite δ residual no metal depositado. A Figura 4 mostra a relação entre o teor de Mn + Ni e Co e A_c1
(valor medido) e A₁ (calculado pela Thermo-Calc.) em um metal depositado do aço T91/P91. Pode ver-se que o Co não baixar A_c1
e A₁ mesmo se é adicionado com Mn e Ni.

A microestrutura do metal depositado CM-95B91 é mostrada na Foto 1.Uma microestrutura monofásica de martensita uniforme pode ser vista sem ferrite δ ou martensita fresca.

O método de medição do A_c1
discutido neste artigo envolve o aumento da temperatura de uma peça cilíndrica de teste e o uso de um dispositivo emissor de luz LED de alta precisão para detectar as alterações em diâmetro (alongamento e contracção), de acordo com o aumento de temperatura.A precisão deste método foi confirmada por um estudo preliminar avançada⁽⁵⁾.

3.2 Propriedades mecânicas

A relação entre as propriedades de tração e o parâmetro de tratamento térmico, normalmente referido como o Parâmetro Larson-Miller (LMP = Larson-Miller Parameter), no metal depositado CM-95B91 é mostrada na Figura 5 e a relação entre as propriedades de impacto e LMP, na Figura 6, respectivamente.

Entende-se que a resistência à tracção do metal depositado CM-95B91 é igual ou superior do que a do aço T91/P91 quando o PWHT varia de LMP (x 10 -3): 20,6 (743°C × 2,1 h) para LMP (× 10 -3): 22.0 (779°C × 8,0 h).

Embora não haja requisito formal para as propriedades de impacto, temos usado VE20°C≥38J média como um exemplo de comparação. Se o PWHT é igual ou superior a 760°C × 2,7 h (LMP × 10 -3 = 21,1), considera-se que o metal depositado CM-95B91 pode garantir o nível prático das propriedades de impacto.

3.3 Propriedade de ruptura à deformação

As Figuras 7 e 8 mostram as propriedades de ruptura à deformação do metal depositado CM-95B91 às temperaturas de teste de 650°C e 600°C, respectivamente.

O resultado de teste do metal depositado MC-95B91 à 650°C indica que a sua resistência à ruptura é maior do que a do aço T91/P91.O teste de ruptura à deformação de longo prazo a 600°C, com base na hipótese de um tempo de ruptura de aproximadamente 40.000 horas (cerca de 4,5 anos), como mostrado na Figura 8, está em andamento.

4. Notas sobre o uso

Um metal de solda resistente ao calor ferrítico Cr alto é mais suscetível a trincas adiadas devido às suas propriedades de auto-endurecimento do que o metal de solda de aço resistente ao calor 1,25Cr-0,5Mo ou 2,25Cr-1Mo.Portanto, as seguintes notas sobre o uso são importantes:
(1) É necessário manter as temperaturas de pré-aquecimento e interpass entre 250 e 350°C para evitar trincas retardadas.
(2) É também essencial efectuar uma secagem adicional dos eletrodos antes de usá-los durante uma hora à 350-400°C para satisfazer a exigência H4 (nível hidrogênio difusível AWS).
(3) As correntes e velocidades excessivamente elevadas de soldadura tem que ser evitadas para impedir trincas a quente.Os consumíveis de soldagem da Kobe Steel para aços resistentes ao calor ferríticos Cr alto são projetados para conter pequenas quantidades de P e S para evitar trincas a quente.Contudo, o metal depositado do aço T91/P91 tem uma faixa de temperatura coexistente sólido-líquido mais ampla que a do aço resistente ao calor 1,25Cr-0,5Mo ou 2,25Cr-1Mo, resultando em maior suscetibilidade para trincas a quente.

5. Contracapa

Este artigo discutiu algumas tendências recentes em matéria de normas internacionais relacionadas com os aços resistentes ao calor T91/P91 para geração de energia térmica a partir de combustíveis fósseis, bem como as características dos eletrodos de arco revestidos CM-95B91 e CM-96B91, que foram recentemente desenvolvidos para atender às estes padrões. Estes eletrodos mostram qualidades superiores relacionadas com N/Al, X bar (ver Tabela 5), H4, bem como resistência de queima de eletrodo e eles oferecem excelente trabalhabilidade de soldadura para aços resistentes ao calor T91/P91 para geração de energia térmica a partir de combustíveis fósseis. Dadas as suas excelentes qualidades para estas aplicações, seu uso deve se tornar mais generalizado, resultando em novas reduções das emissões de CO₂ através da melhoria da eficiência da geração de energia.

Referências

(1) Instituto de Economia de Energia, Japão - Asia/World Energy Outlook 2014
(2) Efeitos da Temperatura PWHT nas Propriedades Mecânicas dos Metais de Solda Resistente ao Calor Ferrítico Cr Alto - R & D Relatório de Engenharia da Kobe Steel, Vol. 63, No. 1 (2013)
(3) Aquisição de consumíveis P91, Conferência EPRI na Fabrication de Materiais 9CR e Tecnologias de Junta, Sessão 2, 5-1 (2001)
(4) EPRI 1.023.199: Diretrizes e Especificações para Centrais de Energia alimentadas a partir de Combustíveis Fósseis Altamente Confiáveis (2011)
(5) Efeito da Temperatura PWHT e Propriedades Mecânicas de Metal de solda de Aço Resistente ao Calor Ferrítico de Cr Alto, Soldadura no Mundo, Vol. 56, Jan-Fev (2012)
(6) Instituto Nacional de Ciência dos Materiais (NIMS), Ficha de Dados de Ruptura à Deformação , No.43A

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