Análise de tubos de aço inoxidável ferrítico ASTM A 268 GR 446 submetidos a temperaturas elevadas e ambiente com gás sulfídrico

Abstract

A Petrobras desenvolveu em São Mateus do Sul uma unidade para processamento do Xisto, a partir da qual são produzidos óleos, gases, nafta, etc. Esta planta possui uma série de equipamentos especialmente projetados para esta aplicação, sendo um dos mais críticos, do ponto de vista de confiabilidade, o forno de radiação, que utiliza tubos de troca térmica confeccionados em aço inoxidável ferrítico ASTM A 268 Gr. 446. Este estudo tem como objetivo avaliar o nível de degradação destes tubos, através da verificação das alterações ocorridas na matriz metálica e em algumas das propriedades mecânicas do material, devido à exposição a temperaturas próximas a 800°C e a um ambiente contendo gás sulfídrico (H2S). Objetiva-se também definir um possível limite de utilização dos tubos, evitando, desta forma, paradas de produção ocasionadas por ruptura dos tubos em operação. Foram estudadas amostras tubos de novos e usados, com o auxílio de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia por energia dispersiva de raios X, ensaios de dureza e microdureza, e ensaios de tração à temperatura ambiente e à temperatura de 770°C. Observou-se, que nos tubos novos a matriz apresentava-se totalmente ferrítica, já nos tubos usados, a matriz permanecia predominantemente ferrítica, porém, com precipitação de fases sigma e carbonetos de cromo nos contornos de grãos. Pôde-se observar também a corrosão interna no material, que se iniciava nas fases localizadas nos contornos de grãos e após passava a corroer o restante da matriz, reduzindo desta forma a seção metálica resistente. Verificou-se nos tubos usados, um aumento de dureza e redução da resistência à tração a temperatura ambiente, alterações estas, que são diretamente influenciadas pela precipitação de fases sigma e carbonetos. Em função dos resultados obtidos no ensaio de tração realizado a 770°C, foi possível definir-se um limite para utilização dos tubos do forno, atribuindo este limite a uma espessura mínima capaz de resistir aos esforços existentes. Concluiu-se que somente a precipitação das fases sigma e carbonetos no material analisado não seriam suficientes para provocar a ruptura do material em operação. Atribuiu-se então, como principal causa de deterioração o processo corrosivo que o material está submetido, reduzindo de forma considerável sua secção resistente e promovendo a falha do componente.

The Petrobras developed in São Mateus do Sul a manufacturing unit to process Shale where oil, gas, naphtha, etc., are produced. This plant has a large number of equipments specially designed to this application. The most critical equipment by the point of view of reliability is the radiation furnace, which uses exchange thermic tubes made by ferritic stainless steel ASTM A 268 Gr. 446. The first objective of this study is to evaluate the degradation in these tubes, verifying the modifications in the metallic matrix and in some mechanical properties due to the exposure at high temperatures close to 800°C and a hydrogen sulfide gas environment (H2S). A second objective is to correlate the results to establish a possible residual live to these tubes, avoiding failure and rupture in operation. Samples of new and used tubes were studied, using optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), hardness and micro hardness test, tensile tests at the room temperature and at 770°C. It was observed, that in the new tubes the matrix was totally ferritic, and in the used tubes the matrix remain predominantly ferritic, but with sigma phase and chromium carbide around the grains. It was observed corrosion, which has begun in the area around the grains and after that passed to corrode the remaining matrix, reducing the metallic resistance section. It was verified in the used tubes higher hardness and lower strength at room temperature, changes that were influenced directly by sigma phase and chromium carbide precipitation. After analysis that were obtained from tensile tests carried out at 770°C, for used tubes, it was defined a minimum thickness resistant. It was concluded that just the sigma phase and chromium carbide precipitation, were not sufficient to cause the rupture of the tubes during operation. The main reason to cause fails in these tubes is the corrosive process the tubes were submitted, reducing substantially the resistant section.