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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2007.tde-08012008-155251
Documento
Autor
Nome completo
Luis Shiguenobu Monobe
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2007
Orientador
Banca examinadora
Schön, Cláudio Geraldo (Presidente)
Almeida, Luiz Henrique de
Vatavuk, Jan
Título em português
Caracterização do envelhecimento da liga 20Cr32Ni+Nb fundida por centrifugação e de seu efeito sobre o comportamento mecânico a frio.
Palavras-chave em português
Indústria petroquímica
Materiais (propriedades mecânicas)
Resumo em português
Fornos petroquímicos constituem a parte mais importante da indústria de derivados de petróleo. São nesses fornos que se processam as reações químicas imprescindíveis ao processamento dos produtos que constituem nosso cotidiano, como os fertilizantes, polímeros, produtos farmacêuticos e alimentícios. Devido ao caráter fortemente endotérmico dos processos, associado a reações catalíticas provocada numa mistura reacional de vapor de água com hidrocarbonetos (caso da reforma para obtenção de hidrogênio) ou craqueamento por pirólise (processo de pirólise), estes fornos são continuamente aquecidos. Com o objetivo de aumento de produção e produtividade, os fornos têm sido submetidos a condições de temperatura e pressão cada vez mais extremas. Nos fornos de pirólise, adicionalmente tem-se aumentado consideravelmente a velocidade do fluido e para tanto têm tido as seções transversais dos condutos diminuídas levando a um aumento das tensões de trabalho. Além disso, paradas e partidas desses fornos têm se mostrado um elemento crucial na operação. É comum que durante a parada desses fornos se detecte fragilização desse material após certo tempo de serviço à temperatura de trabalho. Quedas significativas nos valores de alongamento têm sido reportadas sendo que em algumas situações, componentes apresentam valores nulos de alongamento à temperatura ambiente quando ensaios mecânicos são efetuados em corpos de prova retirados dos mesmos. Devido a essa fragilização, com conseqüente diminuição nos valores de alongamento, operações de reparo por soldagem têm se mostrado freqüentemente impraticáveis resultando no sucateamento do componente. Nesse trabalho caracterizou-se a fragilização ocorrida no material 20Cr32Ni+Nb que é usado nos coletores de saída de fornos que embora operem em temperaturas mais baixas, estão sujeitos também aos mesmos requisitos de pressão do forno. Para melhor caracterizar o material em estudo, um tubo centrifugado foi analisado tomando-se o cuidado de extrair corpos de prova em regiões que propiciassem microestrutura reprodutível. Para garantir que os corpos de prova fossem submetidos a temperaturas e tempos similares com boa precisão, estes foram envelhecidos em equipamento de ensaios de fluência, porém sem aplicação de tensão. Os corpos de prova envelhecidos foram então ensaiados com tração à temperatura ambiente e o alongamento da fratura foi registrado, evidenciando a fragilização. A região da cabeça do corpo de prova foi examinada por metalografia óptica e por microscópio eletrônico de varredura (MEV). As fraturas foram igualmente examinadas no microscópio eletrônico de varredura. Os resultados obtidos na microscopia ótica, com e sem ataque, bem como no MEV não evidenciaram quaisquer alterações microestruturais significativas que justificassem a alteração do comportamento mecânico com o envelhecimento. Análises fratográficas também não evidenciaram alteração significativa no mecanismo de fratura que ocorre pela nucleação de micro-cavidades (dimples). Adicionalmente procurou-se comprovar ou rejeitar a hipótese de que a fragilização seria causada ela precipitação de um intermetálico frágil em contorno de grão: a chamada fase G (um silicieto misto de nióbio e níquel com estequiometria Ni16Nb6Si7, estrutura cúbica de faces centradas e parâmetro de rede a0 = 1,13nm). A análise dos resultados não evidencia fase nova, nem uma mudança de modo de fratura de trans para intergranular, que poderiam comprovar uma influência da fase G no processo de fragilização (ao menos até o limite de resolução das técnicas experimentais aqui empregadas).
Título em inglês
Characterization of aging in centrifugally cast alloy 20Cr32Ni+Nb and its effects on mechanical behavior.
Palavras-chave em inglês
Fracture
Heat resistant alloy
Mechanical behavior
Petrochemical industry
Resumo em inglês
Petrochemical furnaces play an important role in the oil industry. In these furnaces, the essential chemical reactions take place in order to get everyday products like fertilizers, polymers, products for pharmaceutic and food industry. Due to the highly endothermic characteristics of these processes, these furnaces are heated up. It is common during shutdowns and startups of these furnaces, to have fragilization of this material after an aging time at working temperatures. This fragilization impairs repair when needed. In order to have an increase in production and productivity, the furnaces are continuously submitted to higher temperature and pressure working conditions. Pyrolisis furnaces have been also subjected to an increase in fluid speed and in order to reach this, the transverse area of tubes has been significantly decreased resulting in an increase in working stresses. Besides, shutdowns and startups have been a crucial part of operation. Fragilization in this material in service at high temperatures is frequently detected during shutdowns. Significant losses in elongation have been reported and sometimes components show no elongation at room temperature when samples are subjected to tensile testing. Due to this fragilization and low elongation values, repair by welding is sometimes useless resulting in scrapping the component. In this work the characterization of the fragilization that occurs in a 20Cr32Ni+Nb centrifugally cast tube, whose application is the outlet collectors that, though operate in lower temperature, are subjected to the pressure requirements of the furnace. In order to better characterize the material, one centrifugally cast tube was analysed taking care of having the test samples from regions that could provide similar microstructures. In order to assure that the samples were submitted to temperature and time with good accuracy, they were aged in a creep testing machine, but without application of load. The aged samples were then tensile tested at room temperature and the fracture elongation was calculated, evidencing the fragilization. The head of the test sample was examined by optical metalography and Scanning Electron Microscopy (SEM). The fractured areas were also examined by SEM. The results from optical microscopy, with or without etching, as well as SEM did not show any microstructural changes that could explain the changes in mechanical behavior with during aging. Additionally one aims to confirm or reject the hypothesis of the fragilization being caused by the precipitation of an fragile intermetallics in the grain boundary: the socalled G-phase (a silicide of Niobium and Nickel with stoichiometry Ni16Nb6Si7 , face centered cubic and lattice parameter of a0 = 1,13nm). The results did not either evidence this new phase nor a change in the fracture mode from trans to intergranular which could confirm the influence of this phase in the fragilization process (at least in the resolution limits of the experimental procedures here employed).
 
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Data de Publicação
2009-08-14
 
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  • Monobe, Luis Shiguenobu, and Schön, Cláudio Geraldo. Characterization of the cold ductility degradation after aging in centrifugally cast 20Cr32Ni+Nb alloy tube [doi:10.1016/j.ijpvp.2008.09.005]. International Journal of Pressure Vessels and Piping [online], 2009, vol. 86, p. 207-210.
  • Monobe, Luis Shiguenobu, and Schön, Cláudio Geraldo. Microstructural and fractographic investigation of a centrifugally cast 20Cr32Ni+Nb alloy tube in the `as cast- and aged states [doi:10.1016/j.jmrt.2013.02.006]. Journal of Materials Research and Technology [online], 2013, vol. 2, p. 195-201.
  • MONOBE, L. S., and SCHON, Claudio Geraldo. Characterization of the cold ductility degradation after aging of a centrifugally cast 20Cr32Ni+Nb alloy. In 17th European Conference on Fracture, Brno, 2008. Multilevel approach to fracture of materials, components and structures.Brno : ESIS Czech Chapter, 2008.
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