Prevenção da Trinca por Corrosão sob Tensão em Aço Inoxidável 316L Exposto a H₂S

A trinca por corrosão sob tensão (TCCT) é o trincamento causado pela influência combinada de tensão de tração e um ambiente corrosivo. No pior cenário, pode levar à falha súbita de ligas metálicas normalmente dúcteis, especialmente em temperaturas elevadas. (Para uma introdução ao tema, leia o artigo O Que Causa Trinca por Corrosão sob Tensão em Dutos?)

Um Incidente de Trinca por Corrosão sob Tensão (TCCT) em um Tubo

Em julho de 2011, foi relatado um vazamento em um tubo de 2 polegadas de diâmetro conectado a uma válvula de segurança de pressão em uma planta de compressão. Dois vazamentos adicionais em linhas semelhantes foram reportados nos dois dias subsequentes. A linha vermelha na Figura 1 mostra a localização dos vazamentos em dois tubos de flare localizados a montante da válvula de segurança em trens de compressão adjacentes.

Figura 1. Esquema do processo mostrando a localização da falha.

Cada falha ocorreu na solda entre tubo e cotovelo em uma seção horizontal. O vazamento estava na seção superior do tubo e dentro da zona afetada pelo calor (ZAC) da solda. Todas as seções com falha foram removidas para investigação mais detalhada.

Investigação do Incidente de Trinca por Corrosão sob Tensão

Foram encontrados depósitos pretos na metade inferior do tubo, indicando acúmulo de líquido nesse local. O exame microscópico revelou a presença de trincas na superfície externa do tubo, incluindo uma trinca capilar de 13 mm. Após limpeza com ácido nítrico para remover produtos de corrosão, as trincas tornaram-se visíveis a olho nu.

Macrofotografias mostraram que pites e trincas ocorreram principalmente na solda e no metal de base. A trinca por corrosão sob tensão tem uma característica morfológica distinta: trincamento intergranular com ramificações (Figura 2).

Figura 2. Microfotografia de trinca por corrosão sob tensão mostrando ramificações.
Fonte: Laboratório de Engenharia de Corrosão da NASA.

A Causa Raiz da Falha

A concentração de sulfeto de hidrogênio (H₂S) no gás de flash da descarga do compressor era de cerca de 11 mol-% (pressão parcial de 5,5 bar). O gás também estava saturado com água com teor de cloretos de 260 a 900 ppm. A temperatura normal de operação é de 52 °C (126 °F), pouco abaixo do limite da ISO 15156 para aço inoxidável austenítico na presença de cloretos. Temperaturas ambientes elevadas no verão e incrustação nas aletas dos tubos agravaram o ambiente já severo. O procedimento padrão de manutenção era desligar o resfriador, lavar as aletas com água e religá-lo com capacidade de resfriamento melhorada. No entanto, durante o procedimento, ocorre uma alta temperatura temporária quando o resfriador é desligado.

Entendendo a NACE MR0175 e a ISO 15156

A NACE MR0175 e a ISO 15156 são as normas para materiais usados em ambientes contendo H₂S na produção de petróleo e gás, emitidas como recomendação de limites de H₂S acima dos quais precauções contra trincas ambientais são consideradas necessárias. Em sua primeira publicação em 2003, o limite para o aço inoxidável AISI 316L é de 60 °C (140 °F) máximo quando os cloretos excedem 50 ppm.

Após testes de laboratório, pesquisadores argumentaram que a limitação para aços inoxidáveis austeníticos pode ser expandida para ambientes mais severos do que as restrições originais da ISO 15156. Em 2007, as restrições para materiais AISI 316 foram atualizadas e oficialmente endossadas na versão de 2009 da norma.

As falhas relatadas na indústria ocorreram em um ambiente considerado suscetível sob as restrições atuais da ISO 15156, mas seriam classificadas como não suscetíveis sob relaxamentos propostos mais recentemente. A maioria das falhas relatadas ocorreu logo após 4 meses e até 3,5 anos de serviço em diferentes instalações.

Várias falhas relatadas são mostradas e marcadas na Figura 3. As três zonas coloridas representam a limitação imposta pela ISO 15156 em sua forma original (cor 1), a modificada em 2007 e 2009 (cor 2) e os relaxamentos adicionais propostos recentemente (cor 3). Observe que várias falhas ocorreram na zona amarela, permitida com base em testes de laboratório. Isso indica uma disparidade entre testes de laboratório e experiência industrial.

Figura X. Gráfico de falhas industriais para AISI 316/316L com teor máximo de cloretos de 1000 mg/L.

A primeira explicação possível para a disparidade é que os testes de laboratório são realizados em ambiente líquido, enquanto as falhas relatadas ocorreram em fase de vapor. Vapores úmidos são propensos ao acúmulo de cloretos devido aos efeitos de evaporação e condensação. Sólidos removidos da superfície interna do componente falhado no incidente mencionado continham alta concentração de cloretos, excedendo a concentração do líquido.

Um segundo fator pode ser a tensão residual que varia de solda para solda. Os resultados dos testes podem variar substancialmente para corpos de prova soldados dependendo dos parâmetros de soldagem. (Leitura relacionada: Causas e Prevenção da Corrosão em Juntas Soldadas.)

Em terceiro lugar, a trinca por corrosão sob tensão de materiais austeníticos requer um período de incubação significativo. O tempo de exposição ao teste pode ser um fator significativo e difícil de replicar em um teste acelerado típico de laboratório.

Por fim, a condição de superfície da junta soldada, incluindo a presença de coloração pelo calor e zona afetada pelo calor, pode influenciar a resistência à corrosão do metal. A coloração pelo calor consiste em vários óxidos dependendo do metal de base e do histórico térmico da junta. Diferentes formas de óxido têm diferentes valores de resistência à corrosão.

Prevenção da Trinca por Corrosão sob Tensão

As tensões residuais geradas durante a soldagem podem ser aliviadas por recozimento de alívio de tensão, comumente usado para aços carbono. No entanto, para aços inoxidáveis austeníticos, o valor limite de tensão residual é muito baixo em ambientes com cloretos. Como resultado, o recozimento ou tratamento térmico pós-soldagem é menos eficaz para aços inoxidáveis austeníticos em ambientes contendo cloretos.

Trabalho mecânico ou tratamento pode ser feito para introduzir tensões residuais de compressão que contrabalanceiem as tensões de tração geradas durante a soldagem. Tratamentos como jateamento de esferas ou granalha resultam em tensão de compressão superficial e são benéficos para controlar a TCCT.

A Influência da Composição da Liga na Trinca por Corrosão sob Tensão

A resistência à TCCT por cloretos depende do tipo de aço inoxidável usado. Os graus austeníticos são mais propensos à TCCT, e sua resistência depende do teor de níquel.

Graus austeníticos com teor de níquel na faixa de 8 a 10% em peso (ex.: 304/304L e 316/316L) são mais propensos a esse ataque. Graus austeníticos com alto teor de níquel e molibdênio, como a liga 20, 904L e os graus superausteníticos com 6% de molibdênio, são superiores em relação à TCCT.

Os graus ferríticos de aço inoxidável, como o tipo 430 e 444, também são muito resistentes à TCCT por cloretos.

Além dos testes de laboratório, a experiência industrial real também é um fator importante na determinação de padrões, requisitos de códigos e aprovação de materiais para condições ambientais específicas. Os pontos importantes a considerar são as diferenças entre ambientes de vapor e líquido, o papel da tensão residual, a duração do teste e a condição de superfície da solda. Com essas considerações, a ISO 15156 pode melhorar a segurança da indústria evitando incidentes semelhantes aos descritos neste artigo.