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Title in Portuguese: Revestimento por soldagem MIG/MAG empregando ligas de níquel para apliacações em componentes do setor de petróleo e gás natural
Title: Gmaw welding overlay of nickel-based alloys for applications in oil and natural gas components
Author: Aguiar, Willys Machado
Advisor(s): Miranda, Hélio Cordeiro de
Keywords: Ciência dos materiais
Soldagem
Ligas (Metalurgia)
Corrosão e anticorrosivos
Microestrutura
Issue Date: 3-Dec-2010
Citation: AGUIAR, W. M. Revestimento por soldagem MIG/MAG empregando ligas de níquel para apliacações em componentes do setor de petróleo e gás natural. 2010. 255 f. Tese (Doutorado em Ciência de Materiais)–Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2010.
Abstract in Portuguese: A soldagem de revestimento com ligas a base de níquel é uma alternativa bastante utilizada no setor de petróleo e gás natural para evitar a corrosão em dutos e equipamentos que operam em condições severas. Em muitas situações exige-se no revestimento, um teor máximo de ferro de 5% para garantir a resistência à corrosão. O objetivo deste trabalho foi determinar os principais parâmetros de soldagem do processo MIG/MAG de forma a obter revestimentos adequados com teor de ferro inferior a 5%, bem como analisar as suas propriedades mecânicas, comportamento metalúrgico e resistência à corrosão. Na determinação dos parâmetros de soldagem foi utilizado como ferramenta de análise, o método Taguchi. Inicialmente, as soldagens com as ligas de níquel foram realizadas em simples deposição sobre chapas de aço ASTM 516 Gr 60 na posição plana. Em seguida, com os parâmetros selecionados, foram realizadas as soldagens de revestimento. No trabalho foram utilizadas as ligas AWS ERNiCrMo-3, AWS ERNiCrMo-4 e AWS ERNiCrMo-14. A caracterização microestrutural consistiu de análises de microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de transmissão (MET), espectroscopia por dispersão de energia de raios-X (EDX) e difração de raios-X (DRX). Ensaios de polarização cíclica (ASTM G 61 – 86) e de imersão (método C da ASTM G 48–86) foram realizados para avaliar a resistência à corrosão dos revestimentos. Ensaios de microdureza e de arrancamento foram utilizados para a determinação das propriedades mecânicas. Os resultados mostraram que as melhores condições de soldagem foram obtidas com o modo corrente constante pulsada que proporcionou revestimentos com um bom aspecto superficial, sem a incidência de defeitos, menores diluições e com razões reforço/largura (R/L) e reforços satisfatórios. Para revestimentos com espessura em torno de 5 mm foi necessária a deposição de no mínimo duas camadas. Foi constatado que é fundamental obter diluições próximas de 5% já na primeira camada, para garantir uma espessura com baixo teor de ferro, em caso de retirada de um sobremetal no revestimento. A melhor relação custo x benefício para a combinação dos parâmetros de soldagem entre as camadas foi a que proporcionou uma baixa diluição na primeira camada e uma alta produtividade na segunda. A microestrutura dos revestimentos depositados com a liga AWS ERNiCrMo 3 foi constituída por uma matriz γ com fases secundárias Laves e um complexo nitreto de titânio/carboneto de nióbio. A microestrutura dos revestimentos depositados com as ligas AWS ERNiCrMo-4 e AWS ERNiCrMo-14 foi constituída por uma matriz γ e fases secundárias ricas em Mo (σ, P e μ). Os resultados dos ensaios de arrancamento mostraram que a resistência ao cisalhamento entre a interface revestimento/substrato é cerca de três vezes e meia o exigido pela norma ASTM A 265-09. O ensaio de polarização eletroquímica não se mostrou capaz de avaliar o comportamento dos revestimentos quanto à corrosão por pites, enquanto que o ensaio de imersão, segundo o método C da norma ASTM G 48, foi capaz de diferenciá-las quanto à temperatura crítica de pite (TCP). Neste ensaio, a liga AWS ERNiCrMo-14 foi a que apresentou a maior TCP (>85 ºC). Em seguida ficou a liga AWS ERNiCrMo-4 com uma TCP entre 75 ºC e 80 ºC. Por último ficou a liga AWS ERNiCrMo-3 com uma TCP de 50 ºC, mostrando haver uma maior resistência à corrosão por parte da liga AWS ERNiCrMo-14 em relação às demais ligas.
Abstract: The weld overlay of nickel-based alloys is an alternative often used in oil and gas industry to prevent corrosion in pipes and equipments operating under severe conditions. In many situations the requirements of weld overlays are based in a maximum of 5% iron content in the weld metal to ensure corrosion resistance. The aim of this study was to determine the main welding parameters used in GMAW process to obtain coatings with iron content less than 5%, as well as, to analyze the mechanical properties, metallurgical behavior and corrosion resistance of the weld overlays. To evaluate the welding parameters was used as an analysis tool, the Taguchi method. Initially, the welds with nickel alloys were carried out in simple deposition on ASTM 516 Gr 60 steel plates in the flat position. Based on these results some parameters were selected to deposition of the coatings. In this work were used as filler metal three nickel-based alloys: AWS ERNiCrMo-3, AWS ERNiCrMo-4 and AWS ERNiCrMo-14. The microstructure analysis consisted of optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), energy dispersive of X-ray spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD). Cyclic polarization tests (ASTM G 61-09) and immersion (Method C of ASTM G 48-09) were carried out to evaluate the corrosion resistance of the welds. Microhardness tests and shear test were used to evaluate the mechanical properties. The results showed that the optimal welding conditions were obtained when pulsed current mode was employed, resulting in coatings with a good surface appearance, without defects, and with low dilution level, beyond reinforcement/width (R/W) ratios and reinforcements satisfactory. For coatings with thickness around 5 mm was required to deposit at least two layers. It was found that low dilution level in the first layer is essential to achieve a low iron content (<5%), considering the metal removal by machining to improvement the surface finish. The best cost-benefit for the combination of welding parameters between the layers was found to be the low dilution in the first layer and a high productivity in the second The microstructure of coatings deposited with the alloy AWS ERNiCrMo-3 consisted of a γ matrix with secondary phases rich in Nb like Laves phase and a complex of titanium nitride/niobium carbide. The microstructure of coatings deposited with the alloys AWS ERNiCrMo-4 and AWS ERNiCrMo-14 consisted of a γ matrix and secondary phases rich in Mo (σ, P e μ). The results of shear test showed that the shear interface between the coating/substrate is about three times the half the stress required by ASTM A 265-09. The electrochemical polarization test was not able to evaluate the performance of coatings for corrosion pitting, while the immersion test according to Method C of ASTM G 48, was capable to distinguish the corrosion resistance through the critical pitting temperature (CPT). Based on the results of this test it was possible to verify that the alloy AWS ERNiCrMo-14 resist up to the maximum temperature established by standard (>85 oC). The alloy AWS ERNiCrMo-4 was corroded between 75 oC and 80 oC. Finally, the alloy AWS ERNiCrMo-3 presented the worst resulted compared to the other alloys, has been corroded in the 50 oC, showing a different behavior in terms of corrosion resistance of the alloys deposited.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/16201
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