SA516 Gr70 vs SA537 Cl1 – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
SA516 Grau 70 e SA537 Classe 1 são dois aços de chapa para vasos de pressão comumente especificados, usados em caldeiras, tanques e equipamentos de pressão. Engenheiros, gerentes de compras e fabricantes frequentemente enfrentam um dilema de seleção entre eles: escolher o aço para vasos de pressão de menor custo, prontamente soldável, com boa tenacidade a baixa temperatura, ou selecionar uma chapa com maior resistência e requisitos de teste de impacto mais rigorosos que podem exigir processamento e inspeção diferentes.
A principal distinção prática entre essas classes reside em como elas equilibram resistência e tenacidade por meio de ligações e processamento térmico: uma classe é otimizada para ductilidade e resistência à fratura confiável em ambientes soldados e frios, enquanto a outra enfatiza maior resistência e estabilidade dimensional sob serviço e durante o tratamento térmico pós-fabricação. Essas diferenças influenciam decisões sobre qualificação de procedimento de soldagem, tratamento térmico pós-soldagem (PWHT), abordagem de fabricação e revestimentos protetores.
1. Normas e Designações
- SA516 Grau 70 (ASTM A516/A/ASME SA516): Um aço de chapa para vasos de pressão de carbono-manganês produzido para atender aos requisitos de impacto em temperaturas especificadas; comum em cascos e cabeçotes de caldeiras, vasos de pressão e tanques de armazenamento.
- SA537 Classe 1 (ASTM A537/A/ASME SA537): Uma chapa de aço carbono tratada termicamente para vasos de pressão com requisitos mais rigorosos para propriedades mecânicas e testes de impacto; frequentemente fornecida normalizada ou normalizada e temperada.
- Normas relacionadas: equivalentes europeus EN podem incluir P355/PN e outras designações de vasos de pressão, mas a substituição direta um a um requer verificação de engenharia. Normas JIS/GB existem para aços de vasos de pressão com papéis comparáveis, mas com matrizes de teste e limites químicos diferentes.
Classificação de material: - SA516 Gr70: Aço carbono (chapa para vaso de pressão), não um aço inoxidável ou liga; às vezes considerado uma liga de baixo teor dependendo de adições opcionais de cobre. - SA537 Cl1: Chapa de aço carbono para vaso de pressão com resposta de tratamento térmico definida; na prática, se comporta como aço carbono-manganês normalizado/temperado.
2. Composição Química e Estratégia de Ligações
Tabela: Características composicionais típicas (de acordo com limites comuns da ASTM e prática de usina). Os valores são máximos típicos ou intervalos usados para especificação de material; verifique os MTRs reais para aquisição específica do projeto.
| Elemento | SA516 Grau 70 (típico) | SA537 Classe 1 (típico) |
|---|---|---|
| C (carbono) | Baixo–médio (controlado; máximo típico ≈ 0,26–0,28 wt%) | Baixo–médio (controlado; máximo semelhante, frequentemente mantido baixo para melhorar a tenacidade) |
| Mn (manganês) | Moderado (usado para resistência; frequentemente ~0,7–1,6 wt%) | Moderado (Mn comparável para controlar resistência e endurecibilidade) |
| Si (silício) | Baixo (desoxidante; tipicamente ≤ ~0,40 wt%) | Baixo (papel semelhante; tipicamente controlado) |
| P (fósforo) | Controlado baixo (nível em ppm; máximo típico ~0,03–0,04) | Controlado baixo (limites rigorosos para preservar a tenacidade) |
| S (enxofre) | Controlado baixo (semelhante ao P) | Controlado baixo |
| Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, B | Não especificado geralmente em A516; pode estar presente em quantidades traço ou residuais; cobre às vezes adicionado para resistência à corrosão | Não tipicamente ligado fortemente; alguns fornecedores podem usar microligação ou controles de processo para melhorar resistência/tenacidade |
| N (nitrogênio) | Baixo (residual) | Baixo (residual) |
Como a ligações afeta o comportamento: - O carbono e o manganês definem principalmente a resistência básica e a endurecibilidade. Maior C e Mn aumentam a resistência, mas elevam o risco de microestruturas duras e quebradiças na HAZ e requerem um controle mais cuidadoso do procedimento de soldagem. - O silício é um desoxidante e contribui pouco para a resistência quando baixo; excesso de Si pode afetar a tenacidade. - O fósforo e o enxofre são mantidos baixos porque tornam as fronteiras de grão quebradiças e reduzem a tenacidade ao impacto. - Adições intencionais de Cr, Ni ou Mo são incomuns para essas classes; quando presentes, aumentam a endurecibilidade e a resistência, mas complicam a soldabilidade.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - SA516 Gr70: Fabricado e fornecido na condição normalizada ou aliviada de tensão, dependendo da prática da usina. A microestrutura é perlítica/ferrítica com uma distribuição fina de perlita; esse equilíbrio resulta em resistência aceitável e boa ductilidade/tenacidade no estado como laminado ou normalizado. - SA537 Cl1: Frequentemente fornecido normalizado ou normalizado e temperado. A condição normalizada refina o tamanho do grão, e o temperamento reduz tensões residuais enquanto melhora a tenacidade. A microestrutura é ferrita/perlita refinada com propriedades mais uniformes ao longo da espessura.
Resposta ao processamento térmico: - A normalização (resfriamento ao ar a partir da temperatura de austenitização) refina o tamanho do grão e melhora a tenacidade para ambas as classes; a SA537 Classe 1 é comumente normalizada para atender aos seus requisitos de impacto mais rigorosos. - O resfriamento e o temperamento não são práticas comerciais típicas para essas chapas de vasos de pressão de baixo teor de liga, mas se aplicados, aumentariam a resistência e reduziriam a ductilidade; a SA537 é mais propensa do que a SA516 a ser submetida a tratamento térmico controlado para estabilizar propriedades. - O processamento de controle termo-mecânico (TMCP) usado por algumas usinas pode produzir tamanho de grão mais fino e tenacidade melhorada sem ligações pesadas.
4. Propriedades Mecânicas
Tabela: Propriedades mecânicas comparativas (intervalos típicos descritivos — verifique com o relatório de teste de material, MTR).
| Propriedade | SA516 Grau 70 (típico) | SA537 Classe 1 (típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração | Média–alta (comumente especificada em torno da classe 485 MPa / 70 ksi) | Média–alta; frequentemente comparável ou ligeiramente superior dependendo do tratamento térmico |
| Resistência ao escoamento | Moderada (projetada para ductilidade; mínimo típico de escoamento na faixa de 250–300 MPa) | Tipicamente semelhante ou modestamente superior; a especificação controla o escoamento via tratamento térmico |
| Alongamento | Bom (projetado para ductilidade e conformação) | Bom, mas pode ser marginalmente inferior se processado para maior resistência |
| Tenacidade ao impacto | Boa (adequada para testes de impacto a baixa temperatura especificados) | Geralmente requisitos de qualificação mais altos; frequentemente melhor tenacidade garantida em temperaturas de teste especificadas devido à normalização |
| Dureza | Moderada (compatível com soldagem e conformação) | Moderada a ligeiramente superior se normalizada/temperada |
Interpretação: - Na aquisição prática, a SA537 Classe 1 frequentemente apresenta requisitos de propriedades mecânicas mais rigorosos e desempenho de impacto mais consistente ao longo da espessura, portanto, pode parecer ter um perfil de tenacidade garantido melhor. A SA516 Grau 70 é projetada para um equilíbrio de resistência e ductilidade a um custo competitivo e continua sendo amplamente utilizada. - Nenhuma das classes é uma liga de alta resistência tratada por resfriamento e temperamento; as diferenças são principalmente devido ao processamento e critérios de aceitação de especificação.
5. Soldabilidade
Considerações sobre soldabilidade dependem do teor de carbono, da endurecibilidade combinada e de elementos residuais. Índices comuns usados para avaliação qualitativa:
-
Equivalente de Carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$
-
Pcm Internacional: $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação (qualitativa): - Tanto a SA516 Gr70 quanto a SA537 Cl1 têm equivalentes de carbono controlados e relativamente baixos em comparação com aços de liga, portanto, a soldabilidade é geralmente boa. No entanto, a SA537 Classe 1 pode ser mais rigorosamente controlada para propriedades e pode ter ligeiramente maior endurecibilidade dependendo da prática da usina, resultando em uma necessidade marginalmente aumentada de pré-aquecimento ou PWHT para seções mais espessas. - Baixo teor de enxofre e fósforo, e adições limitadas de liga, favorecem a soldagem rotineira usando metais de enchimento comuns. Para aplicações críticas, é recomendada a qualificação completa do procedimento com pré-aquecimento/pós-aquecimento e PWHT conforme o código (ASME Seção IX/VIII). - Sempre avalie CE e Pcm numericamente a partir da análise química real de cada lote para definir o procedimento de soldagem, pré-aquecimento, temperatura entre passes e requisitos de PWHT.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Nenhuma das classes SA516 Gr70 ou SA537 Cl1 é aço inoxidável; ambas requerem proteção de superfície para serviço atmosférico ou corrosivo. Opções típicas: pintura/revestimentos epóxi, spray térmico ou galvanização a quente onde apropriado.
- Para ambientes agressivos ou com cloretos, aplique revestimentos robustos ou especifique ligas resistentes à corrosão; índices inoxidáveis como PREN não são aplicáveis a esses aços carbono.
- Quando adições de cobre estão presentes em algumas variantes da SA516, o Cu pode marginalmente melhorar a resistência à corrosão atmosférica, mas isso não deve ser considerado equivalente ao desempenho inoxidável.
Nota: A fórmula PREN é relevante apenas para graus inoxidáveis resistentes à corrosão: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$
Isso não se aplica a materiais SA516/SA537 não inoxidáveis.
7. Fabricação, Maquinabilidade e Conformabilidade
- Conformabilidade: Ambas as classes são fabricadas por dobra, laminação e conformação. A SA516 Gr70 é frequentemente escolhida onde maior ductilidade e conformabilidade são necessárias para conformação a frio em cascos e cabeçotes. A SA537 Cl1, quando normalizada, ainda se conforma bem, mas pode ser especificada para aplicações onde a estabilidade dimensional e propriedades controladas são priorizadas.
- Maquinabilidade: Típica para aços carbono-manganês—maquinabilidade razoável com ferramentas padrão; condições mais duras ou normalizadas aumentarão marginalmente o desgaste das ferramentas.
- Acabamento: Desbaste, furação e roscagem seguem a prática padrão de aço carbono. Consumíveis de soldagem devem corresponder às propriedades mecânicas e química do metal base; consumíveis pré-qualificados para 2,25–5% Ni ou enchimentos de aço carbono típico são comumente usados, dependendo do Cu adicionado ou outros elementos.
8. Aplicações Típicas
| SA516 Grau 70 | SA537 Classe 1 |
|---|---|
| Casco e cabeçotes de caldeiras e vasos de pressão onde custo, soldabilidade e tenacidade geral são críticos | Componentes de contenção de pressão onde desempenho mecânico/impacto mais rigoroso e tratamento térmico controlado são especificados |
| Tanques de armazenamento, vasos de GLP e componentes de tubulação de petróleo e gás onde chapa padrão para vasos de pressão é aceitável | Reatores de alta integridade, sistemas petroquímicos e de pressão onde chapa normalizada com tenacidade garantida é desejada |
| Componentes estruturais em ambientes menos agressivos onde revestimentos convencionais são suficientes | Aplicações que requerem propriedades uniformes ao longo da espessura e testes de impacto garantidos mais rigorosos |
Racional de seleção: - Escolha a SA516 Gr70 para uso amplo onde boa tenacidade a baixa temperatura, soldabilidade e custo-efetividade são os principais fatores. - Escolha a SA537 Classe 1 quando as especificações exigirem tolerâncias mecânicas mais rigorosas, propriedades de impacto consistentes ao longo da espessura, ou quando o pedido de compra exigir explicitamente chapa normalizada/tratada termicamente.
9. Custo e Disponibilidade
- A SA516 Grau 70 é amplamente produzida e geralmente mais econômica e prontamente disponível em tamanhos e espessuras de chapa padrão.
- A SA537 Classe 1 pode ser ligeiramente mais cara por tonelada devido ao processamento adicional (normalização, testes mais rigorosos) e possivelmente opções de fornecimento mais finas. A disponibilidade é boa a partir de grandes usinas, mas os prazos de entrega e o custo podem aumentar para espessuras maiores ou matrizes de teste especiais.
Formas de produto: ambas as classes estão comumente disponíveis como chapa laminada a quente; comprimentos cortados, bordas, testes certificados e acabamentos especiais podem adicionar tempo de entrega e custo.
10. Resumo e Recomendação
| Característica | SA516 Gr70 | SA537 Classe 1 |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Muito boa (soldagem rotineira; CE baixo–moderado) | Muito boa a boa (pode exigir controle mais rigoroso/pré-aquecimento para seções mais espessas) |
| Equilíbrio Resistência–Tenacidade | Equilibrado em direção à ductilidade e tenacidade ao impacto para montagens soldadas | Equilibrado em direção à tenacidade garantida e propriedades mecânicas consistentes; às vezes maior resistência devido ao processamento |
| Custo | Geralmente mais baixo / amplamente disponível | Geralmente mais alto devido ao tratamento térmico e testes; disponibilidade boa, mas mais controlada |
Recomendações: - Escolha a SA516 Grau 70 se você precisar de uma chapa de vaso de pressão econômica com excelente soldabilidade, boa ductilidade e desempenho comprovado em serviço para aplicações comuns de caldeiras, armazenamento e pressão geral. - Escolha a SA537 Classe 1 se as especificações do projeto exigirem chapa normalizada ou tratada termicamente com desempenho de impacto garantido mais rigoroso ao longo das espessuras, ou quando os requisitos de design e regulamentação exigirem a designação específica SA537 para equipamentos de pressão de alta integridade.
Nota final: Decisões reais de aquisição devem sempre ser informadas pela especificação do projeto, temperatura de teste de impacto requerida, limites de espessura, qualificações de procedimento de soldagem e relatórios de teste de material (MTRs). Onde a tenacidade à fratura ou o desempenho a temperaturas extremamente baixas é crítico, revise os valores de impacto específicos e considere a avaliação da mecânica da fratura em vez de confiar apenas no nome da classe.