Sour vs Non-Sour – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações

Introdução

Engenheiros e equipes de compras rotineiramente decidem entre graus de aço destinados a ambientes de serviço ácido e aços não ácidos convencionais. A escolha muitas vezes equilibra resistência à corrosão (particularmente em ambientes contendo sulfeto de hidrogênio, H2S), resistência a trincas assistidas por hidrogênio, soldabilidade, fabricabilidade e custo. Os contextos típicos de decisão incluem seleção de tubos e dutos de petróleo e gás upstream, componentes de retenção de pressão para plantas químicas e aplicações de vasos de pressão ou estruturais expostas a ambientes agressivos.

A principal distinção técnica entre essas duas classes é sua formulação e processamento para resistir a fenômenos de trincas relacionadas ao hidrogênio que ocorrem em ambientes contendo H2S. Como esses modos de falha são altamente dependentes da metalurgia e da microestrutura, aços de serviço ácido e aços não ácidos são frequentemente comparados em design, especificação de materiais e planejamento de fabricação.

1. Normas e Designações

Normas comuns e como elas geralmente se relacionam com classes de materiais:

• ASTM / ASME
• ASTM A106 — Tubo de aço carbono sem costura para serviço em alta temperatura (carbono).
• ASTM A333 — Tubo de aço carbono e liga para serviço em baixa temperatura (carbono / liga).
• ASTM A335 — Tubo de aço liga para serviço em alta temperatura (liga).
• ASTM A240 / ASME SA-240 — Placa, chapa e fita de aço inoxidável e resistente ao calor (inox).
• EN (Europeia)
• EN 10025 — Aços estruturais incluindo graus HSLA (HSLA/carbono).
• EN 10028 — Aços para fins de pressão, incluindo aços ligados (carbono / liga).
• JIS (Japonesa)
• JIS G3101 — Aços laminados para estrutura geral (carbono).
• JIS G3454 / G3455 — Tubos de aço carbono e liga para pressão (carbono / liga).
• GB / Chinesa
• GB/T 1591 — Aços estruturais de alta resistência e baixa liga (HSLA).
• GB/T 8163 — Tubos de aço sem costura para transporte de fluidos (carbono / liga).
• Padrões específicos da indústria / de desempenho
• NACE MR0175 / ISO 15156 — Materiais para uso em ambientes contendo H2S na produção de petróleo e gás (aplica-se a aços carbono, liga e inox; estabelece requisitos de material, tratamento térmico e dureza para serviço ácido).
• API (por exemplo, API Spec 5L para tubo de linha) — descreve requisitos para aços de dutos; a conformidade com o serviço ácido frequentemente faz referência ao NACE/ISO.

Nota: As disposições NACE/ISO são focadas em procedimentos e desempenho, em vez de uma única designação de “grau ácido” — elas descrevem como os aços (carbono, liga, inox, HSLA) devem ser selecionados, tratados termicamente e testados para se qualificar para ambientes ácidos.

2. Composição Química e Estratégia de Ligações

Tabela: ênfases composicionais típicas e funções (qualitativas, indicativas em vez de numéricas)

Elemento	Aços de serviço ácido (resistentes a H2S)	Aços não ácidos / padrão
C (Carbono)	Controlado para ser relativamente baixo para reduzir a endurecibilidade e limitar o risco de fragilização por hidrogênio	Faixa mais ampla; pode ser maior onde resistência e endurecibilidade são necessárias
Mn (Manganês)	Controlado para resistência e desoxidação; não excessivamente alto para limitar CE	Desoxidante típico e liga de resistência
Si (Silício)	Baixo a moderado; usado para desoxidação, mas limitado onde a absorção de hidrogênio é uma preocupação	Níveis típicos de desoxidante; Si mais alto pode aumentar a resistência
P (Fósforo)	Mantido muito baixo — preocupações com fragilização e segregação	Controlado, mas às vezes permitido em níveis de traço ligeiramente mais altos
S (Enxofre)	Minimizado — sulfetos e inclusões promovem aprisionamento de hidrogênio e iniciação de trincas	Pode ser mais alto em graus de usinagem livre; melhora a usinabilidade, mas degrada a resistência ácida
Cr (Cromo)	Pode estar presente (liga) para melhorar a resistência à corrosão e a resposta ao revenido	Presente em aços de liga e graus inoxidáveis
Ni (Níquel)	Frequentemente usado para melhorar a tenacidade em baixa dureza e mitigar trincas por estresse de sulfeto (SSCC)	Usado em aços de liga e inox para tenacidade e resistência à corrosão
Mo (Molibdênio)	Usado seletivamente para melhorar a resistência, revenido e resistência à corrosão em condições ácidas	Comum em aços de liga para endurecibilidade e resistência a altas temperaturas
V, Nb, Ti (Microligação)	Adições de microligação usadas para refinar o tamanho do grão e melhorar a tenacidade sem alto teor de C	Amplamente utilizado em aços HSLA para aumentar a resistência por meio de carbonetos/nitratos finos
B (Boro)	Geralmente controlado — pequenas quantidades podem afetar a endurecibilidade; deve ser gerenciado para serviço ácido	Usado para aumentar a endurecibilidade em baixas concentrações
N (Nitrogênio)	Normalmente controlado; o nitrogênio pode afetar a tenacidade e promover nitratos	Controlado por grau; importante para o desempenho inoxidável

Explicação: A ligações para serviço ácido visam alta tenacidade intrínseca em níveis de dureza relativamente baixos, níveis controlados de impurezas (P, S) e ligações estratégicas (Ni, Cr, Mo, elementos de microligação) para manter a ductilidade e reduzir a suscetibilidade a mecanismos de trincas induzidas por hidrogênio. Aços não ácidos permitem janelas composicionais mais amplas ajustadas para resistência, endurecibilidade, usinabilidade ou custo.

3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico

Aços de serviço ácido e aços não ácidos desenvolvem microestruturas alvo diferentes porque a resistência a trincas relacionadas ao hidrogênio correlaciona-se fortemente com a distribuição de fases microestruturais e dureza.

• Microestruturas típicas
• Não ácidos, baixa liga/HSLA: ferrita de grão fino com bainita dispersa ou martensita temperada (dependendo das metas de resistência). TMCP frequentemente resulta em ferrita-perlita refinada ou ferrita acicular com boa tenacidade.
• Aços de liga temperados e revenidos: martensita temperada em níveis de resistência mais altos — maior endurecibilidade e resistência, mas maior sensibilidade ao hidrogênio se a dureza for excessiva.

• Aços de serviço ácido: projetados para evitar martensita dura não temperada na condição de soldagem ou serviço; microestruturas alvo são tipicamente ferrita-bainita fina ou martensita bem temperada com dureza controlada e alta tenacidade à fratura.

• Tratamento térmico e rotas de processo

• Normalização / recozimento: refina a estrutura do grão e melhora a tenacidade; frequentemente usado para qualificação de serviço ácido para reduzir tensões residuais e garantir uma microestrutura dúctil.
• Resfriamento e revenido: aumenta a resistência através da transformação martensítica seguida de revenido; usado em ambas as classes, mas os parâmetros de revenido para serviço ácido são selecionados para reduzir a dureza retida e diminuir o risco de fragilização por hidrogênio.
• Processamento termomecânico controlado (TMCP): produz ferrita e bainita de grão fino com excelente tenacidade; favorecido para tubos de linha e componentes estruturais de serviço ácido para alcançar alta tenacidade em baixa dureza.

O controle das taxas de resfriamento, temperaturas de revenido e dureza final são centrais. As especificações de materiais para serviço ácido geralmente exigem controles de processo adicionais e tratamentos térmicos pós-soldagem (PWHT) para minimizar a suscetibilidade.

4. Propriedades Mecânicas

Tabela: comparação qualitativa de atributos mecânicos

Propriedade	Aços de serviço ácido	Aços não ácidos / padrão
Resistência à tração	Média a alta (equilibrada com tenacidade)	Faixa ampla de baixa a muito alta dependendo do grau
Resistência ao escoamento	Moderada a alta (projetada para atender às necessidades de pressão/resistência)	Faixa ampla; HSLA e resfriados e revenidos podem ser muito altos
Alongamento (ductilidade)	Enfatizado — maior ductilidade visando resistir a trincas	Variável; graus de alta resistência podem sacrificar alongamento
Tenacidade ao impacto	Alta, especialmente em temperaturas baixas especificadas para evitar falha frágil	Variável; especificado por grau e serviço
Dureza	Controlada e tipicamente limitada para reduzir o risco de fragilização por hidrogênio	Pode ser mais alta para aplicações críticas de desgaste ou resistência

Interpretação: Aços de serviço ácido priorizam a tenacidade à fratura e a ductilidade em níveis de dureza permitidos para mitigar trincas assistidas por hidrogênio. Aços não ácidos são selecionados em um espectro mais amplo de compromissos entre resistência e ductilidade.

5. Soldabilidade

A soldabilidade depende do teor de carbono, adições de liga e endurecibilidade. Duas métricas empíricas comuns:

$$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$

$$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Orientação qualitativa: - Valores mais baixos de $CE_{IIW}$ e $P_{cm}$ indicam soldabilidade mais fácil e menores requisitos de pré-aquecimento/PWHT. - Aços de serviço ácido frequentemente requerem dureza permitida mais baixa na zona afetada pelo calor (HAZ) e controle rigoroso de consumíveis e procedimentos para evitar aprisionamento de hidrogênio. Isso pode significar parâmetros de soldagem mais conservadores, pré-aquecimento obrigatório e/ou PWHT dependendo do grau e da espessura, conforme estipulado pelo NACE/ISO. - A microligação (Nb, V, Ti) refina o tamanho do grão, mas pode aumentar ligeiramente a endurecibilidade, portanto, os procedimentos de soldagem são ajustados para evitar a formação de martensita dura na HAZ. - Aços não ácidos com maior teor de carbono ou forte endurecibilidade devem receber pré-aquecimento e PWHT apropriados para evitar trincas a frio, mas não requerem aprovação específica para serviço ácido, a menos que a exposição ao serviço assim o dite.

Implicação prática: Mesmo quando a química e os índices empíricos parecem favoráveis, a qualificação para serviço ácido frequentemente impõe testes adicionais (testes HIC/SSC) e controles de soldagem.

6. Corrosão e Proteção de Superfície

• Aços carbono e liga não inoxidáveis
• Proteger via revestimentos externos (sistemas de pintura, epóxi fundido), galvanização para corrosão atmosférica, proteção catódica para aplicações enterradas/submarinas, ou revestimento/revestimento para corrosão interna.

• Reservas de corrosão e planos de manutenção fazem parte da seleção.

• Aços inoxidáveis e ligas resistentes à corrosão

• A resistência à corrosão é alcançada através da formação de filme passivo principalmente a partir do teor de cromo. Para corrosão localizada em ambientes contendo cloreto, o número equivalente de resistência à corrosão por picotamento (PREN) é um índice útil: $$ \text{PREN} = \text{Cr} + 3.3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N} $$

• PREN ajuda a comparar ligas inoxidáveis para resistência a picotamento/fissuras, mas não é aplicável a aços carbono.

• Ambientes ácidos

• H2S cria mecanismos de corrosão específicos (corrosão por sulfeto, ataque localizado) e promove a absorção de hidrogênio. A seleção de materiais deve considerar a resistência química e a resistência a mecanismos de trincas induzidas por hidrogênio; revestimentos sozinhos não são suficientes se H2S interno ou permeação puder ocorrer.

7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade

• Usinabilidade
• Aços de usinagem livre com teor elevado de enxofre/chumbo cortam mais facilmente; tais adições são incompatíveis com os requisitos de serviço ácido, pois inclusões e sulfetos aumentam a suscetibilidade a trincas.

• Aços de serviço ácido com baixo S e microligação controlada são menos “livres de usinagem”, às vezes exigindo forças de corte mais altas e ferramentas mais robustas.

• Formabilidade e dobra

• Aços ácidos de baixo carbono e grão fino geralmente se formam bem, mas os limites de formação são definidos pela tenacidade exigida e controle de tensões residuais.

• Aços de alta resistência resfriados e revenidos exigem raios de dobra mais apertados e tratamentos pós-formação para evitar a iniciação de trincas.

• Acabamento

• A qualidade e limpeza da superfície são mais críticas para peças de serviço ácido, pois marcas de usinagem, entalhes ou inclusões podem servir como locais de iniciação para trincas assistidas por hidrogênio.

8. Aplicações Típicas

Tabela: usos para cada classe de grau

Aços de serviço ácido (resistentes a H2S)	Aços não ácidos / padrão
Tubos submarinos e de superfície, revestimentos e ferramentas downhole em petróleo e gás com exposição a H2S	Estruturas de aço estrutural geral, materiais de construção, tubulações não críticas
Materiais de tubo de linha e fluxo que atendem ao NACE/ISO 15156	Tubulações de processo não expostas a fluidos ácidos; dutos de distribuição
Partes contendo pressão em plantas de ácido sulfúrico ou produção de sulfeto	Vasos de pressão para serviços secos/gasosos sem H2S
Válvulas, conexões e flanges para aplicações de serviço ácido	Componentes automotivos, de máquinas, válvulas e conexões não ácidas

Racional de seleção: escolha aços de serviço ácido quando o ambiente contiver H2S, quando a absorção de hidrogênio ou trincas por estresse de sulfeto forem modos de falha credíveis, ou quando normas da indústria exigirem qualificação ácida. Escolha aços não ácidos onde a exposição seja benigna, as restrições de custo prevaleçam, ou alta dureza/resistência ao desgaste seja necessária sem restrições ácidas.

9. Custo e Disponibilidade

• Custo: Graus de serviço ácido geralmente têm preços premium devido ao controle químico mais rigoroso, tratamento térmico ou testes adicionais, e às vezes adições especiais de liga (Ni, Cr, Mo). Testes de qualificação (HIC/SSC), auditorias NACE/ISO e controles de fabricação aumentam o custo.
• Disponibilidade: Aços carbono padrão e HSLA estão amplamente disponíveis em muitas formas de produto (placa, bobina, tubo). Materiais qualificados para serviço ácido podem ter prazos de entrega mais longos e podem estar mais comumente disponíveis em formas específicas (tubo de linha, revestimento, tubulares) de fornecedores especializados em materiais para petróleo e gás.

A forma do produto impacta o fornecimento: placas soldáveis e tubos de linha que atendem aos requisitos ácidos são comuns, mas podem ser restritos a certos graus e rotas de processo. Graus ácidos resfriados e revenidos personalizados podem ser mais limitados.

10. Resumo e Recomendação

Tabela resumindo os principais compromissos

Métrica	Aços de serviço ácido	Aços não ácidos / padrão
Soldabilidade	Exige controle rigoroso, dureza HAZ permitida mais baixa, pode exigir PWHT e procedimentos qualificados	Faixa mais fácil de procedimentos de soldagem; a soldabilidade depende de CE/Pcm
Equilíbrio resistência–tenacidade	Otimizado para alta tenacidade em dureza controlada para resistir a trincas por hidrogênio	Faixa ampla; pode enfatizar resistência ou dureza onde necessário
Custo	Mais alto devido ao controle de composição, testes e processamento	Geralmente mais baixo e mais prontamente disponível

Recomendações finais: - Escolha aços de serviço ácido se o fluido de serviço ou ambiente contiver H2S ou outras espécies de sulfeto, se trincas assistidas por hidrogênio forem um risco credível, ou se as especificações do projeto (NACE/ISO) exigirem qualificação ácida. Esses aços são apropriados quando a integridade a longo prazo em ambientes contendo enxofre é crítica, mesmo a um custo mais alto de material e fabricação. - Escolha aços não ácidos se o ambiente estiver livre de H2S, orçamentos de projeto ou disponibilidade favorecerem graus padrão, ou se maior dureza/resistência ao desgaste for necessária e modos de falha relacionados ao hidrogênio não estiverem presentes. Aços não ácidos continuam sendo a melhor escolha para aplicações estruturais gerais, tubulações não ácidas e muitas aplicações de fabricação onde a proteção contra corrosão padrão é suficiente.

Nota final: A seleção de materiais deve sempre integrar química de serviço, temperatura, pressão, rota de fabricação, procedimentos de soldagem, limites de dureza e normas da indústria relevantes. Onde o serviço ácido é possível ou incerto, o envolvimento precoce com especialistas em metalurgia e redatores de especificações é essencial para garantir a seleção correta do grau, testes de qualificação e práticas de soldagem.