Avaliação da tenacidade à fratura e propagação de trinca por fadiga do aço ASTM A285C na parede de pressão de um digestor contínuo de polpação kraft

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Nakayama, Alexandre Yamasaki
• Orientador(a): Carvalho, André Luis Moreira de
• Banca de defesa: Baptista, Carlos Antonio Reis Pereira , Barboza, Miguel Justino Ribeiro, Rossino, Luciana Sgarbi, Hupalo, Márcio Fereira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Estadual de Ponta Grossa
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciências de Materiais
• Departamento: Departamento de Engenharia de Materiais
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: fadiga; tenacidade à fratura; anisotropia; ASTM A285C; vaso de pressão; fatigue; fracture toughness; anisotropy; pressure vessel
• Área do conhecimento CNPq: Engenharia de Materiais
• Link de acesso: http://tede2.uepg.br/jspui/handle/prefix/4504

O digestor contínuo do processo de polpação Kraft é um vaso de pressão que exerce fundamental importância na fabricação de fibras de celulose. Em seu interior ocorre o processo de deslignificação, ou seja, a remoção da lignina dos cavacos de madeira em um meio aquoso alcalino composto principalmente de NaOH e Na2S, denominado licor branco, sob altas temperaturas e pressões. Desta forma, a estrutura pressurizada do digestor é submetida a condições de tensões oscilantes e processo corrosivo, o que pode resultar em mecanismos de danos como a nucleação e propagação de trincas. Em consequência, o conhecimento acerca do comportamento de danos em função das características do material de construção e condições de uso é de grande relevância na manutenção e projeto de vasos de pressão, em particular, de digestores contínuos. Neste trabalho, amostras de aço carbono ASTM A285 grau C, uma especificação usual para fabricação de vasos de pressão, foram analisadas em termos das propriedades de tenacidade à fratura pelo parâmetro de Integral J e de resistência à propagação de trinca por fadiga em função da orientação paralela e perpendicular relativa à direção de laminação. Adicionalmente, a degradação ocasionada por corrosão superficial sobre estas propriedades foi também avaliada. Para tanto, foram realizados ensaios de tenacidade à fratura, de propagação de trinca por fadiga e de corrosão por imersão em licor branco em corpos de prova C(T) com planos de trinca paralelo e perpendicluar à direção de laminação, conforme as normas ASTM E1820, ASTM E647 e ASTM G31, respectivamente. Os resultados mostraram anisotropia da tenacidade à fratura com valores do parâmetro JIC maiores para as amostras com plano de trinca perpendicular à direção de laminação em uma razão aproximada de 1,71 comparada à direção paralela à laminação, em ambas as condições de como recebido e após corrosão por imersão. A degradação do parâmetro JIC em função da corrosão superficial foi verificada com a tenacidade à fratura dos corpos de prova após ensaio de corrosão por imersão menores a uma razão média de 0,73 comparada aos corpos de prova na condição de como recebido, em ambas as orientações. Por outro lado, a propriedade de resistência à propagação de trinca por fadiga não apresentou anisotropia entre as orientações, porém, também apresentou degradação em função da corrosão, principalmente na região de baixos e intermediários valores de K na faixa de 15 a 40 MPa√m . Complementarmente, análises de microtextura cristalográfica por EBSD foram realizadas e mostraram que a anisotropia de tenacidade à fratura foi influenciada pelas características de orientações dos grãos. Em contrapartida, a resistência à propagação de trinca por fadiga teve menor influência da microtextura com mapas de orientações cristalográficas e de contornos de discordâncias distintos entre as orientações de trinca e entre as condições de como recebido e após corrosão. Palavras-chave: Fadiga; Tenacidade à fratura; Anisotropia; ASTM A285C; Vaso de pressão. ABSTRACT The continuous digester of the Kraft pulping process is a pressure vessel that plays a fundamental role in producing cellulose fibers. The delignification process takes place inside it, i.e., the removal of lignin from wood chips in an alkaline aqueous solution composed mainly of NaOH and Na2S, denominated white liquor, under high temperatures and pressures. Thus, its pressurized structure is subjected to conditions of oscillating stresses and corrosive processes, which can result in damage mechanisms such as crack nucleation and propagation. Consequently, knowledge about damage behavior as a function of the construction material and usage conditions characteristics is of great relevance in the maintenance and design of pressure vessels, in particular, continuous digesters. In this work, samples of ASTM A285 grade C carbon steel, a common specification for pressure vessel manufacturing, were analyzed in terms of fracture toughness properties by the J-Integral parameter and resistance to fatigue crack propagation as a function of parallel and perpendicular orientation relative to the rolling direction. Additionally, the degradation caused by surface corrosion on these properties was also evaluated. For this purpose, fracture toughness, fatigue crack propagation and white liquor immersion corrosion tests were performed on C(T) specimens with crack planes parallel and perpendicular to the rolling direction, according to ASTM E1820, ASTM E647 and ASTM G31 standards, respectively. Results showed anisotropy of the JIC parameter; C(T) specimens with notch-oriented transversal to the plate rolling direction had an average 1.71 higher values when compared to parallel-oriented specimens, in both as-received and after immersion corrosion test conditions. A degradation in the JIC parameter due to corrosion was also verified; residual fracture toughness of corroded specimens decreased by an average of 0.73 in relation to as-received condition specimens in both orientations. On the other hand, the property of resistance to fatigue crack propagation did not present anisotropy between orientations. However, it also presented degradation due to corrosion, mainly in the region of low and intermediate K values in the range of 15 to 40 MPa√m. In addition, EBSD crystallographic microtexture analyses were performed and showed that the anisotropy of fracture toughness was influenced by the characteristics of the grain orientations. On the other hand, the resistance to fatigue crack propagation was less influenced by the microtexture with distinct crystallographic orientation and dislocation boundaries maps between crack orientations and conditions.