Principais materiais metálicos utilizados em tubulações industriais

Introdução

A escolha do material de uma tubulação é uma decisão estratégica de engenharia.
Ela define a segurança, a durabilidade e o custo operacional de todo o sistema.

O Piping Handbook – McGraw-Hill destaca que “a seleção de materiais deve equilibrar propriedades mecânicas, resistência à corrosão e fabricabilidade, atendendo aos requisitos de temperatura, pressão e fluido do processo"

Cada material — do simples aço carbono ao sofisticado aço inoxidável duplex — oferece vantagens específicas que o tornam adequado a determinados ambientes de operação.

1. Requisitos gerais para seleção de materiais metálicos

A seleção de materiais metálicos para sistemas de piping considera:

1. Temperatura e pressão de operação;

2. Tipo de fluido (corrosivo, abrasivo, tóxico ou limpo);

3. Ambiente externo (umidade, intempéries, radiação);

4. Requisitos de soldagem, conformação e fabricação;

5. Normas de projeto aplicáveis (ASME B31.1, B31.3, ASTM, API, ISO);

6. Vida útil e facilidade de manutenção.

Um bom material deve combinar resistência mecânica, estabilidade térmica e resistência química durante toda a vida do sistema.

2. Classificação dos materiais metálicos

Os materiais metálicos para tubulações industriais podem ser agrupados em quatro grandes categorias:

Categoria Exemplos típicos Aplicação Aços carbono ASTM A106 Gr. B, Serviços gerais, vapor, óleo, água, ar comprimido ASTM A53, API 5L

Aços de baixa liga ASTM A335 P11, P22 Altas temperaturas e pressões

Aços inoxidáveis ASTM A312 TP304, Ambientes corrosivos e sanitários TP316L, TP321

Ligas especiais Monel, Inconel, Hastelloy, Duplex Ambientes severos: ácido, marinho e nuclear

Cada grupo será detalhado a seguir com suas propriedades e aplicações.

3. Aços carbono (Carbon Steels)

3.1. Características gerais

Os aços carbono são os mais utilizados na indústria devido ao baixo custo e boa resistência mecânica.
Sua composição inclui principalmente ferro (Fe) e carbono (C), com pequenas quantidades de manganês (Mn), fósforo (P) e enxofre (S).

Conforme o teor de carbono:

• Baixo carbono (≤ 0,3%) → boa soldabilidade e ductilidade (A106 Gr. B);

• Médio carbono (0,3–0,6%) → maior resistência, mas menor soldabilidade;

• Alto carbono (> 0,6%) → raramente usado em tubulação.

3.2. Normas e especificações principais

• ASTM A106 / A53 – tubos de aço carbono para alta temperatura;

• API 5L Gr. B / X52 – dutos de transporte de petróleo e gás;

• ASME B36.10 – dimensões de tubos de aço carbono.

3.3. Aplicações

• Linhas de vapor e condensado;

• Água de refrigeração e de alimentação;

• Óleo e gás natural;

• Ar comprimido e vácuo industrial.

3.4. Limitações

• Suscetível à corrosão em presença de umidade e oxigênio;

• Não indicado para ácidos fortes, cloretos e soluções oxidantes.

📘 Solução comum: aplicar revestimentos internos/externos (epóxi, galvanização) ou empregar aços de liga.

4. Aços de baixa liga (Low Alloy Steels)

4.1. Características

São aços carbono adicionados com Cr, Mo, Ni, V ou Mn em teores de 0,5–9%, conferindo maior resistência mecânica e térmica.
Mantêm boa soldabilidade e excelente desempenho em alta temperatura.

4.2. Normas e exemplos

• ASTM A335 P11, P22, P91 – tubos sem costura para altas temperaturas;

• ASTM A182 F11, F22 – flanges e conexões forjadas;

• ASME B31.1 / B31.3 – limites de tensão admissível.

4.3. Aplicações

• Linhas de vapor superaquecido (>450 °C);

• Sistemas de caldeiras e turbinas;

• Ciclos combinados e petroquímicos.

4.4. Cuidados

• Necessita pré-aquecimento e pós-aquecimento na solda para evitar trincas por hidrogênio;

• Pode sofrer fragilização por revenido;

• Exige inspeções rigorosas (MT, UT, PWHT conforme ASME IX).

5. Aços inoxidáveis (Stainless Steels)

5.1. Princípio de proteção

A presença mínima de 10,5% de cromo (Cr) forma uma camada passiva de óxido de cromo (Cr₂O₃) que impede a oxidação e a corrosão generalizada.
Outros elementos como Ni, Mo e N ampliam a resistência à corrosão localizada (pitting e crevice).

5.2. Classificação dos inoxidáveis

Tipo Microestrutura Exemplo Características Austeníticos Não magnéticos 304, 316, 321 Alta ductilidade, excelente resistência à corrosão Ferríticos Magnéticos 430, 446 Baixo custo, menor tenacidade Martensíticos Endurecíveis 410, 420 Alta dureza, menor resistência à corrosão Duplex / Superduplex Mista 2205, 2507 Alta resistência mecânica e à corrosão por cloretos

5.3. Principais normas

• ASTM A312 / A213 – tubos de aço inox austenítico;

• ASTM A182 – conexões e flanges forjados;

• ASME B36.19 – dimensões específicas para inoxidáveis.

5.4. Aplicações

• Indústria química e farmacêutica;

• Alimentos e bebidas;

• Usinas nucleares e sistemas de água pura;

• Ambientes marinhos e linhas de salmoura.

5.5. Limitações

• Custo elevado;

• Dilatação térmica alta;

• Risco de corrosão sob tensão (SCC) em presença de cloretos.

💡 Dica técnica: para reduzir risco de corrosão por solda, utilize graus L (baixo carbono), como 304L e 316L.

6. Ligas especiais (Nickel, Cobalt e High-Performance Alloys)

Para condições extremas de temperatura e corrosão, recorremos a materiais de alta liga, conforme seção 2 do Piping Handbook

6.1. Monel (Ni-Cu)

• Excelente resistência a água do mar e soluções salinas;

• Usado em trocadores de calor, válvulas e sistemas offshore;

• Norma: ASTM B165 (pipe).

6.2. Inconel (Ni-Cr-Fe)

• Resiste a oxidação até 1000 °C;

• Alta resistência mecânica em temperaturas elevadas;

• Aplicação: turbinas, sistemas de exaustão e caldeiras.

6.3. Hastelloy (Ni-Mo-Cr)

• Altamente resistente a ácidos fortes (HCl, H₂SO₄);

• Usado em colunas de ácido e tanques de reator químico.

6.4. Duplex e Superduplex

• Combinação de fases ferrítica e austenítica;

• Resistência à corrosão por pite e trincamento sob tensão;

• Aplicações: plataformas offshore, dessalinização, nuclear.

7. Fenômenos de degradação dos metais

7.1. Corrosão uniforme

Ataque químico generalizado na superfície metálica — comum em aços carbono sem proteção.

7.2. Corrosão galvânica

Ocorre quando dois metais diferentes estão em contato elétrico em presença de eletrólito.
📘 Recomendação: evitar pares como aço carbono e inox sem isolamento elétrico.

7.3. Corrosão por pite (pitting)

Perfurações localizadas, comuns em inox sob presença de íons cloreto.

7.4. Corrosão sob tensão (SCC)

Trincas causadas por tensões residuais + ambiente corrosivo (ex: 304 em NaCl quente).

7.5. Creep e fadiga térmica

Em altas temperaturas (>450 °C), o metal sofre fluência; sob ciclos térmicos, há fadiga.
ASME Section II e B31.1 fornecem dados de limite de escoamento e fator de segurança.

8. Critérios práticos de seleção

Critério Aço carbono Aço baixa liga Inox Ligas especiais Custo ★★★★☆ ★★★☆☆ ★★☆☆☆ ★☆☆☆☆ Resistência mecânica ★★★☆☆ ★★★★☆ ★★★★☆ ★★★★★ Resistência à corrosão ★☆☆☆☆ ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★★★★ Faixa térmica até 425 °C até 650 °C até 900 °C > 1000°C Soldabilidade Alta Média Alta Média Aplicação típica Água, vapor Caldeiras Químicos Ácidos, nuclear

9. Documentação e rastreabilidade

Segundo o Piping Handbook, relatórios de ensaio de materiais (MTRs) devem ser obtidos e arquivados para garantir rastreabilidade.
Esses certificados confirmam:

• Composição química conforme ASTM;

• Propriedades mecânicas (limite de escoamento, tração, alongamento);

• Número de calor e de lote;

• Conformidade com código ASME Section II, Part D.

Na inspeção, os ensaios não destrutivos (NDE) são obrigatórios conforme o serviço:

• UT (ultrassom) – espessura e descontinuidades internas;

• RT (radiografia) – soldas;

• PT / MT – superfícies;

• PMI (Positive Material Identification) – verificação de liga por espectrometria.

10. Considerações de fabricação e soldagem

Cada material responde de forma diferente ao calor da soldagem.

• Aços carbono: simples de soldar, com mínima preparação.

• Aços de baixa liga: requerem pré e pós-aquecimento.

• Inoxidáveis: risco de sensibilização — usar filler compatível (ex.: ER316L).

• Ligas de níquel: exigem controle térmico rigoroso e atmosfera inerte.

📗 Normas aplicáveis: ASME Section IX, AWS D1.1, e ASTM A999 (requisitos gerais para tubos).

11. Custos e análise de ciclo de vida

Nem sempre o material mais barato é o mais econômico.
A decisão deve considerar o custo do ciclo de vida (LCC):

• Investimento inicial;

• Manutenção e substituições;

• Paradas não programadas;

• Vida útil esperada.

Em plantas químicas e offshore, o uso de aços inoxidáveis ou compósitos pode reduzir custos totais ao longo do tempo, mesmo com investimento inicial maior.

12. Conclusão

O conhecimento dos materiais metálicos é essencial para o engenheiro de tubulação.
Cada projeto exige equilíbrio entre resistência, durabilidade e custo, e esse equilíbrio só é alcançado quando o profissional entende profundamente as propriedades dos metais e os limites normativos que os regem.

A correta seleção garante segurança, confiabilidade e economia, além de conformidade com os códigos ASME, ASTM e API — a tríade que sustenta a engenharia de piping moderna.

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