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CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE
MATERIAIS
Avaliação da substituição do aço astm a 131 gr a pelo aço astm a 131 gr ah36 na região de obras vivas de navios como parte da logística de
docagem
Jayme Ribeiro de Souza
Rio de Janeiro 2016
CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTADUAL DA ZONA OESTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE MATERIAIS
Avaliação da substituição do aço astm a 131 gr a pelo aço astm a 131 gr ah36 na região de obras vivas de navios como parte da logística de
docagem
Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste. Área de concentração.
Orientado: Jayme Ribeiro de Souza
Orientador: Carlos Alberto Martins Ferreira
Rio de Janeiro
2016
Jayme Ribeiro de Souza
Avaliação da substituição do aço astm a 131 gr a pelo aço astm a 131 gr ah36 na região de obras vivas de navios como parte da logística de docagem
Dissertação apresentada, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre, ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, do Centro Universitário Estadual da Zona Oeste. Área de concentração.
Aprovado em 28 de setembro de 2016.
Banca Examinadora:
_____________________________________________________
Prof. D.Sc. Carlos Alberto Martins Ferreira (Orientador) Centro Setorial de Produção Industrial - UEZO
_____________________________________________________ Prof. D.Sc. Mauro Carlos.Lopes Souza Centro Setorial de Produção Industrial - UEZO
_____________________________________________________ Prof. D.Sc. Alisson Clay Rios da Silva Universidade Federal do Estado do Para – UFPA
____________________________________________________ Eng. M.Sc. Renato Vianna Barradas Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro
Rio de Janeiro
Setembro de 2016
DEDICATÓRIA
Dedico aos meus pais Octávio Azevedo de Souza
e Esmeralda Ribeiro de Souza, pelos exemplos
de vida e conselhos dados, e que se
transformaram para mim em fonte de incentivo
para obtenção de meus ideais. A minha esposa
e a minhas filhas que muito souberam entender
pelos momentos que passei até a conclusão
dessa Dissertação.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus pela graça de me permitir
concluir esse curso, a minha esposa Andressa,
que muito me ajudou com sua compreensão,
carinho e amor nesse momento que agora se
concretiza, ao meu orientador Professor Carlos
Alberto e àqueles que me deram conhecimento
permitindo a execução dessa dissertação, aos
chefes, amigos de classe, técnicos, mestres, e
subalternos do Arsenal de Marinha do Rio de
Janeiro, também em especial ao engenheiro
Alexandre, que serviu de elo de ligação com
todo o corpo do laboratório da PUC, ou seja, a
todos que me ajudaram nessa caminhada.
i
RESUMO
SOUZA, Jayme Ribeiro de. Avaliação da substituição do aço astm a 131 gr a pelo aço astm a 131 gr ah36 na região de obras vivas de navios como parte da logística de docagem. 2016. Dissertação (Mestrado Profissional). Programa de Pós-
Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais – Centro Universitário Estadual da Zona Oeste 2016.
Fatores técnicos e econômicos que governam o navio em serviço (velocidade, consumo de combustível, custo de transporte, tipo de navio e zona de navegação), dependem grandemente das condições do casco submerso (obras vivas) e, portanto, períodos de docagem são especificados nas regulamentações sobre reparação de navios, emanadas por Sociedades Classificadoras e pela Diretoria de Portos e Costas. Estes, por navegarem, geralmente expostos a fatores críticos como, água salgada, tempo, etc., que comprometem, severamente, a sua estrutura. O foco abordado neste estudo visou pesquisar uma possível solução para a preservação da integridade do casco de um navio (produtos e processos) que minimize os impactos, como redução de custos, na logística de docagem, com o estudo da eficiência na substituição do tipo de aço comumente usado na fabricação de navios (ASTM-A-131-Grau A) por outro aço mais resistente e também usado na indústria naval (ASTM-A-131-Grau AH36), através de ensaios não destrutivos como o de líquido penetrante e ultrassom e destrutivos como o ensaio metalográfico, de névoa salina, tração, dobramento, dureza e impacto. O resultado desses ensaios apresentou características semelhantes quanto à degradação por corrosão, porém, com valores superiores das propriedades mecânicas e boa soldabilidade entre os aços em estudo, tendo como consequência o aumento do intervalo de substituição das chapas com espessura crítica (reduzida), ou seja, reduzir o tempo de permanência do navio no dique.
Palavra Chave: Aço ASTM-A-131-Grau A; Aço ASTM-A-131-Grau AH36; Construção Naval; Logística de Docagem.
ii
ABSTRACT
SOUZA, Jayme Ribeiro de. Evoluation of substitution of astm a 131 gr a steel by astm a 131 gr ah36 steel in the region of botton of ships as part of dockage logistics. 2016. Dissertation (Master). Programa de Pós-Graduação em Ciência e
Tecnologia de Materiais – Centro Universitário Estadual da Zona Oeste 2016.
Technical and economic factors that govern the ship in service (speed, fuel consumption, cost of transport, type of ship and navigation zone) depend heavily on the submerged hull conditions (alive works) and therefore docking periods are specified in the regulations about ship repair, emanated by Classifiers societies and by the directorate of Ports and Coasts. These, by navigating, generally exposed to critical factors such as, saltwater, time, etc., undertake, severely, her structure. The focus approached in this study sought to search a possible solution for the preservation of the of Integrity of hull of a ship (products and processes) that minimize the impacts, as cost reduction in dockage logistics with the study of efficiency in steel type replacement commonly used in the manufacture of ships (ASTM-A-131-Grade A) by the other steel more resistant and too used in the shipping industry (ASTM-A-131-Grade AH36) through of essays not destructive like the penetrating liquid and ultrasound testing, and destructive like the essays metallographic, salt spray , tension, folding, endurance and impact testing. The result showed similar characteristics about corrosion degradation, however, with superior values of mechanical properties and better weldability, having as consequence, the increase in replacement interval of substitution of plates with Critical thickness (reduced), that is, reduce the time of ship in the dry docking.
Keywords: steel ASTM-A-131-Gr A; steel ASTM-A-131-Gr AH36; Navy Construction;
Logistic of Dry Docking.
iii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Desastre do Exxon Valdez no Alasca, em 1989............................................. 8 Figura 2. Exemplo de um dique seco quando vazio e com navio docado...................... 11 Figura 3. Exemplo de um dique flutuante....................................................................... 11 Figura 4. Seção Transversal de um Navio..................................................................... 16 Figura 5. Zona Termicamente Afetada (ZTA)................................................................. 19 Figura 6. Regiões da Zona Termicamente Afetada ....................................................... 20 Figura 7. Fissuração a frio.............................................................................................. 21 Figura 8. Parâmetros envolvidos na realização da solgadem........................................ 22 Figura 9. Ciclo Metalurgia-Corrosão……………………………………………………...... 24 Figura 10. Morfologia da corrosão………………………………………………………....... 26 Figura 11. Ataque de Pittings na região da linha d’água (A), Região da proa afetada pela corrosão (B) e Grande quantidade de anodos na popa (C).....................................
29
Figura 12. Princípio da inspeção de materiais por ultrassom......................................... 33 Figura 13. Ensaio de L.P. sobre a solda das chapas e líquidos penetrantes................. 34 Figura 14. Diagrama de equilíbrio das ligas ferro-carbono simplificado e com valores numéricos arredondados..................................................................................................
36
Figura 15. Representação de um diagrama tensão x deformação, com a indicação das diferentes fases do ensaios.....................................................................................
38
Figura 16. Tipos de corpo de prova do ensaIo de impacto Charpy............................... 40 Figura 17. Preparação do corpo de prova para realização do ensaio metalográfico, corpo de prova pronto para o ensaio, Microscópio utilizado para o ensaio...................
45
Figura 18. Câmara Para Ensaio de Corrosão de Névoa Salina.................................... 46 Figura 19. Chapas cortadas já com o primeiro desbaste............................................... 47 Figura 20. Desbaste de acabamento da espessura dos corpos de prova...................... 47 Figura 21. Corpos de prova polidos, com cerca de 1 mm de espessura........................ 47 Figura 22. Balança Digital SHIMADZU…………………………………………………...... 48 Figura 23. Vista Superior e Lateral das chapas de aço dentro da Câmara.................... 49 Figura 24. Câmara de Névoa Salina em Operação........................................................ 49 Figura 25. Solução HCl 15% e corpos de prova dentro do recipiente............................. 50 Figura 26. Placas dos aços em estudo antes e depois de serem expostas ao meio ambiente salino..............................................................................................................
50
Figura 27. Placas dos aços oxidadas e, posteriormente, decapadas............................ 51 Figura 28. Pedaços das chapas de aços em estudo...................................................... 52 Figura 29. Verificação da temperatura do aço Gr AH36 na soldagem e chapa soldada......... 52 Figura 30. LP na junta soldada com uso do material do METAL-CHEK......................... 53 Figura 31. END de ultrassom, cabeçotes e Equipamento Mod. USM Go+.................... 53 Figura 32. Esquema dos cortes utilizados para fabricação dos CP’s............................. 53 Figura 33. Corte e obtensão das barras soldadas para fabricação dos CP’s................. 54 Figura 34. Maquina ROCCO dando início à usinagem .................................................. 54 Figura 35. Barras soldadas, fresadas……………………………………………………..... 55 Figura 36. Plaina CINCINNATI utilizada para a confecção dos corpos de prova........... 55 Figura 37. Fabricação dos corpos de prova para o ensaio de tração.............................. 55 Figura 38. Corpo de prova para o ensaio de dobramento e tração................................. 56 Figura 39. Máquina hidráulica de tração (A), cilindro para fixação dos CP`s (B)............ 57
iv
Figura 40. Painel de comando, especificações da bomba de óleo.................................. 57 Figura 41. CP posicionado para o ensaio de tração........................................................ 58 Figura 42. Início da redução da seção do CP e região de ruptura do CP....................... 58 Figura 43. Ensaio de tração realizado nos CP’s com junta soldada................................ 59 Figura 44. Dimensões do corpo de prova para o ensaio de dobramento........................ 60 Figura 45. Máquina de ensaio de dobramento utilizada.................................................. 60 Figura 46. Corpo de prova posicionado para execução do ensaio................................. 61 Figura 47. Fases da execução do ensaio de dobramento............................................. 61 Figura 48. Máquina de ensaio com o mostrador do durômetro Rockwell (A), regulador de dureza do penetrador................................................................................
62
Figura 49. Região fora da junta soldada do aço AH36 (A) e do aço comum, onde foram realizados os ensaios de microdureza Rockwell B (B)........................................
62
Figura 50. Corpos de prova para o ensaio de impacto.................................................. 63 Figura 51. Máquina de Ensaio de Impacto utilizada no AMRJ....................................... 64 Figura 52. CP para o Ensaio de Impacto retirado da região soldada, após usinagem e entalhe feito em ferramenta calibrada para as medida..............................................
64
Figura 53. Corpo de Prova sendo centralizado em seu alojamento............................... 65 Figura 54. Chapas examinadas na junta soldada com Líquido Penetrante................... 67 Figura 55. Ensaio de ultrassom realizado na junta soldada do painel formado pelos aços em estudo..............................................................................................................
68
Figura 56. Micrografia do metal de base, aço ASTM-A-131-Gr A, apresentando uma microestrutura padrão (ferrita e perlita)..........................................................................
68
Figura 57. Micrografia do metal de base, aço ASTM-A-131-Gr AH36, apresentando estrutura com predominância de grãos de perlita (P) dispostos em filamentos, ataque com Nital 2%.....................................................................................................
69
Figura 58. Vista da seção transversal do CP com foco na ZTA e aumento de 50x..... 69 Figura 59. Gráfico Tensão X Deformação do aço ASTM-A-131-Gr.............................. 72 Figura 60. Gráfico Tensão X Deformação do aço ASTM-A-131-Gr AH36..................... 73 Figura 61. Gráfico Tensão X Deformação da junta soldada........................................... 75 Figura 62. Gráfico Tensão X Deformação da junta soldada corroída............................ 76 Figura 63. CP`s com junta soldada após o ensaio de tração......................................... 77 Figura 64. Corpos de prova após ensaio de dobramento.............................................. 78
v
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Composição química dos aços ASTM-A-131 GR A e GR AH36................ 42 Tabela 2 – Propriedades mecânicas dos aços ASTM-A-131 GR A e GR AH36.......... 42 Tabela 3 – Composição Química.................................................................................. 43 Tabela 4 – Propriedades Mecânicas ............................................................................ 43 Tabela 5 – Características do penetrador..................................................................... 63 Tabela 6 – Valores do Ensaio de Corrosão dos aços na Câmara de Névoa Salina.... 70 Tabela 7 – Valores do Ensaio de Corrosão dos aços expostos ao tempo.................... 71 Tabela 8 – Resultados obtidos no ensaio de tração dos CP’s do aço Gr A.................. 72 Tabela 9 – Resultados obtidos no ensaio de tração dos CP’s do aço Gr AH36........... 73 Tabela 10–Resultados do ensaio de tração dos CP’s da junta soldada....................... 74 Tabela 11–Resultados do ensaio de tração dos CP’s da junta soldada corroída........ 76 Tabela 12–Resultado geral do ensaio de tração nos CP’s........................................... 77 Tabela 13–Resultados do ensaio de impacto Charpy-V, tipo A.................................... 79
vi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABS American Bureau of Shipping
ASTM American Society for Testing and Materials
AWS American Welding Society
CP Corpo de Prova
DIN Deutsches Institut für Normung
DNV Det Norsk Veritas
ED Ensaio Destrutivo
END Ensaio Não Destrutivo
GL Germanisher Lloyd
LSL Sentido Longitudinal à Direção de Laminação
PDR Período de Docagem de Rotina
RINA Registro Italiano Navale
SMAW Shielded Metal Arc Welding
TSL Sentido Transversal à Direção de Laminação
ZTA Zona Termicamente Afetada
vii
SUMÁRIO
RESUMO i ABSTRACT ii LISTA DE FIGURAS iii LISTA DE TABELAS v LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS vi SUMÁRIO
vii
1 INTRODUÇÃO………………………………………………………………………….
1
2 OBJETIVO ……………………………………………………………………………
3
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA…………………………………………………………. 4 3.1 Sociedade classificadora………………………………………………………….... 4 3.1.1 Breve noção sobre a história da sociedade classificadora na construção naval.......................................................................................................................
4
3.1.2 Criação da associação internacional das sociedades classificadoras.......... 7 3.2 Docagem………………………………………………………………………………… 8 3.2.1 Considerações técnicas na docagem de navios................................................ 8 3.2.1.1 Definição………………………………………………………………………...... 8 3.2.2 A manutenção de navios e as docagens......................................................... 9 3.2.3 Tipos de diques……………………………………………………………………… 10 3.2.3.1 Dique seco………………………………………………………………………… 10 3.2.3.2 Dique flutuante………………………………………………………………….. 11 3.2.3.3 Monitoramento das ações ………………………………………………………… 12 3.3 Aços para construção naval e seus ensaios....................................................... 14 3.3.1 Definição…………………………………………………………………………….. 14 3.3.2 Classificação……………………………………………………………………….. 15 3.3.2.1 Aço estrutural de resistência comum para o casco....................................... 16 3.3.2.2 Aço estrutural de alta resistência para o casco............................................ 17 3.3.3 Redução de espessura do chapeamento de embarcações............................. 17 3.4 Soldagem…………………………………………………………………………........ 17 3.4.1 Soldagem por arco elétrico………………………………………………………… 18 3.4.2 Procedimento para soldagem……………………………………………………… 19 3.4.3 Zona termicamente afetada……………………………………………………….. 19 3.4.4 Metal base……………………………………………………………………………. 19 3.4.5 Metal de solda solidificado……………………………………………………....... 20 3.4.6 Defeitos mais comum na soldagem ao arco..................................................... 21 3.4.7 Critérios para avaliação do projeto e das soldagens de aços estruturais e de alta resistência........................................................................................................
22
3.5 Corrosão……………………………………………………………………………... 22 3.5.1 Introdução……………………………………………………………………….......... 22 3.5.1.1 Noções sobre corrosão………………………………………………………….. 23 3.5.1.2 Tipos de corrosão…………………………………………………………………. 24 3.5.1.2.1 Corrosão eletroquímica………………………………………………………….. 24
viii
3.5.1.2.2 Corrosão eletrolítica……………………………………………………………. 25 3.5.1.3 Morfologia da corrosão…………………………………………………………… 26 3.5.2 Corrosão na indústria naval ………………………………………………………. 28 3.5.2.1 Tipos de corrosão mais frequentes no chapeamento de navios.................. 28 3.5.2.2 Regiões mais críticas de navios sujeitas à corrosão...................................... 29 3.6 Logística de docagem aplicada à substituição de chapas.................................... 30 3.7 Ensaios……………………………………………………………………………........ 31 3.7.1 Ensaios não destrutivos (END)…………………………………………….............. 31 3.7.1.1 Ensaio por ultrassom……………………………………………………………. 32 3.7.1.2 Ensaio de líquido penetrante……………………………………………………. 33 3.7.2 Ensaios destrutivos (ED)…………………………………………………………… 34 3.7.2.1 Ensaio de metalográfico…………………………………………………………. 35 3.7.2.2 Ensaios de corrosão………………………………………………………………. 36 3.7.2.2.1 Ensaio acelerado de corrosão……………………………………….............. 36 3.7.2.2.2 Ensaio de corrosão de campo.................................................................... 37 3.7.2.3 Ensaios mecânicos…………………………………………………………......... 37 3.7.2.3.1 Ensaio de tração……………………………………………………………….. 37 3.7.2.3.2 Ensaio de dobramento……………………………………………………....... 38 3.7.2.3.3 Ensaio de dureza……………………………………………………………… 39 3.7.2.3.4 Ensaio de impacto………………………………………………………………
39
4 MATERIAIS E MÉTODOS……………………………………………………………. 41 4.1 Introdução………………………………………………………………………….... 41 4.2 Materiais……………………………………………………………………………….... 41 4.2.1 Apresentação dos aços……………………………………………………………. 41 4.2.1.1 Metal de adição………………………………………………………………….. 43 4.2.2 Métodos de ensaios………………………………………………………………… 44 4.2.2.1 Ensaio metalográfico…………………………………………………………….. 44 4.2.2.2 Ensaio de névoa salina………………………………………………………….. 45 4.2.2.3 Ensaio de corrosão em campo...................................................................... 50 4.2.2.4 Preparação dos CP’s para os ensaios de tração e dobramento................... 51 4.2.2.4.1 Ensaio de tração……………………………………………………………….. 56 4.2.2.4.2 Ensaio de dobramento……………………………………………………..... 59 4.2.2.5 Ensaio de dureza ......................................................................................... 62 4.2.2.6 Ensaio de impacto de charpy....................................................................... 63 4.3 Estudo matemático……………………………………………………………………
65
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES…………………………………………………….. 67 5.1 Ensaios não destrutivos…………………………………………………………..... 67 5.1.1 Resultado de líquido penetrante e ultrassom................................................... 67 5.2 Ensaios destrutivos…………………………………………………………………… 68 5.2.1 Resultado do ensaio metalográfico ………………………………………………. 68 5.2.2 Resultados do ensaio de corrosão em câmara de névoa salina..................... 70 5.2.3 Resultados do ensaio de corrosão em campo................................................ 71 5.2.4 Resultados do ensaio de tração...................................................................... 71 5.2.4.1 Primeira Análise do ensaio de tração dos aços em estudo.......................... 71
ix
5.2.4.1.1 Aço ASTM-A-131-Gr A............................................................................. 72 5.2.4.1.2 Aço ASTM-A-131-Gr AH36....................................................................... 73 5.2.4.2 Segunda Análise do ensaio de tração na junta soldada.............................. 74 5.2.4.2.1 Junta soldada com os aços ASTM-A-131-Gr A com Gr AH36........................ 74 5.2.4.3 Terceira análise do ensaio de tração na junta soldada dos aços corroídos...............................................................................................................
75
5.2.4.3.1 Junta soldada com os aços ASTM-A-131-Gr A com Gr AH36 submetida à corrosão em câmara de névoa salina por 600 horas.........................................
76
5.2.4.4 Análise comparativa dos resultados obtidos dos ensaios de tração........... 77 5.2.5 Resultado do ensaio de dobramento............................................................... 78 5.2.6 Resultados do ensaio de dureza...................................................................... 78 5.2.7 Resultado do ensaio de impacto..................................................................... 79 5.3 Análise geral dos resultados dos ensaios executados ..................................... 79 5.4 Proposta para a substituição dos aços................................................................ 79 5.4.1 Estudo matemático da proposta………………………………………………….
79
6 CONCLUSÃO..........................................................................................................
81
TRABALHOS FUTUROS.........................................................................................
84
7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................... 85
1
1 INTRODUÇÃO
Um dos principais objetivos dos Construtores Navais e dos Armadores consiste
em assegurar que a segurança da navegação e a confiabilidade dos sistemas
instalados sejam mantidas a níveis elevados ao longo de todo o ciclo de vida operativa
de seus navios. Além disso, as condições da estrutura e da maquinaria das
embarcações são elementos muito importantes para as Companhias Seguradoras,
passageiros e tripulação, autoridades portuárias e comunidades de regiões costeiras
onde existe tráfego de navios comerciais. Por isso, foram criadas Companhias capazes
de garantir a segurança e a confiabilidade dos navios em operação, chamadas de
Sociedades Classificadoras, que vistoriam as embarcações, no seu projeto, na sua
construção e principalmente nos seus períodos de docagem, visando garantir o bom
funcionamento de todos os seus sistemas.
No caso específico de uma docagem, um aspecto direcionador de sua realização
é o estudo de viabilidade econômica, onde o Armador busca menores preços, melhores
serviços, operações mais ágeis, confiáveis, seguras e, acima de tudo, de preservação
do meio ambiente. Outro aspecto importante é o tempo inoperante de um navio docado,
pois, pode afetar fortemente o desempenho das operadoras, de seus serviços,
diminuindo os resultados financeiros e até mesmo prejudicando o relacionamento com
seus clientes atuais e potenciais.
A realização de uma docagem basicamente pode ocorrer em decorrência de três
exigências: para atender à legislação, para atendimento às regras de uma Sociedade
Classificadora ou por necessidade de reparos não programados. Como durante uma
docagem a retirada de operação do navio é inevitável, busca-se constantemente reduzir
ao mínimo o tempo inoperante do navio e esse aspecto passa a ser um fator
estratégico para a gestão da vida útil do navio.
Os trabalhos mais comuns que são realizados nas obras vivas de um navio –
parte submersa do casco quando o mesmo se encontra na condição de plena carga –
durante o período de docagem compreendem: limpeza, jateamento, pintura, reparo do
chapeamento do casco juntamente com seus reforços, verificação e/ou substituição dos
anodos de sacrifício, e apêndices, tais como leme, eixo, propulsor e demais itens que
2
normalmente não estão acessíveis ou são de difícil acesso quando o navio encontra-se
em operação. Devido a isto, o estudo da solução mais adequada para a preservação da
integridade do casco de um navio torna-se também um assunto de suma importância
para a logística de docagem.
Com a finalidade de minimizar o tempo do navio no dique e os custos com
atividades de apoio logístico devido à substituição do chapeamento condenado por ter
atingido a espessura crítica, ou seja, redução em 25% da sua espessura original,
conforme determinação da Associação Internacional das Sociedades Classificadoras
(IACS), podem ser identificadas as regiões que são mais sujeitas a apresentarem
corrosão e aplicar outros métodos de preservação da integridade do casco além da
proteção catódica e da pintura. Um desses métodos é a utilização de chapas mais
resistentes nas suas propriedades mecânicas em regiões das obras vivas pré-
determinadas que, mantendo-se a espessura original de projeto, permitir-se-á uma
maior durabilidade do chapeamento, aumentando intervalo de tempo em que será
realizada uma das atividades críticas de docagem que é a substituição do chapeamento
do casco na região de obras vivas.
Para a ocorrência dessa substituição nas regiões críticas, relativas à corrosão,
localizadas nas obras vivas do casco, foram fabricados painéis soldados com os dois
tipos de aço, o que exigiu um estudo direcionado à análise dessa hipótese. Para isso,
tornou-se necessário a execução dos ensaios de Líquido Penetrante, Ultrassom,
Metalográfico, Corrosão, Tração, Dureza e Impacto com os aços em estudo, Assim,
esse estudo visou verificar a substituição do aço ASTM-A-131-Gr A , que é o tipo de
aço mais empregado na construção naval, pelo aço ASTM-A-131-Gr AH36, o qual
apresenta-se favorável, por possuir propriedades mecânicas superiores ao primeiro,
com a finalidade de minimizar o tempo de docagem.
3
2 OBJETIVO
Esse estudo visa demonstrar a eficiência da substituição do aço ASTM-A-131-Gr
A pelo aço ASTM-A-131-Gr AH36, nas regiões de obras vivas, com a finalidade de
preservar por tempo superior a integridade do casco dos navios e minimizar os
impactos na logística de docagem.
4
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Sociedade classificadora
3.1.1 Breve noção sobre a história da sociedade classificadora na construção naval
No século XVII o movimento comercial marítimo já era intenso, com os navios
cada vez maiores assim como os volumes de cargas. A segurança no mar, tanto para o
navio como para as mercadorias que transportavam, se tornava a grande preocupação
de armadores, comandantes de navios, comerciantes, banqueiros e Companhias de
Seguro (EMILIO, 2011).
Em 1668, agentes de seguros reunidos no café de Edward Lloyd, em Londres,
resolveram emitir uma lista de navios que, por meio de símbolos, davam ideia de suas
condições. Nessa época, o único tipo de garantia que podia ser oferecida aos navios e
às cargas a serem transportadas, era uma breve vistoria nas embarcações e no tipo de
carga a serem transportadas. Dessa forma, foi feita uma Lista que registrava a ordem
de qualidade e conservação dos navios em operação naquele momento (EMÍLIO,
2011).
Cem anos mais tarde, em 1760, foi formada uma Comissão com este objetivo
expresso, dando origem ao Livro de Registro de Lloyd em 1764-65-66 e que constitui a
mais antiga iniciativa desta comissão (EMÍLIO, 2011).
Assim nasceu o Lloyd's Register (O Registro do Lloyd). E o registro tornou-se
sumamente interessante para os afretadores, já que o transporte marítimo era muito
arriscado naquela época, havendo sempre boas chances da carga não chegar no seu
destino. Assim, o Registro foi a primeira referência à que os afretadores e as
seguradoras podiam recorrer para saber da confiabilidade do navio a ser afretado. E em
pouco tempo, os afretadores apenas aceitavam os navios inscritos no Livro de Registro.
Assim, todas as seguradoras passaram a exigir dos armadores que as suas
embarcações fossem classificadas, com a finalidade de serem asseguradas. Este fato
criou uma união entre Sociedade Classificadora e Companhia de Seguro. Tendo em
vista o impulso da construção naval no século XIX, várias Sociedades Classificadoras
foram surgindo em diversos países, como RINA – Registro Italiano Navale (1861),
5
ABS –American Bureau of Shipping (1862), DNV – Det Norsk Veritas (1864), GL –
Germanisher Lloyd (1867), entre outras.
Atualmente as Sociedades Classificadoras têm o compromisso de acompanharem
o projeto, construção, instalação de máquinas, motores, circuitos elétricos, sistema
propulsor, acabamento, prova de cais, prova de mar, etc., para garantirem e
classificarem a perfeita condição de operação da embarcação que foi construída
seguindo as exigências das Regras por elas desenvolvidas.
Essas entidades são independentes, autorreguladas, auditadas externamente, não
possuindo interesses comerciais relacionados com o projeto, construção, propriedade,
operação, gestão, manutenção ou reparação de navios, com os seguros ou com o
fretamento. No estabelecimento de suas regras, cada sociedade de classificação pode
recorrer ao aconselhamento e à revisão por membros da indústria considerados peritos
nos seus domínios de atividade (EMÍLIO, 1991).
A importância de uma Sociedade Classificadora reside na confiança do armador,
que tem seu navio construído dentro de normas comprovadas por muitos anos de
experiência sob a fiscalização de técnicos especializados, garantindo-lhe ainda
assegurar o navio e as mercadorias em uma Companhia de Seguros. Suas principais
atividades são:
1. Publicar regras e regulamentos de construção do casco, instalações
propulsoras, auxiliares e equipamentos, inclusive especificações de materiais;
2. Inspecionar a construção de navios que estão sendo fabricados sob sua
regulamentação, inclusive as máquinas e equipamentos nele instalados juntamente
com o ferro e amarra, acompanhando os testes e provas realizadas;
3. Verificar, através de seus técnicos, os planos dos navios que desejam
classificação pela sociedade;
4. Emitir o Certificado de Classificação e Registro do Navio, conforme sua
classificação;
5. Definir e acompanhar a marcação da Borda-Livre;
6. Realizar inspeções periódicas, ou logo após qualquer avaria e reparo, nos
navios sob seu registro, a fim de manter a classificação;
6
7. Inspecionar qualquer navio, a pedido de Armadores e Classificadores;
8. Publicar uma listagem dos navios classificados, informando suas principais
características; e,
9. Publicas informações estatísticas e boletins informativos sobre os navios em
construção (FONSECA, 1989).
Assim como a atividade marítima tem se diversificado, ela também tem ampliado
seu escopo. Algumas delas passaram a desenvolver padrões de qualidade para a
indústria offshore. Todas elas, por força de sua posição técnica, passaram a ser
inspetoras oficiais do cumprimento dos regulamentos de segurança da IMO
(International Maritime Organization), que é um departamento da ONU. Desse modo,
são as Sociedades Classificadoras que emitem os certificados navais em nome dos
governos. Nenhum navio pode ser registrado em porto algum no mundo se não tiver a
chancela de uma SC. (SOUZA, 2010)
As Sociedades de Classificação mantêm departamentos de investigação cuja
finalidade é o desenvolvimento contínuo de normas técnicas visando a segurança do
navio (EMÍLIO, 2011).
As regras são desenvolvidas para contribuir com a resistência estrutural e
integridade do casco da embarcação e seus apêndices, bem como a funcionalidade de
equipamentos e sistemas (elétrico, propulsivo etc), a fim de manter os serviços
essenciais a bordo.
O armador e o operador do navio são obrigados a informar, sem demora, a
Sociedade Classificadora em causa de quaisquer defeitos ou eventos que decorram
entre inspeções e que possam comprometer a classe, o que poderá exigir uma
docagem.
As diferenças das regras, e as publicações organizacionais que influenciaram
suas aplicações, conduziram a diferentes resultados em termos da segurança e
confiabilidade.
As Sociedades Classificadoras exigem uma vistoria geral chamada “Vistoria
Especial Periódica” no intervalo de quatro anos, sendo a primeira durante a construção
do navio. Em geral, tendo em vista o tempo necessário de docagem para verificação de
7
todas as partes integrantes dessa vistoria, como casco, caixa de mar, motores, eixos,
leme, etc., os navios mercantes preferem realizar uma docagem a cada dois anos, com
a finalidade de que na última docagem, ou seja, a de quatro anos, esteja em condição
satisfatória todos os itens que compõem a lista de vistoria para a aprovação da
Classificação da embarcação. Assim, a cada dois anos, as obras vivas (parte submersa
do navio) têm a chance de serem examinadas, sendo obrigatória em todas as docagens
a limpeza de toda essa região, com a finalidade de possibilitar uma vistoria mais
eficiente, principalmente no chapeamento do casco (ABS, 1979).
3.1.2 Criação da associação internacional das sociedades classificadoras
Devido às diversas sociedades classificadoras criadas pelo mundo todo, foi criada
em 11 de setembro de 1968 a Associação Internacional das Sociedades
Classificadoras (International Association of Classification Societies – IACS), que
representa as dez maiores sociedades classificadoras consideradas do mundo:
ABS – American Bureau of Shipping
BV – Bureau Veritas
CCS – China Classification Society
DNV – Det Norske Veritas
GL – Germanischer Lloyd
KR – Korean Register of Shipping
LR – Lloyd`s Register
NK – Nippon Kaiji Kyokai
RINA – Registro Italiano Navale
RS – Russian Maritime Register of Shipping
Essas companhias têm como competência zelar pela segurança das
embarcações, sendo que a partir de 1969, junto da Organização Marítima Internacional
(International Maritime Organization), começou-se também a preservação das águas
internacionais, procurando evitar a contaminação do mar por onde os navios trafegam
em suas operações. Atualmente, essa Associação (IACS) é responsável pela
classificação de quase todos os navios que transportam qualquer tipo de carga nos
8
oceanos, através de Regras a serem cumpridas desde o seu projeto e construção, até o
término de sua vida útil, conforme IACS (SOUZA, 2010).
Um dos exemplos aconteceu no Alasca com um navio petroleiro chamado Exxon
Valdez, em 24 de março de 1989, quando ~ 40 900 a 120 000 m³ (equivalente a 257
000 a 750 000 barris) de petróleo que transportava foram lançados ao mar, conforme
Figura 1. O acidente aconteceu na costa do Alasca, depois de o navio encalhar
na Enseada do Príncipe Guilherme (Prince William Sound).
Figura 1 - Desastre do Exxon Valdez no Alasca, em 1989
Fonte:Revista Época – O Globo, 2010)
3.2 Docagem
3.2.1 Considerações técnicas na docagem de navios
3.2.1.1 Definição
O período compreendido entre a retirada de um navio de operação, a sua entrega
a um estaleiro para execução dos reparos, a execução dos reparos e o retorno à
operação é denominado de docagem, mesmo termo utilizados pelas operadoras
(TRANSPETRO, 2000).
9
A docagem de qualquer navio pode ser caracterizada como um projeto, pois é
temporária e única, e tem um alto grau de incerteza e complexidade. É temporária, pois
o navio é retirado de sua operação rotineira e enviado a um estaleiro para ser
reformado, tendo, portanto, uma programação de data de início, duração, escopo
definido, custo estimado e especificação de qualidade de serviços. É única, pois toda
docagem é diferente das demais, seja pela diversidade de navios, de estaleiros, de
épocas e de especificações e quantificações de serviços (MODICA, 2009).
Docagem pode ser assim entendida como sendo um dos elos da cadeia produtiva
do mercado da indústria naval, especialmente a de transporte marítimo, que possui
projetos caracterizados pela manutenção preventiva dos sistemas e equipamentos dos
navios em operação (SOUZA, 2010).
3.2.2 A manutenção de navios e as docagens
Obedecendo as regras definidas pela Sociedade Classificadora, é delineado para
cada navio construído, um Plano de Manutenção que certificará a construção desse
navio, pelo porto de registro e pelo próprio Armador. Esse Plano varia de acordo com o
tipo de classe que é atribuída ao navio e consiste numa série de eventos que incluem
inspeções visuais, execução de testes em alguns dos equipamentos presentes a bordo
e em elementos estruturais da embarcação, bem como docagens periódicas (SOUZA,
2010).
Além disso, a qualidade do tratamento da superfície do casco, seja externamente
ou internamente em regiões críticas, como tanques de lastro e fundo de praça de
máquinas, principalmente na região das obras vivas, deteriora-se continuamente com a
sua utilização e, os fornecedores garantem as características de seus produtos por
períodos de tempo determinados. Deste modo, na escolha dos produtos que serão
utilizados, busca-se selecionar aqueles cujo período de vida útil normalmente coincide
com os intervalos entre docagens, definidos como obrigatórios pela Sociedade
Classificadora, Companhia de Seguros, Diretoria de Portos e Costas e interesses do
Armador (BENKOVSKY, 1977).
Uma embarcação visita um estaleiro com a finalidade de cumprir o seu Período de
Docagem de Rotina (PDR), visando executar a sua manutenção e vistoria em
10
conformidade às exigências contidas nas regras da Sociedade Classificadora, nos
intervalos estipulados no Plano de Manutenção. Porém, existem situações em que se
torna imperiosa a docagem em tempos extraordinários em virtude de graves avarias
como motor de combustão principal (MCP), leme, eixo, etc, ou danos no casco
provocados por graves acidentes que podem tornar complexa a reparação necessária.
A docagem representa assim a possibilidade de inspecionar o navio e proceder às
necessárias reparações com este fora d’água, permitindo o acesso a zonas
normalmente só acessíveis por mergulhadores.
3.2.3 Tipos de diques
Nos estaleiros visitados, foram verificadas basicamente a utilização de dois tipos
de diques: dique seco (“graving dock”) e dique flutuante (“floating dock”). Outros tipos
de docagem usados em situações específicas, com a finalidade de não comprometer a
manutenção de outras embarcações, fator tempo, são a carreira de encalhe e o de
elevação da embarcação até o nível do piso seguido de deslocamento horizontal do
mesmo, conhecido como “load-out, load-in”(BENKOVSKY, 1977).
3.2.3.1 Dique seco
Neste tipo de dique, o fundo encontra-se a vários metros abaixo da linha d’água
quando na maré zero (cota média mais baixa da superfície d’água na localização do
dique). Os navios entram no dique e uma comporta que permite a estanqueidade do
dique (também chamada de porta batel) é colocada para permitir o fechamento do
mesmo. O dique é então esgotado por meio de bombas, jogando água para o lado de
fora do dique e deixando o navio apoiado em picadeiros, conforme pode ser observado
na Figura 2.
A manobra de flutuação corresponde ao enchimento do dique, que ocorre por
gravidade (pois este se encontra sempre abaixo da cota d’água do lado de fora) através
da abertura de válvulas. Quando o nível d’água dentro do dique é igual ao do meio
exterior, esta operação termina e a comporta é retirada, permitindo que o navio saia
com o auxílio de rebocadores (SOUZA, 2010).
11
Figura 2: Exemplo de um dique seco quando vazio e com navio docado.
Fonte: do autor, 2010.
3.2.3.2 Dique flutuante
O Dique Flutuante opera de forma inversa ao anterior, pois neste caso o dique é
que emerge e submerge, eliminando assim a necessidade de movimentar o navio a um
nível superior e/ou da existência de uma comporta (Figura 3).
Apesar de ser um equipamento versátil, que normalmente pode ser transportado
de um lugar para outro, implica uma dificuldade acrescida na sua própria manutenção,
pois estará sempre com uma parte submersa, obras vivas, responsável pela flutuação
do seu peso, seu deslocamento. Por ser uma estrutura flutuante, semelhante a um
navio, possui a mesma suscetibilidade às intempéries, por causa dos ventos fortes,
correntes e estados do mar (ou outro meio fluido onde este se encontra flutuando).
Figura 3 - Exemplo de um dique flutuante
Fonte: do autor, 2010.
12
3.2.3.3 Monitoramento das ações
A Seção de Docagem é responsável pelo posicionamento, no fundo do dique, dos
“picadeiros” e “berços” necessários para suportar o deslocamento do navio após a
retirada de toda água.
Os picadeiros são posicionados em fileiras longitudinais, sendo a principal
posicionada sob a quilha central do navio e os apoios laterais (berços) sob longarinas e
cavernas reforçadas em ambos os bordos.
Enquanto os picadeiros suportam a maior parte do peso do navio, os berços, além
de garantir o equilíbrio do navio reduzindo o risco de tombamento, servem para dar
sustentação ao restante da carga (BENKOVSKY, 1977).
O Plano de Docagem do navio é elaborado com a finalidade de fornecer o
posicionamento e a quantidade necessária de picadeiros e berços, que devem ser
usados para manter a sustentabilidade da embarcação a seco, de forma que a pressão
exercida sob a estrutura do casco por esses apoios, consiga substituir a pressão
submetida a embarcação quando em flutuação. Ou seja, transformar a viga auto-
equilibrada (carga distribuída dando a sustentação) em uma viga hiperestática (vários
picadeiros e berços dando a sustentação).
Com a docagem confirmada, trata-se de identificar o melhor dia e horário para a
realização deste evento, já que a grande dificuldade era movimentar o navio sem
jamais perder o controle sobre seu movimento. O dique escolhido é posicionado
perpendicularmente à Baía de Guanabara e isso gera toda uma série de problemas
especiais. As correntes marítimas, geradas pela simples variação da maré, pode tornar-
se um fator crítico no momento do evento, pois com esse fato cria-se uma força de
arraste contra a área projetada do casco na sua parte submersa (comprimento x
calado), gerando uma pressão de valor significativo para contra essa superfície. Vale
lembrar que uma pequena corrente marítima seria suficiente para desalinhar
severamente o navio durante sua entrada no dique, gerando um importante e sério
risco de colisão. Para contornar isso, a escolha da hora do evento torna-se uma
decisão crucial (SOUZA, 2010).
13
Para que essa variação seja a mínima possível, é escolhido o período da virada
da maré, na preamar, onde a maré está com sua maior altura. Durante cerca de 20
minutos, bem no auge da preamar, a variação da maré na Baía da Guanabara é
praticamente zero. Assim a folga, ou seja, a distância entre o fundo do navio e a parte
mais alta no fundo do dique – geralmente correspondente a parte superior dos
picadeiros, que são mais altos que a soleira – fica aumentada. Outra preocupação da
equipe era com o efeito dos ventos sobre o costado e superestrutura do navio. Para
que isso não fosse problema era necessário encerrar toda a atividade de docagem
antes do momento do dia quando começa a ventar na região da Baía da Guanabara.
Outra limitante adicional era a questão da visibilidade, o que exigia que o trabalho
apenas ocorresse após o nascer do sol. Conjugando todos estes fatores, a maré alta,
horário de pouco vento e boa luz, escolhe-se a data mais cedo que permita a realização
desta docagem, fazendo tudo com a devida calma e prudência.
O Setor de Manobras de Navios é responsável pela movimentação dos navios
com auxílio de rebocadores. Este Setor que planeja e executa esta atividade deixando
o navio totalmente seguro dentro do dique.
Depois da entrada do navio no dique e seu alinhamento sobre os apoios, inicia-se
o esgotamento do dique. É neste momento que terá início a parte mais delicada da
docagem – giro sobre o picadeiro pivô. Apesar de todas as fases da docagem serem
importantes no projeto, pode-se dizer que este é o momento crucial do evento, o que
obriga a todos planejarem a forma mais segura e econômica com o menor risco.
Terminada essa atividade importante, terá início àquela que foi a causa principal
desta docagem e que está no caminho crítico do cronograma, ou seja, resolver os
problemas que se encontram no chapeamento do navio que apresentem espessura
crítica devido ao nível de corrosão.
Com o navio docado, pode-se realizar inspeção visual e inspeção por ensaio não
destrutivo (ultra-som) no chapeamento das obras vivas. Durante a inspeção visual
pode-se constatar a presença de grande quantidade de corrosão localizada conhecida
por “Pitting”, este tipo de corrosão é extremamente agressiva e prejudicial à estrutura do
navio devido às altas taxas de redução de espessuras que podem acarretar em áreas
14
localizadas. Pode-se observar também a necessidade de recuperação de trechos de
cordões de solda (BENKOVSKY, 1977).
3.3 Aços para construção naval e seus ensaios
Todos os materiais sujeitos a ensaios e inspeção, para uso na construção do
casco e do equipamento de navios classificados ou propostos para classificação,
deverão estar de acordo com os requisitos das Sociedades Classificadoras. Materiais
dos corpos de prova e procedimentos para ensaios mecânicos que possam ter
características diferentes daquelas aqui prescritas poderão ser aprovados mediante
solicitação, sendo dada a devida atenção às práticas usuais no país onde o material é
fabricado e o propósito ao qual o material se destina, isto é, peças nas quais será
usado, tipo de navio e serviço em que será aplicado e a natureza da construção do
navio (ABS, 1979).
O aço responde por cerca de 22% do custo final de um navio e os
desenvolvimentos de aços para aplicações militares levou à evolução aços de alta
resistência (HTS, High Tensile Steel), com tensão de escoamento de 207 MPa, para
276 MPa, utilizado anteriormente em navios comerciais, para aços de alto escoamento
(HY, High Yield), com tensão de escoamento de 551 MPa . Submarinos utilizam aços
com 714 MPa. Na última década, a ênfase tem sido o custo-benefício das
embarcações, projetos mais sofisticados, realizados por programação computacional e
envolvendo a utilização de aços de alta resistência, tem permitido aos projetistas de
navios reduzirem a quantidade de aço estrutural por tonelada de capacidade de carga
(ABM, 2008). Atualmente, através das pesquisas desenvolvidas sobre esses aços,
conseguiu-se um aumento considerável, elevando o limite das tensões de escoamento
do HY80 de 551MPa para 690MPa e de 714MPa para 827MPa do HY100, sendo este
último usado, no Brasil, para construção do submarino de projeto francês.
3.3.1 Definição
O aço pode ser considerado como o material de construção mais versátil que
existe no mercado, possuindo uma combinação excelente de resistência mecânica e
ductilidade e de fácil disponibilidade. O uso de aço em projetos estruturais permite a
15
redução de peso, traz economias na fabricação e manutenção e contribui para
prolongar a vida útil da estrutura.
Os principais requisitos para os aços destinados à aplicação estrutural são:
elevada tensão de escoamento, elevada tenacidade, boa soldabilidade,
homogeneidade microestrutural, boa conformabilidade a frio e a quente,
susceptibilidade de corte por chama sem endurecimento e boa trabalhabilidade em
operações tais como: corte, furação e dobramento, sem que se originem fissuras ou
outros defeitos.
Existem mais de 3500 tipos diferentes de aços e cerca de 75% deles foram
desenvolvidos nos últimos 20 anos. Os aços-carbono possuem em sua composição
apenas quantidades limitadas dos elementos químicos carbono, silício, manganês,
enxofre e fósforo. Outros elementos químicos existem apenas em quantidades residuais
(ABM, 2008).
3.3.2 Classificação
Embora não exista muita novidade em termos de aços fundamentalmente
diferente dos tradicionais, existem estudos de melhoria contínua da qualidade e
desempenho dos aços para navios. Os aços de menor resistência mecânica, aplicados
em navios, abrangem graus A, B, D e E, com limite de escoamento mínimo especificado
de 315 MPa e com LR de 440-490 MPa. Para os graus A e B (até 25 mm) não há
exigências de tenacidade ao impacto (Charpy) especificadas. Porém, os graus B (até
50 mm), D e E possuem exigências de tenacidade ao impacto, com valores de energia
absorvida de 27J, a 0C, a – 40C, para o grau E. Os aços classificados com grau AH,
DH e EH, ou seja, de elevada resistência mecânica, são utilizados para a fabricação do
casco (hull structure) do navio em locais onde apresentam elevados esforços atuantes.
O limite de escoamento (LE) mínimo especificado para estes graus está na faixa de 315
MPa a 355 MPa. Os aços EH possuem uma faixa de 490 a 620 MPa para o limite de
ruptura. Para uma determinada classe de LE, os três graus AH, DH e EH, as
especificações exigem um determinado valor de energia de impacto Charpy para
diferentes temperaturas de ensaio, sendo 0C, para AH; -20C, para DH; e -40C, para EH
(ABS, 1979).
16
3.3.2.1 Aço Estrutural de resistência comum para o casco
Entende-se como aço de resistência normal para construção naval um aço cujo
limite superior de escoamento seja pelo menos de 235 MPa (grau de qualidade A,
t > 25,5 mm pelo menos 226 MPa) e cuja resistência à tração esteja entre 400 e 490
MPa (GL, 1979). Vale ressaltar que as chapas de todos os elementos da Figura 4
(trincaniz, cintado, fiada do bojo, fundo, costado e convés) possuem o grau de
qualidade A, por terem a espessuras menores que 19,5 mm, conforme orientação das
Sociedades Classificadoras.
Figura 4 - Seção Transversal de um Navio
Fonte: do autor, 2015.
O aço deverá ser produzido por um ou mais dos seguintes processos: Siemens-
Martin, oxigênio básico, forno elétrico, refusão a arco-vácuo e refusão a eletroescória,
ou por outro processo que possa ser especialmente aprovado. Maiores detalhes sobre
as propriedades mecânicas, a soldabilidade e a obediência às Regras em todos os
aspectos, deverão ser submetidos pelo fabricante do aço para revisão e aprovação
17
quando forem propostos aços ou métodos de produção novos ou especiais, ou quando
novas usinas de aço requisitar aprovação do Bureau para o produto (ABS, 1979).
3.3.2.2 Aço estrutural de alta resistência para o casco
Entende-se como aço de resistência mais elevada para construção naval um aço
cujos valores de resistência se situam acima daqueles para um aço de resistência
normal para construção naval. De acordo com os regulamentos para materiais é
determinado o limite superior de escoamento para dois tipos de aço de maior
resistência para construção naval, sendo os mesmos de respectivamente 317 e 353
MPa (GL, 1979).
O processo de fabricação, o tratamento térmico (quando especificado), número
dos ensaios e acabamento superficial deverão satisfazer aos mesmos requisitos
especificados para o aço estrutural de resistência comum (ABS, 1979).
3.3.3 Redução de Espessura do Chapeamento de Embarcações
Visto que as embarcações estão suscetíveis à corrosão em seus chapeamentos, é
notória a perda significativa de espessura ao longo do tempo e podendo apresentar
maior desgaste na espessura principalmente nas obras vivas devido ao mau
funcionamento da pintura e proteção catódica, ou circuito impresso aplicados.
As chapas componentes do casco, cavernas e reforços devem ser renovadas
quando a espessura média desses itens atingirem uma espessura igual ou inferior a 75
% da espessura original de projeto, ou seja, quando houver uma perda igual ou superior
a 25% da espessura original, este item deverá ser trocado (DNV, 2006).
3.4 Soldagem
A soldagem pode ser encarada sob dois aspectos, que são: reparação e
construção. Por muito tempo a soldagem foi encarada apenas como processo de
reparação. Só no segundo quarto deste século é que ocorreu sua aceitação em
construções que requerem qualidade. Até esta época, a soldagem era considerada um
remendo e preferiam-se peças rebitadas. Todavia, durante a segunda guerra, e nos
anos que se seguiram, as novas técnicas tiveram grande desenvolvimento (QUITES e
DUTRA, 1979).
18
A soldagem pode ser classificada como um complemento aos processos de
conformação metalúrgica (fundição, laminação, forjamento, extrusão) e mecânica
(usinagem); é, portanto, um processo metalúrgico. A poça de fusão que no metal de
base se forma durante a soldagem ou a fusão da vareta é, em tudo, semelhante ao que
se processa no interior de um cadinho ou de um forno. As reações químicas e as
mudanças de estado são perfeitamente idênticas. Durante a solidificação da poça de
fusão, observam-se os mesmos fenômenos existentes no interior de uma lingoteira ou
molde (ABS, 1989).
3.4.1 Soldagem por arco elétrico
Inicialmente, o arco elétrico (voltaico) foi utilizado para produzir luz, devido a
grande luminosidade produzida, que de tão intensa, seu inventor o anunciou
prometendo transformar a noite em dia. Porém, o que interessa à soldagem, não é essa
luminosidade, mas sim o calor que ele produz. Atualmente, o arco elétrico constitui o
principal meio de se produzir a soldagem de metais (QUITES E DUTRA, 1979).
Um grande número de processos de soldagem faz uso do arco voltaico, pois o
calor por ele fornecido pode ser bem concentrado e controlado. “Sua “potência” é
representada pelo produto da “intensidade de corrente (I)” através do arco e a diferença
de potencial (V)” neste mesmo arco.
P = V.I watts (1)
A essa potência, durante um certo tempo, corresponderá um certo dispêndio de
energia, representado por:
W = V.I.t joules (2)
Se a potência é expressa em “watt”, veremos que o trabalho “W”será expresso em
“joules”, quando o tempo for tomado em segundo.
A experiência mostra que essa energia se dissipa sob forma de calor. A
quantidade de calor despendida (Q) é equivalente à energia (W) e, sendo “J” o
equivalente mecânico da caloria, teremos:
W = V.I.t = R.I2.t = J.Q (3)
Sendo: J (caloria-grama) = 4,186 joules ou 1 Joule = 0,239 caloria-grama.
19
A construção naval é, hoje em dia, um dos maiores utilizadores da soldagem por
arco elétrico. É também neste campo de atividade industrial onde se encontra um
sistema de controle indireto bastante rigoroso e com muitos anos de experiência (ABM,
1983).
3.4.2 Procedimento para soldagem
Procedimentos para soldagem de todas as juntas deverão ser estabelecidos para
os processos de soldagem, tipos de eletrodos, preparação das arestas, técnicas de
soldagem e posições propostas. Detalhes dos procedimentos de soldagem e sequência
propostos poderão ser exigidos para revisão, dependo da aplicação pretendida (ABS,
1979).
3.4.3 Zona termicamente afetada
A Zona Termicamente Afetada é a região do metal base que não se fundiu mas
que teve sua microestrutura e propriedades alteradas em função do ciclo térmico da
soldagem. As modificações que sobrevêm na zona termicamente afetada são
frequentemente função do tempo de permanência a altas temperaturas e do ciclo de
resfriamento; ambos fatores variam de um ponto a outro da zona afetada, só se
observando os seus efeitos através de um exame micrográfico (ABS, 1989).
3.4.4 Metal base
Metal Base representa todo o material que não sofreu modificações estruturais,
podendo-se tratar aqui do conjunto da peça soldada. E consequência lógica que os
efeitos da soldagem, sob outro ponto de vista, tais como as tensões residuais ou as
deformações, não cessam no limite exterior da zona termicamente afetada (ZTA) (ABS,
1989). A Figura 5 mostra um corte de uma chapa soldada, mostrando a ZTA, localizada
no número 3.
Figura 5 - Zona Termicamente Afetada - 3
Fonte: ETEP, 2006
20
Para o caso mais comum de soldagem, soldagem por fusão, todas as dificuldades
encontradas bem como todos os fenômenos metalúrgicos envolvidos são decorrentes
do ciclo térmico, onde as velocidades de resfriamento envolvidas são bem elevadas,
atuando ao redor de uma pequena área onde ocorre a fusão (poça de fusão) a cada
instante (ABS, 1989).
3.4.5 Metal de solda solidificado
A edificação da estrutura de solidificação da zona fundida das soldas se faz em
um molde ou uma lingoteira, a partir de germens cristalinos se desenvolvendo na
massa líquida. Quando a massa líquida é sede de um movimento de isotermas pelo
efeito do resfriamento, uma direção de desenvolvimento de cristais de solidificação se
acha privilegiadas, sobretudo se o banho de fusão é lento. O tamanho dos grãos de
solidificação, função do número de germens, tem relação com a velocidade do
resfriamento; sua orientação depende da rapidez e da regularidade do movimento das
isotermas. Assim, o metal fundido de uma solda se solidifica sofrendo duas influências;
a do metal base em relação à orientação cristalina dos grãos (conforme Figura 6) – que
nascem ao longo da zona de ligação e a do deslocamento das isotermas em relação à
direção privilegiada do desenvolvimento desses grãos (ABS, 1989).
Figura 6 - Regiões da Zona Termicamente Afetada
Fonte: ESAB, 2005
O defeito causado, conhecido como fissuração a frio (Figura 7), pode ocorrer tanto
na solda como na zona termicamente afetada. Podem-se caracterizar dois diferentes de
21
trincas a frio, conforme o mecanismo da sua formação:
a) As que são induzidas pelo hidrogênio, tanto na solda como na ZTA;
b) As que são de decoesão lamelar, na ZTA ou no metal base.
Para evitá-lo tem que se tomar o cuidado do resfriamento com resistências ou com
colocação de cintas feitas de isolantes térmicos com a finalidade de diminuir a brusca
mudança de temperatura que ocorreria sem esse tipo de proteção.
Figura 7 - Fissuração a frio
Fonte: ESAB, 2005
3.4.6 Defeitos mais comuns na soldagem ao arco
Os defeitos mais comuns que se podem apresentar em uma soldagem ao arco
são:
Porosidades
Inclusões de escória
Mordeduras
Defeitos na raiz
Defeitos na união
Trincas
Empenamentos
Soldas frágeis
Quando se trata de descobrir e localizar os defeitos de solda anteriormente
citados, alguns deles podem ser observados a olho nu, enquanto a maioria se acha
oculta, à maior ou menor profundidade no cordão. Um dos métodos de controle
22
empregados é o ensaio por ultrassom. Sua missão primordial é, naturalmente, a de
possibilitar um controle de qualidade, de maneira a se poder constatar se a soldagem é
boa ou má, sem modificar a construção ou detalhe da mesma (ABM, 1983)
3.4.7 Critérios para avaliação do projeto e das soldagens de aços estruturais e de alta
resistência
No projeto de uma construção soldada deve-se levar em consideração todos os
parâmetros envolvidos e correlacioná-los uns com os outros, bem como otimizar os
resultados a serem obtidos. Na realização de uma soldagem deve-se observar o
esquema apresentado na Figura 8, a seguir:
Figura.8 - Parâmetros envolvidos na realização da soldagem
Fonte: do autor, 2015
Quando se deseja realizar uma construção soldada deve-se fazer um controle
rigoroso dos detalhes da obra, dos parâmetros e das regras de projeto de maneira que
não ocorram dificuldades durante a realização das soldagens, bem como levar em
consideração as medidas que possam ser tomadas, visando minimizar futuros
problemas que possam ocorrer (IPT, 1976)
3.5 Corrosão
3.5.1 Introdução
Desde os primeiros tempos, o homem tem estado à procura de materiais de alta
resistência e durabilidade para fins de aplicação estrutural.
Até os anos 80, a procura concentrava-se principalmente na resistência mecânica,
mas com o desenvolvimento tecnológico a durabilidade começa a desempenhar um
papel importante, face aos equipamentos cada vez mais sofisticados que passam a ser
23
utilizados. De maneira geral a durabilidade está associada ao desgaste, ou seja, à
corrosão (IPT, 1982).
Existem muitas maneiras de definir-se a corrosão. A mais geral é: deterioração do
material pela interação do MEIO com o MATERIAL. Disto pode-se concluir que toda vez
que houver a interação do meio com o material ocorre a corrosão. Como exemplo,
podemos citar a corrosão do aço quando submerso em águas salinas, plásticos em
solventes orgânicos, vidro em ácido fluorídrico, materiais ferros no ar, etc.
3.5.1.1 Noções sobre corrosão
Por corrosão compreende-se a destruição de um material através de reação de
um material através de reação química ou eletroquímica com o meio circundante. A
corrosão ocasiona uma modificação mensurável do material ou prejudica as suas
propriedades, conforme o Instituto Alemão de Normalização (DIN 50900, 1982). Essa
deterioração pode estar ou não associada a esforços mecânicos. Quando do emprego
de materiais na construção de equipamentos ou instalações é necessário que estes
resistam à ação do meio corrosivo, além de apresentar propriedades mecânicas
adequadas. Os problemas com corrosão são frequentes e ocorrem nas mais variadas
atividades como, por exemplo, nas indústrias navais, petrolíferas, petroquímicas e no
transporte marítimo (GENTIL,2011).
Investir em técnicas anticorrosivas é mais vantajoso economicamente, visto que
para substituir um material deteriorado devido a ação do meio corrosivo em que se
encontra, na maioria das vezes, torna-se muito mais caro e, além disso, pode ocasionar
a paralisação da embarcação por períodos mais longos, acarretando prejuízos para os
armadores. Sabe-se que cada metal possui uma resistência à corrosão, uns mais e
outros menos, o que é diretamente proporcional ao meio que este é encontrado e aos
fatores mecânicos que é submetido.
Os métodos de proteção vêm avançando em paralelo com o desenvolvimento
tecnológico. A tecnologia hoje existente permite a utilização dos materiais em
praticamente todos os meios corrosivos com a durabilidade dentro da extensão
desejada (NUNES, 2007).
24
3.5.1.2 Tipos de corrosão
Há diversos tipos de corrosão. A corrosão sempre esteve muito presente no dia a
dia, representando grandes perdas econômicas, devido ao fato de que toda corrosão se
relaciona à diminuição do tempo de vida útil de um material. Nos processos de
corrosão, os metais reagem com os componentes não metálicos presentes no meio, O2,
H2S, CO2 entre outros, produzindo compostos semelhantes aos encontrados na
natureza. Pode-se dizer, portanto, que a corrosão corresponde ao inverso dos
processos metalúrgicos (MUNGER, 1987). Conforme Figura 9, mostrando o ciclo
Metalurgia - corrosão dos metais. .
Figura 9 – Ciclo Metalurgia-Corrosão
Fonte: EVANGELISTA, 1984.
Há três maneiras de o meio influenciar o material, degradando-o; assim sendo, a
corrosão pode ser classificada em: eletroquímica, eletrolítica e química. São citadas as
duas que ocorrem na Indústria Naval.
3.5.1.2.1 Corrosão eletroquímica
A corrosão eletroquímica é correlacionada à existência de um potencial
eletroquímico e à presença de um eletrólito. Na corrosão eletroquímica surgem sempre
duas reações parciais que ocorrem preponderantemente em regiões distintas na
superfície do metal. As reações parciais exigem uma permuta de cargas elétricas a qual
25
tem lugar, por um lado, através da condução eletrônica no metal e, por outro lado,
através de um eletrólito fora do metal (IPT, 1981).
A corrente elétrica que surge daí causa a corrosão das regiões anódicas na
superfície metálica. Nos meios ácidos, a dissolução de metais não-nobres ocorre com
formação simultânea de hidrogênio.
Fala-se neste caso de corrosão ácida:
Reação anódica: Fe(S) Fe ++(aq) + 2e- (4)
Reação catódica: 2H+(aq) + 2e- H2(g) (5)
Reação Global: Fe(S) + 2H+(aq) Fe++
(aq) + H2(g) (6)
Em soluções neutras até as alcalinas, a corrosão se dá predominante com
consumo de oxigênio:
Reação anódica: Fe(S) Fe ++(aq) + 2e- (7)
Reação catódica: ½ O2(g) + H2O(l) + 2e- 2OH-(aq)
(8)
Reação Global: Fe + ½ O2(g) + H2O(l) Fe (OH)2(s) (9)
2 Fe(OH)2(s) + ½ O2(g) + H2O(l) Fe (OH)3(s) (10)
A presença de oxigênio em soluções ácidas atua de modo a que a redução de
oxigênio e a produção de hidrogênio se sobreponham.
Atuam, então, ao mesmo tempo, os dois mecanismos de corrosão. A velocidade
da dissolução metálica (taxa de corrosão) corresponde diretamente à corrente parcial
anódica (IPT, 1981).
3.5.1.2.2 Corrosão eletrolítica
A corrosão eletrolítica pode ser definida como a deterioração da superfície externa
de um metal forçado a funcionar como anodo ativo de uma célula ou pilha eletrolítica.
Geralmente, as áreas corroídas se apresentam com produto de corrosão de baixa
aderência, ou mesmo livre dele. Como é uma forma de corrosão localizada, em pouco
tempo ocorre perfuração da parede metálica, causando vazamentos (GENTIL,2011).
Exemplos da ocorrência deste tipo de corrosão são as tubulações de água, de petróleo,
etc.
26
3.5.1.3 Morfologia da corrosão
As formas (ou morfologias) de corrosão podem ser apresentadas considerando-se
a aparência ou forma de ataque e as diferenças da corrosão e seus mecanismos
(GENTIL, 2011). Como morfologia dos processos corrosivos, conforme Figura 10, pode-
se citar: uniforme, por placas, alveolar, puntiforme ou por pite, intergranular,
intragranular, filiforme, por esfoliação, grafítica, dezincificação, em torno de cordão de
solda e empolamento pelo hidrogênio (PETROBRAS, 2002); ligadas a este estudo
algumas citadas a seguir:
Figura 10 – Morfologia da corrosão
Fonte: GENTIL,2011.
Corrosão Uniforme: Esta forma de corrosão é a menos perigosa, já que a corrosão
procede aproximadamente paralela à superfície do metal. O anodo e o catodo têm mais
ou menos o mesmo tamanho. As causas deste tipo de corrosão podem ser, entre
outras, pequenas diferenças de potencial entre os grãos individuais diversamente
27
orientados. Quando um grão é corroído, o produto de corrosão forma um elemento com
o grão não-corroído, o qual se torna anodo.
Corrosão em Placas: A corrosão se localiza em regiões da superfície metálica e
não em toda sua extensão, formando placas com escavações (GENTIL, 2011).
Corrosão Alveolar: A corrosão se processa na superfície metálica produzindo
sulcos ou escavações semelhantes a alvéolos apresentando fundo arredondado e
profundidade geralmente menor que o seu diâmetro (GENTIL, 2011).
Corrosão galvânica: A corrosão galvânica é a mais comum. Dois metais, um
nobre e outro não, são expostos ao mesmo eletrólito. Em consequência, o metal menos
nobre (ou mais ativo) torna-se anodo e entra em solução. O metal mais nobre torna-se
catodo e não é atacado. Podem ser observadas a reação no anodo e a reação no
catodo nas equações (4) e (5) e a reação entre elas (6) anteriormente citadas.
Corrosão sob tensão: Para o surgimento da corrosão sob tensão é necessária a
existência de três condições:
- precisa existir tensões de tração na peça
- precisa existir um material susceptível. P.ex. aço inox
- precisa haver a ação de um eletrólito específico. P.ex. cloreto
Como exemplos sejam aqui mencionados o latão sob a ação do amoníaco ou do
mercúrio e os aços austeníticos ao Cr-Ni sob a ação de cloretos ou lixiviações quentes
(GENTIL, 2011).
Corrosão Puntiforme (pite): Este tipo de corrosão é muito perigoso pelo fato de
um anodo pequeno, em geral em forma de ponto, opor-se a um catodo de grande
superfície. As razões desse ataque podem, entre outras, ser:
1 – heterogeneidade da superfície, com relação à composição química.
2 – diferenças de potencial devido a diferentes graus de encruamento na
superfície.
3 – danificação local de camadas passivas, frequentemente através de Cl, Br, etc.
4 – diferenças de concentração de oxigênio no eletrólito (p.ex., sob vedações,
sedimentações, incrustações, etc.).
Corrosão em torno de cordão de solda: Forma de corrosão que se observa em
torno de cordão de solda. Ocorre mais usualmente em aços inoxidáveis não
28
estabilizados ou com teores de carbono maiores que 0,03% onde a corrosão se
processa intergranularmente (GENTIL, 2011).
Corrosão sob fadiga: Componentes solicitados por tensões cíclicas e expostos
ao mesmo tempo a um meio corrosivo têm sua resistência à fadiga apreciavelmente
diminuída.
Danos deste tipo aparentam-se bastante com a ruptura da fadiga. Através da
corrosão, à superfície torna-se rugosa e, sob a solicitação cíclica surgem fissuras
microscópicas, as quais conduzem posteriormente à ruptura por fadiga.
3.5.2 Corrosão na indústria naval
A corrosão é um fator muito importante na indústria naval, que se não for levada
em conta, pode gerar diversos problemas como produtos danificados, danos ambientais
ou acidentes mais graves.
Há muitos prejuízos na área naval devido à corrosão, a gerar custos
excessivamente altos por causa do desperdício de aços que são mal aproveitados em
embarcações. Devido a isto, cada vez mais se busca investir na manutenção de navios
e em aquisição de materiais sobressalentes mais resistentes, para minimizar os
períodos de docagem e minimizar custos (IPT, 1982).
A atividade de manutenção no campo naval tem ganho uma importância maior, a
buscar métodos que proporcionem maior desempenho das frotas a partir das
características próprias do material e também métodos de proteção anticorrosiva. Os
métodos geralmente utilizados para a prevenção da corrosão são os revestimentos, a
proteção catódica e os inibidores de corrosão, ou, como é apresentada nessa
Dissertação, a substituição do aço normalmente utilizado por outro aço que, além de ter
maior resistência mecânica e ser mais resistente à corrosão, pode também aumentar o
intervalo de substituição de chapas que, algumas vezes, devido a falhas das proteções
anticorrosivas, apresentam espessuras críticas, obrigando ao reparo imediato dessa
região.
3.5.2.1 Tipos de corrosão mais frequentes no chapeamento de navios
Os tipos de corrosão mais frequentes na área naval que se apresentam no
chapeamento de navios são: alveolar, pite e filiforme (vulgarmente conhecido por
29
“folheamento”, como descrito anteriormente). Com a finalidade de indicar algumas fases
de inspeção, são apresentados componentes estruturais considerados de maior e
menor riscos, onde a análise de priorizar o quê, onde e quando inspecionar é de suma
importância.
3.5.2.2 Regiões mais críticas de navios sujeitas à corrosão
As principais áreas de preocupação avaliadas que podem influenciar
negativamente a integridade estrutural de um navio são externamente a região das
obras vivas, sendo a fiada junto à linha d’água de flutuação a mais vulnerável, devido a
presença em maior quantidade do oxigênio dissolvido na água do mar. Já nas regiões
da proa e popa do navio, observa-se o fenômeno da cavitação gerado pelo forte fluxo
de água (formação de bolhas de ar devido a alta pressão sobre a água), sendo que na
popa além desse fator, existe também outro que auxilia a formação de pilha galvânica,
tendo em vista os materiais de diferentes potenciais, como o aço do casco e o bronze
do propulsor. conforme Figura 11.
Figura 11 - Ataque de Pittings na região da linha d’água (A), Região da proa afetada pela corrosão (B) e Grande quantidade de anodos de sacrifício na popa (C)
Fonte: do autor, 2010.
30
Associada a falta de um esquema de pintura efetivo e da proteção catódica, tem-
se ainda a permanência do navio por muito tempo atracado. Esses três fatores em
conjunto aceleram de maneira decisiva a degradação das obras vivas. Em alguns
processos corrosivos podem ocorrer dificuldades de caracterização das cavidades
formadas sob a forma de placas, alvéolos ou pites, causando divergências na hora de
um laudo técnico. Tomando como exemplo o caso de pites, é aconselhável verificar: o
número de pites por unidade de área, o diâmetro e a profundidade da cavidade.
Procura-se também fazer um levantamento médio de profundidades de pites, a fim de
se verificar a incidência de pites com profundidades próximas. A esse procedimento dá-
se o nome de pite (IPT, 1982).
3.6 Logística de docagem aplicada à substituição de chapas
A logística de docagem aplicada a substituição de chapas é um aspecto
importante e complexo, com custos altos, falta de mão de obra especializada e material
de difícil aquisição por não ser encontrado regularmente no mercado e sim nas
siderúrgicas, onde existe a necessidade de compras de número de chapas mínimo,
visto o custo elevado desse material quando em baixa quantidade.
Outro fator que afeta as ações de logística e o tempo de docagem é o
desconhecimento do que será substituído no chapeamento, pois isso só é visto e
definido durante o período de docagem (intervalo de tempo previsto nas regras das
Sociedades Classificadoras) por meio de inspeções que só podem ser executadas, de
um modo geral, após a limpeza do casco em dique, seja ele seco ou flutuante
(MODICA, 2009).
Desse modo, o planejamento de docagem ficará alterado e será necessário
replanejar as novas necessidades a fim de que os processos de logística deem
respostas condizentes na busca de resultados satisfatórios em aspectos como
qualidade, redução de custo e principalmente possibilitar o pleno atendimento aos
compromissos assumidos pelo armador.
Durante o período de docagem de rotina, objetivando a manutenção do navio, são
executadas as vistorias previstas nas regras das sociedades classificadoras,
envolvendo reparos adiados, em função do cronograma de transporte previsto para
31
cada navio, ou aqueles normalmente realizados durante esse período de paralização.
“O levantamento dos reparos e serviços a serem efetuados, e a definição do
estaleiro reparador são sub-processos complexos, que devem ser iniciados antes da
docagem propriamente dita” (TRANSPETRO, 2002).
Um fator que tem sido desenvolvido para minimizar o tempo de docagem mesmo
com a necessidade de troca de chapas, é a realização da limpeza do casco, antes da
entrada e assentamento do navio nos picadeiros e berços localizados no fundo do
dique, com aparelhos especiais e mergulhadores. Após esse procedimento, executa-se
a inspeção do chapeamento para substituição da área comprometida.
A verificação da criticidade das chapas é definida através do ensaio por ultrassom
que informa o valor médio de redução da espessura original, valor esse determinado
através da escolha dos pontos que visualmente apresentam uma redução na
espessura, pontos esses que são determinados pelo controle de qualidade com ênfase
na região das obras vivas (BENKOVSKY, 1977).
Uma vez verificado a necessidade da troca de chapas do chapeamento na região
submersa do casco, inicia-se um processo na logística de docagem, que envolve as
seguintes etapas:
- especificação do material a ser comprado;
- seleção do fornecedor;
- tipo de transporte;
- localização;
- tipo de entrega; e,
- tempo para execução da tarefa (compra, entrega e substituição).
3.7 Ensaios
3.7.1 Ensaios não destrutivos (END)
Os ensaios não-destrutivos investigam a integridade dos materiais sem contudo
destruí-los ou introduzir quaisquer alterações nas suas características. Aplicados na
inspeção de matéria prima, no controle de processos de fabricação e inspeção final, os
ensaios não destrutivos constituem uma das ferramentas indispensáveis para o controle
32
da qualidade dos produtos produzidos pela indústria moderna. (ANDREUCCI, 2014).
Com o objetivo de evitar a danificação da solda, o ensaio em consideração não
deve desenvolver tensões primárias, em qualquer parte, superiores ao limite de
escoamento. É prática aconselhável limitar o esforço da prova a 75% daquele que
produziria escoamento. Tensões secundárias e a combinação de tensões residuais
poderão provocar escoamento localizado sem danificar a peça. Na verdade, o ensaio
de que se está tratando pode mesmo ser considerado como operação de alívio de
tensões, até certo ponto, de modo que a solda poderá ter o seu fator segurança
aumentado, contra esforços de impacto ou a baixa temperatura, em tais casos (ABM,
1983).
3.7.1.1 Ensaio por ultrassom
O ensaio por ultrassom é um método não destrutivo, no qual um feixe sônico de
alta frequência é introduzido no material a ser inspecionado com o objetivo de detectar
descontinuidades internas e superficiais. O som que percorre o material é refletido pelas
interfaces e é detectado e analisado para determinar a presença e localização de
descontinuidades (SANTIN, 1996).
De outra forma, podemos dizer que o ensaio de ultrassom caracteriza-se num
método não destrutivo que tem por objetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades
internas, presentes nos mais variados tipos ou forma de materiais ferrosos ou não
ferrosos, diminui o grau de incerteza para a utilização de peças de responsabilidade e
permite a inspeção de todo o volume da peça. Tendo em vista seu grande poder de
penetração, com alta sensibilidade, permitindo a detecção de descontinuidades na
ordem de 0,5 mm ou menores, se houver. Uma onda de som ultrassônica pulso-
ecoante é enviada através do material. Essa onda será interrompida e então
parcialmente devolvida, de pontos com imperfeição interna ou da parte posterior da
parede do material, respectivamente, conforme Figura 12. Assim, os critérios de
aceitação definem se a indicação é ou não aceitável (um defeito). O ensaio de
ultrassom é considerado um END aplicado em aços carbonos, e em menor percentagem
em aços inox, sendo também raramente utilizado em materiais não ferrosos que
requerem procedimentos especiais.
33
Figura 12 - Princípio da inspeção de materiais por ultrassom
Fonte: ANDREUCCI, 2014.
A maioria dos aparelhos para o ensaio por ultrassom detectam descontinuidades
através da monitoração das reflexões sônicas transmitidas ao material através de um
cabeçote acoplado à peça. O aparelho geralmente dispõe de um visor que possibilita
determinar a intensidade da energia refletida e a localização das interfaces. Pela
análise destas reflexões, o inspetor consegue determinar a existência ou não de
descontinuidades no material. Assim, o ensaio por ultrassom é um dos ensaios não
destrutivos mais importantes (SANTIN, 1996).
3.7.1.2 Ensaio de líquido penetrante
O ensaio por líquidos penetrantes é um método desenvolvido para a detecção de
descontinuidades essencialmente superficiais, abertas na superfície do material. O
método começou a ser utilizado antes da primeira guerra mundial, principalmente pela
indústria ferroviária na inspeção de eixos. Nessa época, o método consistia em aplicar
querosene ou óleo sobre a superfície da peça e removê-lo após várias horas. Em
seguida, era aplicada uma mistura de solvente com pó de giz sobre a superfície, que ao
secar absorvia de dentro das trincas o querosene ou óleo aplicado anteriormente.
Evidentemente, este processo permitia apenas a observação de grandes defeitos
abertos sobre a superfície da peça. O método de ensaio por líquidos penetrantes, como
34
conhecemos hoje, tomou impulso em 1942, nos EUA, quando foi desenvolvido o
método de penetrantes fluorescentes, destinado a inspeção de componentes para a
área aeronáutica. O método vem-se desenvolvendo através da pesquisa e do
aprimoramento de novos produtos utilizados no ensaio, até seu estágio atual (SENAI,
1997), conforme Figura 13.
Figura 13: Ensaio de L.P. sobre a solda das chapas e líquidos penetrantes
Fonte: TECH-END, 2010
O ensaio de líquido penetrante é um método de ensaio não-destrutivo usado para
detectar defeitos de rupturas em superfícies, tais como fendas, que não são detectáveis
a olho nu. O fluído penetrante é aplicado na superfície do material e penetra no defeito.
Após algum tempo de penetração o fluído é removido da superfície. Com a aplicação
de um fluído de desenvolvimento para então limpar a superfície, os defeitos que
estavam nas regiões que o fluído penetrou se tornam visíveis. Estes pontos são
chamados de indicações. Os critérios de aceitação definem se a indicação é ou não
aceitável. Ensaio de Líquido Penetrante é usado, principalmente, para camadas de
revestimento, soldas e zonas afetadas pelo calor excessivo (FAEND, 2011).
3.7.2 Ensaios destrutivos (ED)
A determinação das propriedades mecânicas de um material metálico é realizada
por meio de vários ensaios. Esses ensaios, quando promovem a ruptura ou inutilização
do material são chamados de Ensaios Destrutivos. Nessa categoria, estão classificados
35
os ensaios de corrosão, ensaios de tração, ensaios de dobramento, ensaios de dureza,
ensaios de impacto e outros. Esses são também chamados de ensaio de rotina, porque
visam controlar a produção de determinada indústria. (SÉRGIO, 1982)
3.7.2.1 Ensaio metalográfico
A metalografia microscópica (ou micrografia dos metais) estuda os produtos
metalúrgicos, com auxílio do microscópio, visando a determinação de seus constituintes
e de sua textura. Este estudo é feito em superfícies previamente polidas e, em geral,
atacadas por um reativo adequado (IPT, 1951).
A micrografia é o exame de superfície finamente polida e atacada, observada com
aumento da ordem de 200X ou maior. Com essas ampliações já é possível distinguir
alguns constituintes e fases presentes. O reconhecimento dos microconstituintes e
fases permitem a análise das propriedades da estrutura a partir das propriedades das
fases e suas distribuições. Por exemplo, uma fase frágil e contínua torna a estrutura
frágil. Com base na microestrutura, nos diagramas de equilíbrio e nos diagramas de
cinética de transformação, podemos reconstituir as sequências de transformação por
que passou o material e estabelecer as modificações necessárias para alterar a
estrutura encontrada (ABM, 1983).
A importância deste exame decorre do fato de as propriedades mecânicas de um
metal dependerem não só da sua composição química como também da sua textura.
Com efeito, um mesmo aço pode tornar-se dúctil, duro, duríssimo, quebradiço, elástico,
tenaz, etc., conforme a textura que apresentar e que lhe pode ser dada por meio de
trabalhos mecânicos ou tratamentos térmicos adequados. Para melhor compreensão da
maior parte dos fenômenos que alteram a textura cristalina dos produtos siderúrgicos,
especialmente dos aços, é indispensável o conhecimento do diagrama de equilíbrio das
ligas ferro-carbono, também conhecido por diagrama de Roozeboom (IPT, 1951),
conforme o diagrama de equilíbrio Fe-C, mostrado na Figura 14.
36
Figura 14 - Diagrama de equilíbrio das ligas ferro-carbono simplificado e com valores
numéricos arredondados
Fonte: IPT, 1951.
3.7.2.2 Ensaios de corrosão
3.7.2.2.1 Ensaio acelerado de corrosão
Com a finalidade de simular as principais atmosferas existentes, foram
normalizados ensaios acelerados de corrosão. Apesar destes ensaios não serem
suficientes para prever o tempo de vida dos materiais, eles fornecem resultados que
permitem estabelecer uma comparação entre os diferentes materiais ensaiados. O
ensaio em névoa salina tenta reproduzir as condições da atmosfera marítima úmida. A
norma que este ensaio deve seguir para ser realizado é a ASTM B 117 (ensaio em
névoa salina) (IPT, 1982).
37
3.7.2.2.2 Ensaio de corrosão de campo
Com a finalidade de se obter dados comparáveis, que permitam avaliar o
comportamento de diferentes materiais frente aos fatores atmosféricos característicos
de cada região, tem sido realizados, ensaios em estações de corrosão atmosférica.
Estes ensaios consistem na exposição, a céu aberto, a longo prazo, de amostras de
materiais metálicos ou não, em atmosferas rural, industrial, urbana, marítima, ou na
combinação destas. Os resultados deste tipo de ensaio dependem de maneira
apreciável de parâmetros, que podem variar muito de um para outro conjunto de dados
experimentais. Os principais parâmetros são: orientação dos corpos de prova, tempo de
início dos testes, tipo de poluentes e fatores climáticos. A maior vantagem oferecida por
este tipo de ensaio está relacionada com a possibilidade de se poder prever a vida
média de materiais, tendo em vista que este reproduz condições que mais se
aproximam daquelas encontradas em operações. (IPT, 1982)
3.7.2.3 Ensaios mecânicos
3.7.2.3.1 Ensaio de tração
O comportamento plástico de um material é usualmente medido realizando um
ensaio de tração. O equipamento de ensaio de tração é padrão em todos os
laboratórios de engenharia. Esse equipamento produz uma curva carga/deslocamento
para o material, que então é convertida para uma curva tensão nominal/deformação
nominal (ASHBY e JONES, 2007)
A uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada
pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da
seção do CP, no caso de matérias com certa ductilidade. A ruptura sempre se dá na
região mais estreita do material, a menos que um defeito interno no material, fora dessa
região, promova a ruptura do mesmo, o que raramente acontece. (SÉRGIO, 1982).
A precisão de um ensaio de tração depende, evidentemente, da precisão dos
aparelhos de medida que se dispõem. Com pequenas deformações, pode-se conseguir
uma precisão maior na tensão do que quando são atingidas grandes deformações do
material, onde a leitura dos valores numéricos fica mais difícil, devido à grande variação
da deformação em função da tensão aplicada, conforme Figura 15. Deve-se, portanto,
38
centrar bem o corpo de prova na máquina para que a carga seja efetivamente aplicada
na direção do seu eixo longitudinal; a colocação do extensômetro também deve ser
bem feita, para se evitar escorregamento ou falta de axialidade do aparelho (SÉRGIO,
1982).
Figura 15 - Representação de um diagrama tensão x deformação, com a indicação das diferentes fases do ensaio
Fonte: SÉRGIO, 1982.
3.7.2.3.2 Ensaio de dobramento
O ensaio de dobramento, num aspecto geral, fornece indicação qualitativa da
ductilidade do material. O dobramento comum, muitas vezes, não determina valores
numéricos havendo variações de ensaios que permitem obter importância de certas
propriedades mecânicas do material (CALLISTER, 2002).
Por ser um ensaio de realização muito simples, ele é largamente utilizado nas
indústrias e laboratórios, constando mesmo nas especificações de todos os países,
onde são exigidos requisitos de ductilidade para um certo material. Como o dobramento
pode ser realizado em qualquer ponto e em qualquer direção do corpo de prova, ele é
um ensaio localizado e orientado, fornecendo assim, uma indicação da ductilidade em
qualquer região desejada do material (SÉRGIO, 1982).
Para os materiais de espessura igual ou inferior a 19 mm, dever-se-á fazer dois
corpos de prova para dobramento de face e dois corpos de prova para dobramento de
raíz para cada posição (ABS, 1979).
39
3.7.2.3.3 Ensaio de dureza
A propriedade mecânica denominada dureza é largamente utilizada na
especificação de materiais, nos estudos e pesquisas mecânicas e metalúrgicas e na
comparação de diversos materiais. Entretanto, o conceito físico de dureza não tem um
mesmo significado para todas as pessoas que tratam com essa propriedade. Essa
conceituação divergente da dureza depende da experiência de cada um ao estudar o
assunto. Para um metalurgista, dureza significa a resistência à deformação plástica
permanente; um engenheiro mecânico define a dureza como a resistência à penetração
de um material duro no outro; para um projetista, a dureza é considerada uma base de
medida para o conhecimento da resistência ao desgaste; etc. (SÉRGIO, 1982).
Os ensaios Rockwell constituem o método mais comumente utilizado para medir a
dureza, pois eles são muito simples de executar e não exigem qualquer habilidade
especial. Diversas escalas diferentes podem ser utilizadas a partir de combinações
possíveis de vários penetradores diferentes cargas, as quais permitem o ensaio de
virtualmente todos os metais e ligas, desde os mais duros até os mais macios. Os
penetradores incluem bolas de aços esféricos e endurecidas, com diâmetro de 1/16,
1/8, 1/4 e 1/2 polegada (1,588; 3,175; 6,350 e 12,70 mm), e um penetrador cônico de
diamante (Brale), que é usado para os materiais mais duros (CALLISTER, 2002).
Esse ensaio é baseado na profundidade de penetração de uma ponta, subtraída à
recuperação elástica devida a retirada de uma carga maior e da profundidade causada
pela aplicação de uma carga menor. Os penetradores utilizados na dureza Rockwell
são do tipo esférico (Esfera de aço temperado) ou cônico (cone de diamante, também
chamado penetrador Brale, tendo 120º de conicidade) (SÉRGIO, 1982).
3.7.2.3.4 Ensaio de impacto
A tendência de um metal de se comportar de uma maneira frágil é medida pelo
ensaio de impacto. O corpo de prova é padronizado e provido de um entalhe para
localizar a ruptura e produzir um estado triaxial de tensões, quando ele é submetido a
uma flexão por impacto, produzida por um martelo pendular. A energia que o corpo de
prova absorve para se deformar e romper são medidas pela diferença entre a altura
atingida pelo martelo antes e após o impacto, multiplicada pelo peso do martelo. Pela
40
medida da área da seção entalhada do corpo de prova, pode-se então obter a energia
absorvida por unidade de área, que também é útil. Quanto menor for a energia
absorvida, mais frágil será o comportamento do material àquela solicitação dinâmica
(SÉRGIO, 1982).
O objetivo principal deste ensaio é medir a quantidade de energia absorvida pelo
material durante a fratura, avaliando a sua tenacidade ao impacto (COLPAERT, 2008).
Os corpos de prova para o ensaio Charpy são do tipo entalhado e são
especificados pela norma americana ASTM E-23. Estes se dividem em três tipos,
conforme a forma e o tamanho de seu entalhe, sendo esses do tipo A, B e C (Figura
16), e tendo todos eles uma seção quadrada de 10 mm de lado e um comprimento de
55 mm. O entalhe é localizado no meio do corpo de prova e o martelo atinge o corpo de
prova do lado oposto ao entalhe (SÉRGIO, 1982).
Figura 16 - Tipos de corpo de prova do ensaio de impacto Charpy.
Fonte: DALCIN, 2007.
A técnica de ensaio de impacto Charpy é destrutiva, pois se caracteriza por
submeter ao corpo ensaiado uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo
(DALCIN, 2007).
41
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Introdução
A metodologia adotada inclui etapas que buscam reproduzir em laboratório
aspectos que ocorrem no processo de utilização de chapas constituídas de aços
diferentes e instaladas nos locais onde a corrosão do chapeamento das obras vivas de
um navio apresenta-se mais crítica.
Em uma primeira etapa ocorreu a seleção dos materiais que seriam empregados e
a definição do processo de soldagem. Foram retiradas amostras das chapas soldadas
para a realização de ensaios e testes.
Aos ensaios e testes foi acrescida uma análise matemática da razão entre tensão
e espessura de cada material que associada com a análise de dados experimentais
provenientes das inspeções visual e dimensional, ensaios mecânicos, metalográficos,
de névoa salina e de ensaios por ultrassom, aplicados a peças de teste, que simulam a
junta soldada das chapas de aço utilizados nas obras vivas de um navio, permitiram
que as conclusões fossem desenvolvidas.
Na busca de evidências para fundamentar esse estudo, foram abordados os
ensaios não destrutivos e destrutivos, sendo os primeiros realizados pelos ensaios de
líquido penetrante e de ultrassom. Já os ensaios destrutivos foram: ensaio
metalográfico, corrosão, tração, dobramento, dureza e impacto.
4.2 Materiais
4.2.1 Apresentação dos Aços
As dúvidas mais frequentes entre os profissionais que trabalham diretamente com
aço estão relacionadas à escolha do melhor para a aplicação em determinado serviço.
A Norma usada para a escolha dos aços para na construção naval é a ASTM A
131/A131M – 94, que tem como característica o aço carbono com finalidade de
utilização estrutural, além de outras aplicações.
Os aços em estudo possuem, basicamente, composição química (%C, %Mn, %P,
%S, %Si e outros) e propriedades mecânicas (limite de escoamento, limite de
42
resistência e alongamento) sujeitas a trabalhos em locais onde a temperatura pode
variar de 60ºC a -20ºC.
O presente ESTUDO fez uso de dois diferentes tipos de aços:
Aço ASTM-A-131-Gr A e Aço ASTM-A-131-Gr AH36.
A composição química e as propriedades mecânicas dos materiais utilizados como
alvos do presente estudo são especificados pela norma ASTM A 131/A131M – 94 e
estão representadas na Tabela 1 e Tabela 2
Tabela 1: Composição química dos aços ASTM- A-131-GR A e GR AH36
Composição Química
Especif. Faixa de
Espessura (mm)
C Max.
Mn Max.
Si Max
P Max
S Max
Outros
AH 36 6.0 ≤ e ≤ 51,0 0,18 0,90
a 1,60
0,10 a
0,50
0,040 0,040 Ni ≤ 0,40; Cr ≤ 0,25;
Mo ≤ 0,08; Cu ≤ 0,35; Nb ≤ 0,05; V ≤ 0,10
Gr A
5,0 < e ≤ 12,7 0,26
0,45 0,21 0,040 0,050 - 12,7 < e ≤
51,0 0,24
Fonte: do autor, 2015.
Tabela 2: Propriedades mecânicas dos aços ASTM- A-131-GR A e GR AH36
Propriedades Mecânicas
Resistência dos Materiais Alongamento (%) Resistência ao choque
(teste de impacto)
Especif. Limite
Escoam. (MPa)
Limite Resist. (MPa)
Base 50 mm
Base 200 mm
Espessura (mm)
Temperatura Valor
Outros
AH 36 ≥ 360
490 a
620
22 19
- 20°C μ ≥ 34,0
TGA ≥ 5 (AGS)
-
Gr A e ≤ 25,4
≥ 220
400 a
490 24 21 -
Fonte: do autor, 2015.
A partir das chapas de aço estrutural naval ASTM-A-131-Grau A e Grau AH36,
classificadas, compradas para construção das Corvetas e dos Submarinos,
43
respectivamente, obtidas nas oficinas do Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro (AMRJ),
foram cortados trechos de chapas (500mm x 150mm x 15mm) para serem
confeccionados os corpos de prova referentes aos ensaios pertinentes a este estudo.
4.2.1.1 Metal de adição
O critério para seleção do metal de adição foi segundo a semelhança de
composição química com o metal de base e propriedades mecânicas, garantidas pelo
certificado do fabricante, além de ser o eletrodo revestido mais usado na construção de
navios projetados utilizando o aço comum. Assim, o eletrodo revestido com diâmetro de
3,5 mm, especificado pela norma AWS A 5.1/82 classificado como AWS E-7018
(revestimento básico de pó de ferro), foi o escolhido para realização dessa experiência.
A composição química e as propriedades mecânicas do eletrodo revestido são
mostradas nas Tabelas 3 e 4, respectivamente.
Tabela 3 - Composição Química
Consumível
AWS-E-7018
Quantidade (%)
C Mn Si S P
0,12 1,75 0,9 0,03 0,03
Fonte: do autor, 2015.
Tabela 4 - Propriedades Mecânicas
Consumível
E 7018
Limite de
Resistência à
Tração (Mpa)
Limite de
Escoamento
(Mpa)
Alongamento
(%)
Energia de
Impacto
27 ºC (J)*
490-590 390 22 80
*Energia absorvida no ensaio de impacto Charpy Fonte: do autor, 2015.
O consumível utilizado para os processos de soldagem foi escolhido segundo
critério da norma AWS D1.1.
O eletrodo E 7018 é a versão mais moderna do eletrodo de baixo hidrogênio. A
adição de quantidades consideráveis de pó de ferro ao revestimento resulta num arco
mais suave e com menos respingos. Esse moderno balanço de ingredientes do
revestimento resulta numa grande melhoria na estabilidade do arco, na direção do arco
e na facilidade de manuseio em todas as posições.
44
4.2.2 Métodos de ensaios
Os ensaios escolhidos para estudar a viabilidade da substituição do aço ASTM-
131-Gr A, o tipo de aço mais usado na construção naval, pelo aço ASTM-131-Gr AH36
nos locais onde a corrosão do chapeamento das obras vivas de um navio apresentam-
\se mais crítica, ou seja, a substituição do aço comumente utilizado na construção de
navios por um outro aço de maior resistência mecânica foram:
1. Ensaio de Metalográfico;
2. Ensaio de Névoa Salina;
3. Ensaio de Campo;
4. Ensaio de Tração;
5. Ensaio de Dobramento;
6. Ensaio de Dureza; e,
7. Ensaio Impacto.
4.2.2.1 Ensaio metalográfico
Os corpos de prova foram fabricados, para este ensaio, seguindo as seguintes
etapas:
1) Efetuou-se um corte transversal na peça soldada para a obtenção do corpo de
prova necessário para dar início ao ensaio metalográfico;
2) Diminuiu-se o tamanho da peça cortada para gerar um corpo de prova com
tamanho reduzido, com o propósito de deixar para análise três regiões necessárias
para o estudo, ou seja, a região dos dois aços em estudo e a região soldada;
3) Fixou-se o corpo de prova no molde com resina, com a finalidade de se obter
uma peça única, para facilitar o lixamento do corpo de prova;
4) Lixou-se a superfície do corpo de prova com a seguinte ordem de lixas: 150,
240, 320, 400 e 600 deixando-a bem lisa, pronta para o polimento;
5) Poliu-se a amostra na máquina apropriada utilizando pasta especial de alumina;
6) Lavou-se em água;
7) Secou-se com álcool e algodão;
45
8) Em seguida, a amostra foi atacada com Nital 3% com algodão em cima da
região soldada, aplicando-se um secador de forma a finalizar a preparação do corpo de
prova.
Após a preparação da seção da amostra, foram analisados os resultados num
microscópio óptico OLYMPUS, modelo PME 3, conforme Figura 17.
Figura 17 - Preparação do corpo de prova para realização do ensaio metalográfico (A), corpo de prova pronto para o ensaio (B), Microscópio utilizado para o ensaio (C)
Fonte: do autor, 2015.
4.2.2.2 Ensaio de névoa salina
O ensaio por névoa salina, conforme descrito na especificação ASTM B 117 – 09
para operar Câmara para Ensaio de Corrosão por Névoa Salina, envolve a pulverização
de uma solução salina de 5% de NaCl (cloreto de sódio) sobre os corpos de prova a
serem testados – no caso as amostras retiradas dos dois tipos de aços navais ( ASTM-
A-131-Gr A e ASTM-A-131-Gr AH36).
Avaliou-se o comportamento das amostras mediante o desempenho relativo a
resistência à corrosão, através da utilização de Câmara para Ensaio de Corrosão em
46
Névoa Salina, Figura 18 que tem a finalidade de acelerar o processo de corrosão. As
especificações da Câmara utilizada na experiência são:
- CÂMARA PARA ENSAIO DE CORROSÃO - NÉVOA SALINA;
- MODELO EQ-40-SS-SUPER;
- Alimentação: 220V – 60Hz – C.A.;
- Nº de Ordem: 15000 – Data de Fabricação 01/2000
- Fabricante: EQUIPLASTIA EQUIP. PARA GALVANOPLASTIA LTDA.
Figura 18 - Câmara Para Ensaio de Corrosão de Névoa Salina
Fonte: do autor, 2015.
O ensaio é feito em uma câmara com temperatura controlada de 35ºC. A solução
é de 5% de sal (cloreto de sódio – NaCl) em água destilada /deionizada. Os corpos de
prova testados, de dimensões de 150mm x 70 mm com espessura de 1,0 ± 0,1 mm
são inseridos na câmara; depois, a solução salina é pulverizada como uma fina névoa
sobre as amostras. A temperatura dentro da câmara é mantida em nível constante. Já
que a pulverização é contínua, as amostras estão constantemente úmidas e, portanto,
sujeitas à corrosão.
Os corpos de prova foram fabricados, para este ensaio, seguindo as seguintes
etapas:
a) Retirou-se pedaço de chapa dos aços para fabricação dos CP’s;
b) Cortou-se os CP’s em dimensões aproximadas;
c) Realizou-se um primeiro desbaste na espessura dos CP’s obtendo a espessura
média de 1,3mm, Figura 19;
47
d) Desbastou-se a espessura dos CP’s até chegar a 1,0 ± 0,1mm, Figura 20;
e) Realizou-se o polimento das superfícies dos CP’s e foram verificadas as
medidas das dimensões exigidas pela norma, Figura 21.
Figura 19 - Chapas cortadas já com o primeiro desbaste
Fonte: do autor, 2015.
Figura 20 - Desbaste de acabamento da espessura dos corpos de prova
Fonte: do autor, 2015.
Figura 21 - corpos de prova polidos, com cerca de 1 mm de espessura
Fonte: do autor, 2015.
Os corpos de prova foram pesados com o uso da Balança Digital com a capacidade
Max = 220g e Min = 10mg, Marca : SHIMADZU – AUX 220, Modelo Uni Bloc, conforme
48
Figura 22, antes e depois de submetidos à Câmara de Névoa Salina para o Ensaio de
Corrosão Acelerada.
Figura 22 - Balança Digital SHIMADZU
Fonte: do autor, 2015.
Procedimento para verificação do funcionamento correto da Câmara:
a) Realizou-se a limpeza de todo equipamento; modelo EQ-40-SS-SUPER
b) Verificou-se o nível de água no reservatório de purificação do ar comprimido;
c) Preparou-se uma solução de 5% (em massa) de Cloreto de Sódio (NaCl) e
água destilada/deionizada, verificando o pH da solução (que ficou variando entre os
valores 6,0 e 7,0), sendo posteriormente colocada no equipamento;
d) Regulou-se o termostato para a temperatura de 35ºC;
e) Colocou-se uma resistência que fez a solução de NaCl evaporar, gerando uma
névoa salina à temperatura acima mencionada;
f) Fez-se a abertura da válvula principal do reservatório de ar comprimido com a
finalidade de deixar a pressão na entrada com valor de 2 atm, ar que foi filtrado e fez o
vapor salino se dispersar dentro da câmara;
g) Colocou-se, junto a borracha de vedação da tampa, água para verificar se a
mesma possuía algum vazamento com a Câmara fechada e em funcionamento.
Após verificado o funcionamento da Câmara e corrigidas as pendências, pôde-se
assim iniciar o ensaio com a colocação das placas de ambos os aço (conforme ISO
3574), consoante Figura 23.
49
Figura 23 - Vista Superior (A) e lateral (B) das chapas de aço dentro da Câmara
Fonte: do autor, 2015.
No ensaio, os corpos de prova foram expostos à névoa salina durante um período
de 48 horas ininterruptas, cujo arranjo pode ser vista através da Figura 24.
Figura 24 - Câmara de Névoa Salina em Operação
Fonte: do autor, 2015.
Após o tempo previsto para a duração do ensaio (48 horas), foram retirados os
corpos de prova da Câmara de Névoa Salina. Preparou-se então uma solução ácida
com concentração de 15% de HCl, para decapagem da corrosão dos corpos de prova,
onde foram mergulhados, por 3 minutos, para a remoção das partes corroídas e sendo,
posteriormente, neutralizados com água destilada/deionizada e, finalmente, secos com
álcool etílico e pano limpo para dar condição de imediata pesagem, conforme etapas
mostradas na Figura 25.
50
Figura 25 - Solução HCl 15% (A) e corpos de prova dentro do recipiente (B e C)
Fonte: do autor, 2015.
Os corpos de prova foram pesados para avaliar a perda de massa, e o
comportamento dos dois aços quando submetidos à corrosão.
Foram observadas neste ensaio de corrosão acelerada na Câmara de Névoa
Salina as especificações das normas ASTM B 117 (2009), ISO 9227(2006) e
NBR8094(1983).
4.2.2.3 Ensaio de corrosão em campo
Para uma comparação quantitativa da perda de massa, foram expostas 4 (quatro)
placas, sendo 2 (duas) de cada tipo de aço estudado, em local com grande influência
do ambiente marítimo. A figura 26 mostra o estado das placas, no início e no final dessa
exposição que demorou 1488 horas (62 dias) em contato com esse ambiente salino.
Figura 26 - Placas dos aços antes e depois de serem expostas ao meio salino.
Fonte: do autor, 2015
51
Após esse período de exposição as placas foram submetidas a limpeza química
com uma solução ácida de concentração aproximada de 20% de HCl, com objetivo da
retirada da corrosão apresentada nos corpos de prova, sendo os mesmos mergulhados
nessa solução por cerca de 25 (vinte e cinco) minutos, para a remoção das partes
corroídas e, posteriormente neutralizados com água destilada/deionizada e, finalmente,
secos com álcool etílico e pano limpo para dar condição de imediata pesagem. A Figura
27 mostra as placas do ensaio antes e depois da decapagem, prontas para pesagem.
Figura 27 - Placas dos aços oxidadas e, posteriormente, decapadas
Fonte: do autor, 2015.
4.2.2.4 Preparação dos CP`s para os ensaios de tração e dobramento
Para a realização do ensaio de tração foram confeccionados 5 (cinco) corpos de
prova e para o ensaio de dobramento foram confeccionados 4 (quatro) corpos de prova,
conforme especificação ASTM 370 – 07a, com a finalidade de definir as propriedades
mecânicas da junta soldada composta pelos aços ASTM-A-131-Gr AH36 e ASTM-A-
131-Gr A, com eletrodo revestido AWS E-7018 capaz de resistir a esforços de tração
com valores, no mínimo, iguais a 70000 PSI ( 485 MPa ), próprio para a soldagem do
aço ASTM-A-131-Gr A.
Para a realização da soldagem foi feito um chanfro em “V” para assegurar uma
penetração total da junta e assim, adquirir uma resistência mecânica desejada. Dessa
forma, foram seguidos os procedimentos abaixo relatados:
a) Verificou-se a classificação das chapas dos materiais a serem testados;
52
b) Confeccionou-se trechos de chapa (500mm x 150 mm x 15 mm) dos aços em
estudo (Figura 28), obedecendo as medidas padrões para fabricação dos CP’s;
Figura 28 - seções das chapas de aços em estudo
Fonte: do autor, 2015.
c) Soldou-se os aços de composições químicas e propriedades mecânicas
diferentes, sendo necessário executar nesse processo de soldagem o pré-aquecimento
do aço ASTM-A-131-Gr AH36 com a finalidade de não apresentar defeitos (Figura 29),
durante o processo de soldagem, depois da solda concluída, e também durante os
ensaios a serem executados. Ressalta-se que na finalização desse processo de
soldagem foi feito um resfriamento lento na região soldada;
Figura 29 - Verificação da temperatura do aço Gr AH36 na soldagem (A e B), Chapa soldada (C)
Fonte do autor, 2015
d) Usou-se o END com líquido penetrante nos dois lados da peça soldada, com a
finalidade de se verificar a presença de defeitos na junta soldada, Figura 30;
observando-se a norma ASTM E1417 / E1417M – 16.
53
Figura 30 - LP na junta soldada (A e B) com uso do material do METAL-CHEK (C)
Fonte: do autor, 2015.
e) Feito o END de ultrassom com equipamento modelo USM Go+ da GE, e uso
dos cabeçotes MWB 60-4 (60º) e MWB 70-4 (70º) da GE, Figura 31.
Figura 31 - END de ultrassom(A), Cabeçotes(B) e Equipamento Mod. USM Go+ (C)
Fonte: do autor, 2015.
f) Portanto, verificou-se que as chapas soldadas estão prontas para confecção dos
corpos de prova, como mostrado na Figura 32.
Figura 32 - Esquema dos cortes utilizados para fabricação dos CP’s
Fonte: do autor, 2015.
54
Cortados os corpos de prova, com arco de serra tendo em vista manter as
propriedades dos materiais após o corte, para serem utilizados nos ensaios destrutivos
de tração e dobramento, conforme Figura 33.
Figura 33: Corte e obtensão das barras soldadas para fabricação dos CP’s
Fonte do autor, 2015.
g) Após o corte feito mecanicamente na peça soldada e obtidas as barras
necessárias para fabricação dos corpos de prova, iniciou-se a usinagem dessas barras,
obedecendo-se as dimensões exigidas na norma ASTM A 370-07 (2007). Para tal, foi
necessário a fresagem das barras, com o uso da máquina furadeira e fresa de marca
ROCCO e modelo FFPR-60A, Figura 34.
Figura 34 - Maquina ROCCO dando início à usinagem
Fonte: do autor, 2015.
As barras foram fresadas até deixá-las na forma de um prisma reto de base
retangular, de acordo com a Figura 35.
55
Figura 35 - barras soldadas, fresadas
Fonte: do autor, 2015.
A partir da fresagem das barras foram confeccionados os corpos de prova através
da plaina CINCINNATI, conforme Figura 36.
Figura 36: Plaina CINCINNATI utilizada para a confecção dos corpos de prova.
Fonte: do autor, 2015.
A seguir é mostrada a fabricação dos corpos de prova, conforme Figura 37.
Figura 37 - Fabricação dos corpos de prova para o ensaio de tração.
Fonte: do autor, 2015.
56
Após a usinagem, com a retirada das rebarbas, os corpos de prova para a
execução dos ensaios ficaram prontos, obedecendo-se aos requisitos da Norma ASTM
A 370-07a (2007) conforme Figura 38.
Figura 38 - Corpo de prova para o ensaio de dobramento (A) e tração (B)
Fonte: do autor, 2015.
4.2.2.4.1 Ensaio de tração
Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações
promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, até ser
atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio e, como é possível fazer com
que a carga cresça numa velocidade razoavelmente lenta durante todo o teste, o ensaio
de tração permitiu medir satisfatoriamente a resistência do material.
O ensaio de tração foi realizado no laboratório da PUC-RJ, a máquina de teste
utilizada foi a MTS modelo 311, alimentação de 220V – 60 Hz – C.A., Número de série
10438795, nível de revisão G, data de fabricação 28/03/2012, fabricante MTS, indústria
Americana, com as seguintes capacidades de força: dinâmica: 1000 kN, estática:
1200kN e Pressão Máxima 70MPa. A máquina (Figura 39 A) é composta das seguintes
partes: cilindro hidráulico modelo 647 100 (Figura 39B), controle de operação (Figura 40
A) e do reservatório da bomba de óleo, conforme suas especificações (Figura 40 B).
57
Figura 39 – Máquina hidráulica de tração (A), Cilindro para fixação dos CP`s (B).
Fonte: do autor, 2015.
Figura 40 – Painel de comando (A), Especificações da bomba de óleo (B).
Fonte: do autor, 2015.
O ensaio de tração consiste em submeter o corpo de prova a uma força que tende
a alongá-lo e esticá-lo até a ruptura. Geralmente, o ensaio é realizado em corpos de
prova com formas e dimensões padronizadas, para que os resultados obtidos possam
ser comparados ou, se necessários, reproduzidos. A norma que regulamenta todos os
tipos de corpos de prova para esse tipo de ensaio é a NBR 6152 (2002).
Etapas dos ensaios de tração realizados para cada um dos CP’s:
- fixou-se o corpo de prova nas garras do pistão;
58
- mediu-se o comprimento livre do corpo de prova, tendo como referência as
extremidades das garras de fixação, com a finalidade de saber, após o ensaio, o
alongamento final do mesmo, conforme Figura 41.
Figura 41 - CP posicionado para o ensaio de tração
Fonte: do autor, 2015.
- iniciou-se o movimento axial dos cilindros hidráulicos, aplicando-se esforços
crescentes na direção normal ao corpo de prova;
- foram medidas, posteriormente, as deformações correspondentes, conforme
Figura 42.
Figura 42: Início da redução da seção do CP (A); Região de ruptura do CP (B)
Fonte do autor, 2015.
59
A Figura 43 mostra os corpos de prova antes e após os ensaios de tração. Os mesmos
procedimentos anteriormente relatados foram executados para os corpos de prova com
corrosão, após serem submetidos a 600 horas em Câmara de Névoa Salina, com a
finalidade de potencializar a corrosão.
Figura 43 - Ensaio de tração realizado nos CP`s com junta soldada
Fonte: do autor, 2015.
4.2.2.4.2 Ensaio de dobramento
Os corpos de prova para o ensaio de dobramento foram retirados das chapas
soldadas conforme representado na Figura 44 (A) e as dimensões estão representadas
na Figura 44 (B) num total de quatro corpos de prova por experimento. Segundo a
norma AWS D1.1 os corpos de prova foram dobrados postos sob roletes com distância
de 86 mm e submetidos ao esforço de um cutelo com 50 mm de diâmetro.
O critério de aceitação seguido para o ensaio de dobramento foi que após o
dobramento os corpos de prova não apresentassem trincas ou outras imperfeições
(descontinuidades) maiores que 3 mm e que a soma de todas as descontinuidades
maiores que 1,0 mm e menores que 3,0 mm não excedessem 10 mm.
Os ensaios de dobramento foram realizados conforme a norma ASTM E 290 - 09,
no Laboratório de Ensaios do Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro – AMRJ, utilizando
a máquina universal de ensaios mecânicos, conforme Figura 45.
60
Figura 44 - Dimensões do corpo de prova para o ensaio de dobramento
Fonte: do autor, 2015.
Figura 45 - Máquina de ensaio de dobramento utilizada
Fonte: do autor, 2015.
Esse ensaio foi executado de forma que as amostras a serem ensaiadas fossem
dobradas à 180º, seguindo o dispositivo demonstrado na Figura 46, o material foi
posicionado numa prensa hidráulica com capacidade de 30 toneladas.
61
Figura 46 – Corpo de prova posicionado para execução do ensaio
Fonte: do autor, 2015.
Os ensaios de dobramento realizados seguiram as seguintes etapas:
- Fixou-se os roletes de apoio a uma distância de 136 mm entre centros;
- Centralizou-se com o eixo do atuador a região de solda de cada corpo de prova,
sendo que o primeiro dobramento deu-se com a raiz da solda voltada para cima;
- Iniciou-se o deslocamento do cutelo sobre o corpo de prova soldado, com o
aumento gradativo da carga no seu centro, a fim de provocar um ângulo de dobramento
igual ou próximo a 180º, conforme Figura 47, que apresenta etapas do dobramento.
Figura 47 - Fases da execução do ensaio de dobramento
Fonte: do autor, 2015.
62
4.2.2.5 Ensaio de dureza
Para execução do ensaio de dureza foi utilizado o equipamento do fabricante
WPM, cuja precisão do aparelho foi certificada pela HAZAK, carga de 100 kgf, tempo de
carga de 8 segundos e distância entre os pontos de indentação de 20 mm, conforme
Figura 48.
Figura 48: Máquina de ensaio com o mostrador do durômetro Rockwell (A), regulador de dureza do penetrador (B)
Fonte: do autor, 2015.
O referido ensaio foi realizado seguindo critérios da norma ASTM E384. A região
na qual foi feito o ensaio de dureza está representada na Figura 49.
Figura 49 - Região fora da junta soldada do aço AH36 (A) e do aço comum (B), onde foram realizados os ensaios de microdureza Rockwell B
Fonte: do autor, 2015.
Para esse ensaio de dureza utilizou-se como base a norma ASTM E 18 – 11.
Realizou-se o Ensaio de Dureza Rockwell B no Laboratório de Ensaios do AMRJ,
utilizando-se um durômetro da marca WPM, com penetradores de esfera de aço.
63
Os ensaios de dureza foram executados conforme as seguintes etapas:
- Aproximou-se o penetrador à superfície do corpo de prova;
- Submeteu-se a uma pré-carga o corpo de prova (carga menor);
- Aplicou-se a carga maior até que o ponteiro parasse;
- Retirou-se a carga maior e realizou-se a leitura do valor indicado no mostrador
(Figura 48) a partir da escala apropriada.
Foi utilizado um penetrador para o ensaio de dureza, conforme Tabela a seguir:
Tabela 5 - Características do penetrador
Escala Penetrador Carga (kgf) Aplicações
B Esfera de
1/16"Ø 100 Aço ASTM-A-131- Gr A e Gr AH36
Fonte: do autor, 2016.
4.2.2.6 Ensaio de impacto de charpy
Para a fabricação dos corpos de provas seguiu-se a Norma AWS 5.1(88).
Os corpos de prova foram retirados da região da junta soldada através de corte
com arco de serra, tendo em vista manter as propriedades dos materiais, e
posteriormente usinados para serem utilizados nos ensaios destrutivos de Impacto,
conforme Figura 50.
Figura 50 - Corpos de prova para o ensaio de impacto
Fonte: do autor, 2016.
O Ensaio de Impacto foi realizado no Laboratório de Ensaios do AMRJ,
utilizando-se uma Máquina Universal de Ensaios de Material nº 1035, Tipo: PW 30/15,
fabricada em 1983 sob autorização de Otto Wolpert Werke GMBH, Figura 51.
64
Figura 51 - Máquina de Ensaio de Impacto utilizada no AMRJ
Fonte: do autor, 2016.
Os corpos de prova para o Ensaio de Impacto tipo Charpy de entalhe em “V”
(ASTM 370 tipo A) possuem as seguintes dimensões: 10 mm x 10 mm x 55 mm,
entalhe de 2,000 ± 0,025 mm de profundidade, ângulo de abertura de 45° e raio de
entalhe igual a 0,250 ± 0,025 mm, conforme Norma ASTM-E-23, como é possível ver na
Figura 52.
Figura 52 - CP para o Ensaio de Impacto retirado da região soldada, após usinagem e entalhe feito em ferramenta calibrada.para as medidas exigidas
Fonte: do autor, 2016.
Etapas realizadas para a execução do ensaio de impacto:
1) Mediu-se com paquímetro as dimensões de três seções transversais de cada
corpo de prova em três pontos distintos próximos do entalhe em V;
65
2) Determinou-se a área útil do corpo de prova através dos valores encontrados;
3) Carregou-se o ponteiro mostrador da máquina universal de ensaio e impacto;
4) Posicionou-se, através do dispositivo centralizador, o corpo de prova no
alojamento apropriado (Figura 53); e,
5) Liberou-se o pêndulo e registrou-se o valor indicado no mostrador.
Figura 53 - Corpo de Prova sendo centralizado em seu alojamento
Fonte: do autor, 2016.
4.3 Estudo matemático
Em complemento a este Capítulo, foi realizado um estudo matemático que
compara a relação entre as espessuras de chapas e tensões de escoamento dos dois
aços quando submetidos aos mesmos esforços, tendo como parâmetros as dimensões
das chapas e as cargas aplicadas sobre as mesmas. Para isso, tornou-se necessário a
criação do capítulo 6 que tem por objetivo mostrar um desenvolvimento matemático
para explicação e aplicação dessa teoria.
Considerando o tempo em que as chapas de aço ficam expostas ao ambiente
salino, inicia-se o processo de corrosão em locais onde a proteção feita nessa
superfície metálica, seja através de tinta, seja através de proteção catódica ou corrente
impressa, começa a perder as suas propriedades de inibidor, provocando o
comprometimento dessa estrutura com a diminuição da espessura de chapas que estão
sendo danificadas e assim necessitando, dentro de algum tempo, suas substituições.
Como regra geral, quando ocorre uma diminuição na espessura original da chapa
de 25%, as Sociedades Classificadoras exigem que esta chapa seja substituída por
outra que tenha espessura original de projeto. Mas, se no projeto essa chapa fosse
66
substituída por outra com propriedades mecânicas superiores, sendo mantida a mesma
espessura, não se precisaria substituir ainda essa chapa, pois esta teria ainda uma
reserva de resistência como mostra a equação a seguir, apresentadas por Roark and
Young (1982), proporcionando uma vida útil desse chapeamento por um período maior.
No capítulo 10 Chapas Planas (Flat Plates) do livro mencionado no parágrafo
anterior, foi encontrada uma fórmula que é função da tensão (σ), comprimento da chapa
(a), largura da chapa (b), carga uniformemente distribuída atuante sobre a chapa (q) e
espessura da chapa (t), que pode ser usada para o dimensionamento das espessuras
de chapas engastadas pelos quatro lados, que é o caso do chapeamento do casco do
navio como citado anteriormente (soldadas pelas bainhas e fiadas).
De acordo com o que foi dito acima, tem-se a fórmula seguinte:
Max σa = β x (qb²) / (t²), (11)
onde β = f (a/b), constante tabelada que dependente da razão a/b.
q = carga por área ( Kgf / mm²). (12)
Como a chapa que substituirá a danificada estará no mesmo local com as
mesmas dimensões e sujeita aos mesmos esforços, a fórmula poderá ser reduzida à
seguinte equação:
σ=K/t² (13)
Ou então:
σt² = K. (14)
Quanto a variável q, será a mesma carga que seria submetida a chapa no mesmo
local e nas mesmas condições, ou seja, valor constante.
O valor da variável b², por ser a largura da chapa, também não teria alteração em
seu valor, tornando-se mais uma constante.
De forma a se exemplificar a utilidade dessa equação reduzida na aplicação do
presente estudo, tem-se para a mesma chapa, ou seja, com as mesmas dimensões
geométricas submetidas à mesma carga, pode-se escrever:
σt² = K, assim, pode-se escrever:
σ1t1² = σ2t2² t1² = t2²(σ2/σ1) (15)
t1 = t2 2 1 (16)
67
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Serão analisados e discutidos nesse capítulo, os resultados obtidos durante os
experimentos realizados para verificar a eficiência na substituição do aço ASTM-A-131-
Gr A pelo aço ASTM-A-131-Gr AH36, com a finalidade de preservar por tempo superior
a integridade do casco dos navios minimizando os impactos na logística de docagem.
5.1 Ensaios não destrutivos
5.1.1 Ensaio de líquido penetrante e de ultrassom
Após a realização do ensaio de líquido penetrante, conforme descrito no item
3.7.1.2 desse estudo, não foram encontrados defeitos na junta soldada, ficando assim
aprovada a solda executada na união das chapas quanto a defeitos superficiais,
conforme mostrado na Figura 54.
Figura 54 - Chapas examinadas na junta soldada com Líquido Penetrante
Fonte: do autor, 2016.
A fim de verificar a ocorrência de defeitos no interior da solda, detecção de
descontinuidades em grandes profundidades, deu-se sequência com o ensaio de
ultrassom, conforme mostrado na Figura 55.
Como resultado, foi verificado que a solda entre esses aços, realizada com o
eletrodo AWS E 7018, não apresentou defeitos (trincas, porosidades e outros) que
impossibilitassem a justificativa do desenvolvimento do presente estudo, ficando assim
o conjunto das chapas soldadas aprovado para ser utilizado na confecção dos corpos
de prova para todos os ensaios desse estudo.
68
Figura 55 - Ensaio de ultrassom realizado na junta soldada do painel formado pelos aços em estudo
Fonte: do autor, 2016.
5.2 Ensaios destrutivos
5.2.1 Resultado do ensaio metalográfico
O aço ASTM-A-131-Gr A foi laminado a quente e a sua metalografia apresenta
grãos dispostos em filamento na mesma direção (direção vertical), conforme
microestrutura padrão (ferrita e perlita), mostrada na Figura 56.
Figura 56 – Micrografia do metal de base, aço ASTM-A-131-Gr A, apresentando uma microestrutura padrão (ferrita e perlita).
Fonte: do autor, 2016.
69
Já o aço ASTM-A-131-GR AH36 foi laminado a frio tendo em vista que a sua
metalografia de caracterização apresenta grãos dispostos em filamento na mesma
direção, indicando a direção da laminação, conforme figura 57.
Figura 57: Micrografia do metal de base, aço ASTM-A-131-Gr AH36, apresentando estrutura com predominância de grãos de perlita (P) dispostos em filamentos, ataque com Nital 2%
Fonte: do autor, 2016.
Na região da solda não foram observados defeitos na união do Aço ASTM-A-131-
Gr A e Gr AH36 como trincas, porosidade e outros, ficando a ZTA sem apresentar
problemas relativos a união de materiais diferentes, conforme Figura 58.
Figura 58 - Vista da seção transversal do CP com foco na ZTA e aumento de 50X
Fonte: do autor, 2016.
70
5.2.2 Resultados do ensaio de corrosão em câmara de névoa salina
De acordo com a norma ISO 9227:2006, para que o ensaio seja validado, a
câmara deve apresentar perda de massa de 70+-20 gf/m². Os resultados obtidos
mostraram valores de perda de massa que variaram de 57,594 gf/m² a 77,418 gf/m²,
validando a câmara utilizada.
As amostras foram selecionadas de acordo com o critério do tamanho mínimo
necessário para que os ensaios pudessem ser realizados de forma padronizada.
O resultado é mostrado na Tabela 6 a seguir.
Tabela 6 - Valores do Ensaio de Corrosão dos aços na Câmara de Névoa Salina Identificação
do corpo-de-
prova
Massa
Inicial
(g)
Massa
Final
(g)
Área do
corpo-de-
prova
(m²)
Perda de
Massa
(g)
Perda de
Massa por
área
(g/m²)
Perda
Percentual
de Massa
6--A1 79,394 78,756 0,010297 0,638 61,960 0,804
9--A2 85,867 85,176 0,010216 0,691 67,639 0,805
3--A3 79,058 78,457 0,010435 0,601 57,594 0,756
2--A4 77,275 76,669 0,010411 0,606 58,208 0,784
7--A5 77,264 76,663 0,0104351 0,601 57,594 0,778
H2--AH1 89,422 88,710 0,010378 0,712 68,310 0,796
H3--AH2 76,650 76,027 0,010411 0,623 59,841 0,813
H4--AH3 90,510 89,896 0,010539 0,614 58,260 0,678
H6--AH4 84,736 84,124 0,010579 0,612 57,850 0,722
AH5 84,133 83,518 0,010463 0,615 58,779 0,731
Fonte: do autor, 2016.
Pode-se notar que a perda de massa de todos os corpos de prova, seja do aço
ASTM-A-131-Gr A (onde a média da perda de massa foi de 60,599g/m², com o
percentual de 0,785), seja do aço ASTM-A-131-Gr AH36 (onde a média da perda de
massa foi de 60,608g/m², e a percentual de 0,748), não tiveram diferença significativa.
71
5.2.3 Resultados do ensaio de corrosão em campo
Quando foram obtidos os resultados da exposição ao meio marítimo por 1440
horas (60 dias), verificou-se que o resultado obtido teve perdas semelhantes com
percentual de massa, ratificando os valores obtidos na experiência da Câmara de
Névoa Salina, conforme Tabela 7.
Tabela 7 - Valores do Ensaio de Corrosão dos aços expostos ao tempo
Identificação
do corpo-de-
prova
Massa
Inicial
(g)
Massa
Final
(g)
Área do
Corpo de
prova
(m²)
Perda de
Massa
(g)
Perda de
Massa por
área
(g/m²)
Perda
Percentual
de Massa
1-A1 75,605 73,535 0,010217 2,070 202,60 2,74
5-A2 84,086 81,924 0,010500 2,162 202.06 2,57
H5-H1 78,737 76,670 0,010700 2,067 193,18 2,63
H8-H2 80,292 78,230 0,010667 2,062 193.31 2,57
Fonte: do autor, 2016.
Tendo em vista a proximidade dos valores da perda percentual de massa após os
ensaios de corrosão, sejam os obtidos por meio da Câmara de Névoa Salina, sejam os
obtidos pelo Ensaio de Campo, pode-se notar que a corrosão não justifica a
substituição do aço ASTM-A-131-Gr A pelo aço ASTM-A-131-Gr AH36. Assim sendo,
somente serão considerados os resultados dos Ensaios Mecânicos tratados a seguir.
5.2.4 Resultados do ensaio de tração
5.2.4.1 Primeira análise do ensaio de tração dos aços em estudo
Com a finalidade de confirmar as propriedades mecânicas dos aços em estudo
fornecidas pela Norma ASTM-A-131/131M, foi executado, primeiramente, o ensaio de
tração em seis corpos de prova, sendo três do aço ASTM-A-131-Gr A e outros três do
aço ASTM-A-131-Gr AH36, com Tabelas e Gráficos apresentados a seguir. A Tabela 8
mostra os resultados obtidos no ensaio de tração efetuado nos corpos de prova do Aço
ASTM-A-131-Gr A.
72
5.2.4.1.1 Aço ASTM-A-131-Gr A
Tabela 8 - Resultados no ensaio de tração dos CP’s do aço Gr A
Aço ASTM-A-131-Gr A CP01 CP02 CP03
Área inicial (mm²) 60,13 60,13 60,13
L inicial (mm) 51,00 51,00 51,00
Alongamento máx. (mm) 18,27 17,53 14,73
Limite de Escoamento Médio (Mpa) 312,74 352,03 307,68
Limite de Resist. Tração (Mpa) 460,14 466,00 457,50
Tensão Ruptura (Mpa) 303,77 306,15 311,07 Fonte: do autor, 2016.
A Figura 59 mostra o gráfico de tensão versus deformação do dos três corpos de
prova do aço ASTM-A-131-Gr A.
Figura 59: Gráfico Tensão X Deformação do aço ASTM -A-131-Gr A.
Fonte: do autor, 2016.
73
5.2.4.1.2 Aço ASTM-A-131-Gr AH36
A Tabela 9 exibe os resultados obtidos no ensaio de tração de três corpos de
prova ensaiados do aço ASTM-A-131-Gr AH36.
Tabela 9 - Resultados no ensaio de tração dos CP’s do aço Gr AH36
Aço ASTM-A-131-Gr AH36 CP01 CP02 CP03
Área inicial (mm²) 132,3 131,25 132,3
L inicial (mm) 9,8 9,8 9,8
Alongamento máx. (mm) 30,90 25,94 23,33
Limite de Escoamento Médio (Mpa) 398,87 395,55 398,01
Limite de Resist. Tração (Mpa) 543,19 543,49 550,45
Tensão Ruptura (Mpa) 347,37 349,86 350,94 Fonte: do autor, 2016.
A Figura 60 mostra o gráfico de tensão versus deformação dos três corpos de
prova do aço ASTM-A-131-Gr AH36.
Figura 60 - Gráfico Tensão X Deformação do aço ASTM-A-131-Gr AH36
Fonte: do autor, 2016.
74
A partir dos resultados mostrados nas Tabelas 8 e 9, correspondente às Figuras
59 e 60 respectivamente, apresentados anteriormente, pode-se notar que os valores
obtidos estão de acordo com a Tabela 2, fornecida pela Norma ASTM-A-131/131M,
mostrada na página 42 no capítulo 4, confirmando as propriedades mecânicas dos os
aços em estudo.
5.2.4.2 Segunda análise do ensaio de tração na junta soldada dos aços
Para verificação do comportamento da junta soldada, composta pelos aços em
estudo, soldados com eletrodo AWS E 7018, foi realizado o ensaio de tração em três
corpos de prova, objetivando a aprovação dessa proposta, com Tabela 10 e Gráfico da
Figura 61 apresentados a seguir.
5.2.4.2.1 Junta soldada com os aços ASTM-A-131-Gr A com Gr AH36
Tabela 10 - Resultados do ensaio de tração dos CP’s da junta soldada
Aço ASTM-A-131-Gr A com Gr AH36 CP01 CP02 CP03
Área inicial (mm²) 140,58 140,25 142,8
L inicial (mm) 79,5 79,5 80,5
Alongamento máx. (mm) 13,16 13,17 13,17
Limite de Escoamento Médio (Mpa) 288,39 312,64 297,26
Limite de Resist. Tração (Mpa) 449,38 465,35 450,36
Tensão Ruptura (Mpa) 341,65 352,84 364,63 Fonte: do autor, 2016.
A partir dos resultados mostrados na Tabela 10, que deram origem a construção
da Figura 61, pode-se notar que os valores obtidos são próximos dos valores da Tabela
8, relativa aos resultados no ensaio de tração dos CP’s do aço Gr A, confirmando que a
junta soldada com os dois tipos de aço em estudo teve um comportamento semelhante
àquele do aço ASTM-A-131-Gr A, mostrando a superioridade do ASTM-A-131-Gr AH36,
pois a ruptura de todos os CP’s se deram no lado do aço comum (Gr A).
75
Figura 61 - Gráfico Tensão X Deformação da junta soldada
Fonte: do autor, 2016.
5.2.4.3 Terceira análise do ensaio de tração na junta soldada dos aços corroídos
Para verificação do comportamento da junta soldada, composta pelos aços em
estudo, soldados com eletrodo AWS E 7018, e submetidos à corrosão gerada pela
Câmara de Névoa Salina, foi realizado outro ensaio de tração em dois corpos de prova
com o objetivo de verificar o comportamento dessa junta quando corroída. Esses
resultados são mostrados na Tabela 11 e no Gráfico da Figura 62, apresentados a
seguir.
76
5.2.4.3.1 Junta soldada com os aços ASTM-A-131-Gr A com Gr AH36 submetida à
corrosão em Câmara de Névoa Salina por 600 horas
Tabela 11 - Resultados do ensaio de tração dos CP’s da junta soldada corroída
Aço ASTM-A-131-Gr A com Gr AH36 CP01 CP02
Área inicial (mm²) 142,38 145,77
L inicial (mm) 10,7 10,65
Alongamento máx. (mm) 14,25 12,00
Limite de Escoamento Médio (Mpa) 250,16 288,08
Limite de Resist. Tração (Mpa) 439,82 424,27
Tensão Ruptura (Mpa) 331,52 326,19 Fonte: do autor, 2016.
Figura 62 - Gráfico Tensão X Deformação da junta soldada corroída
Fonte: do autor, 2016.
A partir dos resultados mostrados na Tabela 11 e Figura 62, pode-se notar que os
valores são próximos dos encontrados na segunda análise, apesar da permanência dos
CP’s durante 600h na Câmara de Névoa Salina, já que, para impactar nos resultados
desses ensaios mecânicos realizados, se necessitaria obter valores significativos de
perda de massa.
77
5.2.4.4 Análise comparativa dos resultados obtidos dos ensaios de tração
Para uma análise comparativa dos resultados obtidos nos ensaios de tração
realizados anteriormente, foi-se montada a Tabela 12 que mostra os valores médios
das tensões resultantes em cada ensaio e os valores tabelados pela Norma ASTM-A-
131/131M.
Tabela 12 - Resultado geral do ensaio de tração nos CP’s
Material ( aço ASTM-A-131 ) LE *
(Mpa) LR ** (Mpa)
LRp *** (Mpa)
Grau A (padrão) 235 445 -
Grau A (ensaiado) 315,14 461,21 307
Junta Soldada 298,43 455,03 354,04
Junta Soldada Corroída 269,12 432,05 328,85 (*) Limite de Escoamento = LE, (**) Limite de Resistência = LR, (***) Limite de Ruptura = LRp Fonte: do autor, 2016.
Pode-se observar que o aço que apresentou menor resistência neste ensaio foi o
aço 1020, seja sem corrosão, seja corroído, pois todos os corpos de prova romperam-
se na área desse aço. A seguir, é mostrado pela Figura 63 os corpos de prova após o
ensaio de tração, destacando a ZTA dos mesmos. Para uma breve análise, isto mostra
que a composição química do aço 1020 não apresenta percentual de elementos de liga
significativo quando comparado ao aço AH36, o qual apresenta na sua composição
química um elevado percentual médio de Mn (1,3% ) e sensível taxa de Cr (0,25%)e Ni
(0,4%), conforme é possível se verificar na Tabela 1, na página 42 do Capítulo 4 desse
estudo.
Figura 63 - CP`s com junta soldada após o ensaio de tração.
Fonte: do autor, 2016.
78
5.2.5 Resultado do ensaio de dobramento
O ensaio de dobramento avaliou a integridade da solda, verificando, para isso, se
havia defeitos como: trincas, falta de fusão, falta de penetração e porosidade.
O material, tanto na face quanto na raiz da solda, estabilizou a carga de
dobramento com o valor de 3500 Kgf, dando início a uma velocidade maior de ensaio e
de declínio da carga aplicada. Não houve defeito significativo em qualquer área dos
corpos de prova ensaiados (seja na raiz, seja na face da região soldada), conforme
Figura 64.
Figura 64 - Corpos de prova após ensaio de dobramento.
Fonte: do autor, 2016.
5.2.6 Resultados do ensaio de dureza
Utilizou-se a carga para 100kgf e, mediu-se para o aço ASTM-A-131-Gr A, na
primeira indentação mostrou 78 Rockwell B e, na segunda, 77 Rockwell B e, na terceira,
78 Rockwell B. Para o aço ASTM-A-131-Gr AH36 mostrou na primeira identação 83
Rockwell B e, na segunda, 85 Rockwell B e, na terceira, 84 Rockwell B. Os resultados
mostram que o segundo aço é menos dúctil quando comparado ao primeiro, tendo em
vista a diferença na composição química onde sobressai o percentual dos elementos Cr
e Mn e também por ter maior quantidade de perlita, conforme foi mostrado na análise
metalográfica da Figura 57, deixando o aço ASTM-A-131-Gr AH36 com ductilitade
inferior, quando comparado ao ASTM-A-131-Gr A.
79
5.2.7 Resultado do ensaio de impacto
Os resultados obtidos no ensaio de impacto por Charpy-V tipo A informam a
energia absorvida por cada corpo de prova. O ensaio foi realizado à temperatura
ambiente e os resultados são encontrados na Tabela 13.
Tabela 13: Resultados do ensaio de impacto Charpy-V, tipo A
Ensaio de Impacto - Charpy-V
Eletrodo E-7018
CP Energia absorvida (J)
CP 1 127,6
CP 2 121,4
Média 124,5 Fonte: do autor, 2016.
Os resultados obtidos no ensaio de impacto mostram que a energia absorvida
pelos corpos de prova foi superior ao mínimo exigido pela especificação da AWS
5.1(82) para o eletrodo AWS E-7018, que é de 80 J à temperatura ambiente, o que
aprova esse tipo de junta entre os aços em estudo.
5.3 Análise geral dos resultados dos ensaios executados
Tendo em vista os resultados obtidos neste capítulo, relativos à influência da
corrosão nos materiais em estudo, pôde-se verificar a proximidade dos valores do
percentual de perda de massa nos aços ASTM-A-131-Gr A e Gr AH36, ficando a
corrosão como parâmetro irrelevante para comparação dos mesmos. Já nos ensaios
mecânicos, foi comprovada a superioridade do aço ASTM-A-131-Gr AH36 nas tensões
resultantes nos ensaios de tração realizados, o que justifica a aplicação dessa fórmula
matemática como meio de valorar a diferença de tensões entre os aços.
5.4 Proposta para a substituição dos aços
5.4.1 Estudo matemático da proposta
Sabe-se que os navios construídos de aço possuem todas as chapas
componentes do casco interligadas com solda nas fiadas e bainhas, formando essa
estrutura de aço, a qual é responsável pelos maiores esforços, chamados de primários,
que essa estrutura sofre ao ser submetida a solicitações que a embarcação encontra ao
cruzar mares em diversas situações (mar 1, mar 2, mar 3, etc.). Assim, os projetos dos
80
navios são feitos através de cálculos que obedecem regras, sejam empíricas, sejam por
meio de software, ou através dos dois métodos, que irão dimensionar todos os
componentes dessa estrutura principal.
De forma a exemplificar a aplicação da fórmula 16 do Estudo Matemático
apresentado na página 65 desta dissertação, tomou-se como exemplo o cálculo da
espessura equivalente da chapa do aço ASTM-A-131-Gr AH36, com tensão de
escoamento igual a 36Kgf/mm² , relativa a espessura de 10mm da chapa de aço
comum ASTM-A-131-Gr A, com tensão de escoamento igual a 24Kgf/mm², obtendo-se
o valor igual a 8,17 mm, conforme demonstrado na aplicação da fórmula (16) :
t1 = t2 ; substituindo os valores acima expostos, obtém-se:
t1 = 10 = 10 X 0,817 t1 = 8,17 mm
Assim, ao comparar-se as espessuras dos aços em questão, nota-se que a do aço
mais resistente ficou reduzida, em termos relativos, de 18,3%.
Se fosse mantida a mesma espessura de chapa, t1 = 10 mm, o que não
ocasionaria aumento de peso, pois o peso específico de ambos os materiais é o mesmo
(Ɣ = 7,85 tf/m³), a razão percentual ficaria conforme a seguir:
t2 = 10 = 12,3 mm, ou seja, um aumento de espessura equivalente a 23%.
Portanto, a chapa de 10 mm de aço comum que estaria reprovada ao atingir a
espessura de 7,5 mm, conforme exigências das Sociedades Classificadoras, se fosse
de aço ASTM-A-131-Gr AH36 precisaria atingir o valor de 6,13 mm na espessura média
da chapa para sua reprovação.
Com esses resultados, o estudo demonstra a viabilidade da substituição do aço
ASTM-A-131-Gr A, tipo de aço mais usado na construção naval, pelo aço ASTM-A-131-
Gr AH36 nos locais onde a corrosão do chapeamento das obras vivas de um navio
apresenta-se mais crítica, como possível solução para a preservação da integridade do
casco, ou seja, que o emprego simultâneo dos dois tipos de aços para a construção e
reparo das obras vivas de um navio é uma técnica eficiente para ajudar na conservação
do chapeamento dos navios por tempo superior, minimizando os impactos na logística
de docagem.
81
6 CONCLUSÃO
Os ensaios executados no presente estudo analisaram as propriedades
mecânicas, microestruturais e as tensões residuais de juntas soldadas dos aços ASTM-
A-131-Gr A e ASTM-A-131-Gr AH36, que após os resultados obtidos, chegou-se às
seguintes conclusões:
1) Nos Ensaios de Corrosão em Câmara de Névoa Salina e de Campo pode-se
verificar que o aço ASTM-A-131-Gr A e ASTM-A-131-Gr AH36 tiveram um
comportamento semelhante quanto à corrosão, ou seja, o grau de corrosão foi
praticamente o mesmo e não justificaria a substituição de um aço pelo outro. Na tabela
do fabricante, pode-se verificar que o percentual do carbono equivalente (Ceq%) do aço
ASTM-A-131-Gr A é 0,40% máx e do aço ASTM-A-131-Gr AH36 é 0,38% máx, o que
demonstra a paridade de carbono na composição química deles, com baixo percentual
de elementos de liga (ver Tabela 1) que pudessem se destacar para combater a
corrosão.
2) Quando executado o ensaio de tração nos corpos de prova fabricados com os
dois aços e soldados com o eletrodo AWS E 7018, próprio para a soldagem entre
chapas do aço ASTM-A-131-Gr A e capaz de resistir, no mínimo, à tensão de tração no
valor de 70.000 PSI (aproximadamente 500 MPa), pode-se notar que o rompimento
ocorreu na região do aço ASTM-A-131-Gr A com valores semelhantes aos encontrados
na tabela dos fabricantes desse aço. Esse fato demonstra além da resistência superior
do aço ASTM-A-131-Gr AH36 e do eletrodo AWS E 7018, quando comparados ao aço
ASTM-A-131-Gr A, a compatibilidade desse eletrodo para união dos aços em estudo.
Também no ensaio de tração onde os corpos de prova foram submetidos a uma
corrosão avançada na câmara de névoa salina por 600 horas, pôde-se observar um
comportamento semelhante ao ensaio realizado anteriormente, ratificando, além da
superioridade do aço ASTM-A-131-Gr AH36, a compatibilidade do eletrodo AWS E
7018 nos aços em estudo.
3) No ensaio de dobramento pode-se constar, mais uma vez, a adequabilidade da
junta soldada eletrodo AWS E 7018 para união dos aços em estudo, visto não terem
sido apresentadas trincas, falta de fusão, falta de penetração e porosidade nas duas
82
formas de ensaio, quando tracionadas pela raiz e pela face da região soldada
(dobramento pela raiz e pela face, respectivamente), e juntamente a aprovação e
qualificação do soldador que executou a soldagem do chapeamento de onde foram
retirados os corpos de prova.
4) No ensaio de dureza conclui-se que a medida de profundidade provocada na
indentação é relacionada ao valor da dureza, onde ela será maior e mais profunda
quanto mais dúctil for o material. Verificou-se a partir dos resultados obtidos que o aço
ASTM-A-131-Gr A (78 HRB) é mais dúctil do que o aço ASTM-A-131-Gr AH36 (84
HRB), porém com valores médios próximos, o que demonstra a compatibilidade da
substituição dos aços em estudo.
5) No ensaio de impacto observou-se, a partir dos resultados obtidos, que a
energia absorvida pelos corpos de prova foi superior ao mínimo exigido pela
especificação da AWS para o eletrodo AWS E-7018, que é de 80 J à temperatura
ambiente, o que aprova esse tipo de junta entre os dois aços.
6) No Ensaio de Metalografia verificou-se que o aço ASTM-A-131-Gr A tem a sua
metalografia de caracterização apresentando microestrutura padrão (ferrita e perlita).Já
o aço ASTM-A-131-Gr AH36 apresentou na sua metalografia de caracterização grãos
dispostos em filamento na mesma direção, com predominância de grãos de perlita,
indicando a direção da laminação. Na região da solda não foram observados defeitos
na união dos 2 (dois) aços como trincas, porosidade e outros, ficando a ZTA sem
apresentar problemas relativos a união de materiais diferentes.
7) Na aplicação prática da fórmula apresentada nos Capítulos 4 e 6, visando a
troca do aço ASTM-A-131-Gr A com espessura de 10 mm pelo aço ASTM-A-131-Gr
AH36, pode-se notar que haveria uma redução de espessura e de peso, em termos
percentuais, de 18,3%. Essa substituição é muito usada no projeto de navios onde se
quer reduzir o peso total (deslocamento), para reduzir também a potência dos motores
principais (MCP`s), o que reduzirá o consumo de combustível podendo aumentar a
velocidade de operação, porém, submetida às mesmas regras das Sociedades
Classificadoras quanto a mudança do chapeamento da embarcação, ou seja,
substituição ao atingir uma perda de espessura igual a 25 % da espessura original.
83
Assim, após os fatos apresentados anteriormente, torna-se evidente que a troca
do aço ASTM-A-131-Gr A pelo aço ASTM-A-131-Gr AH36, é uma boa alternativa para a
logística de docagem, visto que o desconhecimento do que será substituído no
chapeamento afeta as ações de logística e o tempo de docagem, podendo aumentar
significativamente o período de inatividade do navio. Portanto, com a mudança do aço
ASTM-A-131-Gr A para o aço ASTM-A-131-Gr AH36 será possibilitado um tempo maior
entre intervalos de substituição do chapeamento do navio, fato que minimizará o tempo
e custos no período de docagem.
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SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
• Realizar estudos complementares em projetos de navios, com aplicação da
solução apresentada nessa dissertação, onde se objetiva reduzir o tempo de
docagem com a substituição de chapas em regiões previamente identificadas
nas obras vivas.
• Definição para uma determinada classe de navio das áreas mais propensas a
corrosão, em função de dados históricos, buscando minimizar o tempo de
docagem.
• Estudo da viabilidade econômica no projeto de novas embarcações,
aproveitando-se a aplicação da solução estudada, que possibilitará a redução do
peso total (deslocamento) da embarcação, obtendo-se, consequentemente a
redução da potência dos motores principais e auxiliares, redução do consumo de
combustível, aumento da autonomia do navio, sem perder as características de
projeto com a finalidade de bem realizar a sua missão.
85
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