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Universidade Federal da Bahia |
Repositório Institucional da UFBA
Use este identificador para citar ou linkar para este item: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/41965
Tipo: Tese
Título: Investigação do efeito da adição de alumínio, titânio e zircônio nas propriedades mecânicas a quente de ligas Ni-Cr-Nb utilizadas em fornos de pirólises
Título(s) alternativo(s): Investigation of the addition of aluminum, titanium, and zirconium on the high-temperature mechanical properties of Ni-Cr-Nb alloys used in a pyrolysis furnaces
Autor(es): Santana, Paulo Moura Bispo de
Primeiro Orientador: Albuquerque, Elaine Christine de Magalhães Cabral
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Sousa, Carlos Alberto Caldas de
metadata.dc.contributor.referee1: Albuquerque, Elaine Christine de Magalhães Cabral
metadata.dc.contributor.referee2: Sousa, Carlos Alberto Caldas de
metadata.dc.contributor.referee3: Malfatti, Célia de Fraga
metadata.dc.contributor.referee4: Barra, Sérgio Rodrigues
metadata.dc.contributor.referee5: Costa, André Luiz de Moraes
Resumo: Este estudo foi motivado pela falha de serpentinas de um forno de pirólise, que sofreram ruptura após 43.370 horas de operação. A investigação abordou a interação entre os mecanismos de carburização, fluência e perda de ductilidade, com o apoio de simulações por elementos finitos, avaliação de tensões térmicas, ensaios de permeabilidade magnética e testes NACE TM498 para quantificação da profundidade de carburização, além de análises por microscopia e difração de raios X. Os resultados revelaram que os tubos submetidos a temperaturas mais elevadas apresentaram degradação severa, caracterizada por intensa formação de carbonetos, ovalização e rupturas frágeis associadas ao acúmulo de tensões residuais. Com base nesses achados, evidenciou-se a necessidade de aprimoramento dos materiais utilizados nesses componentes críticos. Nesse contexto, este trabalho avaliou o efeito da adição de alumínio, titânio e zircônio em ligas Ni-Cr-Nb, com o objetivo de otimizar propriedades mecânicas e aumentar a resistência à degradação por carburização e fluência. Foram analisadas quatro ligas produzidas por fundição estática com diferentes composições (0,4C-30Cr-40Ni-1Nb; 0,4C-30Cr-40Ni-1Nb-3Al; 0,4C-30Cr-40Ni-1Nb-3Al-0,2Ti; e 0,4C- 30Cr-40Ni-1Nb-3Al-0,2Zr), submetidas a exposição em atmosfera carburante a 1150°C por 480 horas e a ensaios de fluência sob 17MPa. A caracterização microestrutural incluiu microscopia óptica, MEV, EDS, EBSD e dilatometria. A adição de alumínio mostrou-se eficaz na formação de camadas protetoras estáveis contra carburização, enquanto titânio e zircônio tiveram efeitos limitados. Nos ensaios de fluência, as ligas sem alumínio apresentaram melhor desempenho na ausência de atmosferas agressivas; porém, a presença combinada de Al com Ti ou Zr retardou o avanço da degradação sob exposição carburante, prolongando o tempo de ruptura. Os resultados reforçam a importância da integração entre conhecimento científico e aplicação industrial no desenvolvimento de ligas mais resistentes, contribuindo para a integridade estrutural, a redução de custos de manutenção e a eficiência operacional de processos críticos como o craqueamento térmico de hidrocarbonetos.
Abstract: This study was motivated by the failure analysis of pyrolysis furnace coils that ruptured after 43,370 hours of operation. The investigation focused on the interaction between carburization, creep, and ductility loss, employing finite element analysis to evaluate thermal stresses, magnetic permeability measurements, and NACE TM0498 testing to determine carburization depth, along with microscopy and X-ray diffraction techniques. The results showed that tubes operating at higher temperatures experienced severe degradation, with extensive carbide formation, significant ovalization, and brittle fractures associated with the accumulation of residual stresses. These findings highlighted the need to improve the materials used in such critical components. In response, this work assessed the effects of adding aluminum, titanium, and zirconium to Ni-Cr-Nb alloys, aiming to enhance mechanical properties and increase resistance to carburization and creep degradation. Four alloys produced by static casting were studied, with compositions of 0.4C-30Cr-40Ni-1Nb; 0.4C-30Cr-40Ni- 1Nb-3Al; 0.4C-30Cr-40Ni-1Nb-3Al-0.2Ti; and 0.4C-30Cr-40Ni-1Nb-3Al-0.2Zr. These were subjected to carburizing atmospheres at 1150°C for 480 hours and creep tests under a constant load of 17MPa at the same temperature. Microstructural characterization included optical microscopy, SEM, EDS, EBSD, and dilatometry. The addition of aluminum effectively promoted the formation of more stable protective oxide layers, increasing carburization resistance, while titanium and zirconium had limited influence. Regarding creep performance, aluminum-free alloys showed superior behavior in non-carburizing environments; however, the combination of Al with Ti or Zr delayed the transition to critical damage stages under carburizing conditions, extending rupture time and demonstrating potential for severe service applications. This study underscores the relevance of integrating scientific knowledge with industrial practice, showing how a detailed understanding of failure mechanisms can guide the development of more robust alloys and optimize operational strategies—preserving structural integrity, reducing maintenance costs, and improving the efficiency of critical industrial processes such as hydrocarbon thermal cracking.
Palavras-chave: Petroquímica
Forno de Pirolise
Carburização
Ligas Ni-Cr-Nb-Al
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Editora / Evento / Instituição: UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
Sigla da Instituição: UFBA
metadata.dc.publisher.department: Escola Politécnica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Industrial (PEI) 
Citação: SANTANA, Paulo Moura Bispo de. Investigação do Efeito da Adição de Alumínio, Titânio E Zircônio nas Propriedades Mecânicas a Quente de Ligas Ni-Cr-Nb Utilizadas em Fornos de Pirólises. Tese (doutorado) - Programa de Engenharia Industrial. Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2025.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufba.br/handle/ri/41965
Data do documento: 13-Fev-2025
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