A classe 2 (UNS R50400) é titânio comercialmente puro — o material mais utilizado na indústria de processos químicos, fácil de moldar e soldar, com excelente resistência à corrosão geral. A classe 12 (UNS R53400, Ti-0,3Mo-0,8Ni) adiciona 0,8% de níquel e 0,3% de molibdénio para aumentar o limite de escoamento em cerca de 25% e alargar a resistência à corrosão em fendas a temperaturas que o Grau 2 simplesmente não consegue suportar. A contrapartida é um preço unitário cerca de 13% mais elevado, mas a pressões e temperaturas elevadas, os recipientes de Grau 12 requerem paredes mais finas — e o custo total do projeto pode, na verdade, ser 21% inferior. Este guia compara ambas as classes, propriedade a propriedade, inclui os valores admissíveis de projeto da Secção VIII da ASME e fornece-lhe um quadro de decisão claro para determinar quando a atualização faz sentido do ponto de vista técnico e económico.
Em resumo: Titânio de grau 12 vs. titânio de grau 2
| Imóveis | 2.º ano (R50400) | 12.º ano (R53400) | Vencedor |
|---|---|---|---|
| Composição | 99%+ Ti (CP) | Ti + 0,8% Ni + 0,3% Mo | — |
| UTS (mín., ASTM B265) | 345 MPa (50 ksi) | 483 MPa (70 ksi) | 12º ano |
| Resistência ao escoamento (min) | 275 MPa (40 ksi) | 345 MPa (50 ksi) | 12º ano |
| Alongamento (min) | 20% | 18% | Grau 2 |
| Densidade | 4,51 g/cm³ | 4,51 g/cm³ | Gravata |
| Condutividade térmica | 22 W/mK | 19–21 W/mK | Grau 2 |
| Resistência à fadiga | ~250 MPa | ~280 MPa | 12º ano |
| Corrosão geral | Excelente | Excelente | Gravata |
| Corrosão em fendas (solução salina quente) | Sensível a temperaturas superiores a ~80 °C | Resistente a cerca de 240 °C com pH > 2 | 12º ano |
| Resistência ao HCl em ebulição | Até uma concentração de ~0,11 TP3T. | Até uma concentração de ~1%. | 12º ano |
| Soldabilidade | Excelente | Excelente | Gravata |
| Conforme normas ASME, admissível a 300 °F | 12 000 psi | 16 200 psi | 12º ano |
| Custo dos materiais | Mais baixo (~$13/lb) | Mais elevado (~$15/lb, ~13% de prémio) | Grau 2 |
| Custo do sistema (T/P elevado) | Mais alto (paredes mais grossas) | Frequentemente mais baixo (paredes mais finas) | 12º ano |
| Normas ASTM | B265 Gr2, B337, B338, B348 | B265 Gr12, B337, B338, B348, B381 | — |
| Aplicações típicas | IPC geral, marítimo, médico | Salmoura quente, CPI, dessalinização, energia geotérmica | — |
O que distingue o 12.º ano do 2.º ano?
A liga de grau 12 corresponde à liga de grau 2 com duas adições deliberadas: 0,81 TP3T de níquel e 0,31 TP3T de molibdénio. Essa é toda a diferença na composição. Ambas as classes partilham limites idênticos para o carbono (máx. 0,08%), o azoto (máx. 0,03%), o oxigénio (máx. 0,25%), hidrogénio (máx. 0,0151 TP3T) e ferro (máx. 0,301 TP3T). O restante, em titânio, varia entre aproximadamente 97,6 e 99,21 TP3T na Classe 12, contra 98,9 e 1001 TP3T na Classe 2.
Estas pequenas adições provocam alterações desproporcionais em relação às suas frações em massa.
Porquê o níquel?
O níquel (Ni, 0,6–0,9%) aumenta a temperatura limite na qual a película de óxido passiva do titânio se degrada em ambientes clorados. No titânio puro, a película protetora de TiO₂ torna-se suscetível ao ataque em fendas em soluções quentes e concentradas de cloreto — principalmente porque a geometria das fendas cria condições localizadas de acidez e falta de oxigénio que a película de óxido não consegue suportar a temperaturas elevadas. O níquel estabiliza a película passiva nestas condições, elevando significativamente o limiar de início da corrosão.
É por isso que se especifica a classe 12 para os aquecedores de salmoura nas instalações de dessalinização, onde a classe 2 exigiria ou uma classe contendo paládio (muito mais cara) ou um limite máximo de temperatura de funcionamento que restringiria a eficiência da instalação.
Porquê o molibdénio?
O molibdénio (Mo, 0,2–0,4%) atua através de um mecanismo diferente. Em ambientes ácidos redutores — nomeadamente em aplicações com ácido clorídrico — o molibdénio melhora a resistência da liga à corrosão uniforme. Este é o mesmo papel que o molibdénio desempenha no aço inoxidável do tipo 316, onde a sua adição de 2–3% de Mo é a principal razão pela qual este tipo de aço suporta o HCl e o ácido sulfúrico diluído muito melhor do que o tipo 304.
No Grau 12, a quantidade é muito inferior, mas alarga significativamente a vida útil a concentrações de ácido diluído, nas quais o Grau 2 sofre corrosão a taxas que excedem o limiar técnico típico de 5 mils por ano (mpy).
Juntos, o Ni e o Mo fazem com que o Grau 12 seja o que a indústria denomina um “titânio ”quase comercialmente puro“ ou ”liga magra» — mantém a excelente formabilidade e soldabilidade do Grau 2, ao mesmo tempo que aumenta significativamente a resistência à corrosão, especialmente em ambientes agressivos redutores ou em que se alternam condições oxidantes e redutoras.
Propriedades mecânicas: Grau 12 vs. Grau 2
O 12.º ano é significativamente mais exigente do que o 2.º ano — e não apenas ligeiramente. A resistência à tração máxima (UTS) mínima da norma ASTM B265 é de 483 MPa (70 ksi) para o Grau 12, contra 345 MPa (50 ksi) para o Grau 2, o que representa uma diferença de 40% no limite mínimo da especificação. Os valores típicos reduzem essa diferença: 530–550 MPa contra 420–515 MPa, mas o Grau 12 continua a apresentar uma resistência à tração (UTS) 15–26% superior na prática.
A vantagem em termos de resistência é ainda mais significativa na conceção de recipientes sob pressão e tubagens, uma vez que as tensões admissíveis da ASME variam em função da resistência à tração máxima e da resistência ao escoamento. Ao realizar os cálculos previstos na Secção VIII, Divisão 1, a temperaturas elevadas, a vantagem do Grau 12 torna-se a base para paredes mais finas — o que compensa diretamente o seu custo unitário mais elevado.
Comparação completa das propriedades mecânicas
| Imóveis | 2.º ano (R50400) | 12.º ano (R53400) | Fonte |
|---|---|---|---|
| UTS, mínimo | 345 MPa (50 ksi) | 483 MPa (70 ksi) | ASTM B265 |
| UTS, recozido típico | 345–515 MPa | 530–550 MPa | MatWeb, AZoM |
| Limite de escoamento, mínimo | 275 MPa (40 ksi) | 345 MPa (50 ksi) | ASTM B265 |
| Limite de escoamento, típico | 275–410 MPa | 380–410 MPa | MatWeb, AZoM |
| Alongamento na ruptura, mínimo | 20% | 18% (folha) | ASTM B265 |
| Alongamento, típico | 23–28% | 21% | MakeItFrom |
| Redução da área | 37% | 28% | MakeItFrom |
| Módulo de elasticidade | 110 GPa | 105–110 GPa | AZoM, MakeItFrom |
| Resistência ao cisalhamento | 270 MPa | 330 MPa | MakeItFrom |
| Resistência à fadiga | ~250 MPa | ~280 MPa | MakeItFrom |
| Dureza, Brinell | ~120–160 HB | 180–235 HB | AZoM |
| Densidade | 4,51 g/cm³ | 4,51 g/cm³ | ASTM B265 |
| Condutividade térmica | 22 W/mK | 19–21 W/mK | MakeItFrom, AZoM |
| Expansão térmica | 9,0 µm/m·K | 8,6–9,6 µm/m·K | AZoM, MakeItFrom |
O que significam os valores de ductilidade
A classe 2 apresenta um alongamento ligeiramente superior (23%, valor típico, contra 21% para a classe 12) e uma redução de área significativamente superior (37% contra 28%). Isto significa que o Grau 2 é mais tolerante em operações de conformação a frio — estica-se mais antes de rachar. Para formas complexas, o Grau 2 continua a ser o material mais fácil de trabalhar.
A maior dureza do Grau 12 (até 235 HB, contra 160 HB do Grau 2) significa que é mais resistente ao desgaste, o que é importante em aplicações de bombas e válvulas com meios abrasivos. A sua usinagem é ligeiramente mais difícil — recomendam-se velocidades mais baixas e ferramentas de metal duro (designação C1–C4).
Densidade e peso
Ambas as classes têm uma densidade essencialmente idêntica (4,50–4,51 g/cm³), o que corresponde aproximadamente à densidade do aço inoxidável 56%. A vantagem do titânio em termos de peso em relação ao aço mantém-se, independentemente da classe escolhida. Ao comparar a Classe 12 com a Classe 2 em projetos em que o peso é um fator determinante, a densidade não constitui um fator diferenciador.
Resistência à corrosão: é aqui que a classe 12 justifica o seu preço mais elevado
Ambas as classes apresentam uma excelente resistência à corrosão geral — mas não é aí que a decisão se torna interessante. A película passiva de TiO₂ do titânio puro torna tanto o Grau 2 como o Grau 12 essencialmente imunes à água do mar, a soluções salinas diluídas, à maioria dos ácidos orgânicos e a ambientes oxidantes a temperaturas moderadas. Em aplicações em que nenhum dos dois graus sofre corrosão, é difícil justificar o custo adicional do Grau 12.
Essa diferenciação manifesta-se em três cenários específicos: corrosão em fendas em soluções quentes de cloretos, ambientes ácidos redutores e utilização a temperaturas superiores a 80 °C em salmouras.
Corrosão em fendas: o fator diferenciador crucial
A corrosão em fendas é o calcanhar de Aquiles do titânio comercialmente puro. Esta ocorre quando a geometria da fenda (sob juntas, em ligações roscadas, entre o tubo e a placa de tubos) cria uma zona estagnada e empobrecida em oxigénio numa solução quente de cloretos. O pH da solução local diminui e a película de óxido degrada-se. No caso do Grau 2, isto torna-se normalmente uma preocupação a temperaturas superiores a 70–80 °C em ambientes com cloretos concentrados.
O grau 12 eleva esse limiar para aproximadamente 240 °C (464 °F) em valores de pH superiores a 2. A adição de níquel é o principal fator determinante. Os dados publicados sobre corrosão (retirados da publicação técnica «MTI Connect 2020» da Tricor Metals, com base em dados de ensaios da indústria) mostram que, em salmoura saturada:
- O aço de grau 2/2H sofre corrosão intersticial a temperaturas elevadas, mesmo com um pH de 2
- A classe 12 não apresenta corrosão intersticial a um pH > 2 até 240 °C
Não se trata de uma melhoria marginal — é, aproximadamente, uma expansão de 3 vezes do intervalo de funcionamento seguro para aplicações com cloretos a altas temperaturas. Os aquecedores de salmoura em instalações de dessalinização, os permutadores de calor geotérmicos e os permutadores de calor em instalações químicas que funcionam a temperaturas superiores a 80 °C em aplicações com cloretos representam exatamente as aplicações em que a Classe 12 compensa.
Um ponto fundamental que vale a pena salientar: nenhuma das duas variedades apresenta absorção de hidrogénio em salmoura quente com pH neutro a ácido. A classe 2 continua a ser uma opção válida para aplicações com cloreto, desde que as temperaturas se mantenham abaixo de ~80 °C e a geometria das fendas seja controlada.
Serviço de Ácido Clorídrico
No ácido clorídrico em ebulição, o limite de concentração separa as duas categorias de forma decisiva:
| Concentração de HCl (ponto de ebulição) | Grau 2 | 12º ano |
|---|---|---|
| 0,051 TP3T (≈pH 2) | ≤5 mpy ✓ | ≤5 mpy ✓ |
| 0.1% | Marginal | ≤5 mpy ✓ |
| 0.5% | >5 mpy ✗ | ≤5 mpy ✓ |
| 1.0% | Taxa elevada ✗ | ≤5 mpy ✓ |
| 2.0% | Taxa muito elevada ✗ | >5 mpy — corrosão ✗ |
| 5.0% | Grave ✗ | Grave ✗ |
Dados baseados na publicação «MTI CONNECT» da Tricor Metals, que faz referência a ensaios de corrosão realizados na indústria. 5 mpy (0,127 mm/ano) é um limiar de engenharia frequentemente utilizado.
A classe 2 quase nunca é especificada para aplicações com HCl. O grau 12 é útil até uma concentração de HCl em ebulição de aproximadamente 1% — ainda muito aquém dos graus que contêm paládio (7, 11, 16, 17), que suportam ambientes altamente redutores, mas suficiente para muitos fluxos de processamento químico onde estão presentes vestígios de HCl.
Ambientes redutores vs. oxidantes
O titânio não ligado (Grau 2) apresenta um excelente desempenho em ambientes oxidantes, uma vez que a película de óxido passiva é termodinamicamente estável. Por outro lado, tem dificuldades em ambientes redutores — ácidos minerais diluídos sem oxidantes dissolvidos —, porque a película não se mantém. A adição de molibdénio na Classe 12 visa especificamente colmatar esta lacuna: o Mo estabiliza a película em condições ligeiramente redutoras e alarga o intervalo de utilização em ambientes mistos ou com condições oxidantes e redutoras variáveis.
Conclusão prática: se o seu fluxo de processo alternar entre condições oxidantes e redutoras (algo comum em reatores químicos em lote), o Grau 12 é consideravelmente mais fiável do que o Grau 2.
Limites de projeto da ASME: O argumento económico a favor do Grau 12
A diferença de preço por libra entre o Grau 12 e o Grau 2 revela apenas uma parte da realidade. O grau 12 custa normalmente cerca de 13% a mais por libra (aproximadamente $15,07 contra $13,34/lb, com base nos dados da Tricor Metals de 2020; os preços atuais de mercado variam, mas o prémio relativo é semelhante). Para os engenheiros que se concentram apenas no preço de compra do material, esse prémio parece uma desvantagem em termos de custos. A comparação com os limites de projeto permitidos pela ASME revela por que razão essa perspetiva é incompleta.
A Secção VIII, Divisão 1 da ASME estabelece as tensões de projeto admissíveis para recipientes sob pressão. O grau 12 apresenta valores admissíveis mais elevados em todas as temperaturas:
Tensões admissíveis de projeto da Secção VIII, Divisão 1, da ASME
| Temperatura | 2.º ano H (R50400) | 12.º ano (R53400) | Vantagem do 12.º ano |
|---|---|---|---|
| 100 °F (38 °C) | 16 600 psi | 20 000 psi | +20% |
| 150 °F (66 °C) | 15 900 psi | 20 000 psi | +26% |
| 200 °F (93 °C) | 14 400 psi | 18 700 psi | +30% |
| 250 °F (121 °C) | 13 100 psi | 17 400 psi | +33% |
| 300 °F (149 °C) | 12 000 psi | 16 200 psi | +35% |
| 400 °F (204 °C) | 10 200 psi | 14 300 psi | +40% |
| 500 °F (260 °C) | 8 800 psi | 13 100 psi | +49% |
| 600 °F (315 °C) | 7 600 psi | 12 300 psi | +62% |
Fonte: Código ASME para Caldeiras e Recipientes sob Pressão, Secção VIII, Divisão 1, conforme publicado na revista «MTI Connect 2020» da Tricor Metals.
A vantagem em termos de tensão admissível aumenta com a temperatura. A 600 °F, a classe 12 apresenta uma tensão admissível 62% superior à da classe 2H. Isto traduz-se diretamente na espessura da parede — e, por conseguinte, no peso total do material.
Cálculo da embarcação real
Para um recipiente a 300 °F (149 °C) e 300 psi:
| 2.º ano H | 12º ano | |
|---|---|---|
| Espessura mínima calculada | 1,53 pol. | 1,14 pol. |
| Placa de série utilizada | 1,75 pol. (1-3/4″) | 1,25 pol. (1-1/4″) |
| Diferença de peso do material | 40% e mais | Valor de referência |
| Custo do material por libra | $13.34 | $15.07 |
| Custo total dos materiais | 29% mais | Valor de referência |
Calculado de acordo com a Secção VIII, Divisão 1 da ASME, utilizando os valores admissíveis de projeto acima indicados. Fonte: Tricor Metals MTI Connect 2020.
A 100 °F e 100 psi, a vantagem é menor, mas continua a existir (a Classe 2H requer uma chapa de 0,40″, contra os 0,33″ da Classe 12). A pressões e temperaturas elevadas — precisamente as condições em que o risco de corrosão intersticial também aumenta —, o Grau 12 oferece simultaneamente uma vantagem em termos de resistência à corrosão e uma vantagem em termos de custo.
O resultado final: os recipientes fabricados com aço de grau 12 podem custar aproximadamente 21% menos no total do que os recipientes equivalentes da classe 2H quando operam a temperaturas e pressões elevadas. O custo de fabrico é comparável, uma vez que ambas as classes são soldadas e moldadas de forma semelhante.
Esta análise nem sempre favorece o Grau 12. Em aplicações com cloretos a baixa pressão e baixa temperatura, em que é possível eliminar a geometria das fendas através de soluções de engenharia (por exemplo, juntas soldadas em vez de flanges com juntas de vedação), o custo unitário mais baixo do Grau 2 revela-se vantajoso.
Fabricação: Soldadura, Conformação e Maquinação
Do ponto de vista de um fabricante, o Grau 12 e o Grau 2 apresentam um comportamento semelhante. Ambos são classificados como excelentes em termos de soldabilidade e podem ser moldados a quente ou a frio. Esta é uma das razões pelas quais o Grau 12 é por vezes descrito como uma “atualização imediata” nas especificações — as oficinas que trabalham regularmente com o Grau 2 conseguem trabalhar com o Grau 12 sem necessidade de reequipamento ou reciclagem profissional.
Soldadura
Ambas as classes são soldadas utilizando procedimentos padrão para o titânio: soldadura por arco com gás tungsténio (GTAW/TIG) com material de adição compatível com a classe (ERTi-12 para a Classe 12, ERTi-2 para a Classe 2), proteção total com gás inerte, sem exposição à atmosfera durante a soldadura, e arrefecimento até uma temperatura inferior a 400 °F. A proteção com argão ou hélio é aplicada simultaneamente ao banho de fusão, à zona afetada pelo calor e à raiz da soldadura.
A microestrutura da soldadura da classe 12 é ligeiramente diferente devido ao teor de Ni-Mo, mas as juntas de soldadura mantêm uma resistência à corrosão equivalente à do metal de base, desde que sejam seguidos os procedimentos adequados. Os fatores de eficiência das juntas de soldadura e as qualificações dos procedimentos, nos termos da Secção IX da ASME, aplicam-se a ambas as classes.
Uma nota prática: por vezes, é especificado um recozimento pós-soldadura para o Grau 12 em condições de serviço agressivas. O intervalo de recozimento é de 732–816 °C (1350–1500 °F), mantido durante 2 horas, com arrefecimento ao ar. Alívio de tensões intermédio: 538–649 °C (1000–1200 °F) durante 1 hora, com arrefecimento ao ar.
Formação
Ambas as classes apresentam um comportamento de recuperação elástica semelhante ao do aço inoxidável austenítico. A Classe 12 é ligeiramente mais dura (Brinell até 235 HB contra 160 HB da Classe 2), pelo que as forças de conformação e o desgaste das matrizes são ligeiramente superiores. Para operações de embutimento profundo ou de conformação a frio intensiva, a maior ductilidade da classe 2 (redução de área de 37% contra 28% para a classe 12) proporciona maior margem de manobra.
A conformação a quente melhora a ductilidade em ambas as classes. As temperaturas de forjamento em bruto da classe 12 situam-se nos 871 °C (1600 °F), enquanto as do forjamento de acabamento variam entre os 788 e os 843 °C (1450–1550 °F).
Recomenda-se o recozimento pós-trabalho a frio para o Grau 12, a fim de restaurar a resistência ideal à corrosão e eliminar as tensões residuais.
Maquinação
A maior dureza do Grau 12 implica velocidades de corte mais baixas, maior pressão da ferramenta e maior geração de calor, em comparação com o Grau 2. Ferramentas recomendadas: carboneto de tungsténio (designações C1–C4) ou à base de cobalto. Um fluxo adequado de líquido de arrefecimento é fundamental — a baixa condutividade térmica do titânio (19–21 W/mK) significa que o calor se concentra na aresta de corte, em vez de se dissipar na limalha. Taxas de avanço elevadas reduzem o risco de endurecimento por deformação.
Se uma oficina já tiver experiência na maquinação de Grau 2, o Grau 12 exige a mesma disciplina, além de configurações de velocidade ligeiramente mais conservadoras. A diferença não é significativa.
Aplicações: Onde cada grau se enquadra
O 2.º ano e o 12.º ano abrangem áreas de candidatura que se sobrepõem, mas que são distintas. A escolha certa depende mais das condições de funcionamento — temperatura, concentração de cloretos, ambiente ácido — do que do setor industrial.
Candidaturas para o 2.º ano
O titânio de grau 2 é o titânio padrão utilizado para:
- Equipamento geral para o processamento químico em ambientes oxidantes a temperaturas moderadas (serviço com cloretos a temperaturas inferiores a 80 °C)
- Acessórios náuticos — elementos de fixação, tubos de permutadores de calor, condensadores em sistemas de arrefecimento com água do mar (temperatura ambiente até 60 °C)
- Dispositivos médicos — implantes (o Grau 4 é mais comum em implantes sujeitos a tensões mais elevadas, mas o Grau 2 é utilizado em aplicações com tensões mais baixas)
- Componentes não estruturais para a indústria aeroespacial — painéis de acesso, suportes, carenagens
- Componentes de uma estação de dessalinização em aplicações a baixas temperaturas, em que a geometria das fendas pode ser controlada
- Manuseamento de cloro e lixívia — o titânio passiva-se bem em cloro gasoso húmido e hipoclorito de sódio
- Tanques de armazenamento de ácido nítrico e outros ácidos oxidantes
Vantagens da classe 2: o custo mais baixo entre as classes de titânio para aplicações estruturais, a maior disponibilidade, a maior facilidade de conformação e a maior familiaridade por parte dos fabricantes.
Candidaturas ao 12.º ano
O 12.º ano é atribuído quando se verificar uma ou mais das seguintes condições:
- Serviço com salmoura quente a temperaturas superiores a 80 °C — aquecedores de salmoura de dessalinização, evaporadores, equipamento de destilação de múltiplos efeitos (MED)
- Permutadores de calor geotérmicos — A classe 12 está documentada como sendo adequada para fluidos geotérmicos (Thomas, Workshop Geotérmico de Stanford)
- Equipamento para processos químicos a temperaturas e pressões elevadas — especialmente nos casos em que o cumprimento das normas de projeto exige paredes mais espessas de Grau 2, que não são economicamente viáveis
- Ambientes redox redutores ou variáveis — correntes com HCl diluído, condições oxidantes-redutoras variáveis
- Bombas e válvulas em aplicações a altas temperaturas e com elevado teor de cloreto, em que existe o risco de corrosão intersticial na carcaça da bomba ou na sede da válvula
- Tubos e acessórios na transferência de produtos químicos a alta pressão (normas ASTM B337 e B338, aplicáveis a ambas)
Estrutura de decisão
Utilize esta tabela para decidir se deve passar do 2.º ano para o 12.º ano:
| Estado | O 2.º ano é adequado? | Recomendado para o 12.º ano? |
|---|---|---|
| Temperatura < 80 °C, utilização em ambientes com cloretos | ✓ Normalmente, sim | Não é necessário |
| Temperatura: 80–240 °C, aplicação com cloretos | Marginal — avaliar o risco de fissuras | ✓ Sim |
| Temperatura > 240 °C, utilização em ambientes com cloretos | Não | Considere o Gr7 ou o Gr16 (com Pd) |
| A pressão de funcionamento requer uma espessura de parede > 1″ a temperaturas elevadas | Verificar os valores admissíveis da ASME | ✓ Executar a comparação de espessuras |
| HCl diluído em ebulição < 0,1% | ✓ Grau 2 limítrofe | ✓ É preferível ter concluído o 12.º ano |
| Efervescência de HCl diluído 0,1–2% | ✗ Não é adequado | ✓ Trabalhos do 12.º ano |
| HCl diluído em ebulição > 2% | ✗ | Considere o Gr7/Gr16 |
| Apenas em ambiente oxidante, à temperatura ambiente | ✓ O grau 2 é o ideal | Não é necessário |
| Ambiente redutor (sem oxidantes) | Límite | ✓ É preferível ter concluído o 12.º ano |
| Variável de oxidação-redução | Arriscado | ✓ É preferível ter concluído o 12.º ano |
| Marinho, água do mar a baixa temperatura | ✓ 2.º ano | Não é necessário |
| Fluidos geotérmicos ou hidrotermais | Avaliar a temperatura | ✓ 12.º ano, devidamente comprovado |
| O projeto deve estar em conformidade com a norma ASME, >200 °F | Verificar os valores permitidos | ✓ Executar a comparação |
| Serviço à temperatura ambiente, com restrições orçamentais | ✓ Vitórias da 2.ª classe | Não é necessário |
Quando os engenheiros passam do 2.º ano para o 12.º ano
Na prática, a forma como o 12.º ano é abordado não começa, normalmente, com uma discussão sobre a ciência da corrosão. Começa com uma análise das falhas.
Na indústria de processos químicos, o cenário típico é o seguinte: um permutador de calor ou corpo de bomba de Grau 2 funciona na perfeição durante anos, mas depois desenvolve corrosão por pite localizada ou corrosão em fendas sob uma junta ou atrás de um parafuso — invariavelmente numa zona de alta temperatura. O resto do equipamento está em bom estado. A investigação atribui a falha a uma combinação específica de temperatura, concentração de cloretos e geometria da fenda, condições para as quais o Grau 2 não está classificado. O Grau 12 é considerado o próximo nível a considerar antes de se optar pelos graus mais caros que contêm paládio.
O que muitas vezes surpreende os engenheiros que realizam esta avaliação pela primeira vez é o nível de resistência admissível da ASME. A expectativa inicial é que o Grau 12 tenha um custo mais elevado — porque, numa base por libra, é efetivamente mais caro. A constatação de que um recipiente de Grau 12 pode ser projetado com paredes mais finas — e que o custo total de instalação pode, na verdade, ficar mais baixo nas combinações de pressão e temperatura que motivaram a avaliação inicialmente — altera o cálculo económico.
Analisei exaustivamente a publicação técnica «MTI Connect 2020» da Tricor Metals sobre este tema, e os dados aí apresentados constituem a comparação mais completa, proveniente de uma única fonte, entre a Classe 2H e a Classe 12 no contexto da indústria de processamento químico que já vi na literatura disponível. Os exemplos de espessura de recipientes a 300 °F/300 psi são particularmente esclarecedores: o Grau 2H requer uma chapa com espessura nominal de 1-3/4″; o Grau 12 reduz essa espessura para 1-1/4″ nominal. O cálculo do custo total do material favorece o Grau 12 em cerca de 29% nesse cenário, mesmo antes de se ter em conta quaisquer considerações relativas à vida útil em termos de corrosão.
Outro padrão digno de nota: os fabricantes que trabalham regularmente com o Grau 2 e dispõem de bons procedimentos de soldadura de titânio raramente enfrentam alterações significativas no processo quando passam para o Grau 12. A liga comporta-se de forma suficientemente semelhante para que o material de adição ERTi-12 e as mesmas práticas de gás de proteção sejam diretamente aplicáveis. O argumento de que o Grau 12 é “mais difícil de fabricar” provém geralmente de oficinas com experiência limitada em titânio em geral, e não de oficinas que tenham trabalhado com o Grau 2 em grande escala.
Perguntas mais frequentes
Qual é a principal diferença entre o titânio de grau 2 e o de grau 12?
A classe 12 corresponde essencialmente à classe 2 com a adição de 0,8% de níquel e 0,3% de molibdénio. Estes elementos de liga aumentam o limite de escoamento (mínimo ~25% mais elevado), melhoram a resistência à corrosão em fendas em ambientes quentes com cloretos (o Grau 12 resiste ao ataque em fendas até ~240 °C, contra ~80 °C para o Grau 2), e prolongam a vida útil em ambientes de ácidos redutores diluídos, como o ácido clorídrico.
O titânio de grau 12 é mais resistente do que o de grau 2?
Sim, significativamente. A resistência à tração máxima (UTS) mínima da norma ASTM B265 é de 483 MPa (70 ksi) para o Grau 12, contra 345 MPa (50 ksi) para o Grau 2 — um valor mínimo mais elevado no 40%. Os valores típicos situam-se entre 530 e 550 MPa, contra 420 MPa. Os valores mínimos de resistência ao escoamento são de 345 MPa (Grau 12) contra 275 MPa (Grau 2). A Classe 2 mantém um alongamento e uma redução de área ligeiramente superiores, tornando-a mais dúctil para operações de conformação a frio severas.
O 12.º ano custa mais do que o 2.º ano?
Por libra, sim — aproximadamente 13% a mais (com base nos dados da Tricor Metals de 2020; os preços atuais de mercado variam). No entanto, os limites de projeto mais elevados da norma ASME para o Grau 12 permitem paredes de recipientes mais finas a temperaturas e pressões elevadas. Em alguns cenários, o custo total do material do projeto é 21–29% inferior com o Grau 12, apesar do preço unitário mais elevado.
Que normas ASTM abrangem o titânio de grau 12?
A classe 12 é abrangida pelas normas ASTM B265 (fitas/folhas/chapas, classe 12), ASTM B337 (tubos sem costura e soldados, classe 12), ASTM B338 (tubos para permutadores de calor, classe 12), ASTM B348 (barras e tarugos, Grau 12) e ASTM B381 (peças forjadas, F-12). A designação UNS é R53400. O número de material DIN/EN é 3.7105.
É possível substituir diretamente o Grau 2 pelo Grau 12 nos projetos existentes?
Na maioria dos casos, o Grau 12 constitui uma substituição simples que confere maior resistência mecânica e resistência à corrosão. Utiliza as mesmas formas de produto da norma ASTM, material de adição de soldadura compatível (ERTi-12 em vez de ERTi-2) e procedimentos de fabrico semelhantes. Os projetistas devem verificar se os valores máximos permitidos pela ASME mais elevados são aplicados em qualquer reprojeto de recipientes sob pressão, de modo a tirar partido da vantagem em termos de custos. Os prazos de fornecimento do material podem ser mais longos do que no Grau 2, devido à menor disponibilidade em stock.
Quando devo optar pelo grau 7 ou pelo grau 16 em vez do grau 12?
As classes com paládio (7, 11, 16, 17) representam o próximo nível de resistência à corrosão, para além da Classe 12. São especificadas quando as temperaturas de serviço excedem ~240 °C em salmoura clorada, quando as concentrações de HCl excedem ~1% ou em ambientes fortemente redutores sem oxidantes. A contrapartida é um custo significativamente mais elevado (o paládio é um elemento de liga dispendioso). Se a classe 12 satisfizer os requisitos de resistência à corrosão da sua aplicação, é quase sempre a opção mais económica em relação às classes com paládio.
Por que razão a classe 12 é mais adequada para a corrosão em fendas do que a classe 2?
O níquel estabiliza a película passiva de óxido de titânio (TiO₂) do titânio nas condições ácidas e com baixo teor de oxigénio que se verificam nas geometrias das fendas a temperaturas elevadas. Na classe 2, a película degrada-se nestas condições acima de ~80 °C em cloreto concentrado. A adição de níquel na classe 12 mantém a estabilidade da película até ~240 °C a um pH > 2. O molibdénio proporciona proteção adicional em ambientes ácidos redutores através de um mecanismo distinto, semelhante ao seu papel no aço inoxidável do tipo 316.
Resumo
A decisão principal é simples, assim que se conhecem os limites. A classe 2 é a escolha certa para a maioria das aplicações de titânio: serviços em condições de corrosão à temperatura ambiente ou moderada, processamento químico geral, equipamento marítimo e em qualquer situação em que a eficiência orçamental seja importante e as condições de utilização não atinjam os seus limites. Está disponível em todas as formas de produto, é bem conhecido pelos fabricantes e oferece uma resistência à corrosão excecional dentro dos limites do seu âmbito de aplicação.
A classe 12 cumpre as especificações quando o serviço ultrapassa os limites de corrosão em fendas da classe 2 — normalmente acima dos 80 °C em ambientes com cloretos — ou quando a conceção de recipientes sob pressão segundo a ASME a temperaturas elevadas torna a vantagem das paredes mais finas suficientemente significativa para compensar o preço unitário mais elevado. As adições de 0,8% Ni e 0,3% Mo proporcionam uma melhoria de desempenho quantificável e apoiada por normas, cuja avaliação não requer suposições: as tabelas de valores admissíveis da ASME, as curvas de pH/temperatura para a corrosão em fendas e os cálculos da espessura dos recipientes estão todos disponíveis e favorecem consistentemente o Grau 12 nas condições em que este é especificado.
O erro mais comum que os engenheiros cometem é avaliar os dois tipos de material apenas com base no custo unitário do material. A comparação de custos ao nível do projeto, que incorpora as tensões admissíveis da ASME e o cálculo da espessura da parede daí resultante, inverte frequentemente a vantagem de custo do Tipo 2 em condições de funcionamento elevadas.
Se estiver a avaliar uma atualização da Classe 2 para a Classe 12, os primeiros passos são: definir a temperatura de funcionamento, identificar a concentração de cloretos e o pH no pior cenário possível, verificar a geometria das fendas no seu projeto e efetuar a comparação com os valores admissíveis da ASME para a pressão de projeto. Em muitos casos, os dados tornarão a decisão óbvia.
