Considerações Metalúrgicas de Fabricação de Aços para Tubos API 5L

Apresentação em tema: "Considerações Metalúrgicas de Fabricação de Aços para Tubos API 5L"— Transcrição da apresentação:

1 Considerações Metalúrgicas de Fabricação de Aços para Tubos API 5L
Rajindra Clement Ratnapuli 62o Congresso Anual da ABM 23 a 27 de Julho de 2007-Vitória-ES

2 Cénario - Brasil

3 IMPULSIONADORES DE MERCADO
Indústria Energética Indústria Petrolífera API 5L API 5CT Tubos API 5L oferecem a condição mais econômica para TRANSPORTAR grandes quantidades de Gás e Óleo a longa distância OCTG – Oil Country Tubular Goods (casing, tubulares)

4 Matriz Energética – Ano 2003
Consumo*: Ano 2003=14bim3 2030=48bim3 49% 50 45 40 35 30% 30 27% Matriz Energética Percentual de Gás Natural 25 20 15 15%-Previsão até 2030 na 11% 10 5 2,40% Argentina Inglaterra EUA Japão Brasil País * Energy Information Asssociation

5 Tubos API 5L Conforme a Norma
Grau Processamento Fabricação API 5L B Dutos X 42 X 46 X 52 - TMCR,TMCP Soldagem por X 56 - (Tratamento HFIERW X 60 térmico) SAW X 65 X 70 Brasil X 80 X 90 SAW (U-O-E) Futuro X 100 X 120 Tubos de Ultra Alta Resistência

6 Capacitação Tecnológica
Grau API Non-Sour Até X 70 X 80 Sour Service (HIC) Até X65 Perspectivas* X 90 X100 X120 Produto CG + TQ CG Situação Consolidada Em desenvolvimento Consolidada para NACE Solução B (pH=5) NACE Solução A (pH=3,5), até Grau X 65 *Necessitam novos investimentos: Aciaria, Laminação + Resfriamento acelerado, Prensas potentes de U-O-E, Processos de soldagem e Consumíveis

7 Economias do Projeto A procura para Tubos API graus mais elevadas (X 80 até X 120)

8 O volume de Gás Transportado ao longo da uma distância L (km) é
dada como: Q Di P1 P2 Di = diâmetro interno L Quanto maior a pressão interna (P1) e o diâmetro interno (Di) maior será a vazão (Q)

9 A pressão interna, P1 = P (Pressão máx. permitida de operação) onde
No limite A pressão interna, P1 = P (Pressão máx. permitida de operação) onde Sh= tensão circunferencial t = espessura De= diâmetro externo k = 0.50 – 0.80 = 0.72 (valor típico) Conclusão: Para uma determinada geometria do tubo (t e De), a vazão máxima é limitada pelo o valor do Limite de Escoamento Mínimo Especificado (LEMS) do Tubo A viabilidade econômica exige tubos de elevada resistência mecânica

10 Opções Econômicas A – Diâmetros menores e espessuras finas diminuem os custos de: material manuseio soldagem (consumíveis) instalação B – Diâmetros maiores aumentam a quantidade de gás transportada

11 Fluxo de Produção Cliente Especificação Projeto de qualidade Usina
- qualidade, composição química, propriedades mecânicas sistema de liga processamento Usina Projeto de qualidade refino primário (LD, FE) refino secundário (tratamento na panela, CAS-OB, FP, desgaseificação) Aço líquido Usina- Aciaria Solidificação - lingotamento contínuo Usina- Linhas de CG e TQ Processamento a quente - processo controlado termomecânico (TMCP) conformação a frio processo ERW, SAW Fabricação de tubo Fábrica de Tubos Produto final (competitivo) - tubos U-O-E, ERW, Helicoidal (Espiral)

12 Sistema de liga dos aços para tubos API até Grau X 120

13 A seleção da composição química dos aços API é baseada
nas seguintes considerações: - qualidade metalúrgica do produto ( defeitos, segregação) - propriedades mecânicas desejadas - conformabilidade a frio (e a quente) - soldabilidade - aplicação - custo

14 A composição química dos aços API 5L é caracterizada por:
Aços acalmados ao Al-Si Baixos teores de C (< 0,10%) Combinação, baixo C + alto Mn Teores de Mn até 2,0 % Adições (às vezes) de um ou mais dos elementos de liga Ni, Cu, Cr, Mo, (B) são necessárias para: - diminuir a temperatura de transformação austenita – ferrita (Ar3) - endurecimento por solução sólida (com exceção de B)

15 Adições de uma ou mais das Microligas,
Nb, V e Ti são necessárias para: refinamento de grão endurecimento por precipitação (O elemento mais potente entre os três é Nb) Nb + V + Ti < 0,15 Nb < 0,06 V < 0,08 Ti < 0,030 Graus X90, X100, X120

16 O elemento principal dos aços API é o Carbono
Elevados teores de C ( > 0,10): - na faixa peritética provocam defeitos superficiais na placa aumentam micro-segregação durante solidificação - diminuem a ductilidade e tanacidade do aço aumentam a quantidade de perlita e o limite de resistência (LR) aumentam o carbono equivalente CE(IIW)=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 Pcm = C+(Cu+Mn+Cr)/20+ Si/30+Ni/60+Mo/15+V/10+5B, C<0,12% Altos valores de CE e Pcm: - aumentam a temperabilidade da ZAC - facilitam a formação de Martensita na ZAC – assim aumentam os valores de dureza na ZAC

17 Aplicação da Tecnologia de TiN
- Elevada afinidade para N. Diminui o teor de N livre. Melhorar a ductilidade a quente (TiN versus AlN) implicações para Ling. Contínuo Inibir o crescimento de grão austenítico a alta temperatura, >1050/1100°C Durante reaquecimento da placa Durante soldagem, reduz a RGG na ZAC, capaz de melhorar a tenacidade da ZAC Para isto, a razão Ti/N < 3.41 TG = constante . (r / Vprecipitados) - Precipitados grosseiros de TiN ( r > 0.5 µm) Iniciação de fratura frágil por clivagem Sítios de nucleação de trincas de HIC

18 Elementos Residuais Limpidez + Microsegregação
Os Controles S < 0, aplicação não crítica até grau X120 S < 0,001% e tratado com Ca sour service (HIC e SOHIC) Controle de morfologia das inclusóes não metálicas (MnS +Al2O3) Globularização de inclusões = Função (Ca/S e teor de O) > 2 < 20 ppm P < 0,020% aplicação não crítica P < 0.015% sour service (HIC e SOHIC) para graus X90, X100 e X120)

19 O < 30 ppm, preferencialmente < 20 ppm
S + O Aumenta a quantidade de inclusões não metálicas: MnS, Al2O3 e oxisulfetos de cálcio-CaAl(OS) N = 0,0030 a 0,0080% Al/N > para aços acalmado ao Al H < 2 ppm (no produto) Defeitos (trincas) internos – recusa por UST aumenta com H Fragilização Torna-se crítico com resfriamento acelerado após laminação

20 Solidificação e Microsegregação – Lingotamento Contínuo
-

21 Esquemática de Solidificação Elementos Propícios a Microsegregação:
C-S-P-O-N-H (baixos valores de coeficiente de partição) Inclusões não metálicas (e TiN) interdendríticas Inclusões não metálicas concentram na região central - equiaxial Solidificação <100> Flutua Aço líquido Molde resfriado com água Espaço interdendrítico rico em S, P, Mn Dendrita primária rico em C Dendrita secundária Zona coquilhada

22 Microsegregação e Bandeamento
P, Mn C Perlita Transformação Periodicidade da comp. química austenita F+P Ferrita Perlita Dendritas de austenita Produto laminado a quente bandeado

23 Microestrutura Bandeada
Trincas de HIC degrau Ferrita - Perlita bandeada API X 60, C - Mn - Nb - V - Ti Minimização da Intensidade de Bandeamento Redução de teores de C, Mn, P Controle de parâmetros de Ling. Contínuo (superaquecimento, resfriamento secundário) Redistribuição de C com resfriamento acelerado após laminação

24 Microsegregação – Os Efeitos
- Bandeamento - Trincas de solidificação na solda [C, S, P, FeS, (MnS+MnO)] - Liquação na ZAC [ S, Mn, P, MnS, FeS] – trinca intergranular Bandeamento – Os Efeitos Facilita a formação de Trincas em Gancho (Hook Cracks) em tubos ERW Nucleação e propagação de trincas degrau (HIC)

25 Processo Controlado Termomecânico – até Grau X120
(Thermomechanical Control Processing - TMCP ) = Laminação Controlada + Resfriamento Acelerado

26 Fases de TMCP 1 - Reaquecimento da Placa (Treaq = C) Os Controles Temperatura de solubilização dos precipitados (NbC) Tempo de solubilização (tempo de permanência) Crescimento do tamanho de grão austenítico

27 Solubilização de NbC %Nb %C 0.20 0.15 Linha estequiometrica 0.10 0.05
7.75/1 Precipitados grosseiros Precipitados finos 0.15 Nb em solução Linha estequiometrica 1200C 1250C Gladman Projeto HTP da CBMM 0.10 %Nb 0.065 0.05 900C 0.00 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 %C

28 2 - Desbaste (Tnr < T < Treaq Fase )
Fases de TMCP 2 - Desbaste (Tnr < T < Treaq Fase ) Refinamento de grão por recristalização estática Objetivo: Obter um tamanho de grão austenítico fino e recristalizado 20 – 40 µm Elevadas reduções por passe – necessitam laminadores potentes Altos valores de fatores de forma ( )

29 Refinamento de Grãos por Recristalização Dinâmica
(Capaz de ocorre na Linha de TQ) Z = Parâmetro de Zener - Holloman C, D constantes Taxa de deformação Função do laminador Escala de passe Sekine-NSC

30 3 - Acabamento (T < Tnr ou T < Tnr + 50/150C Fase  )
Fases de TMCP 3 - Acabamento (T < Tnr ou T < Tnr + 50/150C Fase  ) CG TQ Redução total (R) < Tnr aumenta Sv (mm2/mm3) aumenta Ausenita inicial (poligonal) após desbaste ~30µm 67 mm-1 (d=30µm) Austenita panquecada 60 a 80% R > 30% R > 30% ~400 mm-1 (d=4µm) Bandas de deformação Quanto maior a redução total (R), maior será a razão área/volume da austenita deformada Sv

31 4 - Transformação Resfriamento ao Ar Resfriamento acelerado (T = Ar3)
Fases de TMCP 4 - Transformação Resfriamento ao Ar Resfriamento acelerado (T = Ar3) 10 - 8 - 6 - 4 - 2 - 0 - Resfriamento acelerado Sv=0.43NL+2.57NZ-1.0NT ou SV=NLO(2.57/(1-R)-0.43R-0.57) Sv = 180 mm-1 11µm TGf (um) Austenita recristalizada V-Ti Sv = 760 mm-1 3µm F+P Austenita não recristalizada Nb-Ti Bs+MA Ao ar 1.7C/s 5 mm Taxa de resfriamento (0C/s) Cuddy J. L, 1985

32 Produtos de Transformação à Baixa Temperatura
0,10C 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 0,06C C - 1,90Mn – Nb - Ti - B X120 (F+B)fina+ MA X100 LR (Mpa) (F+B)fina+ MA 620 X80 FA Bainita inferior Bainita superior Ferrita perlita Martensita Temperatura de transformação (50%) austenita-ferrita (°C) Hitoshi Asahi NSC 2004

33 Efeito da Composição Química e da Taxa de Resfriamento
DQ ~40°C/s Contribuição do resfriamento V °C/s V °C/s IACC IACC ~20°C/s ~20°C/s Ao ar Ao ar Ao ar Ao ar ou~5°C/s ou~5°C/s ou~10°C/s ou~10°C/s 0,51 0,51 0,46 0,46 0,44 0,44 Ceq Ceq Contribuição da composição química 0,42 0,42 0,40 0,40 0,38 0,38 Grau API Grau API X X70 X X70 X80 X80 X100 X100 X120 X120 LE (MPa) 552 552 690 690 828 828 Shutz W. et al

34 Parâmetros de produção para Tubos API 5L X80 e X100
1000 0,06C - 1,80Mn - 0,06Nb+ Ni +Mo Tfim Esp = 20 mm 100°C IACC V >20°C/s 900 ) X 100 300°C IACC Mpa LR ( 800 500°C ACC 700 V ~10°C/s 625 X 80 600 0,16 0,18 0,20 0,22 Pcm Kawasaki

35 Propriedades Mecânicas do Tubo

36 Curva Tensão - Deformação
LR Razão elástica=LE/LR LE Encruamento (/e) Ruptura x Patamar de escoamento et=Alongamento total=eu+ed eu=Alongamento uniforme ed=Alongamento não-uniforme Deformação (e) Algo: Alta resistência (LR) + Elevada ductilidade (alongamento total) Função de encruamento, n Função da limpidez (S+O) Função da geometria do CP (l=base de medida, a=área de seção)

37 Características da curva Tensão - Deformação
Curva Contínua Curva Descontínua x=0 x>0 Baixa (0.75-0,87) Alta ( ) - Patamar de escoamento (x) - Razão elástica (LE/LR) - Coeficiente de encruamento (n, ) Alto Baixo Alta Supera o efeito Bauschinger LE(tubo) > LE(chapa) Baixa Efeito Bauschinger predominante - Taxa de ecruamento LE(tubo) < LE(chapa) - Microestrutura e sistema de liga Ferrita acicular C-1.70 Mn-Nb-Mo Baixo C-bainítico C- 1.70Mn-Nb-T-B Dual phase C-Si-Mn-Cr-Mo Ferrita-perlita C-Mn-Nb- V-Ti Martensita revenida

38 Exigências dos Tubos API 5L com Ultra Alta Resistência
Grau X80 X90 X100 X120 Processo TMCP LEMS MPa 550 625 690 830 LE/LR máx 0,93 0,95 0,97 0,99 Ceq máx 0,43 0,48 0,51 Pcm máx 0,22 Cv (J)(1) Solda 40-70 40-80 40-95 40-110 Cv (J) MB 148 DWTT Área ductil 85% a 0C Não definida Espessura = 20 mm máx Obs: (1) quanto maior o diâm. maior será o valor de Cv

39 Conclusões Tubos API são produtos de alto valor agregado com elevado
conteúdo tecnológico A toda linha de produção desde a aciaria, processamento a quente (CG e BQ) e fabricação de tubo deve respeitar os conhecimentos metalúrgico-mecânicos já estabelecidos Devida atenção deve ser dada para melhorar a limpidez do aço e reduzir a microsegregação dos elementos como S, P, O, N e H, visando melhorar o comportamento do metal base e da junta soldada. O processo TMCP oferece um meio eficiente para produzir graus API X80 até X120 com baixos valores de CE (<0.51) e Pcm (<0.22) e graus API para sour service Um dos desafios na produção de tubos API com graus mais elevados (>X80) será o balanceamento adequado de tenacidade, resistência mecânica e a soldabilidade do tubo no campo