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

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

2 Cénario - Brasil

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

4 49% 30% 27% 11% 2,40% ArgentinaInglaterraEUAJapãoBrasil País Percentual de Gás Natural na Matriz Energética Matriz Energética – Ano %-Previsão até 2030 Consumo * : Ano 2003=14bim =48bim 3 * Energy Information Asssociation

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

6 Capacitação Tecnológica Grau API Non-Sour Até X 70 X 80 Sour Service (HIC) Até X65 Perspectivas * Sour Service X 80 X 90 X100 X120 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 Produto CG + TQ CG

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: L P1P1 P2P2 Q DiDi D i = diâmetro interno Quanto maior a pressão interna (P 1 ) e o diâmetro interno (D i ) maior será a vazão (Q)

9 Conclusão: Para uma determinada geometria do tubo (t e D e ), 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 S h = tensão circunferencial t = espessura D e = diâmetro externo k = 0.50 – 0.80 = 0.72 (valor típico) No limite A pressão interna, P 1 = P (Pressão máx. permitida de operação) onde

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

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

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: Baixos teores de C (< 0,10%) Aços acalmados ao Al-Si Combinação, baixo C + alto Mn 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 (Ar 3 ) - endurecimento por solução sólida (com exceção de B) Teores de Mn até 2,0 %

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 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 O elemento principal dos aços API é o Carbono

17 - 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 Para isto, a razão Ti/N < 3.41 TG = constante. (r / V precipitados ) Durante reaquecimento da placa Durante soldagem, reduz a RGG na ZAC, capaz de melhorar a tenacidade da ZAC Iniciação de fratura frágil por clivagem Sítios de nucleação de trincas de HIC - Precipitados grosseiros de TiN ( r > 0.5 µm) Aplicação da Tecnologia de TiN

18 S < 0,004 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 +Al 2 O 3 ) Globularização de inclusões = Função (Ca/S e teor de O) Elementos Residuais Limpidez + Microsegregação > 2 < 20 ppm P < 0,020%aplicação não crítica P < 0.015%sour service (HIC e SOHIC) para graus X90, X100 e X120) Os Controles

19 N = 0,0030 a 0,0080% Al/N > 2 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 O < 30 ppm, preferencialmente < 20 ppm S + O Aumenta a quantidade de inclusões não metálicas: MnS, Al 2 O 3 e oxisulfetos de cálcio-CaAl(OS)

20 Solidificação e Microsegregação – Lingotamento Contínuo -

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

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

23 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 Trincas de HIC degrau Ferrita-Perlitabandeada API X 60, C-Mn-Nb-V-Ti Microestrutura Bandeada

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

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

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

27 %C %Nb 7.75/1 Linha estequiometrica 1250C 900C Precipitados finos C Precipitados grosseiros Nb em solução Solubilização de NbC Gladman Projeto HTP da CBMM

28 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 ( ) Fases de TMCP 2 - Desbaste (Tnr < T < TreaqFase )

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

30 R > 30% 60 a 80% R > 30% Redução total (R) < T nr aumenta S v (mm 2 /mm 3 ) aumenta 67 mm -1 (d=30µm) ~400 mm -1 (d=4 µm) 3 - Acabamento (T < Tnr ou T < Tnr + 50/150C Fase ) Ausenita inicial (poligonal) após desbaste ~30µm Austenita panquecada Fases de TMCP CG TQ Quanto maior a redução total (R), maior será a razão área/volume da austenita deformada S v Bandas de deformação

31 TG f (um) Taxa de resfriamento ( 0 C/s) S v = 180 mm -1 S v = 760 mm -1 Sv=0.43NL+2.57NZ-1.0NT ou S V =N LO (2.57/(1-R)-0.43R-0.57) Cuddy J. L, Transformação Resfriamento ao Ar Resfriamento acelerado (T = Ar 3 ) Resfriamento acelerado Ao ar 1.7C/s 5 mm Austenita recristalizada V-Ti Austenita não recristalizada Nb-Ti F+P B s +MA 11µm 3µm Fases de TMCP

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

33 Grau API LE (MPa) X65 X70X80X100X ,46 0,44 0,42 0,40 0,38 Ceq V °C/s Ao ar ou~5°C/s Ao ar ou~10°C/s IACC ~20°C/s DQ Grau API X65 X70X80X100X ,46 0,44 0,42 0,40 0,38 Ceq V °C/s Ao ar ou~5°C/s Ao ar ou~10°C/s IACC ~20°C/s ~40°C/s Contribuição do resfriamento Shutz W. et al Contribuição da composição química Efeito da Composição Química e da Taxa de Resfriamento 0,51

34 ,160,180,200,22 Pcm LR ( Mpa ) Tfim X °C 300°C 500°C IACC ACC V~10°C/s V >20°C/s Esp= 20 mm 0,06C-1,80Mn-0,06Nb+Ni+Mo Kawasaki X Parâmetros de produção para Tubos API 5L X80 e X100

35 Propriedades Mecânicas do Tubo

36 LR LE Ruptura Patamar de escoamento x e t =Alongamento total=e u +e d e u =Alongamento uniforme e d =Alongamento não-uniforme Tensão ( ) Deformação (e) Encruamento ( / e) Razão elástica=LE/LR Curva Tensão - Deformação 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 - Patamar de escoamento ( x) - Razão elástica (LE/LR) - Coeficiente de encruamento (n, ) - Microestrutura e sistema de liga x=0 x>0 Baixa (0.75-0,87) Alta ( ) Alto Baixo Alta Supera o efeito Bauschinger LE(tubo) > LE(chapa) Ferrita acicular C-1.70 Mn-Nb-Mo Baixo C-bainítico C- 1.70Mn-Nb-T-B Dual phase C-Si-Mn-Cr-Mo Curva ContínuaCurva Descontínua Baixa Efeito Bauschinger predominante Ferrita-perlita C-Mn-Nb- V-Ti Martensita revenida LE(tubo) < LE(chapa) - Taxa de ecruamento

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

39 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 Conclusões


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