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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% 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ArgentinaInglaterraEUAJapãoBrasil País Percentual de Gás Natural na Matriz Energética Matriz Energética – Ano 2003 15%-Previsão até 2030 Consumo * : Ano 2003=14bim 3 2030=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 = 1150 - 1250C) - Temperatura de solubilização dos precipitados (NbC) - Tempo de solubilização (tempo de permanência) - Crescimento do tamanho de grão austenítico Fases de TMCP Os Controles

27 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.000.020.040.060.080.100.120.14 %C %Nb 7.75/1 Linha estequiometrica 1250C 900C Precipitados finos 0.065 1200C 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) 10 - 8 - 6 - 4 - 2 - 0 - 02468101216 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, 1985 4 - 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 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 LR (Mpa) 300 400 500 600 700 800 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 X70X80X100X120 448 483552690828 0,46 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 X70X80X100X120 448 483552690828 0,46 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 1000 900 800 700 600 0,160,180,200,22 Pcm LR ( Mpa ) Tfim X 100 100°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 80 625 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 (0.85-0.93) 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 550 625 690 830 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 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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