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

Cénario - Brasil

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)

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

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

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

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

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)

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

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

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)

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

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

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)

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

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

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

Elementos Residuais Limpidez + Microsegregação Os Controles 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 +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)

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 > 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

Solidificação e Microsegregação – Lingotamento Contínuo -

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

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

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

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)

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

Fases de TMCP 1 - Reaquecimento da Placa (Treaq = 1150 - 1250C) Os Controles Temperatura de solubilização dos precipitados (NbC) Tempo de solubilização (tempo de permanência) Crescimento do tamanho de grão austenítico

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

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 ( )

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

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

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 0 2 4 6 8 10 12 16 Taxa de resfriamento (0C/s) Cuddy J. L, 1985

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 300 400 500 600 700 800 Temperatura de transformação (50%) austenita-ferrita (°C) Hitoshi Asahi NSC 2004

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 X65 X70 X65 X70 X80 X80 X100 X100 X120 X120 LE (MPa) 448 483 448 483 552 552 690 690 828 828 Shutz W. et al

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

Propriedades Mecânicas do Tubo

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)

Características da curva Tensão - Deformação Curva Contínua Curva Descontínua x=0 x>0 Baixa (0.75-0,87) Alta (0.85-0.93) - 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

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

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