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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
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)
49%
30%27%
11%
2,40%
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Argentina Inglaterra EUA Japão Brasil
País
Per
cen
tual
de
Gás
Nat
ura
l n
aM
atri
z E
ner
gét
ica
Matriz Energética – Ano 2003
15%-Previsãoaté 2030
Consumo*:Ano 2003=14bim3
2030=48bim3
* Energy Information Asssociation
BX 42X 46X 52X 56X 60X 65X 70X 80
X 90X 100X 120
Futuro
Processamento
- TMCR,TMCP- (Tratamento térmico)
Fabricação
Soldagem porHFIERWSAW
API 5LDutos
Grau
Tubos API 5L Conforme a Norma
Brasil
SAW (U-O-E)
Tubos de Ultra Alta Resistência
Capacitação Tecnológica
Grau APINon-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 + TQ
CG + TQ
CG + TQ
CG + TQ
CG
CG
CG
Economias do Projeto
A procura para Tubos API graus mais elevadas (X 80 até X 120)
O volume de Gás Transportadoao longo da uma distância L (km) édada como:
221 PP
Pm
L
P1 P2
Q
Di Di = diâmetro interno
5.2
5.022
213 ..)/( iDL
PPConstdmQ
Quanto maior a pressão interna (P1) e o diâmetro interno (Di) maior será a vazão (Q)
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
Sh= tensão circunferencialt = espessuraDe= diâmetro externok = 0.50 – 0.80 = 0.72 (valor típico)
No limite
A pressão interna, P1 = P (Pressão máx. permitida de operação)
onde
eLEMS
eh D
tk
D
tSP
2..
2.
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
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 mecânicasCliente
Usina
Usina-Aciaria
Usina-Linhas deCG e TQ
Fábricade Tubos
Fluxo de Produção
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:
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 (Ar3) - endurecimento por solução sólida (com exceção de B)
Teores de Mn até 2,0 %
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
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
- 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 / Vprecipitados)
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
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)
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
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, Al2O3 e oxisulfetos de cálcio-CaAl(OS)
Solidificação e Microsegregação – Lingotamento Contínuo-
Aço líquido
Dendrita primáriarico em C
Molde resfriadocom água Espaço interdendrítico
rico em S, P, Mn
Dendrita secundária
Solidificação
Inclusões não metálicas (e TiN) interdendríticas Inclusões não metálicas concentramna região central - equiaxial
Zona coquilhada
<100>
Flutua
Esquemática de Solidificação
Elementos Propícios a Microsegregação: C-S-P-O-N-H (baixos valores de coeficiente de partição)
Microsegregação e Bandeamento
P, Mn C
Perlita
Ferrita
Perlita
Per
iod
icid
ade
da
com
p.
qu
ímic
a
Dendritas deaustenita
Transformaçãoaustenita F+P
Produto laminado a quente bandeado
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-Perlita bandeadaAPI X 60, C-Mn-Nb-V-Ti
Microestrutura Bandeada
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
Processo Controlado Termomecânico – até Grau X120
(Thermomechanical Control Processing - TMCP )
=
Laminação Controlada + Resfriamento Acelerado
1 - Reaquecimento da Placa (Treaq = 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
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
%C
%Nb
7.75/1L
inh
a es
teq
uio
met
rica
1250C
900C
Precipitados finos
0.065
1200C
Precipitados grosseiros
Nb em solução
Solubilização de NbC
26,26770
.
T
CNbLog Gladman
Projeto HTP da CBMM
Refinamento de grão por recristalização estática
Objetivo: Obter um tamanho de grão austenítico fino e recristalizado
20 – 40 µm
1**50,0 67,0
Orex dd
Elevadas reduções por passe– necessitam laminadores potentes
Altos valores de fatores de forma ( )
Fases de TMCP
1)(2
hH
hHR
2 - Desbaste (Tnr < T < Treaq Fase )
Refinamento de Grãos por Recristalização Dinâmica(Capaz de ocorre na Linha de TQ)
Sekine-NSC
CLogZeLogC RTQs )(. /
rrH
RN
1
1ln.
1
30.
C, D constantes
Função do laminador
Escala de passe
)(Deformação
)(Tensão
cs
p
p
Z = Parâmetro de Zener - Holloman
Taxa de deformação
rex
RT
Q
d
DeLogLogZ
.
R > 30%60 a 80% R > 30%
Redução total (R) < Tnr
aumenta
Sv (mm2/mm3) aumenta
67 mm-1
(d=30µm)
~400 mm-1
(d=4µm)
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 Sv
Bandas de deformação
TG
f (u
m)
10 -
8 -
6 -
4 -
2 -
0 - 0 2 4 6 8 10 12 16
Taxa de resfriamento (0C/s)
Sv = 180 mm-1
Sv = 760 mm-1
Sv=0.43NL+2.57NZ-1.0NTou SV=NLO(2.57/(1-R)-0.43R-0.57)
Cuddy J. L, 1985
4 - Transformação Resfriamento ao Ar Resfriamento acelerado (T = Ar3)
Resfriamento acelerado
Ao ar 1.7C/s5 mm
Austenita recristalizadaV-Ti
Austenita não recristalizadaNb-Ti
F+P
Bs+MA
11µm
3µm
Fases de TMCP
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
LR
(M
pa)
300 400 500 600 700 800
Martensita Bainitainferior
Temperatura de transformação (50%) austenita-ferrita (°C)
Hitoshi Asahi NSC 2004
X120
X100
0,10C
0,06C
Produtos de Transformação à Baixa Temperatura
Ferritaperlita
620 X80
FA
(F+B)fina+ MA
(F+B)fina+ MA
C - 1,90Mn – Nb - Ti - B
Bainita superior
Grau API
LE (MPa)
X65 X70 X80 X100 X120
448 483 552 690 828
0,46
0,44
0,42
0,40
0,38
Ceq
V °C/s
Ao arou~5°C/s
Ao arou~10°C/s
IACC~20°C/s
DQ
Grau APIX65 X70 X80 X100 X120
448 483 552 690 828
0,46
0,44
0,42
0,40
0,38
Ceq
V °C/s
Ao arou~5°C/s
Ao arou~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
0,510,51
1000
900
800
700
6000,16 0,18 0,20 0,22
Pcm
LR
(M
pa)
Tfim
X 100
100°C
300°C
500°C
IACC
IACC
ACC
V ~10°C/s
V >20°C/s
Esp = 20 mm0,06C-1,80Mn-0,06Nb+Ni+Mo
Kawasaki
X 80625
Parâmetros de produção para Tubos API 5L X80 e X100
Propriedades Mecânicas do Tubo
LR
LE Ruptura
Patamar de escoamentox
et=Alongamento total=eu+ed
eu=Alongamento uniformeed=Alongamento não-uniforme
Tensão ()
Deformação (e)
Encruamento (/e)
Razão elástica=LE/LR
Curva Tensão - Deformação
Algo: Alta resistência (LR) + Elevada ductilidade (alongamento total)
l
akee ut .
l
akee ut .
l
akee ut .
l
akee ut .
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
- 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 Contínua Curva Descontínua
•Baixa•Efeito Bauschinger predominante
•Ferrita-perlita C-Mn-Nb- V-Ti
•Martensita revenida
•LE(tubo) < LE(chapa)
d
d
d
d- Taxa de ecruamento
Grau
X80
X90
X100
X120
Processo
TMCP
LEMSMPa
550
625
690
830
Ceq máx
0,43
0,48
0,51
0,51
Pcmmáx
0,22
Cv (J)(1)
Solda
40-70
40-80
40-95
40-110
Cv (J) MB
148
DWTTÁrea ductil
85% a 0C
Obs: (1) quanto maior o diâm. maior será o valor de Cv
Nãodefinida
LE/LRmáx
0,93
0,95
0,97
0,99
Exigências dos Tubos API 5L com Ultra Alta Resistência
Espessura = 20 mm máx
• 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