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