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CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 14., 2000, São Pedro - SP. Anais 45801

EVOLUÇÃO DOS AÇOS PARA TUBOS API UTILIZADOS NO TRANSPORTE DE

ÓLEO E GÁS

Vera Lúcia Othéro de Brito e Carlos Angelo Nunes

Faculdade de Engenharia Química de Lorena – Departamento de Engenharia de Materiais

Pólo Urbo Industrial Gleba AI-6 – Mondesir – Lorena – SP – CEP 12600-000

E-mail: [email protected] , [email protected]

Carlos Henrique Barbosa,

Confab Industrial S.A. – Departamento de Controle de Qualidade e Assistência Técnica

Av. Gastão Vidigal Neto, 475 – Cidade Nova – Pindamonhangaba – SP – CEP 12414-020

E-mail: [email protected]

Rajindra Clement Ratnapuli e Paulo Huet Alípio

USIMINAS

BR 381 km 210 CEP 35160-900 – Ipatinga – MG

E-mail: [email protected] , [email protected]

Resumo

Os aços utilizados na fabricação de tubos vêm sendo continuamente desenvolvidos com o

objetivo de se elevar a resistência mecânica dos mesmos, mantendo-se adequada tenacidade e

soldabilidade. Tubos fabricados com aços de maior resistência mecânica permitem a

utilização de espessuras menores, o que reduz o peso por comprimento de tubo, além permitir

o aumento da pressão de trabalho admissível para tubos de uma mesma espessura. No Brasil,

o desenvolvimento de aços para tubos da série API tem utilizado conceitos baseados na

seleção adequada da composição química e dos parâmetros de laminação controlada, de modo

a se obter a resistência mecânica desejada sem, no entanto, prejudicar a soldabilidade dos

mesmos. O objetivo deste trabalho é relatar como tem ocorrido a evolução dos aços para tubos

da série API, com ênfase nos produzidos no Brasil e com base em dados fornecidos por

empresas envolvidas tanto na fabricação dos aços quanto na fabricação de tubos.

Palavras-chave: Tubos API, aços microligados


Abstract

Linepipe steels have been continuously developed to achieve higher strength combined with

good weldability and toughness. Linepipe steels of higher mechanical properties allow the

fabrication of pipes of lower thickness and lower weight/length ratio. In addition, higher

operation pressures may be adopted for these pipes. The development of API linepipe steels in

Brazil has followed concepts based on the selection of the more suitable alloying additions

and controlled rolling parameters, resulting in higher strength and good weldability. The aim

of this work is to show the evolution of the API linepipe steels, emphasizing the grades

produced in Brazil. Data collected from steelmaker and pipe producer were used for the

elaboration of this paper.

Keywords: API linepipes, microalloyed steels

1. OBJETIVO

O objetivo deste trabalho é mostrar a evolução dos aços para tubos API, comentando-se as

características microestruturais, de propriedades mecânicas e de processamento destes aços.

Uma ênfase maior será dada aos aços produzidos na USIMINAS, destacando os

desenvolvimentos mais recentes desta empresa no que diz respeito a aços API de classe mais

elevada.

2. INTRODUÇÃO

Os aços para tubos utilizados no transporte de óleo e gás são fabricados de modo a atender às

especificações da norma API 5L, cuja edição mais recente entrou em vigor em julho deste

ano. A norma API estabelece diversas classes para tubos de acordo com a resistência

mecânica (terminologia de cada classe: X + limite de escoamento em ksi).

Na maior parte das obras, é exigido o atendimento a requisitos suplementares que não

constam da norma API. Geralmente, estes requisitos estão relacionados à tenacidade, dureza,

resistência à corrosão e ao trincamento induzido por hidrogênio (HIC)1. No que diz respeito às

características dos aços empregados, uma das alterações inseridas na última edição da norma

API foi a divisão dos tubos em duas classes (product specification level (PSL) – nível de

especificação do produto): PSL1 e PSL2. A classe PSL1 possui basicamente os requisitos

impostos pela edição anterior, abrangendo os graus de A a X70 (inclusive). Foi incluída uma

restrição nos teores de enxofre e fósforo, já que foram eliminadas as variações permissíveis

entre análise de panela e de produto. A classe PSL2 abrange os graus de B a X80 e apresenta


novos requisitos de ensaio de impacto Charpy, carbono equivalente (Ceq)A e PcmB, além de

maiores restrições nos níveis de enxofre e fósforo.

3. MICROESTRUTURA DOS AÇOS LAMINADOS PARA TUBOS

A microestrutura dos aços laminados para tubos é bastante dependente da composição

química e dos parâmetros do processo de laminação. As microestruturas normalmente

encontradas são2:

Ferrita poligonal/perlita: Este tipo de microestrutura é típico dos aços convencionais, os

quais não sofrem resfriamento acelerado após a laminação. Os grãos de ferrita normalmente

são equiaxiais e apresentam baixa densidade de discordâncias. A quantidade e a distribuição

da perlita dependerá do teor de carbono e de elementos de liga.

Ferrita acicular: É uma ferrita não equiaxial e altamente sub-estruturada, formando uma

microestrutura de agulhas entrelaçadas. Quando se deseja a obtenção de ferrita acicular e a

faixa de velocidade de resfriamento é limitada, normalmente se eleva o teor de Mn (cerca de

2,00%) e se adiciona Mo entre 0,25% e 0,35% para se obter tal microestrutura com

resfriamento ao ar.

Bainita: Nos aços convencionais para tubos, a bainita representa apenas uma pequena fração

da microestrutura. A bainita é uma microestrutura difícil de ser distinguida da ferrita acicular

por microscopia óptica e suas ripas apresentam densidade de discordâncias e razão de aspecto

mais altas que a ferrita acicular.

Constituinte A-M (austenita-martensita): É constituído de pequenas regiões de martensita

com austenita retida que podem aparecer na forma massiva ou alongada. Esta microestrutura é

normalmente identificada por microscopia eletrônica de varredura. Com ataque adequado, este

constituinte se apresenta em alto relevo em relação à matriz e com contornos bem definidos.

Quando presente em quantidades acima de 6 a 7%, o constituinte A-M reduz a tenacidade do

aço3.

A Ceq = C + Mn + Cr + Mo + V + Ni + Cu 6 5 15

B Pcm = C + Cu + Mn + Cr+ Si + Ni + Mo + V + 5B 20 30 60 15 10


4. EVOLUÇÃO DOS AÇOS LAMINADOS PARA TUBOS API

Na década de 70 e início da década de 80, os materiais aplicados na fabricação de tubos

restringiam-se aos aços C e C-Mn4. Os graus API 5L empregados na época eram B, X42 e

X52. Estes aços possuíam percentual de carbono na faixa de 0,20 a 0,28 e percentuais de

enxofre altos comparando-se com os aços atuais.

Bordignon et al.5 mostram em seu trabalho o grau de severidade ao qual os aços para tubos

têm sido submetidos desde a década de 60. Segundo este trabalho, o limite de escoamento

requerido, a pressão de trabalho, o diâmetro e a espessura dos tubos fabricados são itens que

têm sido aumentados continuamente ao longo das décadas. Além disso, os tubos têm sido

projetados para possuir resistência mecânica satisfatória em temperaturas cada vez mais

baixas. Tubos com maior resistência mecânica permitem a utilização de pressões mais altas e

paredes com espessuras menores.

A faixa de resistência correspondente à classe mais elevada existente no mercado (X100) era

normalmente atendida por aços temperados e revenidos, os quais possuem carbono

equivalente relativamente alto. Como já se sabe, um alto carbono equivalente prejudica a

tenacidade e a soldabilidade, razão pela qual têm sido pesquisadas outras formas de se obter

tal nível de resistência mecânica com carbonos equivalentes mais baixos. Atualmente, o

desenvolvimento de aços de classe mais elevada tem sido baseado no TMCP (processamento

com controle termo-mecânico). Os fatores decisivos no desenvolvimento metalúrgico do aço

de classes mais elevadas são o baixo percentual de carbono, elevado nível de limpidez e a

homogeneidade microestrutural6. A composição química básica desses aços consiste de

carbono e manganês com adições de cobre, níquel, molibdênio, nióbio e/ou titânio6. O cobre

tem sido utilizado para se obter endurecimento por precipitação, especialmente em situações

em que se requer uma melhor resistência à corrosão combinada com elevadas propriedades

mecânicas7

A combinação de elevados níveis de resistência e tenacidade só pode ser alcançada em aços

de baixo teor de carbono. Deste modo, o teor de carbono nos aços para dutos tem sido

reduzido continuamente, sendo que esta redução no teor de carbono é compensada pela adição

de microligantes. No entanto, somente a adição de microligantes nem sempre é suficiente para

garantir alta tenacidade, sendo necessária a realização de laminação controlada. A laminação

controlada nos aços empregados na fabricação de dutos envolve elevadas reduções abaixo da

temperatura de recristalização, sendo executável apenas em equipamentos de laminação

potentes.


Durante a laminação controlada, as temperaturas finais e de reaquecimento são variáveis

importantes mas a quantidade de deformação aplicada abaixo da temperatura de

recristalização é a variável de maior influência na tenacidade5. A deformação nesta faixa de

temperaturas produz grãos de austenita alongados e bandas de deformação, criando condições

propícias à nucleação de grãos de ferrita mais finos. Neste sentido, a adição de nióbio pode ser

útil pois este elemento aumenta a faixa de temperaturas nas quais a austenita não se

recristaliza. Elevando-se o teor de nióbio é possível diminuir a severidade da laminação para a

fabricação do aço.

É sabido que a taxa de resfriamento durante a transformação da austenita determinará a

microestrutura final do aço. Este conceito foi aplicado à laminação pela primeira vez em

1935, dando origem ao processo "reheat quenched" (RQ). Neste processo, o aço é reaquecido

e temperado após a laminação, obtendo-se alta tenacidade e resistência mecânica. Em 1962 foi

introduzida a técnica "on-line accelerated cooling" (AcC) – resfriamento acelerado na linha de

laminação, a qual consiste de um resfriamento acelerado imediatamente após a laminação a

quente.

O TMCP combina as técnicas de CR (controlled rolling – laminação controlada) e AcC. Esta

tecnologia foi introduzida pela primeira vez em escala industrial em 1980, no Japão. O TMCP

possibilita o controle não apenas da taxa de resfriamento mas também das temperaturas de

início e fim do resfriamento por água. Desta forma, pode-se controlar as frações dos produtos

de transformação da austenita ao nível desejado, de modo a se obter um balanço entre as

propriedades de tenacidade e resistência mecânica. O TMCP permite uma redução no teor de

elementos de liga.

A figura 1 mostra as condições térmicas dos processos de laminação convencional e TMCP. A

figura 2 mostra a comparação entre a resistência mecânica obtida pelo TMCP e a obtida pelo

processo convencional de laminação.


Figura 1: Técnicas de laminação8

Figura 2: Influência das técnicas de laminação nas propriedades mecânicas do aço em

função do carbono equivalente8


Embora mesmo a versão mais recente da norma API ainda não mencione a classe X100,

podem ser encontrados na literatura diversos trabalhos6, 7, 9 tratando do desenvolvimento de

aços para esta classe de tubos. A tabela 1 mostra as propriedades mecânicas esperadas para

um aço da classe X100, de acordo com Kawabata et al.9 Os autores mostram que a

microestrutura obtida no aço por eles desenvolvido, contendo ferrita bainítica com pequenas e

dispersas ilhas de martensita, permitiu que a resistência mecânica fosse elevada de forma

bastante significativa. Tal microestrutura foi obtida por laminação controlada seguida de

resfriamento acelerado interrompido a 150oC.

Tabela 1: Propriedades mecânicas esperadas para um aço para tubos API 5L X1009

Escoamento (MPa) >688

Resistência Mecânica Lim. de resistência (MPa) >808

Alongamento (%) >18

Energia absorvida a -20oC - Charpy (J/mm2) >1,74

DWTT* - % de fratura dúctil a -20oC >85

*DWTT (Drop-weight tear test – ensaio de queda de peso)

5. AÇOS PARA TUBOS API FABRICADOS NA USIMINAS

Na USIMINAS, segundo Pereira et al.10, chapas grossas para tubos API começaram a ser

produzidas em 1963 nos graus 5LA e 5LB. A partir de então, foram desenvolvidos os graus

X42 a X52 (1969), X56 e X60 (1975), X70 (1984) e X80 (em desenvolvimento11). Os graus

B, X42 e X46 são tipicamente aços com manganês mais baixo (0,90%) e sem adição de

microligantes tais como Nb, V e Ti. Já os graus X52 a X70 possuem manganês de 1,30 a

1,50% e adições de microligantes. Adicionalmente, a usina utiliza molibdênio e baixo carbono

para se obter estrutura com ferrita acicular. Adições de cobre são efetuadas juntamente com

baixas adições de manganês, baixo teor de enxofre e tratamento com cálcio quando se deseja

resistência a HIC.

A tabela 2 mostra os requisitos para os aços API utilizados nas principais obras das décadas

de 80 e 90 nas quais a USIMINAS foi fornecedora.


Tabela 2 Principais projetos de aços API 5L das quais a USIMINAS foi fornecedora

Ano Grau Ceq Energ. Abs. e % frat.dúct.(Charpy transv.)

Outros requisitos*

1985 X65 < 0,42% - -

1987 X65 < 0,42% - -

1990 X65 < 0,42% 62J/70% (-5oC) DWTT transv. (–5oC)>75% ,dureza<95HRB

1991 X60 < 0,40% 68J/90% (-20oC) DWTT transv. (-20oC)>80% ,resist. a HIC

1992 X65 - 60J/80% (-20oC) Pcm < 0,22%

1992 X70 < 0,43% - -

1993 X60 < 0,39% >80%(-20oC) -

1993 X60 < 0,40% 41J/80% (-10oC) PCM < 0,19% , tam. grão ferrítico >8(ASTM), testes HIC, CTOD e SSCC.

1994 X70 < 0,36% 54J/85% (-5oC) % frat. dúc. DWTT transv.(-5oC)>85%

1995 X52 < 0,41% 48J (-30oC) % frat. dúc. DWTT transv.(-20)>85%,tam. grão ferrítico (ASTM) > 9

1995 X70 < 0,40% 71J (-20oC) -

1996 X70 < 0,36% 54J/85% (-5oC) % frat. dúc. DWTT transv.(-5oC)>85%

1996 X70 < 0,40% 71J (-20oC) % frat. dúctil DWTT transv.(-10oC)>40%

1996 X70 < 0,41% - -

1997 X70 < 0,41% - -

1997 X70 < 0,42% 72J (-20oC) -

1997 X52 < 0,41% 40J (-40oC) % frat. dúctil DWTT transv.(-30oC)>75%

1997 X65 < 0,41% 69J (-20oC) -

1998 X70 < 0,42% 72J (-20oC) -

1998 X60 < 0,42% 56J (-10oC) -

1998 X60 < 0,40% 69J (-20oC) -

1999 X60 < 0,40% 150J/80% (-30oC) Pcm < 0,22% ;DWTT transv.(-30oC)>85%

1999 X60 < 0,42% 41J/80% (-20oC) % frat. dúctil DWTT transv.(-20oC) >80%

1999 X65 < 0,42% 25J/80% (0oC) % frat. dúctil DWTT transv.(0oC) > 80%

1999 X70 < 0,42% 78J/80% (-20oC) % frat. dúctil DWTT transv.(-20oC) >80%

* SSCC (sulphide stress corrosion cracking – corrosão sob tensão)


Observa-se na tabela que na década de 90 as especificações requerendo ensaio Charpy são

frequentes e que as temperaturas de ensaio chegam a valores baixos, tais como -40 oC. Além

disso, não é rara a exigência de ensaios CTOD (crack tip opening displacement) e ensaios de

HIC e SSCC podem ser especificados, de acordo com a obra.

5.1. Desenvolvimentos mais recentes

5.1.1. Aço API 5L X70 utilizado no gasoduto Brasil-Bolívia

Para esta obra, foram fornecidos pela USIMINAS chapas grossas de aço API 5L X70. Alípio

et al.12 relataram as características deste aço no trecho Corumbá-Campinas do gasoduto. Na

produção do aço, foi empregado o processo de laminação controlada com o objetivo de se

obter microestrutura refinada. Associada ao processo de laminação controlada, foram feitas

adições de Nb, Ti e V (influem na temperatura de não recristalização e causam endurecimento

por precipitação) e Ni+Cu (causam endurecimento por solução sólida e retardam a

transformação austenita/ferrita). Nas chapas de espessura maior, utilizou-se também Mo e Cr.

A microestrutura final do aço foi constituída de ferrita e perlita fina, tendo tamanho de grão

ferrítico médio entre 7µm e 5µm . A dureza média foi de 201 HV (10 kgf).

Brito13 realizou ensaios de impacto Charpy V (corpos de prova de 5 mm de espessura) em

amostras de aços API 5L X70 em tubos utilizados no gasoduto. Os resultados são mostrados

nas figuras 3 e 4. O tubo, de espessura 6,45 mm, apresentou limite de escoamento (LE) de 536

MPa e limite de resistência à tração (LR) de 661 MPa. A microestrutura do aço X70 estudado

neste trabalho, apresentada na figura 5, é constituída de bandas de ferrita e perlita finas.

-100 -80 -60 -40 -20 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Média

Resultado

En

erg

ia a

bso

rvid

a (

J)

Temperatura (oC)

Figura 3: Resultados de energia absorvida

para dois tubos API 5L X7013

-100 -80 -60 -40 -20 0

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Média

Resultado

% F

ratu

ra d

úct

il

Temperatura (oC)

Figura 4: Percentual de fratura dúctil nos

CPs Charpy13


Figura 5: Microestrutura do aço para tubo API X70

5.1.2. Aço para tubos API 5L X80

Atualmente está sendo desenvolvido na USIMINAS, com bons resultados, aço para tubos API

X8011. Este tipo de aço normalmente é fabricado em usinas estrangeiras utilizando-se

resfriamento acelerado na linha de laminação, como citado no item 3 deste trabalho. Como a

USIMINAS ainda não dispões do equipamento necessário para a laminação de aços por este

processo, alternativas têm sido buscadas para a viabilização da produção de aços para a classe

X80 e superiores. As alternativas encontradas baseiam-se na utilização de composição

química adequada e otimização dos parâmetros de laminação controlada.

Lopes et al.11 mostram um exemplo de um aço API X80 desenvolvido na USIMINAS, o qual

apresentou composição química contendo molibdênio (0,25%), cromo (0,30%), nióbio

(0,090%) e titânio (0,020%), possuindo baixos teores de carbono (0,05%) e enxofre (0,008%).

A microestrutura encontrada no aço apresentou matriz ferrítica com sítios de bainita dispersos.

A figura 6 mostra a microestrutura do aço obtido no trabalho, em um tubo de 32” de diâmetro

e 0,500” de espessura. O tubo cuja microestrutura é mostrada nesta figura apresentou LE de

597 MPa e LR de 686 MPa. O valor mínimo requerido para o limite de escoamento conforme

a norma API para o grau X80 é de 551 MPa. O trabalho mostrou que tanto o limite de

resistência à tração quanto o limite de escoamento foram ligeiramente elevados após a

conformação da chapa em tubo. A tendência inversa é normalmente observada em tubos de

microestrutura puramente ferrítica-perlítica.


Os resultados de ensaio de impacto (Charpy V) no tubo soldado são mostrados na figura 7.

Figura 6: Microestrutura de um aço para tubos API 5L X8011

Energia Absorvida

0

50

100

150

200

250

300

-80 -60 -40 -20 0 20 40

Te m pe ra tura - ºC

J/

cm

²

% Fratura D úctil

0

20

40

60

80

100

-80 -60 -40 -20 0 20 40

Te m pe ra tura - ºC

% F

.D.

♦ Zona afetada pelo calor

! Metal de solda

! Metal base do tubo" Metal base da chapa

Figura 7: Resultados de ensaio de impacto Charpy no aço mostrado na figura 6. A solda foi

efetuada pelo processo arco submerso11.

40 µm


Outros pesquisadores14, 15 também demonstraram ser possível a obtenção de aço para tubos

API 5L X80, sem a utilização de resfriamento acelerado na linha de laminação, utilizando-se

pequenas adições de boro na composição química do aço. Tais aços podem apresentar

microestrutura constituída totalmente de ferrita acicular, bainita ou de ferrita poligonal

juntamente com algum destes constituintes.

6. SUMÁRIO

Neste trabalho foi mostrada a evolução dos aços para tubos API utilizados no transporte de

óleo e gás, mostrando os aspectos microestruturais, de composição e processamento relativos

ao desenvolvimento de tais materiais. Ênfase maior foi dada aos aços produzidos na

USIMINAS em termos das propriedades mecânicas e microestruturas de aços produzidos

naquela empresa.

Foi comentada a tendência da utilização de resfriamento acelerado na linha de laminação das

usinas estrangeiras para a fabricação dos aços para tubos API de classes mais elevadas.

Também foi mostrado que existem alternativas disponíveis nas usinas nacionais para a

fabricação de aços para tubos até a classe X80 sem a utilização da tecnologia de resfriamento

acelerado.

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