BR112014020622B1 - Método e máquina para soldagem por forjamento - Google Patents
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Abstract
método e máquina para soldagem por forjamento, mistura de fundente exotérmica, e, método para fabricação de uma unidade de mistura de fundente exotérmica. é descrito um método para soldagem por forjamento que inclui colocar pelo menos dois componentes (1, 2) para soldagem um no outro adjacentes um ao outro e com uma mistura de fundente exotérmica (8) colocada entre os componentes. a mistura de fundente exotérmica (8) é aquecida para iniciar uma reação exotérmica e as superfícies de contato (12) dos dois componentes são pressionadas uma contra a outra. os componentes que estão sendo soldados podem ser tubulares, em particular tubos. são também providos aparelho (20) para o método para soldagem por forjamento e as misturas de fundente exotérmicas para o método para soldagem por forjamento.
Description
[0001] A presente invenção refere-se a métodos, aparelho e composições de mistura exotérmica para uso em operações de soldagem por forjamento, em particular para soldar por forjamento tubos uns nos outros. FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
[0002] Na indústria de recuperação de hidrocarbonetos (óleo e gás), tubos podem ser conectados por duas uniões macho e fêmea rosqueadas que são projetadas e fabricadas de acordo com as especificações definidas no American Petroleum Institute (API). Este tipo de junta é também referido como uma conexão "pino" e uma "caixa". A junta rosqueada helicoidal que encaixa as duas seções de tubo define um caminho helicoidal através do qual fluido da seção de tubo pode vazar.
[0003] Vazamento não é aceitável na maioria das situações por questão econômica, ambiental e de segurança. A fim de selar este caminho helicoidal de vazamento potencial, pasta de vedação de tubo tem sido normalmente usada para revestir as roscas, uma prática que é bem conhecida na indústria.
[0004] Entretanto, pasta de vedação de tubo sozinha pode ser inadequada para conseguir vedação hermética a fluido e algum tipo de vedação de anel-O secundária é normalmente exigido. A vedação de anel-O secundária é normalmente colocada em um recesso anular em uma das seções de caixa. Quando o pino e caixa são constituídos, a vedação secundária é deformada entre superfícies correspondentes da junta pino/caixa para conseguir uma boa vedação. O anel de vedação secundária pode ser feito de materiais poliméricos ou metálicos.
[0005] Um outro tipo de vedação metal com metal é a assim chamada conexão prêmio que emprega roscas cônicas contornadas de uma maneira tal que roscas conjugadas sempre formem uma vedação circunferencialmente contínua tensionada metal com metal. Embora este tipo de conexão seja melhor que outros tipos, ela exige uma tolerância relativamente alta na usinagem e é mais cara.
[0006] Conexões rosqueadas prêmio e convencional têm maior diâmetro do que o corpo de um tubo (tal como um revestimento usado em operações de perfuração de poço de petróleo) e, consequentemente, um furo de maior diâmetro tem que ser perfurado para descer, por exemplo, revestimentos com tubos rosqueados. Poços de maior diâmetro são mais lentos de perfurar e, portanto, mais caros. Conexões rosqueadas em geral não são tão resistentes quanto o revestimento de aço, e assim uma conexão rosqueada não pode suportar as mesmas tensões mecânicas que o próprio revestimento (tubo).
[0007] A indústria de recuperação de hidrocarbonetos tem passado por aumentos estáveis no custo de produção por causa de ter que recuperar hidrocarbonetos de poços mais profundos, formações rochosas mais duras e ambientes mais agressivos. Poços mais profundos exigem mais colunas de revestimento (seções de tubo que revestem o furo) e, portanto, o diâmetro do furo perfurado é maior com conexões rosqueadas do que se conexões embutidas fossem usadas. Também, geologia mais complexa frequentemente significa ambientes de perfuração mais difíceis, e maiores tensões no revestimento durante descida no furo da perfuração. Conexões rosqueadas são frequentemente a parte mais fraca de uma coluna de perfuração, e podem impedir que revestimentos sejam rotacionados durante descida no furo por causa da capacidade limitada de suportar tensões de torque da conexão rosqueada.
[0008] Novas tecnologias, tais como tubulares expansíveis, têm sido desenvolvidas para reduzir a perda de diâmetro da tubulação com a profundidade que ocorre em procedimentos de perfuração convencionais. A tecnologia envolve forçar uma ferramenta abaixo nas seções de tubo a expandir o diâmetro e assim permitir mais fluxo.
[0009] Entretanto, nem conexões rosqueadas nem prêmio funcionam bem para este tipo de aplicação, uma vez que elas podem perder a integridade da vedação, ou mesmo falhar durante a operação de expansão.
[00010] Por outro lado, técnicas de soldagem líquida tradicionais são também problemáticas, já que elas podem criar pontos/seções de fraqueza que poderiam falhar durante a operação de expansão por causa de microestruturas heterogêneas nas soldas produzidas. A fim de superar este problema, soldagem por forjamento foi proposta. Uma vez que soldagem por forjamento é um processo de união sólida, ela tem o potencial de gerar microestruturas mais uniformes em uma solda e assim é mais adequada para tecnologia de tubular expansível.
[00011] Soldagem por forjamento é um processo de soldagem de estado sólido que une estruturas metálicas, primeiro aquecendo as duas seções de contato com uma alta temperatura, tipicamente 50-90 % da temperatura de fusão, então pela aplicação de uma força de forjamento, seguida por um resfriamento controlado ou tratamento térmico pós-solda. Uma vez que esta técnica tem o potencial de gerar soldas a arco de alta qualidade com microestrutura e propriedades mais uniformes, ela foi proposta para soldar tubulares de aço para revestimentos de poço, bem como para construção de tubulação ao largo, e para união de tubulação bobinada.
[00012] A aplicação desta técnica na união de tubulares API é descrita, por exemplo, nas patentes US Nos. 4.566.625, 5.721.413 por Moe e 7.181.821, 7.774.917 por Anderson et al, e publicação do pedido de patente US No. 2011/0168693 de Rudd et al.
[00013] Uma operação de soldagem por forjamento de tubo ou cano típica começa primeiro pelo perfilamento e limpeza de extremidade para minimizar a oxidação nas extremidades do tubo. Em seguida, os tubos são carregados em uma câmara que é então evacuada e então cheia com um gás inerte. Depois que a câmara tiver atingido as condições exigidas (por exemplo, níveis de oxigênio e vapor d’água pré-definidos), as extremidades do tubo são aquecidas até a temperatura desejada (por exemplo, >1200°C) com a proteção de um assim chamado gás ativo de proteção (SAG) usado para evitar oxidação na junta que está sendo feita. Uma força é então aplicada nas extremidades do tubo amolecidas, forçando-as uma contra a outra, para obter soldagem por forjamento. Dependendo dos tipos de aço, da temperatura de forjamento e da uniformidade de aquecimento, as microestruturas geradas por esses procedimentos de soldagem por forjamento podem não ser nem ideais nem uniformes, consequentemente é realizado um tratamento térmico pós-solda. Este pode consistir em deixar que o aço resfrie naturalmente, ou controlando a velocidade na qual o aço resfria, ou resfriando o aço muito rapidamente e então reaquecendo-o para relaxar a microestrutura.
[00014] A fim de conseguir soldas de alta qualidade, as extremidades do tubo devem ser limpas e sem óxido. Além disso, a atmosfera na câmara de forjamento deve ter mínimo teor de oxigênio e vapor d’água. É feito uso de um SAG tal como uma mistura hidrogênio/nitrogênio, uma atmosfera redutora com a intenção de impedir nova formação de óxido de ferro durante a soldagem, mas também para reduzir óxido de ferro residual que está frequentemente presente, mesmo depois de procedimentos de limpeza criteriosos.
[00015] Na prática, normalmente é muito difícil conseguir uma atmosfera sem oxigênio e umidade e extremidades do tubo sem óxido metálico em um período de tempo razoável. Assim, uma solda por forjamento de alta qualidade não pode ser garantida para cada solda.
[00016] Além disso, embora tubos feitos de aço carbono, que têm óxido e/ou hidróxido de ferro como o contaminante predominante, possam ser unidos com sucesso com essas técnicas anteriores (soldagem por forjamento SAG), outros graus de aço, aqueles contendo óxidos metálicos mais estáveis, tal como óxido de cromo, são mais problemáticos. É mais difícil remover tais óxidos por redução, por exemplo, hidrogênio, a menos que maiores temperaturas e maiores tempos sejam usados.
[00017] Assim, existe uma necessidade de melhorias adicionais em técnicas de soldagem por forjamento.
[00018] De acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção fornece um método para soldagem por forjamento compreendendo:colocar pelo menos dois componentes para união por solda adjacentes um ao outro com uma mistura de fundente exotérmica colocada entre eles;aquecer a mistura de fundente exotérmica para iniciar uma reação exotérmica; epressionar as superfícies de contato dos dois componentes uma contra a outra.
[00019] O método descrito aqui é de uso particular em soldagem por forjamento de componentes tubulares ou tubos. Por exemplo, tubos "API" feitos em uma ampla faixa de diferentes aços para uso nas indústrias de óleo e gás. Entretanto, a técnica pode também ser usada para solda por forjamento de outros artigos.
[00020] O método pode também incluir aplicar aquecimento externo na junta que está sendo preparada, para ajudar atingir a temperatura de soldagem por forjamento desejada para unir os componentes.
[00021] O método pode incluir um procedimento de resfriamento controlado após a união dos componentes e/ou um procedimento de tratamento térmico pós-soldagem. Isto pode melhorar a qualidade da junta soldada por forjamento entre os componentes.
[00022] Se desejado, (por exemplo, por questão de segurança) o método pode também incluir realizar o procedimento em uma câmara cheia com uma atmosfera de gás inerte ou, alternativamente, em uma atmosfera contendo um gás ativo, tal como hidrogênio ou CO, como é geralmente exigido para métodos de soldagem por forjamento da tecnologia anterior.
[00023] Entretanto, os métodos que fazem uso de uma mistura de fundente exotérmica aqui descrita podem permitir que uma soldagem por forjamento seja realizada sem uma atmosfera especial, isto é, no ar. Isto pode proporcionar vantagem substancial em relação à tecnologia anterior, já que a soldagem pode ser conseguida sem a provisão de gás inerte, uma câmara para conter o gás inerte/ativo e (tipicamente) uma bomba de vácuo para evacuar a câmara antes do enchimento com uma mistura de gás inerte ou gás ativo. Assim, os métodos aqui descritos são particularmente adequados para operações de soldagem “no campo”, por exemplo, em operações de construção de poço no campo de petróleo ou construção de tubulação. Os métodos podem também ser mais econômicos do que os da tecnologia anterior que exigem uma mistura de gás inerte ou gás ativo e o equipamento associado.
[00024] Tipicamente, o método será realizado colocando uma unidade sólida devidamente modelada (peça) de mistura de fundente exotérmica entre dois componentes a ser unidos. Tipicamente, os componentes podem ser seções de tubo que terão extremidades que são perfiladas para formar um bom encaixe um com o outro durante o procedimento de soldagem. Perfilamento pode ser realizado usinando as extremidades das partes que estão sendo unidas, por exemplo, as extremidades do tubo, na forma e perfil específicos.
[00025] Uma velocidade e temperatura de aquecimento adequadas associadas com os ditos perfis podem ser determinadas por experimento, junto com conhecimento das características do metal que está sendo unido. Onde tubos estão sendo unidos, as duas extremidades do tubo são vantajosamente usinadas em perfis convexos (forma macho radial) com curvaturas iguais ou ligeiramente diferentes. As extremidades das paredes do tubo, quando vistas em seção transversal, têm o perfil convexo (forma macho radial). Outros perfis podem ser convenientemente empregados, como discutido a seguir. Tanto métodos aquecimento por indução quanto por efeito Joule (corrente contínua através de um par ou múltiplos pares de eletrodos) podem ser usados com perfis de aquecimento predeterminado.
[00026] O aquecimento tem continuidade (por exemplo, até 7001.200°C) pelo menos até que a mistura de fundente exotérmica reaja, formando fundente fundido líquido. O fundente fundido reveste e limpa as extremidades do tubo, dissolvendo os óxidos nas duas extremidades do tubo eficientemente. Os fundentes exotérmicos aqui descritos têm a vantagem em relação ao fundente tradicional (não exotérmico) em que a taxa de dissolução dos óxidos metálicos revestindo as extremidades do tubo é aumentada com aumento da temperatura. A alta temperatura produzida durante pelas reações químicas exotérmicas que ocorrem no fundente exotérmico dá uma taxa de dissolução substancialmente maior. Uma vantagem adicional é que os fundentes exotérmicos também aquecem e amaciam uma fina camada das superfícies de contato, assim menos calor é exigido pelo aquecimento externo e menos força de forjamento é exigida para atingir uma solda de boa qualidade.
[00027] Uma força de forjamento é aplicada, comprimindo o fundente fundido entre os componentes (por exemplo, extremidades do tubo), e para obter solda de alta qualidade entre as superfícies de contato. Uma vez que a mistura de fundente exotérmica é selecionada para produzir um fundente fundido líquido que é, ou é substancialmente, de comportamento vítreo e tem um menor coeficiente de expansão térmica, por exemplo, do que componentes de aço que são unidos, a maior parte do fundente lasca durante o processo de resfriamento depois do forjamento. Qualquer porção de fundente remanescente que adere na junta pode ser facilmente limpa por tratamento de abrasão e/ou vibração. Dependendo do tipo de material (metal) que está sendo forjado, um tratamento térmico pós-solda pode ser exigido ou pode ser desejável para obter uma junta soldada da qualidade exigida.
[00028] Tipicamente, o método empregado também incluirá um procedimento de teste para garantir que a junta é de qualidade aceitável. Por exemplo, um método de teste não destrutivo pode ser realizado tal como usando uma série de conjuntos de transdutores acústico eletromagnéticos (EMAT) para verificar a qualidade da solda, ou a solda pode ser verificada usando raios-S. Outras técnicas de teste não destrutivo podem ser usadas.
[00029] De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção fornece uma mistura de fundente exotérmica para realizar o método para soldagem por forjamento de acordo com o primeiro aspecto da invenção. A mistura de fundente exotérmica pode também encontrar uso em outros procedimentos de soldagem. A mistura de fundente exotérmica é convenientemente provida para uso como uma unidade sólida, tipicamente feita prensando uma mistura de componentes pulverizados da maneira descrita a seguir.
[00030] A mistura de fundentes exotérmicos pode compreender vários óxidos metálicos, tipicamente com um ou mais metais de transição ou outros óxidos, óxido de boro e haletos, por exemplo, um ou mais fluoretos e/ou cloretos. A mistura é provida com um combustível, reativo com os óxidos para produzir uma exoterma. O combustível pode compreender elementos ou misturas de elementos selecionados do grupo consistindo em alumínio, silício, cálcio, magnésio, titânio, (ou outro metal que pode reagir com os óxidos de metais de transição), misturas de dois ou mais desses elementos e ligas compreendendo dois ou mais desses elementos. Ligas de cálcio-alumínio (Ca- Al) podem fornecer combustíveis úteis, tanto como o único combustível quanto como um dos combustíveis empregados na mistura. Ligas Ca-Al contendo 10-50 % em peso de Al são preferidas. Ligas Ca-Al com mais que 50 % em peso de Al podem gerar uma quantidade muito alta de óxidos no fundente, resultando em uma alta temperatura de fusão. Isto pode levar a baixa proteção das superfícies de contato do tubo durante soldagem por causa da baixa fluidez do fundente fundido. Ligas com menos que 10 % em peso de Al podem ser difíceis de triturar na forma de pó para preparar o fundente exotérmico e elas são mais suscetíveis ao ataque pela umidade.
[00031] As misturas exotérmicas preferidas tipicamente contêm (em peso) 20-50 % de óxidos de metais de transição, 10-25 % de combustíveis, 10-60 % de óxido de boro, e 0-50 % de fluoretos e/ou cloretos. A mistura pode também incluir 0 a 30 % de outros óxidos. Tipicamente, os componentes são providos como pós finos.
[00032] Essas composições podem apresentar uma temperatura de ignição (a temperatura que a reação exotérmica torna-se autossustentável) entre 600°C e 800°C, uma temperatura de combustão (máxima temperatura atingida durante a reação exotérmica) entre 1.200°C e 2.200°C, e uma viscosidade que pode revestir as extremidades do tubo bem sem escorrimento. Depois da reação exotérmica, tais misturas formam um fundente fundido tipicamente contendo (em peso) 10-30 % de óxidos básicos (por exemplo, óxido de cálcio, óxido de magnésio, etc.) 2-20 % de óxido de alumínio, 10-60 % de óxido de boro, 0-30 % de metais líquidos e 0-50 % de fluoretos e/ou cloretos. O fundente fundido é comprimido durante o processo de soldagem por forjamento.
[00033] Exemplos de óxidos de metais de transição incluem, mas sem limitações, óxidos de ferro, manganês, níquel, cobre, cobalto, titânio, molibdênio e cromo. Para soldagem de tubulares de aço API, é preferível usar óxido de ferro, óxido de níquel, óxido de cromo, e/ou óxidos de manganês como os óxidos de metais de transição.
[00034] Outros óxidos que podem ser incluídos são certos óxidos básicos que agem como modificador de rede vítrea, consequentemente podem reduzir a viscosidade do fundente fundido, facilitando assim o fundente e revestimento das superfícies do tubo para limpeza e proteção. Eles incluem, mas sem limitações, óxidos de metais alcalinos tais como óxido de lítio, óxido de sódio ou óxido de potássio, óxidos de metais alcalinos terrosos tais como óxido de bário, óxido de cálcio, ou óxido de magnésio. Em alguns exemplos, um óxido de metal de transição tais como óxido de ferro (II) e/ou óxido de manganês (II) podem também funcionar como modificadores de rede vítrea. Dióxido de silício e outros óxidos de silício tais como silicatos, por exemplo, silicato de sódio, podem também ser usados como vitrificadores, como discutido a seguir.
[00035] Óxido de boro é vantajosamente empregado na mistura como um agente para assistir na formação vítrea ou comportamento tipo vidro na mistura do fundente quando fundida. Ele também age como um ligante na mistura, uma vez que ele pode ser parcial ou totalmente fundido a uma baixa temperatura.
[00036] Assim, uma forma ou unidade de preformar resistente de material de fundente exotérmico, tal como um anel, pode ser fabricada. Assim, uma forma ou unidade de preforma pode se tornar mais resistente pelo aquecimento (por exemplo, a <500°C) sem causar reação substancial, levando a ignição do fundente exotérmico.
[00037] Óxidos de silício podem também ser adequadamente empregados na mistura para agir como agente de formação vítrea e também aumentar a viscosidade do fundente fundido em alguns casos. Dióxido de silício ou outros óxidos tais como silicatos podem ser introduzidos na mistura por vários meios. Por exemplo, quando se usa silício como um combustível, ele reduz os óxidos de metais de transição na mistura. Alternativamente, ou adicionalmente, dióxido de silício ou outros compostos contendo silício tal como silicato de sódio podem ser empregados como um componente na mistura.
[00038] Haletos tais como fluoretos e/ou cloretos empregados nas misturas de fundente incluem, mas sem limitações, aqueles de metais alcalinos, tais como aqueles de potássio, lítio e sódio. Haletos de metais alcalinos terrosos tais como fluoretos e/ou cloretos de bário, cálcio, magnésio e estrôncio podem também ser empregados. Outros haletos tais como fluoretos e/ou cloretos de alumínio podem também ser empregados.
[00039] Fluoretos de metais alcalinos terrosos são preferidos para misturas altamente exotérmicas, isto é, aquelas misturas que podem gerar uma temperatura de combustão relativamente alta (isto é, a máxima temperatura atingida durante a reação exotérmica), por exemplo, >2.000°C, uma vez que esses fluoretos têm um alto ponto de ebulição. Para misturas fracamente exotérmicas, fluoretos e/ou cloretos com um menor ponto de ebulição podem ser usado.
[00040] Quando uma mistura de fluoretos e/ou cloretos é usada, é preferível selecionar a quantidade relativa de cada fluoreto e/ou cloreto para que seja de maneira tal que eles formem uma composição eutética de baixo ponto de fusão. Em situações onde se deseja uma rápida reação, é vantajoso usar uma composição eutética pré-fundida de tais fluoretos e/ou cloretos quando se prepara a mistura de fundente exotérmica. A mistura de haleto eutética pré-fundida é preparada primeiro fundindo os componentes de haleto individuais entre si. Esta mistura fundida é então resfriada e então pulverizada para inclusão na mistura de fundente exotérmica.
[00041] Além do combustível e óxido de metal de transição exigidos para a reação exotérmica, as misturas exotérmicas vantajosamente contêm uma combinação otimizada de um vitrificador (por exemplo, óxido de boro, dióxido de silício), modificador de rede vítrea (por exemplo, óxidos básicos que podem ou não ser um óxido de metal de transição), um ou mais fluoretos, e/ou cloretos).
[00042] Cada qual dos componentes na mistura exotérmica é vantajosamente provido na forma de pó fino para mistura íntima e eficiente. O tamanho de partícula de todos os pós pode ser entre malha 325 (45 μm) e malha 60 (250 μm). Pós com um tamanho de partícula maior que malha 60 tendem ter uma ignição muito longa e velocidade de reação muito baixa, enquanto aqueles de menos de malha 325 são mais caros e podem ser muito sensíveis ao ataque de umidade. Isto é particularmente o caso para combustíveis contendo cálcio. Em geral, a seleção de diferentes tamanhos de partícula fornece um meio de controlar a ignição e velocidade de reação da mistura exotérmica.
[00043] A composição da mistura é ajustada para conseguir a combinação desejada de basicidade, reatividade, inflamabilidade e viscosidade adequada para os componentes, por exemplo, tipos dos tubos de aço API que estão sendo soldados. Por exemplo, misturas exotérmicas para soldar tubos de aço inoxidável diferem daquelas para soldagem de tubos de aço carbono em termos de composições, temperatura de ignição, e temperatura de combustão, uma vez que fundentes para dissolver óxido de cromo (na superfície de aços inoxidáveis) podem ser diferentes daqueles para dissolver óxidos ou hidróxidos de ferro (em aço carbono).
[00044] Soldagem de aços inoxidáveis pode ser feita usando misturas de fundente mais agressivas, por exemplo, utilizando misturas mais exotérmicas que liberam uma maior energia térmica e/ou contêm uma maior quantidade de fluoretos e/ou cloretos e/ou óxidos que pode dissolver óxido de cromo mais efetivamente.
[00045] Essas misturas tipicamente apresentam uma temperatura de ignição (a temperatura que a reação exotérmica torna-se autossustentável) entre 600°C e 800°C, uma temperatura de combustão entre 1.200°C e 2.200°C, e apresentam uma viscosidade que pode revestir as extremidades do tubo bem sem escorrer.
[00046] De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é provido um método para fabricação de uma unidade de mistura de fundente exotérmica, para uso em soldagem por forjamento. Essas unidades sólidas são geralmente preparadas misturando pós finamente divididos dos componentes entre si e então prensando a mistura resultante em um molde para produzir uma assim chamada unidade de mistura de fundente sólida "verde" ou não reagida na forma desejada para realizar o procedimento de soldagem por forjamento visado.
[00047] Por exemplo, para uso em soldagem por forjamento de tubos entre si, as unidades são moldadas na forma de anéis de fundente exotérmico. Os anéis de fundente são dimensionados para adequar ao diâmetro dos tubos que estão sendo unidos. Os anéis de fundente são feitos de pós reagentes dos óxidos, combustíveis e fluoretos e/ou cloretos constituintes que são primeiro misturados bem por técnicas de mistura tradicionais, tais como tamboreamento, moinho de bolas, e assim por diante, preferivelmente em uma atmosfera inerte sem umidade. A mistura de reagente bem misturada é então prensada uniaxialmente dentro de uma matriz para produzir uma forma de anel verde com o perfil de extremidade projetado e uma densidade verde na faixa de 50-80 % de sua densidade de mistura teórica.
[00048] Vantajosamente, o anel ou outra unidade sólida é então tratada termicamente depois da prensagem, por exemplo, a uma temperatura de 400-500°C por 2-30 minutos ou mesmo 450-500°C por 2-20 minutos. Alternativamente, o aquecimento pode também ser realizado durante prensagem. A temperatura e tempo de tratamento térmico específicos dependem da composição, massa e tamanho do anel ou outra unidade sólida que está sendo preparada. De forma geral, um anel com qualquer um ou mais de maior massa, maior tamanho de anel, e menor teor de óxido de boro exige uma maior temperatura de tratamento térmico e maior tempo de aquecimento para produzir os melhores resultados. O tratamento térmico é projetado para fundir o óxido de boro completa ou parcialmente, dependendo da quantidade de óxido de boro na mistura, que pode aumentar a resistência mecânica do anel, permitindo facilitar o manuseio. Os mesmos princípios aplicam-se a unidades sólidas sem ser anéis. Unidades sólidas tratadas termicamente têm mostrado apresente melhor resistência a ruptura, mesmo quando sujeitas a algum abuso mecânico moderado.
[00049] Tipicamente, o anel de fundente será modelado para conformar-se estritamente às extremidades do tubo que está sendo unido. As extremidades do tubo podem ter várias formas para diferentes aplicações, incluindo uma forma macho radial, um forma fêmea radial e outras formas com um receptáculo para conter o fundente fundido. Visto em seção transversal, a parede do tubo tem uma forma de macho; ou uma forma de fêmea ou outra forma com um receptáculo para conter o fundente fundido. Vantajosamente, pelo menos uma das extremidades do tubo que está sendo unido tem um perfil, de sua parede (vista em seção transversal), que inclina para trás, (para fora da extremidade extrema do tubo), de dentro da parede do tubo na sua extremidade, em direção ao lado externo da parede do tubo, para guiar o fundente fundido e quaisquer impurezas para fora da linha de união para fora do tubo. Por exemplo, a extremidade da parede do tubo pode ser chanfrada para dentro de sua superfície interna para sua superfície externa.
[00050] Onde uma forma de fêmea radial é empregada em uma extremidade do tubo, uma forma de macho correspondente que se encaixa na forma fêmea é empregada, se um perfil fêmea for usado com uma cavidade côncava que aceita um forma de macho perfilada convexa correspondente, o raio da curvatura fêmea deve ser maior que o raio da extremidade macho correspondente. Isto permite que todo o fundente e contaminantes tenham um caminho para saída da solda mediante aplicação da força de forjamento. No caso de forjamentos verticais descritos a seguir, o perfil fêmea é vantajosamente utilizado no tubo inferior de maneira a se beneficiar da gravidade para ajudar manter uma poça de fundente fundido.
[00051] As extremidades do tubo podem ser perfiladas não somente para proporcionar bom contato um com o outro durante o processo de soldagem por forjamento, mas também para permitir a mudança no perfil feita pela aplicação da força de forjamento e o calor provido no sistema. Por exemplo, as extremidades do tubo podem ser reduzidas na espessura (por exemplo, chanfradas) em preparação para união, já que a força de forjamento comprimirá as extremidades amolecidas pelo calor do tubo uma na outra, causando um espessamento na junta. Pela escolha do perfil, facilmente determinado por experimento, um dado tipo e tamanho de tubo pode ser soldado por forjamento pelo método da invenção para produzir uma junta lisa, ou substancialmente lisa, sem exigir substancial remoção de material de tubo em excesso pós-união.
[00052] A união de tubos com conexões lisas, de diâmetro não de maior do que os próprios tubos, pode ter vantagens notáveis. Por exemplo, em operações de perfuração de poço de petróleo, conexões de tubo lisas podem permitir o uso de tubos de maior diâmetro a maiores profundidades de perfuração, em comparação com sistemas convencionais onde as uniões entre seções de tubo são de maior diâmetro do que os tubos empregados.
[00053] O método para soldagem por forjamento aqui descrito pode ser realizado em uma máquina para soldagem por forjamento que pode ser automática ou semiautomática. Por exemplo, onde duas extremidades do tubo estão sendo soldadas uma na outra, a máquina para soldagem por forjamento pode compreender: um gabarito para manter os tubos em posição com as extremidades a ser soldadas alinhadas e em proximidade imediata; meio para inflamar a mistura de fundente exotérmica; meio para suprir calor à junta que está sendo produzida ou depois que ela é produzida; e meio para avançar pelo menos uma das extremidades do tubo em direção à outra, por meio disto aplicando uma força de soldagem por forjamento. Tipicamente, a máquina terá um controlador, por exemplo, um controlador baseado em microprocessador, para controlar as várias funções da máquina. A máquina pode também incluir outra funcionalidade, por exemplo, meio de resfriamento (tal como um suprimento de água) para tratamento térmico pós-solda, meio para limpar a junta depois de ela ter sido formada (tal como um vibrador ou ferramenta de abrasão) e meio de teste (por exemplo, meio de teste ultrassônico tais como conhecidos na técnica) para verificar a integridade de cada solda feita.
[00054] Embora a presente invenção seja para solda por forjamento a ser realizada em ar, se desejado (por exemplo, para certas regulamentações de segurança) a máquina pode também incluir uma câmara na qual a soldagem por forjamento é realizada e meio para suprimento de um gás ou mistura gasosa selecionada na câmara. A câmara pode também ser equipada com uma bomba de vácuo para facilitar prover uma atmosfera selecionada em torno da junta à medida que ela é formada.
[00055] O método, especialmente, mas não exclusivamente, quando uma máquina para soldagem por forjamento é empregada, pode incluir um movimento lento programado, por exemplo, de duas extremidades do tubo uma em direção à outra durante aquecimento. Por exemplo, ambas as extremidades do tubo podem ser movimentadas uma em direção à outra na mesma velocidade quando uma bobina de indução localizada no ponto de junção é empregada para prover aquecimento aos tubos e ignição da mistura de fundente exotérmica.
[00056] Movimentar ambas as extremidades do tubo para uma zona de aquecimento (provida, por exemplo, por uma bobina de indução) na mesma velocidade assiste no aquecimento de ambas as extremidades do tubo uniformemente. Entretanto, isto tem a desvantagem de que são necessários meios para mover ambos os tubos simultaneamente. Como uma alternativa, o primeiro tubo é mantido fixo e o segundo avança em direção ao primeiro. Em uma situação como esta, a bobina de indução de aquecimento pode mover simultaneamente com o movimento do tubo para manter aquecimento uniforme.
[00057] O movimento é tipicamente iniciado tanto antes da ignição da mistura de fundente exotérmica colocada entre as extremidades do tubo quanto durante e depois do ponto onde o anel de fundente fica amolecido pelo calor. O movimento começa depois de atingir a temperatura de amolecimento da mistura exotérmica, que tipicamente ocorre a cerca de 500-550°C, para misturas exotérmicas da invenção.
[00058] Vantajosamente, as extremidades do tubo são inicialmente movimentadas uma em direção à outra a uma velocidade relativamente baixa, por exemplo, cerca de 4 mm por minuto, antes de a ignição iniciar, tipicamente na faixa de temperatura de 500-600°C ou mesmo 500-650°C. A velocidade de movimento tipicamente será aumentada, por exemplo, para 1060 mm por minuto depois que o anel exotérmico tiver inflamado, tipicamente quando a temperatura é cerca de 600-800°C ou mesmo 600-1000°C. Este avanço junto das extremidades do tubo tem continuidade para garantir bom revestimento do fundente nas superfícies do tubo, bem como para comprimir subsequentemente o fundente fundido para fora à medida que os tubos são forçados um contra o outro e finalmente aplicar a força de forjamento desejada (tipicamente pré-programada). Para evitar possível dano no anel de fundente exotérmico, a distância de movimento geral antes da ignição em geral não deve ser mais que cerca de 20 % da altura do anel.
[00059] Em um procedimento típico, o movimento dos dois tubos é selecionado de maneira tal que, quando o movimento, antes da aplicação da força de forjamento, é completo, uma folga de 1-3 mm é deixada entre as duas extremidades do tubo. O movimento de forjamento é então aplicado, movendo as extremidades do tubo para contato e forçando-as uma contra a outra para obter uma solda forjada.
[00060] Em um arranjo conveniente, tubos são unidos entre si quando as extremidades são posicionadas com um verticalmente acima do outro, isto é, é empregado forjamento vertical. Por exemplo, em uma máquina para soldagem por forjamento um tubo inferior tem um anel de fundente exotérmico colocado por cima de sua extremidade. Um segundo tubo superior é posicionado acima da extremidade do tubo inferior e com sua respectiva extremidade em alinhamento. Uma bobina de indução ou outro meio de aquecimento é então aplicada para inflamar o anel de fundente exotérmico e o tubo superior é abaixado sobre o tubo inferior de uma maneira controlada e incluindo a aplicação da força de forjamento quando as corretas condições de temperatura tiverem sido atingidas.
[00061] Dois tubos podem também ser soldados entre si por métodos descritos aqui, quando em uma orientação horizontal ou em qualquer outro ângulo escolhido.
[00062] Recursos e vantagens adicionais da presente invenção surgirão a partir da descrição detalhada seguinte de algumas modalidades ilustradas com referência aos desenhos anexos, em que:
[00063] As Figuras 1a a 1f ilustram soldagem por forjamento de tubos com um anel de fundente exotérmico;
[00064] a Figura 2 ilustra soldagem por forjamento de tubos de perfuração de campo de óleo, IN SITU;
[00065] a Figura 3 é um fluxograma mostrando as etapas para fabricar um anel exotérmico; e
[00066] as Figuras 4a a 4d mostram extremidades do tubo perfiladas sendo unidas por soldagem por forjamento usando um anel de fundente exotérmico;
[00067] as Figuras 5a e 5b mostram a união de dois tubos com um perfilamento macho (convexo) por cima e um perfilamento fêmea (côncavo) no fundo; e
[00068] as Figuras 6a e 6b mostram a união de tubos fazendo uso de perfis que direcionam o fundente fundido para o lado de fora.
[00069] Os exemplos seguintes ilustram as misturas exotérmicas e a preparação de anéis exotérmicos, para unir tubos, usando as misturas; entretanto eles não devem ser considerados limitantes.
[00070] Exemplo 1 - Um anel de fundente exotérmico é preparado (como ilustrado na figura 3, discutido a seguir) usando uma mistura de (% em peso) 31,9% de óxido de ferro (III), 6,0 % de cálcio, 8,1 % de alumínio, 9,7% de fluoreto de sódio, 6,5% de fluoreto de alumínio e 37,8% de óxido de boro.
[00071] Primeiro, a mistura exotérmica foi preparada pesando os pós constituintes de acordo com as razões supradeclaradas. Os pós foram então misturados completamente por técnicas de mistura de pó tradicionais tais como tamboreamento ou com moinho de bolas. Cerca de 6 gramas da mistura intimamente misturada de pós reagentes são então prensados em uma matriz com dois êmbolos com perfis convexos para produzir uma preforma verde com cerca de 60 % da densidade teórica e com entalhes côncavos para receber as extremidades do tubo, como descrito a seguir e com referência à figura 4, formando um anel de fundente exotérmico com dimensões de cerca de 50 mm de diâmetro externo, 5 mm de espessura de parede e 4 mm de altura. O anel de preforma verde foi então tratado termicamente a 460°C por 2 minutos e então deixado resfriar naturalmente.
[00072] A preforma tratada termicamente, por exemplo, com uma altura de cerca de 4 mm é então colocada entre dois tubos de aço com extremidades perfiladas convexas. As extremidades do tubo de aço são aquecidas por indução. Ao atingir uma temperatura de aproximadamente 750°C, a preforma inflama com a reação gerando calor (temperatura de combustão adiabática calculada de 1.600 K sem levar em conta o pré- aquecimento) e produzindo materiais produto fundido contendo óxidos de cálcio, alumínio e boro, fluoretos de sódio e alumínio, ferro metálico e seus compostos. Os materiais produtos de alta temperatura fornecem calor à superfície das extremidades do tubo e rapidamente dissolvem óxidos na superfície e protegem contra nova oxidação. Os tubos são então movimentados juntos um total de 8 mm (4 mm para levar em conta a folga de 4 mm inicial e 4 mm de distância de forjamento. O fundente fundido é comprimido e os tubos fundem para formar uma solda.
[00073] Exemplo 2 - Um anel de fundente exotérmico é preparado (como ilustrado na figura 3) usando uma mistura de (% em peso) 23,5 % de óxido de ferro (III), 9,3 % de óxido de níquel, 13,9 % de cálcio, 3,9 % de alumínio, 5,4 % de fluoreto de bário, 9,6 % de fluoreto de cálcio, 9,6 % de fluoreto de magnésio e 24,8% de óxido de boro. Neste exemplo, os fluoretos foram pré-fundidos juntos e a mistura de fluoreto resultantes resfriadas e então pulverizados para formar um componente de fluoreto misturado para a mistura de anel de fundente. A mistura exotérmica foi então preparada pesando os pós constituintes de acordo com as razões supradeclaradas. Eles foram então misturados completamente por técnicas de mistura de pó tradicionais tal como tamboreamento ou com moinho de bolas. Cerca de 6 gramas da mistura intimamente misturada de pós reagentes são então prensados em uma matriz com dois êmbolos com perfis convexos para produzir uma forma verde com cerca de 60 % de densidade teórica, com dimensões de cerca de 50 mm de diâmetro externo, 5 mm de espessura de parede e 4 mm de altura. A preforma verde foi então tratada termicamente a 460°C por 4 minutos seguido por resfriamento natural. A preforma com uma altura de 4 mm é então colocada entre dois tubos de aço com extremidades perfiladas convexas. As extremidades do tubo de aço são aquecidas por indução. Ao atingir uma temperatura de aproximadamente 750°C, a preforma é inflamada com a reação gerando calor (temperatura de combustão adiabática calculada de 1.700 K sem levar em conta o pré-aquecimento) e materiais produtos contendo cálcio, alumínio e óxidos de boro, bário, cálcio e fluoretos de magnésio, ferro e níquel metálicos, e seus compostos. Os materiais produtos de alta temperatura fornecem calor à superfície das extremidades do tubo e rapidamente dissolvem óxidos superficiais e protegem contra nova oxidação. Os tubos são então movimentados juntos um total de 8 mm (4 mm para levar em conta a folga de 4 mm inicial e 4 mm de distância de forjamento. O fundente fundido é comprimido e os tubos fundem para formar uma solda.
[00074] Nos Exemplos 1 e 2, óxido de ferro (III) e níquel foram usados como fonte de oxigênio, e cálcio e alumínio foram usados como os combustíveis para as reações exotérmicas. Outros óxidos de metais de transição, tais como óxido de ferro (II, III), óxidos de manganês, óxidos de cobre, óxidos de molibdênio, etc. podem também ser usados como a fonte de oxigênio. Além do mais, em vez de cálcio e alumínio elementares, outros combustíveis tais como magnésio, silício ou outros metais podem também ser usados. Além disso, ligas desses metais podem também ser usadas como combustíveis.
[00075] Exemplo 3 - Um anel de fundente exotérmico é preparado (como ilustrado na figura 3, discutido a seguir) usando uma mistura de (% em peso de) 36,2 % de óxido de manganês (IV), 14,2% de liga cálcio-alumínio (contendo 25 % em peso de alumínio), 8,0 % de fluoreto de bário, 1,6% de fluoreto de cálcio, 1,5 % de fluoreto de magnésio e 38,5 % de óxido de boro.
[00076] Primeiro, a mistura exotérmica foi preparada pesando os pós constituintes de acordo com as razões supradeclaradas. Os pós foram então misturados completamente por técnicas de mistura de pó tradicionais tal como tamboreamento ou com moinho de bolas. Cerca de 75 gramas da mistura intimamente misturada de pós reagentes são então prensados em uma matriz com dois êmbolos com perfis convexos para produzir uma preforma verde com cerca de 60 % da densidade teórica e com entalhes côncavos para receber extremidades do tubo como descrito a seguir e com referência às figuras 4, formando um anel de fundente exotérmico com dimensões de cerca de 248 mm de diâmetro externo, 11 mm de espessura de parede e 3.5 mm de altura. O anel de preforma verde foi então tratado termicamente a 450°C por 30 minutos e então deixado resfriar naturalmente.
[00077] A preforma tratada termicamente, por exemplo, com uma altura de cerca de 3,5 mm é então colocada entre dois tubos de aço com extremidades perfiladas convexas (macho). As extremidades do tubo de aço são aquecidas por indução. Ao atingir uma temperatura de aproximadamente 750°C, a preforma inflama com a reação gerando calor (temperatura de combustão adiabática calculada de 1.800 K sem levar em conta o pré- aquecimento) e produzindo materiais produtos fundidos contendo óxidos de cálcio, alumínio, manganês e boro, fluoretos de bário, cálcio e magnésio, manganês metal. Os materiais produtos de alta temperatura fornecem calor à superfície das extremidades do tubo e rapidamente dissolvem óxidos superficiais e protegem contra nova oxidação. Os tubos são então movimentados juntos um total de 8 mm (4 mm para levar em conta a folga de 4 mm inicial e 4 mm de distância de forjamento. O fundente fundido é comprimido e os tubos fundem para formar uma solda.
[00078] Uma liga de cálcio-alumínio contendo 25% em peso de alumínio é usada no exemplo 3. Entretanto, outras ligas Ca-Al contendo de 050 % em peso de Al podem ser usadas.
[00079] O método para soldagem por forjamento aplicado nas seções de tubo é ilustrado esquematicamente nas figuras 1a a 1f.
[00080] Na figura 1a, duas seções de tubo e 2 são mostradas em elevação parcial. Ambas as seções de tubo 1, 2 têm extremidades perfiladas 4, 6, (chanfradas, neste exemplo). A seção de tubo inferior 1 é presa em um gabarito (não mostrado) e tem um anel de fundente exotérmico 8 (não mostrado nesta figura, mas vide figura 1b) localizada no topo da extremidade 4. A seção de tubo 2 é localizada acima e em alinhamento com a seção de tubo 1, por meio de um gabarito apropriado.
[00081] Uma bobina de aquecimento por indução (não mostrada, por questão de clareza) é localizada em torno das extremidades do tubo 4,6 e do anel de fundente exotérmico 8. Aquecimento pelo uso da bobina de indução inflama o anel de fundente 8 e a seção de tubo superior 2 avança, como indicado pela seta A para baixo para comprimir o fundente fundido formado do anel de fundente 8. O fundente fundido limpa as extremidades do tubo 4, 6 removendo óxidos de suas superfícies e impedindo a entrada de oxigênio ou ar.
[00082] O processo tem continuidade até que as seções de tubo façam contato em 12, como mostrado na figura 1c. Neste estágio, o fundente fundido foi conduzido para fora entre as superfícies de contato do tubo, e a temperatura é adequada para soldar por forjamento (cerca de 800 a 1.200°C. tipicamente). O movimento A tem continuidade para prover uma força de forjamento entre as seções de tubo 1, 2, como sugerido pela seta B em oposição à seta A; e seta C indicando a direção para fora de material de tubo amolecido a partir da área de contato 12. Percebe-se que pode também haver algum movimento para dentro (em direção ao centro do tubo) de material à medida que a força de forjamento é aplicada.
[00083] A figura 1d mostra a solda acabada entre seções de tubo 1 e 2, indicada por linhas tracejadas 4. Pela seleção do perfilamento, tamanho e tipo de anel de fundente exotérmico da extremidade do tubo apropriados e aplicação de força de forjamento, uma junta lisa, exigindo pouco tratamento pós-solda (tal como do fundente remanescente e ou metal em excesso na junta) pode ser produzida. Se necessário ou desejado, o método pode também incluir tratamentos de aquecimento e resfriamento após a etapa de soldagem inicial para melhorar a qualidade da união.
[00084] A figura 1e mostra o anel de fundente exotérmico 8 da figura 1b em vista plana e a forma do anel 8 para conformar com as bordas chanfradas 4, 6 é visto mais claramente em elevação seccional transversal ao longo de X-X (figura 1f). A seção transversal 10 do anel 8 é modelada para se ajustar em torno das extremidades do tubo chanfradas 4,6.
[00085] Na figura 2, um processo similar ao mostrado na figuras 1 é ilustrado esquematicamente. Uma plataforma de perfuração de poço de petróleo 16 tem um tubo de perfuração 1 (coluna de perfuração) estendendo- se para baixo dela de uma maneira usual. O tubo 1 exige que uma outra seção de tubo 2 seja montada para permitir a perfuração a uma maior profundidade continue. (O acionador da broca, etc. será convencional e não estão mostrados nesta ilustração). A nova seção de tubo 2 foi içada para posição acima do tubo 1 (guincho indicado pela linha 18). Os dois tubos 1,2 a ser unidos são presos em uma máquina para soldagem por forjamento, não mostrada com detalhes, mas indicada pela linha tracejada 20. A máquina inclui um gabarito ou gabaritos para manter as extremidades do tubo em posição e acionar o tubo 2 em direção ao tubo 1 da maneira necessária. A máquina 20 também inclui meio de aquecimento (tal como uma bobina de indução) para aquecer as extremidades do tubo 4, 6 e o anel de fundente exotérmico empregado (não mostrado). Meio de resfriamento como água ou gás pode também ser provido. A máquina 20 pode também ter um meio ultrassônico integral ou outro meio de teste não destrutivo adaptado para testar juntas completadas. Um controlador indicado esquematicamente pela caixa 22 controla a operação da máquina 20. Em uso, a máquina 20 realiza um processo de soldagem por forjamento similar ao mostrado na figura 1. Por meio disto, união rápida e segura de novas seções de tubo na coluna de perfuração pode ser conseguida em operações de perfuração. Tempos de solda típicos conseguidos no teste podem ser digamos de 5 a 12 minutos, incluindo o tempo para carregar uma nova seção de tubo no lugar e, após a soldagem, ficar pronto novamente para operações de perfuração.
[00086] A figura 3 é um fluxograma ilustrando a preparação de uma unidade sólida de material de fundente exotérmico, por exemplo, os anéis de fundente supradiscutidos nos exemplos 1 e 2. Os pós constituintes são pesados 24 e então misturados intimamente entre si 26. A mistura íntima é tipicamente realizada por métodos tal como tamboreamento em um tambor adequado ou outro vaso de mistura. Moinho de bolas pode também ser empregado. A mistura é então carregada em um molde ou matrizes adequados 28 antes de ser prensado 30 na forma desejada, tal como um anel para uso na união de tubos. A unidade sólida prensada, tipicamente 50 a 80 % da densidade teórica, é então tratada termicamente 32 para formar a unidade sólida acabada. O tratamento térmico 32 é projetado para fundir o óxido de boro completa ou parcialmente dependendo da quantidade de óxido de boro na mistura. Isto pode aumentar a resistência mecânica do anel, permitindo manuseio mais fácil.
[00087] A figura 4 mostra esquematicamente um exemplo deperfilamento de extremidades de tubo adequado para procedimentos de soldagem por forjamento da invenção. A figura 4a mostra uma seção de tubo 1 vista olhando para uma extremidade 4, que é perfilada com uma forma macho radial terminando em uma curva convexa.
[00088] A seção de tubo está mostrada em seção transversal, ao longo da linha AA, na figura 4b com um detalhe ampliado da extremidade da superfície da seção transversal 4 (parte circulada com X) mostrada na figura 4c. Como pode-se ver na figura 4c, o perfil de extremidade do tubo 4 inclui uma porção chanfrada 34 na parede externa 36 e uma porção um pouco menos chanfrada 38 (de menor ângulo e menor comprimento) na parede interna 40. A borda externa do perfil (a parede do tubo vista em seção transversal) da extremidade do tubo 4 é concluída por duas porções curtas paralelas 42, 44 e uma face de extremidade convexa 46.
[00089] Durante união de duas extremidades do tubo com o perfilamento da figura 4c, um anel de fundente exotérmico 8 com dois entalhes côncavo 48 mostrados em seção transversal parcial na figura 4d podem ser empregados. O método continua da maneira aqui discutida com referência às figuras 1 ou 2. Mediante aquecimento e ignição do anel de fundente exotérmico 8 e avanço apropriado das extremidades do tubo 4 e 6 um em direção ao outro, as faces de extremidade convexas 46 primeiro farão contato uma com a outra nos pontos mais externos 50 em suas superfícies.
[00090] À medida que a força de forjamento (sugerida pelas setas A e B) é aplicada e as extremidades do tubo amolecidas pelo calor 4, 6 distorcem e fundem, o fundente fundido será comprimido da junta em formação e metal na área de contato também tenderá ser forçado para fora, como sugerido pelas setas C e D, aumentando a espessura das paredes do tubo na junta em formação. As porções chanfradas 34 e 38 das extremidades do tubo acomodarão pelo menos parte deste aumento de espessura, atenuando ou mesmo impedindo que a junta tenha um maior diâmetro do que o diâmetro do tubo original. Depois do resfriamento e qualquer ciclo de tratamento térmico aplicado para melhorar a qualidade da junta ter terminado, a junta pode ser acabada por limpeza ou abrasão da maneira desejada ou exigida.
[00091] As figuras 5a e 5 b ilustram esquematicamente um outro exemplo de perfilamento das extremidades do tubo adequado para os procedimentos de soldagem por forjamento da invenção. Neste exemplo, está sendo realizada uma operação de forjamento vertical.
[00092] A figura 5a mostra o perfil da seção transversal parcial esquemático de duas extremidades do tubo 4 e 6 em uma vista similar à da figura 4d. A extremidade do tubo superior 4 tem uma forma radial macho, incluindo chanfros 34,38 e uma face de extremidade convexa 46 na sua parede. A extremidade do tubo inferior 6 tem dois chanfros 34, 38 e uma forma radial fêmea com uma face de extremidade côncava 52. Um anel de fundente exotérmico 8 não está mostrado com detalhes, mas sugerido pela linha tracejada. O anel de fundente é formado para adaptar aos perfis das extremidades do tubo, como discutido antes.
[00093] A figura 5b mostra as mesmas duas extremidades do tubo 4, 6 em vista detalhada em seção transversal parcial similar à da figura 5a, mas durante um processo de soldagem por forjamento depois da ignição do anel de fundente exotérmico e à medida que as duas extremidades 4, 6 estão sendo forçadas uma contra a outra pela força de forjamento sugerida pelas setas A e B. O fundente fundido tenderá ficar retido na face de extremidade côncava 52 da parede da extremidade do tubo inferior 6, banhando as superfícies que devem ser fundidas no fundente fundido, permitindo mais transferência de calor e limpeza eficiente das superfícies do metal.
[00094] O raio do perfilamento côncavo 52 na extremidade inferior 6 é maior que o do perfilamento convexo 46 na extremidade superior 6 para certificar que o fundente fundido pode ser facilmente comprimido na operação de forjamento subsequente, como sugerido pelas 54.
[00095] A figura 6a mostra duas extremidades do tubo, 4,6 em vista em seção transversal parcial similar à da figura 5b. As extremidades do tubo 4, 6 ficam em contato à medida que uma força de forjamento sugerida pelas setas A e B é aplicada. Neste exemplo, a extremidade superior das duas extremidades do tubo 4 tem um perfil que inclina para trás a partir de dentro da parede do tubo 40 bem na sua extremidade 55 para fora da parede do tubo 36, para guiar o fundente fundido e quaisquer impurezas da linha de união, onde a junta é feita, para fora do tubo. Esta compressão do fundente fundido está indicada pela seta 54. Desta maneira, a maior parte do fundente é direcionada para fora do tubo onde a remoção de material que adere no tubo depois da união é mais fácil. Percebe-se que o perfil empregado em tais modalidades da invenção não precisa ser um chanfro plano 56 inclinando radialmente para fora, como indicado na figura 6a, mas pode ter, por exemplo, uma curvatura convexa inclinando para trás e para fora da parede interna na extremidade do tubo.
[00096] Na figura 6b, está mostrada uma vista comparável à da figura 6a, mas, neste exemplo, ambas as extremidades do tubo 4, 6 são perfiladas para direcionar o fundente fundido (seta 54) para a parede externa 36 do tubo à medida que a força de forjamento é aplicada.
[00097] Deve-se entender que a presente invenção foi aqui descrita meramente a título de exemplo, e modificações de detalhes podem ser feitas dentro do escopo da invenção.
[00098] Cada recurso revelado na descrição e (onde apropriado) nas reivindicações e desenhos pode ser provido independentemente ou em qualquer combinação apropriada.
Claims (23)
1. Método para soldagem por forjamento de uma junta, método este que compreende:colocar pelo menos dois componentes (1, 2) para soldagem um no outro adjacentes um ao outro com uma mistura de fundente exotérmica (8) colocada entre eles, cada componente (1, 2) tendo uma superfície de contato;aquecer a mistura de fundente exotérmica (8) para iniciar umareação exotérmica e fundir a mistura de fundente exotérmica (8) para produzir um fundente fundido (8); epressionar as superfícies de contato dos dois componentes (1, 2) uma contra a outra para comprimir o fundente fundido (8) e para soldar por forjamento as superfícies de contato uma contra a outra;caracterizado pelo fato de que os componentes (1, 2) que estão sendo soldados são componentes (1, 2) tubulares e as superfícies de contato são extremidades (4, 6) dos componentes (1, 2) tubulares.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente aplicar aquecimento externo na junta que está sendo preparada.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente pelo menos um de um procedimento de resfriamento controlado e um tratamento térmico pós-soldagem.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a3, caracterizado pelo fato de que inclui adicionalmente realizar o procedimento em uma câmara cheia com um gás inerte ou um gás ativo.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a3, caracterizado pelo fato de que o procedimento é realizado em ar.
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a5, caracterizado pelo fato de que dois componentes (1, 2) tubulares são soldados e a extremidade de pelo menos um de tais componentes (1, 2) que estão sendo soldados tem sua parede perfilada em uma dentre:uma forma radial macho (46), uma forma radial fêmea (52), e um perfil que se inclina para trás, de dentro da parede do componente (1, 2) tubular, na sua extremidade, para fora da parede do componente (1, 2) tubular.
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que ambos dos componentes (1, 2) tubulares têm extremidades (4, 6) dos tubos que têm paredes de uma forma radial macho (46).
8. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que um dos componentes (1, 2) tubulares tem uma extremidade com uma parede de uma forma radial macho (46) e a outra tem uma extremidade com uma parede de uma forma radial fêmea (52).
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a extremidade da parede de uma forma radial fêmea (52) tem uma cavidade côncava que aceita uma forma macho (46) correspondente, perfilada convexa, da extremidade da parede da forma radial macho (46); e, em que o raio da curvatura fêmea (52) é maior do que o raio da extremidade macho (46) correspondente.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que dois componentes (1, 2) tubulares estão sendo soldados e a espessura das paredes dos componentes (1, 2) é reduzida naquelas extremidades (4, 6) que estão sendo soldadas.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que dois componentes (1,2) tubulares estão sendo soldados, e em que eles são soldados quando em uma orientação vertical.
12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que dois componentes (1, 2) estão sendo soldados e eles se movimentam um em direção ao outro em pelo menos dois estágios de pré-forjamento antes de prensagem das superfícies de contato uma contra a outra, os estágios de pré-forjamento incluindo: a) um movimento mais lento antes da ignição daquela mistura exotérmica; eb) um movimento mais rápido depois da ignição do fundente exotérmico (8).
13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que os dois componentes (1, 2) ou:se movem simultaneamente um em direção ao outro; ou um componente (1, 2) se move em direção ao outro.
14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a mistura de fundente exotérmica (8) colocada entre os dois componentes (1, 2) é na forma de uma unidade sólida modelada.
15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a14, caracterizado pelo fato de a mistura de fundente exotérmica (8) compreender: um combustível selecionado a partir de um grupo que consiste em alumínio, silício, cálcio, magnésio, titânio, misturas de dois ou mais desses elementos, e ligas compreendendo dois ou mais desses elementos;um ou mais óxidos de metais de transição, óxido de boro e haletos.
16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a mistura de fundente exotérmica (8) possui uma composição em peso de 20-50% de óxidos de metais de transição, 10-25% de combustível, 10-60% de óxido de boro, e 0-50% de fluoretos e/ou cloretos.
17. Método de acordo com a reivindicação 15 ou reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que aqueles óxidos de metais de transição são selecionados a partir de um grupo que consiste em óxidos de ferro, manganês, níquel, cobre, cobalto, titânio, molibdênio e cromo.
18. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 17, caracterizado pelo fato de a mistura de fundente exotérmica (8) compreender adicionalmente até 30% em peso de óxidos selecionados a partir de um grupo que consiste em: óxidos de metais alcalinos, óxidos de metais alcalinos terrosos, óxidos de silício e combinações dos mesmos.
19. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 15 a 18, caracterizado pelo fato de a mistura de fundente exotérmica (8) compreender liga Ca-Al como único combustível ou um dos combustíveis, e a liga conter de 10-50% em peso de Al.
20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a liga Ca-Al contém de 10-50% em peso de Al.
21. Máquina (20) para soldagem por forjamento para realizar a soldagem por forjamento de componentes (1, 2) tubulares pelo método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizada pelo fato de compreender: um gabarito para manter tubos em posição com as extremidades (4, 6) a ser soldadas alinhadas e em proximidade imediata; meio para inflamar a mistura de fundente exotérmica (8); meio para suprir calor à junta que está sendo produzida ou depois que ela é produzida; e meio para avançar pelo menos uma das extremidades (4, 6) do tubo em direção à outra, por este meio aplicando uma força de soldagem por forjamento.
22. Máquina (20) para soldagem por forjamento de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente pelo menos um de: meio de resfriamento; meio para limpar uma junta depois que ela tiver sido formada; e meio de teste para verificar uma integridade de cada junta feita.
23. Máquina (20) para soldagem por forjamento de acordo com a reivindicação 21 ou reivindicação 22, caracterizada pelo fato de compreender adicionalmente:câmara na qual a soldagem por forjamento é realizada;meio para suprir um de um gás ou mistura de gás selecionado na câmara; e, opcionalmente, uma bomba de vácuo para facilitar a provisão de uma atmosfera selecionada em torno da junta à medida que ela é formada.
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