BRPI0615215A2

BRPI0615215A2 - tubo de aÇo sem costura para tubo de linha e processo para sua produÇço

Info

Publication number: BRPI0615215A2
Application number: BRPI0615215-5A
Authority: BR
Inventors: Kenji Kobayashi; Tomohiko Omura; Kunio Kondo; Yuji Arai; Nobuyuki Hisamune
Original assignee: Sumitomo Metal Ind
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2011-05-10
Also published as: AU2006282410A1; US7931757B2; CA2620069A1; AR054935A1; BRPI0615216A2; CA2620054A1; BRPI0615362B1; BRPI0615362B8; EP1918398A4; EP1918400A1; WO2007023806A1; EP1918398B1; WO2007023804A1; US20090114318A1; AU2006282411A1; US7896985B2; EP1918397B1; EP1918397A1; JPWO2007023804A1; NO341250B1

Abstract

TUBO DE AÇO SEM COSTURA PARA TUBO DE LINHA E PROCESSO PARA SUA PRODUÇçO. A presente invenção refere-se a um tubo de aço sem costura para tubo de linha tendo alta resistência e dureza estável e tendo resistência ã fratura por corrosão por sulfeto a baixas temperaturas até a temperatura ambiente. Um tubo de aço sem costura conforme a presente invenção tem uma composição química compreendendo, em % em massa, C: 0,03-0,08%, Si: 0,05-0,5%, Mn: 1,0-3,0%, Mo: maior que 0,4% a 1,2%, Al: 0,005-0,100%, Ca: 0,001-0,005%, um remanescente de Fe e impurezas incluindo N, P, S, O e Cu com as impurezas contendo no máximo 0,01% de N, no máximo 0,05% de P, no máximo 0,01% de S, no máximo 0,01% de O, e no máximo 0,1% de Cu, e tendo uma microestrutura compreendendo uma estrutura de fase dual bainÍtica-martensítica.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TUBO DEAÇO SEM COSTURA PARA TUBO DE LINHA E PROCESSO PARA SUAPRODUÇÃO".

Campo Técnico

A presente invenção refere-se a um tubo de aço sem costurapara uso como tubo de linha tendo resistência, dureza, resistência à corro-são melhoradas. Um tubo de aço sem costura conforme a presente invençãotem uma resistência do grau X80 especificado pelas normas API (AmericanPetroleum lnstitute) e especificamente uma resistência de 80-95 ksi (um Iimi-te de elasticidade de 551-655 MPa), e tem também uma boa dureza e resis-tência à corrosão, particularmente boa resistência à fratura por estresse porsulfeto mesmo a baixas temperaturas. Portanto, o tubo de aço sem costura éadequado para uso como tubo de aço sem costura de alta resistência, altadureza, de parede grossa, para tubo de linha particularmente para uso emambientes de baixa temperatura. Por exemplo, ele pode ser usado comotubo de aço para tubo de linha a ser usado em regiões frias, como tubo deaço para linhas de fluxo no fundo do mar, e como tubo de aço para dutos deinterligação.

Técnica Anterior

Em anos recentes, desde que fontes de petróleo bruto e de gásnatural em campos petrolíferos localizados em terra ou nos assim chamadosmares rasos tendo uma profundidade de água de cerca de 500 metros estãosendo esgotados, o desenvolvimento de campos petrolíferos em alto marnos assim chamados mares profundos a uma profundidade de 1000-3000metros, por exemplo, abaixo da superfície do mar está sendo executado ati-vamente. Em campos petrolíferos de mar profundo, é necessário transferir opetróleo bruto ou o gás natural do cabeçote de poço de um poço de petróleoou de um poço de gás natural que esteja instalado no fundo do mar até umaplataforma localizada na superfície usando-se tubos de aço referidos comolinhas de fluxo e dutos de interligação.

Em tubos de aço que constituem linhas de fluxo ou dutos de in-terligação instalados no fundo do mar, uma alta pressão interna do fluido aqual a pressão das profundas camadas submarinas é adicionada é aplicadaao interior dos tubos, e eles também sofrem os efeitos da pressão da águano mar profundo quando a operação é interrompida. Em adição, tubos deaço constituindo dutos de interligação estão sujeitos aos efeito de tensõesrepetidas devido às ondas. Além disso, a temperatura da água no fundo domar cai para cerca de 4°C.

Linhas de fluxo são tubos de aço para transporte que são insta-lados ao longo do contorno do terreno do fundo do mar. Um duto de interli-gação é um tubo de aço para transporte que sobe do fundo do mar para umaplataforma na superfície do mar. Quando tais tubos são usados em campospetrolíferos em mar profundo, é normalmente considerado necessário que aespessura da parede de tais tubos de aço sejam de pelo menos 30 mm, e naprática real, é comum usar-se tubos de parede grossa com uma espessurade parede de 40-50 mm. Desse fato, pode ser visto que linhas de fluxo edutos de interligação são membros que são usados em condições severas.

O fluido produzido em poços de petróleo e poços de gás no fun-do do mar sendo desenvolvidos nos últimos anos contêm freqüentementesulfeto de hidrogênio, que é corrosivo. Em tais ambientes, o aço de alta re-sistência sofre fragilização pelo hidrogênio referido como fratura por estressepor sulfeto (SSC) e eventualmente apresenta falha. No passado, a suscepti-bilidade ao SSC era dita ser mais alta à temperatura ambiente, então umteste de resistência à corrosão para avaliação da resistência à SSC foi exe-cutado em um ambiente à temperatura ambiente. Entretanto, foi descobertoque na realidade, a susceptibilidade à fratura por estresse por sulfeto e mai-or e ocorre mais facilmente em um ambiente de baixa temperatura de cercade 4°C que à temperatura ambiente.

Em um tubo de aço usado como linha de fluxo ou duto de interli-gação, é desejado um material que apresente não apenas alta resistência ealta dureza, mas também boa resistência à corrosão em um ambiente con-tendo sulfeto. Nesse tipo de aplicação, um tubo de aço sem costura é usadoao invés de um tubo soldado para alcançar uma alta confiabilidade.

A resistência à corrosão do aço para tubo de linha tem colocado,até aqui, estresse na prevenção da fratura induzida pelo hidrogênio (HIC),isto é, na resistência ao HIC. Entre os tubos de aço resistentes à corrosãoque têm uma resistência excedendo X80 que foram descritos até aqui, hámuitos que enfatizam a resistência à HIC. Por exemplo, a JP 09-324216 A1,JP 09-324217 A1, e JP 11 -189840 A1 descrevem aços para tubo de linha dograu X80 tendo excelente resistência à HIC. Com esses materiais, a resis-tência à HIC é melhorada pelo controle das inclusões no aço e da crescentecapacidade de endurecimento. Entretanto, em relação à resistência à SSC1não há discussão em relação à resistência à SSC à temperatura ambiente,para não mencionar a resistência à SSC à baixa temperatura.

Conforme descrito acima, à medida que o desenvolvimento depoços de petróleo e poços de gás em campos de petróleo em mares profun-dos prossegue, a resistência à SSC dos tubos de aço para tubos de linhausados como linhas de fluxo ou dutos de interligação está se tornando im-portante. Em um ambiente de baixa temperatura tais como nos campos depetróleo ou de gás no mar profundo, a susceptibilidade à SCC dos aços dealta resistência aumenta, e particularmente com aços de alta resistência ten-do um limite de elasticidade (YS) de pelo menos 551 MPa (80 ksi), a suscep-tibilidade à SSC aumenta até um ponto em que não pode ser ignorada. Por-tanto, há uma demanda para melhoria na resistência à SSC em tubos de açosem costura para tubo de linha feito de aços de alta resistência pelo menosdo grau X80.

Descrição da Invenção

O objetivo da presente invenção é fornecer um tubo de aço semcostura para tubo de linha tendo uma alta resistência com dureza estável eboa resistência à SSC, em particular boa resistência à SSC m ambientes debaixa temperatura, e um método para sua produção.

Os presentes inventores investigaram a susceptibilidade à SSCà temperatura ambiente e a baixas temperaturas de vários materiais de aço,e eles descobriram que a susceptibilidade à SSC era maior a baixas tempe-raturas que à temperatura ambiente para todos os materiais. Acompanhandoesse resultado, eles executaram investigações com base na premissa deque uma boa resistência à SSC a baixas temperaturas não pode ser obtidapor materiais convencionais dirigidos à melhoria da resistência à SSC àtemperatura ambiente, e que novos projetos de materiais são necessáriospara melhorar a resistência à SSC a baixas temperaturas. Como resultadoeles identificaram a composição química e a microestrutura de um materialque apresentou boa resistência à SSC não apenas à temperatura ambiente,mas também a baixas temperaturas.

Em um aço de baixa liga convencional de alta resistência paratubo de linha no qual a composição química é selecionada de modo a au-mentar a capacidade de endurecimento, e a velocidade de resfriamento éaumentada para se obter uma alta resistência através do endurecimento,mesmo se for possível melhorar a resistência à corrosão à temperatura am-biente e particularmente a resistência à SSC, a resistência à corrosão emum ambiente à baixa temperatura não é melhorada. Na investigação dacomposição química do aço e da influência da velocidade de resfriamentocom o objetivo de melhorar a resistência à corrosão a baixas temperaturas,foi descoberto que a resistência à SSC a baixas temperaturas é espantosa-mente melhorada pela adição de Mo para aumentar a capacidade de endu-recimento e a resistência ao amolecimento do revestimento e diminuindo-sea velocidade de resfriamento resulta na formação de estrutura com fase dualbainítica-martensítica.

A presente invenção é um tubo de aço sem costura para tubo delinha tendo resistência à fratura por estresse por sulfeto melhorada a baixastemperaturas, caracterizado por ter uma composição química compreenden-do, em % em massa, C: 0,03-0,08%, Si: 0,05-0,5%, Mn: 1,0-3,0%, Mo: maiorque 0,4% a 1,2%, Al: 0,005-0,100%, Ca: 0,001-0,005%, um remanescentede Fe e impurezas incluindo Ν, P, S, O e Cu no qual os teores das impure-zas são de no máximo 0,01% para N, no máximo 0,05% para P, no máximo0,01% para S, no máximo 0,01% para O (oxigênio), e no máximo 0,1% paraCu, e tendo um limite de elasticidade (YS) de pelo menos 80 ksi (551 MPa) eum fator intensivo de estresse Kissc de pelo menos 20,1 ksi-(pol)1/2 (=ksi Vin) conforme calculado dos resultados de um teste executado em um ambi-ente a 4°C conforme o método de teste DCB especificado na NACETM0177-2005 método D.

A composição química acima descrita pode também conter umou mais elementos selecionados entre Cr: no máximo 1,0%, Nb: no máximo0,1%, Ti: no máximo 0,1%, Zr: no máximo 0,1%, Ni: no máximo 2,0%, V: nomáximo 0,2%, e B: no máximo 0,005%.

Um valor Ki do fator intensivo de estresse obtido de um testeDCB é um índice do valor mínimo de K (intensidade de campo de estressena ponta de uma fratura) capaz de permitir que uma fratura cresça sob umdado ambiente corrosivo. Ele indica que quanto maior o valor, menor a sus-ceptibilidade à fratura no ambiente corrosivo dado.

Na presente invenção, a resistência à fratura por estresse porsulfeto (resistência à SSC) de um aço é avaliada por um teste DCB (DoubleCentilever Beam) que é executado de acordo com a NACE (National Associ-ation of Corrosion Engineers) TM0177-2005 método D, e um fator intensivode estresse K|Ssc em um ambiente corrosivo de sulfeto é calculado a partirdos valores medidos no teste. O banho do teste era uma solução aquosa de5% em peso de cloreto de sódio + 0,5% em peso de ácido acético saturadacom 1 atm de gás sulfeto de hidrogênio a uma baixa temperatura (4°C).

Um espécime no qual uma cunha prescrita é inserida ao longoda linha longitudinal central do espécime, impondo assim o estresse nas di-reções que resultam em dois braços abertos (isto é, nas direções em que afratura se estende na raiz dos braços), é imerso por 336 horas no banho doteste. O fator intensivo de estresse K|Ssc é calculado pela equação a seguirbaseado no comprimento da fratura ae da cunha Iiberadora de estresse P.

Equação]

<formula>formula see original document page 6</formula>

onde B é a espessura do espécime, h é a largura de cada um dos dois bra-ços em ambos os lados da fratura, e Bn é a espessura da porção do espéci-me na qual a fratura se propaga.O modelo simplificado mostrado na Figura 4 é usado para outraexplicação. Considerando que um material tendo dimensões infinitas tenhauma fratura inicial (ou um defeito formado por corrosão) tendo uma profundi-dade a, quando um estresse σ é imposto sobre o material nas direções quea fratura se abre conforme mostrado pelas setas, a intensidade do fator in-tensivo de estresse Ki é expressa pela seguinte equação:

<formula>formula see original document page 7</formula>

Assim, quanto mais profunda a fratura inicial e quanto maior oestresse imposto, maior o valor de K|. A profundidade da fratura inicial podeser estimada como sendo no máximo 0,5 mm. Quanto ao estresse que éimposto, em vista dos aços com resistência do grau X80 especificados naAPI que tem 551-655 MPa (80-95 ksi) de limite de elasticidade (YS), o es-tresse que é geralmente imposto em um teste de resistência à corrosão é de90% do YS, que é calculado a 72-85,5 ksi (396-590 MPa). O valor de K, cor-respondente a tal valor de estresse é calculado para ser 22,1 MPa-(m)1/2(20,1 ksi-(pol)1/2) -26,2 MPa-(m)1/2 (23,9 ksi-(pol)1/2)

Um tubo de aço sem costura para tubo de linha conforme a pre-sente invenção tem um valor de fator intensivo de estresse Kissc a 4°C depelo menos 22,1 MPa-(m)1/2 (20,1 ksi-(pol)1/2). Isto significa que o tubo deaço sem costura melhorou a resistência à SSC que é insuficiente para evitara ocorrência de fratura por corrosão por sulfeto em um teste padrão de resis-tência à SSC para aços do grau X80 mesmo a baixas temperaturas nasquais a susceptibilidade à SSC é maior que à temperatura ambiente. O valorde Kissc a 4°C é preferivelmente pelo menos 23,9 ksi-(pol)1/2 (26,2 MPa-(m)1/2). Nesse caso, uma resistência à SSC extremamente alta é alcançada,com o que a fratura é evitada mesmo em um teste de resistência à SSC noqual a carga imposta é de 90% da resistência máxima dos aços do grau X80(655 MPa (95 ksi) em YS).

De outro ponto de vista, a presente invenção é um método deprodução de um tubo de aço sem costura para tubo de linha compreendendoa formação de um tubo de aço sem costura pelo trabalho a quente a partirde uma barra de aço tendo a composição química descrita acima e subme-tendo-se o tubo de aço ao resfriamento brusco a uma taxa de resfriamentode no máximo 20°C por segundo seguido de revestimento.

Conforme usado aqui, "taxa de resfriamento" para o resfriamentobrusco significa a taxa de resfriamento média no centro da espessura daparede do tubo na faixa de temperatura de 800°C a 500°C.

O resfriamento brusco pode ser executado resfriando-se inicial-mente o tubo de aço sem costura preparado pelo trabalho a quente e entãoreaquecendo-se o mesmo, ou pode ser executado imediatamente após aformação do tubo de aço sem costura por trabalho a quente. O revestimentoé preferivelmente executado a uma temperatura de pelo menos 600°C.

De acordo com a presente invenção, prescrevendo-se a compo-sição química, isto é, a composição do aço, e o método de produção de umtubo de aço sem costura da forma acima, um tubo de aço sem costura paratubo de linha que tem uma alta resistência do grau X80 (limite de elasticida-de de pelo menos 551 MPa) e dureza estável e que tem boa resistência àSSC a baixas temperaturas de forma que possa ser usado em ambientes debaixa temperatura contendo sulfeto de hidrogênio tal como campos de petró-leo de mar profundo podem ser produzidos apenas por tratamento térmicona forma de resfriamento brusco e revestimento mesmo no caso de um tubode aço sem costura com parede grossa tendo uma espessura de pelo me-nos 30 mm.

Conforme usado aqui, "tubo de linha" significa uma estrutura tu-bular que é usada para transporte de um fluido tal como petróleo bruto ougás natural e que pode, naturalmente, ser usado em terra, bem como na su-perfície do mar ou no fundo do mar. Um tubo de aço sem costura conforme apresente invenção é particularmente adequado para uso como tubo de linhatal como linhas de fluxo ou dutos de interligação instalados na superfície ouem mares profundos e como tubos de linha instalados em regiões frias. En-tretanto suas aplicações não são restritas a essas.

Não há restrições particulares na forma e na dimensão de umtubo de aço sem costura conforme a presente invenção, mas há limites nasdimensões de um tubo de aço sem costura devido ao seu processo de pro-dução, e normalmente seu diâmetro externo é no máximo em torno de 500mm e no mínimo em torno de 150 mm. A espessura da parede do tubo deaço é freqüentemente pelo menos 30 mm (tal como 30-50 mm) no caso delinhas de fluxo e dutos de interligação, mas no caso de tubo de linha usadoem terra, ele pode ser um tubo muito mais fino tal como um tubo tendo umaespessura de 5-30 mm e tipicamente em torno de 10-25 mm.

Um tubo de aço sem costura para tubo de linha conforme a pre-sente invenção tem propriedades mecânicas e resistência à corrosão sufici-entes para uso como dutos de interligação e linhas de fluxo, particularmenteem campos de petróleo de mar profundo, que podem conter sulfeto de hi-drogênio e estão a uma baixa temperatura, então ele tem significação práticapelo fato de que contribui para um fornecimento de energia estável.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é um gráfico mostrando o efeito do teor de Mo do açono limite de elasticidade (YS) e o fator intensivo de estresse (Kissc)-

A Figura 2 é um gráfico mostrando a influência da taxa de resfri-amento do resfriamento brusco no limite de elasticidade (YS) e o fator inten-sivo de estresse (Kissc) no qual a taxa de resfriamento é variada pela espes-sura de uma chapa.

A Figura 3 é um gráfico mostrando a relação entre o limite deelasticidade e o fator intensivo de estresse (Kissc) para um aço tendo umataxa de resfriamento no resfriamento brusco de no máximo 20°C por segun-do (triângulo sólido) e para um aço para o qual ela excede 20°C por segundo(triângulo aberto).

A Figura 4 é um diagrama explicativo de um modelo mostrandoo crescimento de propagação de uma fratura do tipo aberta.

Melhor Forma de Execução da Invenção

Serão descritas as razões para prescrição da composição quí-mica de um tubo de aço conforme a presente invenção na forma acima.

Conforme mencionado anteriormente, os percentuais em relação aos teores(concentrações) dos componentes químicos significam percentual em massa.C: 0,03-0,08%

C é necessário para aumentar a capacidade de endurecimentodo aço e assim aumentar sua resistência, e é tornado pelo menos 0,03%para se obter resistência suficiente. Se muito C estiver contido, a dureza doaço diminui, então seu limite superior é tornado 0,08%. O teor de C é prefe-rivelmente pelo menos 0,04% e no máximo 0,06%.

Si: 0,05-0,5%

Si é um elemento eficaz para desoxidação do aço. É necessárioadicionar pelo menos 0,05% de Si como a quantidade mínima necessáriapara desoxidação. Entretanto, o Si tem o efeito de diminuir a dureza de umazona afetada pelo calor no momento da soldagem circunferencial para co-nectar tubos de linha, e assim seu teor é preferivelmente tão pequeno quan-to possível. A adição de 0,5% ou mais de Si faz com que a dureza do açodiminua marcantemente e promove a precipitação de uma fase ferrita que éuma fase amolecida, diminuindo assim a resistência à SSC do aço. Portanto,o limite superior do teor de Si é tornado 0,5%. O teor de Si é preferivelmentede no máximo 0,3%.

Mn: 1,0-3,0%

É necessário adicionar-se uma certa quantidade de Mn paraaumentar a capacidade de endurecimento e assim a resistência do aço epara garantir sua dureza. Se seu teor for menor que 1,0%, esses efeitos nãosão obtidos. Entretanto, uma vez que um teor de Mn excessivamente altoresulta na diminuição da resistência à SSC do aço, seu limite superior é tor-nado 3,0%. Em vista da dureza, o limite inferior do teor de Mn é preferivel-mente tornado 1,5%.

P: no máximo 0,05%

P é uma impureza que segrega nos limites dos grãos e provocauma diminuição na resistência à SSC. Esse efeito torna-se marcante se seuteor exceder 0,05%, então seu limite superior é tornado 0,05%. O teor de P épreferivelmente tornado o mais baixo possível.

S: no máximo 0,01%

Como o Ρ, o S segrega nos limites dos grãos e provoca a dimi-nuição na resistência à SSC. Se seu teor exceder 0,01%, esse efeito torna-se marcante, então seu limite superior é tornado 0,01%. O teor de S é prefe-rivelmente tornado o menor possível.

Mo: maior que 0,4% a 1,2%

Mo é um elemento importante que pode aumentar a capacidadede endurecimento do aço e assim aumentar sua resistência e que ao mesmotempo aumenta a resistência ao amoíecimento do revestimento do aço, tor-nando assim possível um revestimento à alta temperatura para aumentar adureza. Para se obter esse efeito, é necessário que o teor de Mo exceda0,4%. Um limite inferior mais preferido é 0,5%. O limite superior do Mo é tor-nado 1,2% porque o Mo é um elemento oneroso e o aumento na dureza sa-tura.

Al: 0,005-0,100%

Al É um elemento que é eficaz para desoxidação do aço, masesse efeito não pode ser obtido se seu teor for menor que 0,005%. Mesmose seu teor exceder 0,100%, seu efeito satura. Uma faixa preferida para oteor de Al é 0,01-0,05%. O teor de Al na presente invenção é indicado peloAl solúvel em ácido (referido como sol. Al).

N: no máximo 0,01%

N (nitrogênio) está presente no aço como impureza. Se seu teorexcede 0,01%, nitretos brutos são formados, diminuindo portanto a dureza ea resistência do aço à SSC. Conseqüentemente, seu limite superior é 0,01%.O teor de N (nitrogênio) é preferivelmente tornado o menor possível.

O: no máximo 0,01%

O (oxigênio) está presente no aço como uma impureza. Se seuteor excede 0,01%, ele forma óxidos brutos, diminuindo portanto a dureza ea resistência do aço à SSC. Conseqüentemente seu limite superior é tornado0,01%. O teor de O (oxigênio) é preferivelmente tornado o menor possível.

Ca: 0,001-0,005%

Ca é adicionado com o objetivo de melhorar a dureza e a resis-tência à corrosão do aço pelo controle da forma das inclusões e com o obje-tivo de melhorar as propriedades de Iingotamento pela supressão dos entu-pimentos dos bocais no momento do lingotamento. Para se obter esses efei-tos, pelo menos 0,001% de Ca é adicionado. Se muito Ca for adicionado, asinclusões formam facilmente grupos, e a dureza e a resistência à corrosãodiminuem, então seu limite superior é tornado 0,005%.

Cu: no máximo 0,1% (impureza)

Cu é um elemento que geralmente aumenta a resistência à cor-rosão do aço, mas foi descoberto que quando o Cu é adicionado juntamentecom Mo, ele diminui a resistência à SSC do aço e que esta influência do Cué marcada particularmente em um ambiente de baixa temperatura. Uma vezque um tubo de aço sem costura para tubo de linha conforme a presenteinvenção contém Mo em uma quantidade maior que a usual descrita acima eé esperada para uso em um ambiente de baixa temperatura, o Cu não é adi-cionado para garantir a resistência do aço à SSC. Entretanto, o Cu é um e-Iemento que tem a possibilidade de uma leve quantidade ser incluída no açocomo impureza em um processo de fabricação de aço. Portanto, ele é con-trolado de modo a ter um teor de no máximo 0,1% que não produz qualquerefeito adverso substancial na resistência à corrosão quando presente junta-mente com o Mo.

A resistência, dureza e/ou resistência à corrosão de um tubo deaço sem costura para tubo de linha conforme a presente invenção pode sertambém aumentada adicionando-se conforme necessário pelo menos umelemento selecionado entre os seguintes à composição descrita acima.

Cr: no máximo 1,0%

Cr pode aumentar a capacidade de endurecimento do aço e as-sim aumenta sua resistência, então ele pode ser adicionado, se necessário.Entretanto, a presença de muito Cr reduz a dureza do aço, então o limitesuperior do teor de Cr é tornado 1,0%. Não há um limite inferior particular,mas para se aumentar a capacidade de dureza, é necessário adicionar-sepelo menos 0,02% de Cr. O limite inferior do teor de Cr quando ele é adicio-nado é preferivelmente 0,1 %.

Nb, Ti e Zr: no máximo 0,1% cada um

Nb, Ti e Zr combinam cada um com CeN para formar carboni-tretos, e eles são, portanto, eficazes no refino do grão pelo efeito de agrega-ção e melhoram as propriedades mecânicas tais como dureza, então elesdevem ser adicionados caso necessário. Para se obter esse efeito com cer-teza, preferivelmente pelo menos 0,002% é adicionado para cada elemento.

Se o teor de qualquer um desses exceder 0,1%, esse efeito satura, então olimite superior para cada um é tornado 0,1%. Um teor preferido para cadaum deles é 0,01-0,05%.

Ni: no máximo 2,0%

Ni é um elemento que aumenta a capacidade de endurecimentoe assim a resistência do aço e que também aumenta a dureza do aço, entãopode ser adicionado caso necessário. Entretanto, Ni é um elemento onerosoe quando é adicionado excessivamente, seu efeito satura. Portanto, quandoele é adicionado, seu limite superior é feito 2,0%. Não há limite inferior parti-cular, mas seu efeito é particularmente marcado quando seu teor é de pelomenos 0,02%.

V: no máximo 0,2%

V é um elemento cujo teor é determinado com base no equilíbrioentre resistência e dureza. Quando uma resistência suficiente é obtida comoutros elementos de ligação, uma melhor dureza é obtida não se adicionan-do V. Entretanto, a adição de V provoca a formação de carbonetos mínimoscom o Mo na forma de MC (onde M é V e Mo), que tem o efeito de suprimir aformação de Mo2C acicular (que se torna o ponto de partida da SSC), quepode ocorrer quando o Mo excede 1,0%, e aumentando a temperatura deresfriamento brusco. Desse ponto de vista, V é preferivelmente adicionadoem uma quantidade de pelo menos 0,05% e em equilíbrio com o teor de Mo.Se muito V for adicionado, a quantidade de solução sólida de V formada nomomento do resfriamento brusco alcança a saturação, e o efeito de aumen-tar a temperatura do resfriamento brusco também satura, então seu limitesuperior é tornado 0,2%.

B: no máximo 0,005%

B tem o efeito de promover a formação de carbonetos brutos noslimites dos grãos M23C6 (onde M é Fe, Cr ou Mo), diminuindo assim a resis-tência do aço à SSC. Entretanto, B tem o efeito de aumentar a capacidadede endurecimento, então ele pode ser adicionado caso necessário em umafaixa adequada de no máximo 0,005% na qual esse efeito na resistência àSSC é pequeno e no qual pode ser esperado aumento da capacidade deendurecimento. Para se obter esse efeito do B, ele é preferivelmente adicio-nado em uma quantidade de pelo menos 0,0001%.

A seguir, será explicado o método de produção de um tubo deaço sem costura para tubo de linha conforme a presente invenção. Nestainvenção, exceto para tratamento térmico para aumentar a resistência apósa formação do tubo (resfriamento brusco e revestimento), não há restriçõesparticulares ao método de produção em si, e ele pode ser executado de a-cordo com um método de produção usual. Selecionando-se adequadamentea composição química do aço e as condições de tratamento térmico após aformação do tubo, é possível produzir-se um tubo de aço sem costura tendoalta resistência com dureza estável e tendo boa resistência à SSC mesmo abaixas temperaturas. Abaixo, serão descritas as condições de produção pre-feridas em um método de produção conforme a presente invenção.Formação do Tubo de Aco sem Costura

O aço fundido que é preparado de modo a ter a composição deaço acima descrita é formado por um método de Iingotamento contínuo, porexemplo, em um fundido tendo uma seção transversal redonda que pode serusado como um material virgem para laminação (barra), ou em um fundidotendo uma seção transversal retangular, a partir do qual uma barra tendouma seção transversal circular é formada por laminação. A barra resultante éconformada e, um tubo de aço sem costura por perfuração, laminação dealongamento, e laminação de dimensionamento no estado a quente.

As condições de produção para a formação de tubos podem seras mesmas que as condições de produção convencionais para um tubo deaço sem costura por trabalho a quente e não há limitações particulares napresente invenção. Entretanto, para garantir boa capacidade de endureci-mento no momento do subseqüente tratamento térmico pelo controle daforma das inclusões, a temperatura de aquecimento no momento-da perfura-ção a quente é preferivelmente pelo menos 1150°C, e a temperatura no finalda laminação é preferivelmente no máximo 1100°C.Tratamento Térmico Após a Formação do Tubo

Um tubo de aço sem costura produzido pela formação do tubo ésubmetido a tratamento térmico na forma de resfriamento brusco e revesti-mento. O método de resfriamento brusco pode ser ou um método um qual otubo de aço a quente é inicialmente resfriado e o resfriamento brusco é en-tão executado pelo reaquecimento seguido de rápido resfriamento, ou porum método no qual o resfriamento brusco é executado imediatamente apósa formação do tubo pelo resfriamento rápido sem reaquecimento com utiliza-ção do calor do tubo de aço trabalhado a quente.

Quando um tubo de aço é inicialmente resfriado antes do resfri-amento brusco, a temperatura no final do resfriamento não é restrita. O tubopode ser deixado resfriar até a temperatura ambiente e então ser reaquecidopara resfriamento brusco, ou ele pode ser resfriado até cerca de 500°C naqual a transformação ocorre e então reaquecido para se executar o resfria-mento brusco, ou após ser resfriado durante o transporte até um forno dereaquecimento, ele pode ser imediatamente aquecido no forno de reaqueci-mento para o resfriamento brusco. A temperatura de reaquecimento é prefe-rivelmente 880-1000°C.

O resfriamento rápido para reaquecimento é executado preferi-velmente a uma taxa de resfriamento relativamente lento de no máximo20°C por segundo (como taxa de resfriamento médio de 800°C a 500°C nocentro da espessura da parede do tubo). Como resultado, é formada umaestrutura de fase dual bainítica-martensítica. Após sofrer revestimento, o açotendo essa estrutura de fase dual tem uma alta resistência e alta dureza, epode ainda apresentar boa resistência à SSC mesmo a baixas temperaturasonde a susceptibilidade à SSC é aumentada. Se a taxa de resfriamento formaior que 20°C por segundo, a estrutura endurecida resultante torna-se umafase martensítica única, e a resistência à SSC a baixas temperaturas diminuigrandemente embora a resistência aumente. Uma faixa preferida para a taxade resfriamento é de 5° - 15°C por segundo. Se a taxa de resfriamento formuito baixa, o resfriamento brusco torna-se insuficiente e a resistência dimi-nui. A taxa de resfriamento no resfriamento brusco pode ser controlada pelaespessura do tubo de aço e pela taxa de fluxo da água de resfriamento.

O revestimento após o resfriamento brusco é preferivelmenteexecutado a uma temperatura de pelo menos 600°C. Na presente invenção,uma vez que o aço tem uma composição química que contém uma quanti-dade relativamente grande de Mo, ele tem uma alta resistência ao amoleci-mento do revestimento de forma que é possível executar-se o revestimentoa uma alta temperatura de pelo menos 600°C, com o que é possível aumen-tar a dureza e melhorar a resistência à SSC. Não há limite superior particularna temperatura de revestimento, mas normalmente ela não excede 700°C.

Assim, de acordo com a presente invenção, é possível produzirde maneira estável um tubo de aço sem costura para tubo de linha tendouma alta resistência do grau X80 ou maior com alta dureza e tendo o supra-citado valor de Kissc e boa resistência à SSC a baixas temperaturas devido àestrutura que é uma estrutura de fase dual bainítica-martensítica.

Os exemplos a seguir ilustram os efeitos da presente invenção,mas não limitam de forma alguma a presente invenção. Nos Exemplos 1 e 2,as propriedades foram avaliadas usando-se uma chapa grossa que foi sub-metida ao trabalho a quente e ao tratamento térmico equivalentes às condi-ções para um tubo de aço sem costura. O resultado dos testes para umachapa grossa pode ser aplicado para avaliar o desempenho de um tubo deaço sem costura.

Exemplo 1

50 kg de cada um dos aços tendo a composição química apre-sentada na Tabela 1 foram preparados por fusão a vácuo, e após o aqueci-mento até 1250°C, eles foram conformados por forjamento em blocos tendouma espessura de 100 mm. Esses blocos foram aquecidos até 1250°C eentão conformados por laminação a quente e, chapas tendo uma espessurade 40 mm ou 20 mm. Após essas chapas serem mantidas a 950°C por 15minutos, elas foram resfriadas bruscamente por resfriamento a água sob asmesmas condições e então submetidos ao revestimento pela manutençãodas mesmas por 30 minutos a 650°C (ou a 620°C em algumas chapas) an-tes de serem deixadas resfriar, e as chapas foram então usadas para testa-gem. A taxa de resfriamento durante o resfriamento a água foi estimado co-mo sendo aproximadamente 40°C por segundo para uma espessura de5 chapa de 20 mm e aproximadamente 10cC por segundo para uma espessu-ra de chapa de 40 mm.

Tabela 1 (1ã parte)

<table>table see original document page 19</column></row><table>

(2ã parte)

<table>table see original document page 17</column></row><table>Na Tabela 1, Ceq e Pcm são ambos valores de equivalentes Ccomo índices de capacidade de endurecimento calculado pelas seguintesfórmulas:

<formula>formula see original document page 17</formula>

A resistência de cada de cada material de teste foi avaliada u-sando-se um corpo de prova de ensaio de tração ne 12 da JIS tirado do ma-terial e medindo-se seu limite de elasticidade (YS) por um ensaio de traçãoque foi executado de acordo com a JIS Z 2241.

A resistência à SSC de cada material de teste foi avaliada porum teste DCB (Double Cantilever Beam). Um espécime de teste DCB comuma espessura de 10 mm, uma largura de 25 mm, e um comprimento de100 mm foi tirado de cada material de teste e submetido ao teste DCB quefoi executado de acordo com o método D da NACE (National Association ofCorrosion Engineers) TM0177-2005. O banho de teste foi uma solução a-quosa de 5% em peso de cloreto de sódio + 0,5% em peso de ácido acéticosaturado com 1 atm de gás sulfeto de hidrogênio (doravante referido comobanho) à temperatura ambiente (24°C) ou a uma baixa temperatura (4°C).

Um espécime no qual a cunha prescrita foi inserida ao longo dalinha do centro longitudinal do espécime, impondo assim um estresse nasdireções que os dois braços resultantes se abrem (isto é, nas direções emque a fratura se estende na raiz dos braços), foi imerso por 336 horas nobanho A a 24°C ou 4°C. O valor do fator intensivo de estresse Kissc foi cal-culado pela equação a seguir com base no comprimento da fratura estendi-da a do espécime observado após a imersão e o estresse de liberação dacunha P. Um material de teste no qual o valor de Kissc foi de pelo menos22,1 MPa - (m)1/2 (20,1 ksi-(pol)1/2) correspondente a um matéria tendo umYS de 551 MPa (80 ksi) (o YS mínimo para o grau 551 MPa (80 ksi)) foi de-terminado como tendo boa resistência à SSC, e um material de teste no qualo valor de K)Ssc foi de pelo menos 26,2 MPa - (m)1/2 (23,9 ksi-(pol)1/2) correspondente a um material tendo um YS de 655 MPa (95 ksi) (oYS máximo para o grau 551 MPa (80 ksi)) foi determinado como tendo resis-tência muito boa à SSC.

Equação 2

<formula>formula see original document page 18</formula>

onde B é a espessura do espécime, h é a largura de cada um dos dois bra-ços em ambos os lados da fratura, e Bn é a espessura da porção do espéci-me na qual a fratura se propaga.

As Figuras 1 e 2 são gráficos mostrando os resultados do testeDCB, com a abscissa sendo o YS do aço e a ordenada sendo o valor deKiSSC.

A Figura 1 mostra os resultados para os 4 aços da Tabela 1 ten-do um teor de Mo de 0,2%, 0,5%, 0,7% e 1,0% (aços 1-4) a uma temperatu-ra de teste de 24°C (círculos abertos) e 4°C (círculos sólidos) para uma es-pessura de chapa tanto de 20 mm quanto de 40 mm. Há dois de cada sím-bolo, com aquele do lado direito mostrando o resultado para uma espessurade chapa de 20 mm e o do lado esquerdo mostrando o resultado para umaespessura de chapa de 40 mm.

Da Figura 1, foi verificado que o valor de Kissc (a resistência àSSC) diminui à medida que a resistência (YS) aumenta e a temperatura me-dida diminui. Entretanto, para um material contendo uma quantidade aumen-tada de Mo e tendo assim uma resistência aumentada, um valor relativamen-te alto de Kissc foi obtido mesmo a uma baixa temperatura. Esse resultadosignifica que se um revestimento à alta temperatura for tornado possível pelaadição de Mo aumentando assim a resistência e a dureza, é possível au-mentar-se a resistência à SSC.

A Figura 2 é um gráfico mostrando separadamente os resultadosdo teste para uma espessura de chapa de 20 mm e para uma espessura dechapa de 40 mm a uma temperatura de teste de 4°C. Para cada espessurade chapa, quanto mais o teor de Mo aumentou e a resistência aumentou,menor foi o valor de Kissc (isto é, a resistência à SSC diminuiu). A influênciada espessura da chapa no momento do tratamento térmico foi revelado pelacomparação dos resultados para diferentes espessuras de chapa. Pode servisto que uma maior espessura de chapa no momento do tratamento térmico(e conseqüentemente uma taxa de resfriamento mais lenta) eu um valormais alto de Kisse)·

Conforme mostrado pelos resultados na Figura 2, aumentando-se a resistência pela adição de Mo e pela diminuição da taxa de resfriamentono momento do tratamento térmico do material de modo a formar uma estru-tura de fase dual bainítica-martensítica, o valor de Kisse foi aumentado. Comum material de teste tendo uma espessura de chapa de 40 mm no qual aestrutura foi a estrutura de fase dual, foi possível obter-se um material tendoresistência muito boa à SSC a uma baixa temperatura na qual ao YS foi de655 MPa(95 ksi) e o valor de Kisse foi de pelo menos 22,1 MPa-(m)172 (23,9ksi-(pol)1/2).Exemplo 2

O Exemplo 1 foi repetido usando-se os aços A-G tendo as com-posições químicas mostradas na Tabela 2. Os aços A-C eram materiais quetinham uma composição química na faixa da presente invenção e a espessu-ra da chapa era de 40 mm de forma que o tratamento térmico foi executadosob condições tais que a taxa de resfriamento no momento do resfriamentobrusco foi de no máximo 20°C por segundo (a taxa de resfriamento foi lenta).

Por outro lado, os aços D-E eram materiais para os quais a composiçãoquímica do aço estava dentro da faixa da presente invenção mas a espessu-ra da chapa era de 20 mm de forma que a taxa de resfriamento no momentodo resfriamento brusco excedeu 20°C por segundo (a taxa de resfriamentofoi rápida). Os aços F-G eram materiais para os quais a espessura da chapaera de 40 mm de forma que a taxa de resfriamento no momento do resfria-mento brusco era de no máximo 20°C por segundo, mas a composição quí-mica do aço estava fora da faixa para a presente invenção.

Nesse exemplo, tanto o limite de elasticidade quanto o limite deresistência à tração foram medidos no teste de tração. O teste de resistênciaà corrosão foi executado a 4°C e 24°C da mesma maneira que no Exemplo1. Esses resultados dos testes estão compilados na Tabela 2.

Tabela 2

(1ã parte)

<table>table see original document page 20</column></row><table>{2- parte)

<table>table see original document page 21</column></row><table>

(3â parte)

<table>table see original document page 21</column></row><table>

Dados sublinhados: condições fora da faixa definida aqui;

* "x" indica que a fratura se estendeu para através do espécime de formaque o valor K não pode ser calculado.

Conforme mostrado na Tabela 2, para os aços A-C que são e-xemplos da presente invenção, independentemente da temperatura do teste,o valor de Kissc a 4°C excedeu o valor de 22,1 MPa - (m)1/2 (20,1 ksi-(pol)1/2)que é necessário para um material do nível de resistência mínimo do grauX80 e até excedeu o valor de 26,2 MPa - (m)1/2 (23,9 ksi-(pol)1/2) que é ne-cessário para um material do nível de resistência máximo do grau X80, e foiconfirmado que a resistência à SSC foi muito boa. Em contraste, para osaços DeE que eram exemplos comparativos, o valor de Kissc a uma baixatemperatura foi significativamente menor que o nível mínimo aceitável de22,1 MPa - (m)1/2 (20,1 ksi-(pol)1/2), indicando uma diminuição significativa naresistência à SSC. Imagina-se que a causa da diminuição seja que a taxa deresfriamento era alta, então foi formada uma fase martensítica única. Simi-larmente, uma resistência à SSC extremamente piorada na qual a fratura seestendeu através do espécime foi descoberta para o aço F devido ao Mo serinadequado, e para o aço G devido à combinação de adição de Mo e Cu.

Com cada um dos aços Α-C, que eram exemplos da presenteinvenção, a microestrutura do aço foi considerada como sendo uma fasedual bainítica-martensítica em vista do valor de sua resistência. Em contras-te, com cada um dos aços DeE, foi considerado ser uma fase martensíticaúnica em vista do valor de sua resistência.

A Figura 3 é um gráfico mostrando o valor de Kissc a 4°C paramuitos aços de teste incluindo aqueles mostrados na Tabela 2 juntamentecom o valor de YS. Na figura, os triângulos sólidos mostram os resultadospara os aços A-C em ordem a partir da esquerda (isto é exemplos para osquais a taxa de resfriamento no momento do resfriamento brusco foi de nomáximo 20°C por segundo). Os triângulos abertos remanescentes são e-xemplos para os quais a espessura da chapa foi de 20 mm e a taxa de res-friamento foi rápida. Quando a taxa de resfriamento excede 20°C por segun-do, pode ser visto que o valor de K|Ssc cai abaixo de 26,2 MPa - (m)1/2 (23,9ksi-(pol)1/2) no ponto em que o YS é 655 MPa (95 ksi) que é o valor máximopara o aço do grau 551 MPa (80 ksi), indicando que não é possível obter-seuma boa resistência à SSC a baixas temperaturas.

Nos exemplos acima, quando a espessura da chapa foi de 20mm, a taxa de resfriamento no momento do resfriamento brusco foi rápida, euma estrutura de fase dual bainítica-martensítica não foi obtida, com o resul-tado de que a resistência à SSC diminuiu. Entretanto, mesmo se a espessu-ra da chapa for 20 mm ou mais fina, a estrutura resfriada bruscamente podenaturalmente ser tornada a estrutura de fase dual descrita acima pelo contro-Ie da taxa de fluxo da água de resfriamento, obtendo assim uma boa resis-tência à SSC. Conseqüentemente, a presente invenção não é limitada a tu-bos de aço sem costura de parede grossa.Exemplo 3

Um bloco de aço cilíndrico tendo uma composição química mos-trada na Tabela 3 (nos quais o teor de Cu de < 0,01% indica que é menorque o limite da detecção, isto é, o Cu é uma impureza) foi preparado pelafusão convencional, Iingotamento e laminação bruta. O bloco de aço foi usa-do como uma barra (material virgem para laminação), e foi submetido a per-furação, estampagem (alongamento) e dimensionamento no estado a quenteem um Iaminador de conformação de tubos do tipo Iaminador de mandrilMannesmann para formar um tubo de aço sem costura tendo um diâmetroexterno de 323,9 mm e uma espessura de parede de 40 mm. Imediatamenteapós a complementação doa laminação, o tubo de aço resultante foi resfria-do bruscamente a uma taxa de resfriamento de 15°C por segundo e entãosubmetida ao revestimento por encharque por 15 minutos a 650°C seguidode permissão para resfriar. Um tubo de aço sem costura tendo um YS de568 MPa (82,4 ksi) foi produzido.

Tabela 3 (1a parte)

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(2- parte)

<table>table see original document page 23</column></row><table>

Para testar a resistência à SSC, um corpo de prova tendo di-mensões de 2 mm de espessura, 10 mm de largura e 75 mm de comprimen-to foi tirado da porção central na direção da espessura da parede com ocomprimento do corpo de prova se estendendo ao longo do eixo longitudinaldo tubo. O banho de teste usado foi uma solução aquosa de 21,4% em pesode cloreto de sódio + 0,007% em peso de carbonato de sódio hidrogênio auma baixa temperatura (4°C) que foi saturado com um gás misto de 0,41atm de gás sulfeto de hidrogênio e 0,59 atm de gás dióxido de carbono (refe-rido abaixo como banho B).Após uma tensão correspondente a 90% da tensão do YS domaterial foi imposta ao corpo de prova pelo método de carregamento em-pregado em um teste de dobramento de quatro pontos, o corpo de prova foiimerso no banho B por 720 horas. Após ser imerso, o corpo de prova foi veri-ficado se a fratura (SSC) ocorreu, e foi descoberto que nenhuma fratura(SSC) ocorreu. Esse resultado confirmou que o aço tem boa resistência àSSC a baixas temperaturas também na forma de tubo de aço.

Claims

1. Tubo de aço sem costura para tubo de linha tendo resistênciamelhorada à fratura por estresse por sulfeto a baixas temperaturas caracte-rizado por ter uma composição química consistindo essencialmente, em %em massa, de C: 0,03-0,08%, Si: 0,05-0,5%, Mn: 1,0-3,0%, Mo: maior que-0,4% a 1,2%, Al: 0,005-0,100%, Ca: 0,001-0,005%, Cr: 0 - 1,0%, Nb: 0 --0,1%, Ti: 0 - 0,1%, Zr: 0 - 0,1%, Ni: 0 - 2,0%, V: 0 - 0,2%, B: 0 - 0,005%, eum remanescente de Fe e impurezas, os teores das impurezas sendo nomáximo 0,01% para N, no máximo 0,05% para P, no máximo 0,01% para S,no máximo 0,01% para O, e no máximo 0,1% para Cu, e tendo um limite deelasticidade (YS) de pelo menos 551 MPa (80 ksi), e tendo um fator intensi-vo de estresse K|Ssc de pelo menos 22,1 MPa - (m)1/2 (20,1 ksi-(pol)1/2) con-forme calculado a partir dos resultados de um teste executado em um ambi-ente a 4°C conforme o método de teste DCB especificado na NACETM0177-2005 método D.

2. Tubo de aço sem costura para tubo de linha, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a composição química con-tém, em % em massa, um ou mais elementos selecionados entre Cr: 0,02--1,0%, Nb: 0,002-0,1%, Ti: 0,002-0,1%, Zr: 0,002-0,1%, Ni: 0,02-2,0%, V:-0,05-0,2%, e B: 0,0001 -0,005%.

3. Processo para produção de um tubo de aço sem costura paratubo de linha compreendendo a conformação de um tubo de aço sem costu-ra em um estado quente a partir de uma barra tendo uma composição quí-mica como definida nas reivindicações 1 ou 2 e caracterizado pelo fato deque o tubo de aço é submetido a resfriamento brusco de tal maneira que ataxa média de resfriamento no centro da espessura da parede do tubo nafaixa de temperaturas de 800°C a 500°C é de 20°C por segundo ou menor,seguido de revestimento.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que o revestimento é executado a uma temperatura de 600°Cou maior.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que o tubo de aço sem costura preparado em um estado quen-te é inicialmente resfriado e então é reaquecido para resfriamento brusco.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizadopelo fato de que o tubo de aço sem costura preparado em um estado quen-te é imediatamente submetido ao resfriamento brusco.