MXPA05011089A - Tubo de acero sin costura para ser utilizado como canalizador y proceso de obtencion del mismo - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un acero de elevada resistencia mecánica a temperatura ambiente y hasta 130°C, alta tenacidad y resistente a la corrosión en el metal base asícomo alta resistencia al avance de grietas en la zona afectada por el calor (HAZ) una vez soldado el tubo, y más particularmente a un tubo de acero sin costura de grueso espesor de pared, con elevada resistencia mecánica, alta tenacidad y resistente a la corrosión denominado canalizador de configuración catenaria. Las ventajas del presente invento con respecto a los del estado de la técnica radican en proporcionar una composición química del acero utilizado para la fabricación de un tubo de acero sin costura de grueso espesor, elevada resistencia mecánica, buena tenacidad a la fractura en la HAZ y buena resistencia a la corrosión y un proceso de fabricación que permita obtener este producto. Estas ventajas se logran con la utilización de una composición que comprende básicamente Fe y composición química específica.

Description

TUBO DE ACERO SIN COSTURA PARA SER UTILIZADO COMO CATALI ADOR Y PROCESO DE OBTE^CIÓft! DEL MISMO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un acero de elevada resistencia mecánica, alta tenacidad y resistente a la corrosión, y más particularmente a un tubo de acero sin costura de grueso espesor de pared, con elevada resisíencia mecánica, alta tenacidad para prevenir el avance de grietas tanto en el metal base como en la zona afectada por ei calor y resistente a la corrosión, denominado canalizador de configuración catenaria, para ser utilizado como conductor de fluidos a alta temperatura, preferiblemente hasta 130°C y altas presiones, preferiblemente hasta 680 atm. y un méíodo para fabricarlo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En la explotación de reservas petroleras en profundidades marinas se utilizan conductores de fiuidos llamados canaiizadores de configuración catenaria, comúnmente conocidos en el medio petrolero como Steel Caíenary Risers. Estos canalizadores se ubican en la parte superior del tendido submarino, es decir, entre la superficie del agua y el primer punto donde el tendido toca el lecho marino y conforman solo una parte del sistema completo de conducción.

Este sistema de canalización está compuesío esencialmeníe por tuberías de conducción, las cuales tienen por función conducir los fluidos desde el lecho marino hasía la superficie del mar. Esías tuberías actualmeníe son de acero, y esíán generalmeníe conectadas enlre sí mediante soldadura.

Existen varias posibles configuraciones para los canalizadores, una de ellas es la de canalizador de configuración catenaria no simétrica. Este nombre se debe a que la curva que describe el sistema de conducción que está fijo por sus dos extremos (lecho marino y superficie del mar) es una curva catenaria.

Un sistema canalizador como el descriío anteriormente esíá expuesto a los movimientos ondulatorios que producen las olas y las corrientes marinas. La resistencia a la fatiga es por io tanto, una propiedad muy importante en este tipo de tuberías, volviéndose crítico este fenómeno en la unión soldada entre tubo y tubo. Por esto, tolerancias dimensionales restringidas, propiedades mecánicas de resistencia uniformes y alta tenacidad para la prevención del avance de grietas tanto en el metal base como en la zona afecíada por el calor, son las principales caracíerísficas de esíe tipo de tubería. A su vez, el fluido que circula a través del canalizador puede contener H2S, por lo que también es necesario que el producto posea una elevada resistencia a la corrosión.

Oíro factor importante que debe ser considerado, es que el fluido que conducirá el canalizador se encuentra a elevada temperatura, por lo que los tubos que conforman el sistema deberán mantener sus propiedades aún a elevada temperaíura.

Asimismo, el medio en el que en algunas ocasiones deba funcionar el tubo implica conservar su funcionamiento a temperaturas bajas. Muchos de ios yacimientos están localizados en latitudes que implican temperaturas ambientales bajas por lo cual el tubo deberá mantener sus propiedades mecánicas aún a esas temperaturas.

Por los conceptos descritos anteriormente, y debido a la explotáción de reservas a mayores profundidades, la industria petrolera se ha visto en la necesidad de utilizar aleaciones de aceros que permitan obtener mejores propiedades que las utilizadas en el pasado.

Una práctica común utilizada para aumentar la resistencia de un producto de acero es agregar elementos aleantes como C y Mn, realizar un tratamiento térmico de temple y revenido y agregar elementos que generan endurecimiento por precipitación como Nb y V. Sin embargo, para este tipo de productos de acero como son los canalizadores, no solo se requiere alta resistencia y tenacidad, sino otras propiedades como buena resistencia a la corrosión, y alta resistencia al avance de grietas tanto en el metal base como en la zona afectada por el calor, una vez soldado el tubo.

Es conocido que la mejora de algunas de esías propiedades en el acero significa el detrimento de otras, por lo que un desafío que se plantea es lograr un material con un buen balance de propiedades.

Los canalizadores son tubería que al igual que la tubería de conducción transporta un líquido, un gas o ambos. Dicha tubería se fabrica bajo normas, estándares, especificaciones o códigos que rigen la fabricación de tubería de conducción en la mayoría de los casos. Adicionalmente se caracterizan y diferencian de la tubería de conducción estándar en términos de rango de composición química, rango de propiedades mecánicas restringido (fluencia, resistencia y su relación), baja dureza, alta tenacidad, tolerancias di-mensionales restringidas en el diámetro interno y criterios de inspección severos. .

La fabricación y diseño del acero utilizado para tuberías de grueso espesor de pared, presenta problemáticas no observados en la fa-bricación de tuberías de menor espesor, tales como ia obtención de un temple adecuado, una buena homogeneidad de propiedades a través de todo el espesor, un espesor homogéneo a lo largo de todo el tubo y una reducida excentricidad.

Aún una problemática más compleja es la de fabricar un tubo de gran espesor que cumpla con el correcto balance de propiedades que requiere para su funcionamiento como canalizador.

En el estado de la técnica, para la fabricación de tubería con vocación de canalizadores, se puede hablar por ejemplo del documento EP 1182268 de MIYATA Yukio y colaboradores, que revela una aleación de acero utilizada para ia fabricación de tubería de conducción o canalizador.

En este documento se divulga el efecto de los elementos C, Mo, Mn, N, Al, Ti, Ni, Si, V, B, y Nb. Se indica allí que para contenidos de carbono superiores a 0,06 %, el acero se vuelve susceptible a sufrir agrietamiento durante el proceso de templado.

Esto no es necesariamente válido, ya que aún en tubos de grueso espesor y manteniendo el resto de la composición química sin variaciones, no se observan grietas hasta contenidos de carbono de 0, 13 %.

Además, al intentar reproducir las enseñanzas de MIYATA y coiabo-radores se pudo concluir que un material con un rango de carbono máximo de 0,06% no podría ser utilizado para la fabricación de canalizadores de grueso espesor y alta resistencia, ya que el C es el principal elemento que promueve la templabilidad del material y resultaría muy costoso el alcanzar alta resistencia con adición de otro tipo de elementos tales como el Molibdeno que además promueve, a partir de cieríos contenidos, detrimenfo en la íenacidad tanto en el metal base con en la zona afectada por el calor y el Mn el cual promueve problemas de segregación como se detalla más adelante. Si el contenido de carbono es muy bajo, la íemplabilidad dei acero se ve afecíada considerablemente y por ende la promo-ción de una estrucíura acicular gruesa y heíerogénea a miíad de espesor de la tubería será la que se promueva, deteriorando la tenacidad del material así como una inconsistencia en la uniformidad de la resistencia en la tubería a mitad espesor.

Además, en ef documento de MIYATA y colaboradores se indica que el contenido de Mn mejora la tenacidad del material, tanto en el material base como en la zona de la soldadura afectada por el calor. Esía afirmación tampoco es cierta, dado que el Mn es un elemento que aumenta la te plabilidad en el acero, promoviendo la formación de la martensita, así como la promoción del constituyente MA, el cual va en detrimento de la tenacidad. El Mn promueve una alta segregación central en la barra de acero a partir de la cual se lamina el tubo, aún más en presencia de P. El Mn es el segundo mayor elemento con un gran Índice de segregación, favorece la formación de inclusiones de MnS y aún cuando el acero es tratado al Ca, debido al problema de segregación central en contenidos de Mn por encima de 1 ,35%, dichas inclusiones no son eliminadas.

En coníenidos por encima de 1 ,35 % dé Mn se observa una influen-cia negativa significativa en la susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidrógeno, o HIC por sus siglas en inglés. Así mismo el Mn es el segundo elemento con mayor influencia en la fórmula del CE (Carbono equivalente, fórmula I1W), con lo cual incrementa el valor del coníenido de CE final. Altos contenidos de CE implican problemas con la soldabilidad del material en términos de dureza. Por otro lado, es conocido que agregados de hasta 0,1 % de V permiten alcanzar la resistencia adecuada para este íipo de grado en tubos de grueso espesor, aunque no puede ser alcanzada al mismo tiempo una alta tenacidad.

Una forma conocida de fabricar este tipo de íuberías es a través del proceso de laminación a paso de peregrino. Si bien mediante esíe proceso se podrían obtener elevados espesores de pared, también es cierto que no se logra obtener una buena calidad en ei acabado superficial dei tubo. Esto se debe a que el tubo procesado mediante la laminación a paso de peregrino, genera una superficie externa ondulada y despareja. Estos factores son perjudiciales ya que podrían empeorar la resistencia al colapso que puede soportar el tubo.

Por otro lado, también se hace dificultoso el recubrimiento de tubos que no posean una superficie externa lisa y además la inspección por ultrasonido para la detección de defectos se vuelve inexacta.

Aún quedan por desarrollarse aceros que puedan ser utilizados pa-ra la fabricación de tuberías para sistemas canalizadores de configuración catenaria de grueso espesor, alta resistencia, alta tenaci- dad y baja dureza, y que puedan cumplir con los requerimientos de tenacidad a la fracíura o resistencia a la propagación de grietas en la zona afectada por el calor, (HAZ por su nombre en inglés "Heat Afecíed Zone") y de resisíencia a la corrosión necesarios para esfe íipo de aplicaciones ya que sin la cualidad de grueso espesor de pared, la simple composición química y tratamienío térmico no permitirían llegar a las caracterísíicas necesarias para esíe tipo de producío.

Los aníecedentes analizados indican que el problema aún no ha sido resuelto de una forma integral, y que es necesario analizar otros parámetros y posibles soluciones para lograr un cabal entendimien-ío.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN El objetivo principal de esta invención es proporcionar una composición química del acero utilizado para la fabricación de un tubo sin costura y un proceso de fabricación que permita obtener un producto con alta resistencia mecánica a temperatura ambiente y hasta 130°C, alta tenacidad, baja dureza, buena resistencia a la corrosión en medios que contengan H2S y altos valores de tenacidad en términos de resistencia al avance de grietas en la HAZ evaluados por el ensayo de CTOD (por su denominación en inglés "Crack Tip Opening Displacemení").

Aún otro objetivo es hacer posible un producto que posea un adecuado balance de las cualidades arriba indicadas y que pueda cumplir con los requerimieníos que áeh<s poseer un canalizaror para conducir fluidos a elevadas presiones, esto es, mayor a 680 aím.

Aún otro objetivo es hacer posible un producto que posea buenos valores de resistencia a elevadas temperafuras.

Aún qn cuarto objetivo és proporcionar un tratamiento térmico para someter al tubo de acero sin costura, que permita obíener las propiedades mecánicas y resisfencia a la corrosión.

Otros objetivos y ventajas de la presente invención podrán ser aparentes a partir del estudio de la siguiente descripción y de los ejemplos que con carácter ilustrativo más no limitativo, son indicados en la presente descripción.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En pocas palabras, la presente invención consiste en una de sus vertientes en un acero de elevada resistencia mecánica a temperatura ambiente y hasta 130°C, alta tenacidad y baja dureza que además posee buena resisíencia a la corrosión y alta resistencia al avance de grietas en la HAZ una vez soldado el tubo para ser utilizado en la fabricación de íubos de acero que conforman un sisíema canalizador submarino.

En otra de sus vertientes, el invento consiste en un método para fabricar este íipo de íubo.

Por lo que respecta al método, primero se fabrica la aleación con la composición química deseada. Este acero debe contener en porcentaje en peso los siguientes elementos en las cantidades que se describen: C 0,06 a 0,13; Mn 1 ,00 a 1 ,30; Si 0,35 máx.; P 0,015 máx.; S 0,003 máx.; Mo 0, 10 a 0,20,' Cr 0, 10 a 0,30; V 0,050 a 0,10; Nb 0,020 a 0,035; Ni 0,30 a 0,45; Al 0,015 a 0,040; Ti 0,020 máx; Cu 0,2 máx y N 0,010 máx.

Con el fin de garantizar una adecuada templabilidad del material y una buena soldabilidad, los elementos antedichos deben satisfacer las siguientes relaciones: 0,5 < (Mo + Cr + Ni) < 1 ; (Mo + Cr + V)/5 + (Ni + Cu)/15 = 0, 14 El acero obtenido es solidificado en forma de tochos o lingotes los cuales luego son perforados y laminados para concederles forma tubular. Ei tubo madre así obtenido es luego ajustado a sus dimensiones finales.

Para cumplir cabalmente con los objetivos planteados en la presen- te invención además de la química ya definida, se determinó que el espesor de pared de los íubos debía, de establecerse en un rango de > 30 mm.

A continuación, el tubo de acero es sometido a un tratamiento térmico de temple y revenido para conferirle su microestrucíura y propiedades finales.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Figura 1 muestra la resistencia a la fluencia medida en Ksi y la temperatura de transición (FATT), medida en °C, de varios aceros diseñados por el inventor, usados para la fabricación de canalizádores. La composición química de las aleaciones "BASE", "A", "B", "C, ,D,f E» y í( P j p u e d e s e r o s e rv a d a e n ! a T ab ! a y En la Figura 2 puede verse el efecto de diferentes temperaturas de austenizado y revenido y el agregado o no de Ti sobre la resisten-cia a la fluencia y la íemperafura de transición (FATT), medida en °C, de diferentes aleaciones. La composición química de las diferentes aleaciones analizadas puede verse en la Tabla 2.

La figura 3 es la referencia para el mejor entendimienío de la figura 2, donde se pueden ver cuales son las temperaturas de Austenizado (Aust) y de Revenido (Rev) utilizadas para cada acero con y sin Ti.

De esta forma, por ejemplo el acero identificado en la figura 2 con el número 1 , posee 0,001 % de Ti y ha sido ausíenizado a 920 °C y revenido a 630 °C. Este acero contiene la composición química A indicada en la tabla 2.

El acero 17 (composición química E) contiene una mayor cantidad de Ti (0,015 %) y ha sido traíado térmicameníe con las mismas condiciones que el acero enunciado anteriormente.

A su vez, las aleaciones A, B, C, D, E, F y G también han sido tratadas con oíras íemperaíuras de ausíenizado y revenido, tal y como se indica en la Figura 3.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO El inventor ha descubierto que la combinación de elementos como Nb-V-Mo-Ni-Cr entre otros, en caníidades predeíerminadas, permiíe la obíención de una excelente combinación de resisíencia, tenaci-dad, dureza, altos valores de CTOD y buena resistencia al agrietamiento inducido por hidrógeno (HIC) en el metal base; además de permitir la obtención de altos valores de CTOD en la zona afectada por el calor (HAZ) de la unión soldada.

A su vez, el inventor ha encontrado que esta composición química, permite eliminar las problemáticas que se presentan en la fabrica- ción de canalizadores de grueso espesor de pared con las caracíerísíicas planteadas aníeríormenfe.

Se llevaron a cabo diferentes experiencias para encontrar la mejor composición química de un acero que cumpliera con los requerimientos mencionados con anterioridad. Una de ellas consistió en fabricar piezas de grueso espesor con diferentes agregados de aleantes y constaíar luego la relación tensión de fluencia/tenacidad que le correspondía a cada una.

Los resulíados de esíos ensayos pueden verse en la Figura 1. Se partió desde una aleación "BASE" que poseía la composición química indicada en la Tabla 1 con el mismo nombre. Se comprobó que estas propiedades podían ser mejoradas mediante el agregado, de M? y Ni a la aleación (Acero A).

El paso siguiente fue reducir el contenido de C a 0,061 % (Acero B), observándose que había un deírimenío de ambas propiedades evaluadas. Se paríió eníonces nuevameníe del acero A y se le eli-minó el V en su composición (Acero Q). Si bien mejoró levemeníe la temperatura de transición mediante esta práctica, la resistencia final del material no alcanzaba el mínimo requerido.

El siguiente paso fue experimentar con el agregado de Cr. Se reali-zó la adición de Cr tanío al acero A (obteniéndose el acero D), como al acero C (obteniéndose el acero E). Ambos aceros presentaron mejoras tanío en su resisíencia como en la temperaíura de íransición, aunque el acero D cumplía de una forma más apropiada con las propiedades requeridas.

Se concluyó entonces que la mejor combinación resistencia/temperatura de transición, se obtenía con la composición química de la aleación D.

En una instancia sucesiva, el inventor ha llevado a cabo otra serie de experimentos para comprobar íres factores importaníes que afecfan las propiedades del maíerial que forma el canalizador: el confenido de Ti en la aleación, el efecto del tamaño grano austení-fico y la temperatura de revenido durante el trata ienfo íérmico del acero.

El Inveníor descubrió que el aumenío de la dimensión del grano austenítico de 12 micrones a 20 micrones genera un aumento en la resistencia del acero pero al mismo tiempo empeora la temperaíura de íransición. A su vez, también se encontró que el agregado de Ti a la aleación, detrimenta la temperatura de transición.

Por otro lado, el inventor encontró que la variación en la temperatura de revenido del acero en aproximadameníe 30 ° C no produce un efecío significativo en las propiedades mecánicas del maferial, en el caso que la aleación no posea Ti. Mieníras que en una aleación que íiene un contenido de Ti de hasía 0,015 %, se observa un detrimento de la resistencia al pasar de una temperatura de revenido de 630 a 660 °C.

En la Figura 2 puede verse el resultado obtenido en las pruebas. Se fabricaron 4 coladas con aceros sin Ti cuya composición química se describe en la Tabla 2 con las letras A, B, C y D. Luego se fabricaron 3 coladas adicionales con composiciones químicas similares a las anteriores pero GO? el agregado de TI. La composición química de estas coladas se describe en la Tabla 2 con las letras E, F y G.

Se observa que al agregar Ti a los aceros A, B, C y D , independientemenfe de la temperatura de austenizado y revenido a la cual se los someta, hay un detrimento en la temperatura de transición, tal cual lo indican las propiedades de los aceros E, F y G que tienen Ti. Se observa en la misma figura que los aceros sin Ti tienen una temperaíura de íransición menor que los aceros con adición de Ti.

A continuación serán descritos los rangos de composición química encontrados como óptimos y utilizados en la presente invención.

G 0,06 a 0,13 El Carbono es el elemento más económico y de mayor impacío en la resisíencia mecánica del acero, por lo tanto no puede ser muy bajo su contenido. Para poder lograr una resistencia a la fluencia mayor o igual a 65 ksi es necesario que el contenido de este elemenío se mantenga por encima a 0,06 % para tuberías de grueso espesor.

Además, el C es el principal elemento que promueve la íemplabili-dad del maíerial. Si el coníenido de esíe es muy bajo, la íe plabi-lidad del acero se ve afectada considerablemeníe y por ende la promoción de una esfructura acicular gruesa y heíerogénea a mitad de espesor de la tubería será característica. Este fenómeno no permitiría lograr la resistencia adecuada para este material además de que iría en detrimento de la tenacidad.

A su vez, para evitar que se genere una dureza elevada en la soldadura de alta productividad y de bajo aporte térmico entre tubo y tubo, y que los valores del ensayo de CTOD (realizado de acuerdo a norma ASTM E1290) en el metal base superen 0,8 mm hasta una temperaíura de -40°C y superen 0,5 mm hasía una íemperaíura de 0° C en ia HAZ, el contenido de este elemento no debe superar el 0,13 %. Por lo tanto el contenido de C debe ser de 0,06 a 0,13 %.

Mn 1 ,00 a 1 ,30 El Mn es un elemento que aumenta la templabilidad en el acero, promoviendo la formación de la maríensiía, así como la promoción del consfiíuyeníe MA, el cual va en deírimenfo de la tenacidad. El Mn promueve una alta segregación central en la barra de acero a paríir de la cual se lamina el tubo. Además, el Mn es el segundo elemento con un mayor índice de segregación, favoreciendo la formación de inclusiones de MnS y aún cuando el acero es tratado al Ca, debido ai problema de segregación central para un contenido de Mn por encima de 1 ,35%, dichas inclusiones no son eliminadas.

Por otro lado, en contenidos de Mn por encima de 1 ,35 % se observa una influencia negativa significativa en la susceptibilidad al agrietamlenío inducido por hidrógeno, o HIC por sus siglas en inglés, por io ya descriío antes por la formación de MnS.

Asimismo el Mn es el segundo elemento con mayor influencia en la fórmula del CE (Carbono equivalente, Fórmula 1IW), con lo cual incrementa el valor del contenido de CE final.

Un mínimo de Mn de 1 ,00 % debe ser asegurado y en combinación con el rango de C enunciado anteriormente, lograr garantizar la te plabilidad necesaria en el maíerial para satisfacer los requerimieníos de resistencia.

Por lo tanto, el contenido óptimo de Mn debe estar en el rango 1 ,00 a 1 ,35 y más particularmeníe debe esíar en el rango 1 ,05 a 1 ,30.

Si 0,35 Máx. El Silicio es necesario como desoxidaníe en el proceso de fabricación del acero y también es necesario para mejorar la resistencia del material. Este elemento al ¡gual que el manganeso, promueve la segregación de P a límites de grano, por lo cual resulta perjudicial y debe maníenerse lo más bajo posible, preferiblemeníe por debajo de 0,35 % en peso.

P 0,01 S Más. El fósforo existe como elemento inevitable en la carga metálica, y un contenido mayor a 0,015 % produce la segregación en bordes de grano, lo cual disminuye la resistencia a la HIC. Es indispensable mantener niveles por debajo de 0,015% para evitar problemas tanío de íenacidad como de agrietamiento inducido por hidrógeno.

S 0,003 Máx. El azufre en contenidos por arriba de 0,003 % promueve en combinación de altos contenidos de Mn la formación de inclusiones alargadas del tipo MnS. Este tipo de sulfuros detrimenían la resisiencia a la corrosión del maíerial en presencia de H2S.

Mo 0,1 a 0,2 El moiibdeno permite aumentar la íemperaíura de revenido, previniendo además la segregación de elemeníos fragííizadores a borde de grano ausíenítico.

Este elemento además es necesario para mejorar la íemplabilidad del maíerial, se enconíró que el contenido mínimo óptimo debe ser 0,1 %. Se esíablece un máximo de 0,2 % dado que por encima de este valor puede verse disminuida la tenacidad tanío en el cuerpo del íubo como en la zona afecíada por el calor en la unión soldada.

Cr 0,10 a 0,30 El cromo produce endurecimienío por solución sólida e incremenía la íemplabilidad del maíerial y por ende aumenía la resisíencia. El Cr es un elemenío que también se encuentra en la carga metálica. Por esto se desea tener un contenido mínimo de 0, 10%, pero paralelamente, un exceso puede ocasionar problemas de defectuosidad, por lo que es recomendable mantener un valor máximo de 0,30 %.

V 0,050 a 0,10 Este elemento precipita en la solución sólida en forma de carburos aumentando así la resistencia del material, por lo tanto el contenido mínimo debe ser de 0,050 %. Si el contenido de este elemento excede 0,10 % (o aún si excede 0,08 %) puede verse afectada ia tenacidad a la fractura de la soldadura debido a que puede encon-trarse un exceso de carburos o carbonitruros en la matriz. Por lo tanío, el coníenido debe ser entre 0,050 y 0,10 %.

Nb 0,020 a 0,035 Este elemento al igual que el V, precipita en la solución sólida en forma de carburos o niíruros aumentando así la resistencia del material. Además, esíos carburos o niíruros evitan el crecimiento de grano excesivo. Un contenido en exceso de este elemento no trae ventajas adicionales y además podría causar la precipitación de compuesíos que van en detrimento de la tenacidad. Por esto el contenido de Nb debe estar entre 0,020 y 0,035.

Ni 0,30 a 0,45 El Níquel es un elemenío que mejora la íenacidad del maíerial base y de la soldadura, aunque adiciones excesivas terminan por saturar esíe efecío. Por lo tanto el rango óptimo para tubería de grueso espesor debe ser 0,30 a 0,45 %,- y además se ha encontrado que ef contenido de Ni óptimo es de 0,40 %.

Cu 0,2 máx. Para lograr una buena soldabiíidad del maíerial y eviíar la apari-ción de defectos que podrían empeorar la calidad de la unión, el contenido de Cu debe ser mantenido por debajo de 0,2 %.

Al 0,015 a 0,040 Al igual que el Si, el Aluminio actúa como un desoxidante en el proceso de fabricación del acero. Además refina el grano del material permitiendo obtener mayores valores de tenacidad, Por otro lado, un elevado contenido de Al podria generar inclusiones de alúmina, disminuyendo la tenacidad del material. Por esto, el contenido de Aluminio estará limitado entre 0,015 y 0,040 %.

Ti 0,020 Máx. El Tí es un elemento que se utiliza para la desoxidación y para re-finar el grano. En contenidos mayores a 0,020 % y en presencia de elemeníos tales como N, el C puede formar compuestos tales como carbonitruros o nitruros de Ti los cuales van en detrimenío de la temperatura de transición.

Ta! como se observa en la Figura 2, se comprobó que para evitar una disminución marcada en la temperaíura de íransición de la tubería, el coníenido de Ti no tiene que ser mayor a 0,02 %.

N 0,010 Máx. Debe ser mantenido por debajo de 100 ppm para obtener un acero con un contenido de precipitados que no disminuya la tenacidad de! material.

La adición de elementos tales como Mo, Ni y Cr permite desarrollar luego del temple una microestructura bainítica inferior, ferrita poligonal y finas islas de martensita de alto contenido de C con auste-niía reíenida (consíiíuyeníe MA) bien dispersa en la maíriz.

Con el fin de garaníizar una templabilidad adecuada del maíerial y una buena soldabilidad, los elemeníos descritos deben maníener una relación como se indica a coníinuación: 0,5 < (Mo + Cr + Ni) < 1 ; (Mo + Cr + V)/5 + (Ni + Cu)/15 = 0,14.

Se enconíró también que el tamaño de grano austenítico óptimo es de 9 o 10 de acuerdo a ASTM.

El' inventor descubrió que la composición química descrita permitía obtener un adecuado balance de propiedades mecánicas y resisten- cia a la corrosión, que permitía cumplir con los requerimientos funcionales del canalizador.

Debido a que la mejora de determinadas propiedades en el acero implica ei empeoramiento de otras, fue imprescindible diseñar un material que permitiera cumplir al mismo tiempo, con una elevada resistencia, una buena tenacidad, altos valores de CTOD y una alta resisíencia a la corrosión en el meíal base y buena resisíencia al avance de grietas en la zona afecíada por el calor (HAZ).

Preferiblemenfe, el tubo de acero sin costura de grueso espesor que contiene la composición química detallada debe tener el siguiente balance de valores característicos: Resistencia a la fluencia (YS) a Temperatura ambiente > 65 Ksi Resistencia a la fluencia (YS) a 130 °C > 65 Ksi Resistencia a la rotura (UTS) a Temperatura ambiente > 77ksi Resistencia a la rotura (UTS) a 130 °C > 77ksi Alargamienío en 2" > 20 % mínimo Relación YS/UTS < 0,89 máximo Energía absorbida medida a una temperatura de -10 °C > 100 Joules mínimo Shear Área (-10 °C) = 100 % Dureza < 240 HV10 máximo CTOD en el metal base (ensayo a una temperatura de hasta -40 ° C) > 0,8 mm mínimo CTOD en la zona afectada por el calor (HAZ) (ensayo a una temperaíura de 0°C) > 0,50 mm Ensayo de Corrosión HIC, de acuerdo a MACE TM0284, con solución A: CTR 1 ,5 % Máx.; CLR 5,0 % Máx. .

Oíra veríiente de la presente invención es la de divulgar un íraíamienío íérmico adecuado para realizar sobre un tubo de grueso espesor con la composición química indicada anteriormente, con el fin de lograr las propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión requeridas.

El proceso de fabricación y específicamente los parámetros del traíamiento térmico en conjunto con la composición química descrita, han sido desarrollados por el inventor de manera de poder lograr una adecuada relación de propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión, a su vez como lograr una elevada resistencia mecánica del material a 130 °C.

El proceso utilizado para fabricar ei producío consta los siguientes pasos: Primero se fabrica la aleación con la composición químiGa indicada. Este acero, como fue mencionado aníeriormente, debe contener en porcentaje en peso los siguientes elementos en las caníidades que se describen: C 0,06 a 0,13; Mn 1 ,00 a 1 ,30; Si 0,35 máx.; P 0,015 máx.; S 0,003 máx.; Mo 0, 10 a 0,20; Cr 0,10 a 0,30; V 0,050 a 0, 10; Nb 0,020 a 0,035; Ni 0,30 a 0,45; Al 0,015 a 0,040; Ti 0,020 máx; Cu 0,2 máx. y U 0,010 máx.

Además el contenido de esíos elemeníos debe ser íal que se cum-plan las siguieníes relaciones: 0,5 < (Mo + Cr + Ni) < 1 ; {Mo + Cr + V)/5 + (Ni + Cu)/15 = 0,14.

Esíe acero es conformado luego en barras sólidas obíenidas a íravés de colada coníinua curva o veríical. Luego se realiza la perforación de la barra y su posterior laminación hasta sus dimensiones finales.

Para obtener una buena excentricidad, una adecuada calidad superficial en la pared externa del tubo, y buenas tolerancias dimensionales, el proceso de laminación preferido debe ser a mandril retenido.

Una vez conformado el tubo, éste es sometido al íraíamienío fórmico. Duraníe esíe fratamienfo el tubo primero es calentado en un horno de austenizado hasta una íemperaíura superior a Ac3. El inventor ha encontrado que para la composición química descrita aníeriormeníe es necesaria una temperaíura de ausfenizado eníre 900 y 930 °C. Esíe rango ha sido desarrollado para ser lo suficieníe-meníe alio como para lograr una correcía disolución de carburos en la maíriz y a su vez no demasiado elevado como para eviíar un crecimiento de grano excesivo, lo cual luego detrimenta la femperatura de transición de la íubería.

Por oíro lado, alias femperaíuras de ausfenizado superiores a 930 °C podrían causar la disolución parcial de los precipiíados de Nb (C, N) efecíivos en la inhibición del crecimienío excesivo del tamaño de grano y un detrimento en la íemperatura de íransición de la fubería.

Una vez que el íubo sale del horno de ausíenizado, es sometido in-mediaíameníe a un íemple exíerno-interno en una íina donde el medio de íempie es agua. El lemple debe ser realizado en una tina que permita la rotación del tubo durante la inmersión en el agua, de manera de poder obtener una estructura homogénea en todo el cuerpo del tubo preferentemeníe. A su vez, una alineación automá-íica del íubo con respecío a la boquilla de inyección de agua, también permite cumplir de una manera mejor los objetivos planteados.

El paso siguiente es el tratamienío de revenido del íubo, proceso íal que oíorga la microestructura final. Dicha microestrucíura es la que dará las caracferísticas mecánicas y de corrosión al material.

Se ha enconírado que esíe traíamienío térmico en conjunío con la composición química revelada permite obtener una maíriz de bainifa refinada de bajo coníenido de C con pequeñas islas, si aún existen, de co stiíuyeníe MA bien dispersas, lo cual es veníajoso para lograr las propiedades que requiere el acero que conforma el canalizador. El inventor ha encontrado que de no ser así, la presencia de constituyente MA en gran abundancia y en precipitados en la matriz y borde de grano, va en detrimenío de la íemperatura de íransición.

Una alta temperatura de revenido es efectiva para aumentar la tenacidad dei material ya que releva una cantidad significativa de es-fuerzos residuales y pone en solución algunos constituyentes.

Por lo íanío, para obtener la resistencia a la fluencia requerida para este material luego del revenido, es necesario mantener baja la fracción de ferrita poligonal, preferiblemente por debajo del 30 % y promover mayoritariameníe la presencia de bainiia inferior.

Por lo descriío anteriormente y para lograr el balance necesario en las propiedades del acero, la temperaiura de revenido debe ser entre 630°C y 690° C.

Es Gonocido que según la composición química que posea el acero, se deberán determinar los parámetros de traíamiento íérmico y fun-dameníal eníe las temperaturas de austenizado y de revenido. Por esto, el inventor encontró una relación que permiíe determinar la temperatura de revenido óptima, según la composición química del acero. Esta temperatura es establecida según la siguiente relación: Trev (°C) = [- 273 + 1 000/ (1 ,17 - 0, 2 C - 0, 3 Mo - 0,4 V)] +/- 5 A continuación se describe el mejor método para llevar a cabo la invención.

Se prepara la carga metálica en función de los conceptos descritos y se funde en un horno de arco eléctrico. Durante la etapa de fusión de la carga hasta los 1550°C se lleva a cabo la desfosforación del acero, posteriormenfe se desescorea y se forma una nueva es-coria para reducir un poco el contenido de azufre. Finalmente se decarbura a los niveles deseados y se vacía el acero liquido en la olla.

Durante la etapa de vaciado se agrega el aluminio para desoxidar el acero así como las ferroaleaciones en una cantidad estimada para llegar al 80% de la composición final. Se realiza luego la desulfuración, se ajusta la colada en composición y temperaíura para después ser enviada a la estación de degasificación al vacío donde se llevará a cabo la reducción de gases (H, N, O y S) y finalmente culminar el tratamienfo con el agregado de CaSi para la floíación de inclusiones.

Una vez lista la colada en composición y temperaíura se envía a la máquina de colada continua o al colado en lingoteras para llevar a cabo la transformación del acero líquido en una barra sólida del diámetro requerido. El producto obtenido al finalizar esta eíapa es un lingote, barra o tocho con la composición química descrita anteriormeníe.

El paso siguienfe es el recalentamienio de los íochos de acero has-ta la temperaíura adecuada para su perforado y poslerior laminación. El íubo madre así obíenido es luego ajustado a sus dimensiones finales.

A confinuación, el tubo de acero es sometido a un traíamienfo tér-mico de temple y revenido de acuerdo a los parámetros deíallados aníeriormepte.

Ejemplos A continuación se presentan, en forma de tabla, los ejemplos de aplicación de la preseníe invención.

La fabla 3 presenta ias diferentes composiciones químicas en las que se basaron los trabajos utilizados para lograr la preseníe in-vención. La íabla 4 esiablece el efecto de esta composición, con los traíamientos térmicos indicados, en las propiedades mecánicas y ante la corrosión del producto. Por ejemplo, el canalizador identificado con el número 1 tiene una composición química tal y como se detalla en la Tabla 3, es decir, C, 0,09; Mn, 1 ,16; Si, 0,28; P, 0,01 ; S, 0,0012; Mo, 0, 133; Cr, 0,20; V, 0,061 ; Nb, 0,025; Ni, 0,35; Al, 0,021 ; Ti, 0,013; N, 0,0051 , Mo+Cr+Ni=0,68 y (Mo+Cr+V)/5+(Ni+Cu)/15=0,10.

A su vez, este mismo material es sometido a un tratamiento térmico según lo indicado en las columnas "T. Aust." Y "T. Rev." de fa Ta-bla 4, es decir, a una Temperaíura de Ausíenizado T. Aust 900 °C y a una Temperatura de Revenido T. Rev = 650 ° C.

Esíe mismo íubo posee las propiedades indicadas en las Golumnas subsiguieníes para el mismo número de acero de la Tabla 4, es décir, un Espesor de 35 mm, una resisíencia a la fluencia (YS) de 75 Ksi, una resisíencia a la rotura (UTS) de 89 Ksi, una relación entre la resistencia a la fluencia y la resistencia a la rotura (YS/UTS) de 0,84, una resistencia a la fluencia medida a 130 ° C de 69 Ksi, una resistencia a la rotura medida a 130 ° C de 82 Ksi, una relación en-tre la resistencia a la fluencia y la resistencia a la rotura medida a 130 °C de 0, 84, u na resistencia al avance de grietas medida por el ensayo CTOD a -10 °C de 1 ,37 mm, una Energía absorbida medida por en ensayo Charpy a -10ftC de 440 Joules, un área dúctil-frágil de 100 %, una dureza de 215 HV10 y una resisfencia a la corrosión medida por el ensayo HI C de acuerdo a la norma NACE TM0284, con solución A de la norma NACE TM0177 es 1 ,5 % Máx. para CTR y 5,0 % Máx. para CLR.

Tabla 1. Composición química de aGeros mostrados en Figura 1 o Tabla 2. Composición química de aceros mosírados en Figura 2. 10 Tabla 3. Ejemplos de composición química de la presente invención.

Tabla 4. Ejemplos de balance de propiedades de la presente ¡nvención.

Tabla 4. Ejemplos de balance de propiedades de la presente invención.

(*) Definida de acuerdo a la fórmula Trev (°C) = [- 273 + 1000/ (1 ,17 - 0,2 C - 0,3 Mo - 0,4 V)] +/- 5 El invento ha sido descrito suficientemeníe como para que una persona con conoci ieníos medios en la materia pueda rep roducirlo y obtener ios resultados que menciona os en la presente invención. Sin embargo, cualquier persona hábil en el campo de la técnica que compete el preseníe invento p uede ser capaz de h acer modificaciones no descritas en la presente solicitud, pero si para la aplicación de estas modificaciones en un material determinado o en el proceso de manufactura del mismo, se requiere de la materia reclamada en las siguientes reivindicaciones, dicho material y el pro-ceso deberán ser comprendidos dentro del alcance de la invención.

Claims (10)

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficieníemeníe la ¡nvención, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes cláusulas relvindicatorias.

1. Un tubo de acero sin costura con elevada resistencia mecánica, buena tenacidad, buena resistencia al avance de grietas en el metal base y en la zona afectada por el calor (HAZ) y buena resistencia a ia corrosión, caracterizado porque la materia de la que está compuesto consiste básicamente de Fe y la siguiente composición química expresada en % en peso como elementos adicionales: C 0,06 a 0,13; Mn 1,00 a 1,30; Si 0,35 máx.; P 0,015 máx.; S 0,003 máx.; Mo 0,1 a 0,2; Cr 0,10 a 0,30; V 0,050 a 0,10; Nb 0,020 a 0,035; Ni 0,30 a 0,45; Al 0,015 a 0,040; Ti 0,020 máx. ' N 0,010 máx. Cu 0,2 máx. y porque además la composición química cumple con las siguientes relaciones eníre los elementos aleantes: 0,5 < (Mo + Cr + Ni) < 1 ; (Mo + Cr + V)/5 + (Ni + Cu)/15 = 0,14.

2. Un tubo de acero sin costura con elevada resistencia mecánica, buena tenacidad, buena resistencia al avance de grietas en el metal base y en la HAZ, y buena resistencia a la corrosión tal y como se reclama en la reivindicación aníerior, caracterizado además por poseer un contenido de Titanio no mayor de 0,002 % en peso.

3. Un tubo de acero sin costura con elevada resistencia mecánica, buena tenacidad, buena resistencia al avance de grietas en el me- tal base y en la HAZ, y buena resistencia a la corrosión tal y como se reclama en las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado además por poseer una resisiencia al avance de grieias medida por la prueba de CTOD a una íemperaíura de hasía -40 °C- = 0,8 mm en el meíal base y un CTOD a una temperaíura de 0°C = 0,5 mm en la zona afecíada por el calor.

4. Un fubo de acero sin cosfura con elevada resistencia eGánica, buena tenacidad, buena resistencia al avance de grieta en el metal base y en la HAZ, y buena resistencia a la corrosión íal y como se - reclama en la reivindicación 1, 2 o 3, caractepzado porque la resistencia a la corrosión medida por la prueba de HIC, de acuerdo a la norma NACE TM0284 con solución A es 1 ,5 % máx. para CTR y 5,0 % máx. para CLR.

5. Un tubo de acero sin costura con elevada resistencia mecánica, buena tenacidad, buena resistencia ai avance de grieta en el metal base y en la HAZ, y buena resisíencia a la corrosión íal y como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque además el espesor de pared es = a 30 mm.

6. Un tubo de acero sin costura con elevada resistencia mecánica, buena tenacidad, buena resistencia al avance de grieta en el metal base y en la HAZ, y buena resistencia a la corrosión tal y como se reclama en la reivindicación anterior, caracterizado porque el espesor de pared es = a 40 mm.

7. Un tubo de acero sin costura con elevada resistencia mecánica, buena tenacidad, buena resistencia al avance de grieta en ei metal base y en la HAZ y buena resistencia a la corrosión tal y como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque posee las siguientes propiedades: YS T amb > 65 Ksi YS 130 °c = 65 Ksi UTS T amb > 77 Ksí UTS 130 °c = 77 Ksi Energía absorbida evaluado a una temperaíura de hasía -10 °C 100 Joules Dureza < 240 HV10 máximo.

8. Un íubo de acero sin costura con elevada resistencia mecánica, buena tenacidad, buena resistencia al avance de grieia en el meíal base y en la HAZ y buena resisíencia a la corrosión fai y como se reclama en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque posee las siguientes propiedades: YS T amb > 65 Ksi YS 13o °c > 65 Ksi UTS j amb = 77 Ksi UTS 30 °c > 77 Ksi YS/UTS = 0,89 Alargamiento > 20 % Energía absorbida evaluado a una temperaíura de hasía -20 °C = 380 Joules Shear Área a -10 °C = 100 %- Dureza < 220 HV10

9. Un proceso de fabricación de un tubo de acero sin costura con elevada resistencia mecánica, buena tenacidad, buena resistencia al avance de grieta en el metal base y en la HAZ y buena resistencia a la corrosión del íipo que comprende los pasos de 1. Fabricación del acero, 2. Obfención de la pieza cilindrica sólida, 3 Perforación de la pieza, 4 Laminación de la misma, 5 Trafa iento tér i-c.o del íubo laminado, caracterizado dicho proceso porque en la fabricación del acero se agregan cíería caníidad de elemeníos y se eliminan oíros de manera que la composición final en % en peso que se fenga, además del hierro y las impurezas inevitables, sea la siguiente: C 0,06 a 0,13; Mn 1 ,00 a 1 ,30; Si 0,35 máx.; P 0,015 máx.; S 0,003 máx.; Mo 0,10 a 0,20 Cr 0, 10 a 0,30; V 0,050 a 0,10; Nb 0,020 a 0,035; Ni 0,30 a 0,45; Al 0,015 a 0,040; Ti 0,020 máx. N 0,010 máx. Cu 0,2 máx. y porque además la composición química cumple con las siguientes relaciones eníre los elemeníos aleaníes: 0,5 < (Mo + Cr + Ni) < 1 ; (Mo + Cr + V)/5 + (Ni + Cu)/15 = 0, 14.

10. Un proceso de fabricación de un íubo de acero sin cosíura tal y como se reclama en la reivindicación aníerior caracterizado porque dicho íraíamienfo térmico consía de un ausíenizado a una tempera-fura de entre 900 y 930 °C, seguido de un temple interno-externo en agua y un traíamiento térmico de revenido posterior a una tem- peratura de entre 630 y 690 °C definida por la ecuación: Trev (°C) = [- 273 + 1000/ (1.17 - 0.2 C - 0.3 Mo - 0.4 V)] +/- 5 RESU MEN La presente invención se refiere a un acero de elevada resistencia mecánica a femperatura ambiente y hasta 130°C, alia tenacidad y resisteníe a la corrosión en el metal base así como alta resistencia al avance de grietas en la zona afectada por el calor (HAZ) una vez soldado el tubo , y más particularmente a un tubo de acero sin costu ra de grueso espesor de pared , con elevada resistencia mecánica, alta tenacidad y resistente a la corrosión denominado canalizador de configuración catenaria. Las ventajas del presente invento con respecto a los del estado de la técnica radican en proporcionar una composición química del acero utilizado para la fabricación de un tu bo de acero sin costu ra de grueso espesor, elevada resistencia mecánica , buena tenacidad a la fractura en la HAZ y buena resistencia a la corrosión y un proceso de fabricación que permita obtener este producto. Estas ventajas se logran con la utilización de una composición que comprende básicamente Fe y composición química específica.