WO2004097059A1 - Tubo de acero sin costura para ser utilizado como canalizador y proceso de obtencíon del mismo - Google Patents

Tubo de acero sin costura para ser utilizado como canalizador y proceso de obtencíon del mismo Download PDF

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WO2004097059A1
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steel tube
cracking
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PCT/MX2003/000038
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Marco Mario Tivelli
Alfonso Izquierdo Garcia
Dionino Colleluori
Guiseppe Cumino
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Tubos De Acero De Mexico, S.A.
Dalmine S.P.A.
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Definitions

  • the present invention relates to a steel of high mechanical strength, high toughness and corrosion resistance, and more particularly to a seamless steel tube of thick wall thickness, with high mechanical strength, high toughness to prevent the progress of cracks both in the base metal and in the area affected by heat and corrosion resistant, called a catenary configuration channeler, to be used as a conductor of high temperature fluids, preferably up to 130 ° C and high pressures, preferably up to 680 atm. and a method of manufacturing it.
  • catenary configuration channelers commonly known in the petroleum medium as Steel Catenary Risers, are used. These channelers are located in the upper part of the submarine laying, that is, between the surface of the water and the first point where the laying touches the seabed and they make up only part of the complete driving system.
  • This channeling system is essentially composed of conduit pipes, which have the function of conducting fluids from the seabed to the sea surface. These pipes are currently made of steel, and are generally connected to each other by welding.
  • channelers There are several possible configurations for the channelers, one of them is the non-symmetric catenary configuration channeler. This name is due to the fact that the curve that describes the driving system that is fixed at its two ends (seabed and sea surface) is a catenary curve.
  • a channeling system like the one described above is exposed to the wave movements produced by waves and sea currents. Fatigue resistance is therefore a very important property in this type of pipes, this phenomenon becoming critical in the welded joint between tube and tube. For this reason, restricted dimensional tolerances, uniform mechanical resistance properties and high tenacity for the prevention of cracks in both the base metal and in the area affected by heat are the main characteristics of this type of pipe.
  • the fluid that circulates through the channeler can contain H2S, so it is also necessary for the product to have high corrosion resistance
  • the medium in which the tube must work sometimes means maintaining its operation at low temperatures.
  • Many of the deposits are located at latitudes that involve low ambient temperatures, so the tube must maintain its mechanical properties even at those temperatures.
  • a common practice used to increase the strength of a steel product is to add alloying elements such as C and Mn, perform a tempering and tempering heat treatment and add elements that generate precipitation hardening such as Nb and V.
  • alloying elements such as C and Mn
  • perform a tempering and tempering heat treatment and add elements that generate precipitation hardening such as Nb and V.
  • Nb and V precipitation hardening
  • Channels are pipes that, like conduction pipes, carry a liquid, a gas or both.
  • Said pipe is manufactured under norms, standards, specifications or codes that govern the manufacture of conduction pipe in most cases. Additionally they are characterized and differentiated from the standard conduit pipe in terms of chemical composition range, restricted range of mechanical properties (creep, strength and their ratio), low hardness, high toughness, dimensional tolerances restricted in internal diameter and criteria Severe inspection.
  • Mn is an element that increases hardenability in steel, promoting the formation of martensite, as well as the promotion of the MA constituent, which is detrimental to tenacity.
  • the Mn promotes a high central segregation in the steel bar from which the tube is laminated, even more in the presence of P.
  • the Mn is the second largest element with a large segregation index, it favors the formation of MnS inclusions and even when the steel is treated to Ca, due to the problem of central segregation in Mn contents above 1.35%, these inclusions are not eliminated.
  • the main objective of this invention is to provide a chemical composition of the steel used for the manufacture of a seamless tube and a manufacturing process that allows to obtain a product with high mechanical resistance at room temperature and up to 130 ° C, high toughness, low hardness , good corrosion resistance in media containing H2S and high toughness values in terms of resistance to cracks in the BEAM evaluated by the CTOD test (by its denomination in English "Crack Tip
  • Still another objective is to make possible a product that has an adequate balance of the qualities indicated above and that can meet the requirements that a channeler must have to conduct fluids at high pressures, that is, greater than 680 atm.
  • Still another objective is to make possible a product that has good resistance values at high temperatures.
  • a fourth objective is to provide a heat treatment to submit the seamless steel tube, which allows to obtain the mechanical properties and corrosion resistance.
  • the present invention consists of one of its slopes in a steel of high mechanical resistance at room temperature and up to 130 ° C, high toughness and low hardness which also has good corrosion resistance and high resistance to cracking in MAKE it once welded the tube to be used in the manufacture of steel tubes that make up a system underwater channeler
  • the invention consists of a method for manufacturing this type of tube.
  • the alloy is first manufactured with the desired chemical composition.
  • This steel must contain in percentage by weight the following elements in the amounts described: C 0.06 to 0.13; Mn 1, 00 to 1, 30; Yes 0.35 max .; P 0.015 x .; S 0.003 max. ; Mo 0, 10 to 0, 20; Cr 0.10 to 0.30; V 0.050 to 0.10;
  • the steel obtained is solidified in the form of billets or ingots which are then drilled and rolled to give them tubular shape.
  • the mother tube thus obtained is then adjusted to its final dimensions.
  • the wall thickness of the tubes should be set in a range of> 30 mm.
  • the steel tube is subjected to a tempering and tempering heat treatment to confer its microstructure and final properties.
  • Figure 1 shows the creep resistance measured in Ksi and the transition temperature (FATT), measured in ° C, of several steels designed by the inventor, used for the manufacture of channelers.
  • the chemical composition of the "BASE”, “A”, “B ⁇ ” C M , “D”, “E” and “F” alloys can be observed in Table 1.
  • Figure 2 shows the effect of different austenising and tempering temperatures and the addition or not of Ti on the flow resistance and the transition temperature (FATT), measured in ° C, of different alloys.
  • the chemical composition of the different alloys analyzed can be seen in Table 2.
  • Steel 17 (chemical composition E) contains a greater amount of Ti (0.015%) and has been heat treated with the same conditions as the steel stated above.
  • alloys A, B, C, D, E, F and G have also been treated with other austenized and tempering temperatures, as indicated in Figure 3.
  • the inventor has discovered that the combination of elements such as Nb-V-Mo-Ni-Cr among others, in predetermined amounts, allows obtaining an excellent combination of strength, toughness, hardness, high CTOD values and good strength to hydrogen-induced cracking (HIC) in the base metal; besides allowing to obtain high values of CTOD in the area affected by heat (HAZ) of the welded joint.
  • HIC hydrogen-induced cracking
  • Step B The next step was to reduce the content of C to 0.061% (Steel B), observing that there was a detriment of both properties evaluated. It was then split again from steel A and the V in its composition (Steel C) was eliminated. Although the transition temperature was slightly improved by this practice, the final strength of the material did not reach the minimum required.
  • the next step was to experiment with the addition of Cr.
  • the addition of Cr was made to both steel A (obtaining steel D), and steel C (obtaining steel E). Both steels presented improvements in both resistance and transition temperature, although steel D fulfilled the required properties more appropriately.
  • the inventor has carried out another series of experiments to check three important factors that affect the properties of the material that forms the channeler: the content of Ti in the alloy, the effect of austenitic grain size and tempering temperature during heat treatment of steel.
  • the inventor found that the variation in tempering temperature of the steel at approximately 30 ° C does not produce a significant effect on the mechanical properties of the material, in the case that the alloy does not possess Ti. While in an alloy that has a Ti content of up to 0.015%, a detriment of resistance when going from a tempering temperature of 630 to 660 ° C.
  • Carbon is the most economical element with the greatest impact on the mechanical strength of steel, therefore its content cannot be very low. In order to achieve creep resistance greater than or equal to 65 k if it is necessary that the content of this element be keep above 0.06% for thick pipes.
  • C is the main element that promotes the hardenability of the material. If the content of this is very low, the temperability of the steel is considerably affected and therefore the promotion of a thick and heterogeneous acicular structure at half the thickness of the pipe will be characteristic. This phenomenon would not allow to achieve adequate resistance for this material in addition to the detriment of toughness.
  • the content of this element must not exceed 0, 13%. Therefore the content of C should be 0.06 to 0.13%.
  • Mn 1, 00 to 1, 30 M n is an element that increases hardenability in steel, promoting the formation of martensite, as well as the promotion of the MA constituent, which is detrimental to tenacity.
  • the Mn promotes a high central segregation in the steel bar from which the tube is laminated.
  • Mn is the second element with a higher segregation index, favoring the formation of MnS inclusions and even when steel is treated by Ca, due to the central segregation problem for an Mn content above 1.35%, such inclusions are not eliminated.
  • Mn is the second element with the greatest influence on the EC formula (Equivalent Carbon, Formula 1IW), thereby increasing the value of the final EC content.
  • the optimum content of Mn must be in the range 1, 00 to 1, 35 and more particularly it must be in the range 1, 05 to 1, 30.
  • Silicon is necessary as a deoxidant in the steelmaking process and is also necessary to improve the strength of the material.
  • This element like manganese, promotes the segregation of P to grain limits, which is why it is harmful and should be kept as low as possible, preferably below 0.35% by weight.
  • Phosphorus exists as an inevitable element in the metallic charge, and a content greater than 0.015% produces segregation in grain edges, which decreases resistance to HIC. It is essential to maintain levels below 0.01 5% to avoid problems of both toughness and hydrogen-induced cracking.
  • Molybdenum allows to increase the tempering temperature, also preventing the segregation of embrittlement elements on the edge of austenitic grain.
  • Chromium produces hardening by solid solution and increases the hardenability of the material and therefore increases the resistance.
  • Cr is an element that is also found in the metallic charge. Therefore, it is desired to have a minimum content of 0.10%, but in parallel, an excess can cause problems of malfunction, so it is advisable to maintain a maximum value of 0.30%.
  • V 0.050 to 0.10 This element precipitates in the solid solution in the form of carbides thus increasing the strength of the material, therefore the minimum content must be 0.050%. If the content of this element exceeds 0.10% (or even if it exceeds 0.08%), the fracture toughness of the weld may be affected because an excess of carbides or carbonitrides can be found in the matrix. Therefore, the content must be between 0.050 and 0.10%.
  • This element like V, precipitates in the solid solution in the form of carbides or nitrides, thus increasing the strength of the material.
  • these carbides or nitrides prevent excessive grain growth.
  • An excess content of this element does not bring additional advantages and could also cause the precipitation of compounds that are detrimental to the toughness. Therefore the content of Nb must be between 0.020 and 0.035. Ni 0.30 to 0.45
  • Nickel is an element that improves the toughness of the base material and welding, although excessive additions end up saturating this effect. Therefore, the optimum range for thick pipe should be 0.30 to 0.45%, and it has also been found that the optimum Ni content is 0.40%.
  • the Cu content In order to achieve good weldability of the material and avoid the appearance of defects that could worsen the quality of the joint, the Cu content must be kept below 0.2%.
  • Aluminum acts as a deoxidant in the steelmaking process. It also refines the grain of the material allowing to obtain higher values of toughness. On the other hand, a high content of Al could generate inclusions of the uterine, reducing the toughness of the material. Therefore, the Aluminum content will be limited between 0.015 and 0.040%.
  • Ti is an element that is used for deoxidation and for refining grain. In contents greater than 0.020% and in the presence of elements such as N, C can form compounds such as carbonitrides or nitrides of Ti which are detrimental to the transition temperature. As can be seen in Figure 2, it was found that in order to avoid a marked decrease in the transition temperature of the pipe, the Ti content does not have to be greater than 0.02%.
  • the optimal austenitic grain size is 9 or 10 according to ASTM.
  • the thick steel seamless steel tube containing the detailed chemical composition should have the following balance of characteristic values:
  • Shear Area (-10 ° C) 100% D ureza ⁇ 240 HV10 maximum CTOD in the base metal (test at a temperature up to -40 ° C)
  • Corrosion Test HI C according to NACE TM0284, with solution A: 1.5% CTR Max. ; CLR 5, 0% Max.
  • Another aspect of the present invention is that of disclosing a suitable heat treatment to be carried out on a thick tube with the chemical composition indicated above, in order to achieve the required mechanical properties and corrosion resistance.
  • the manufacturing process and specifically the parameters of the heat treatment in conjunction with the chemical composition described, have been developed by the inventor so as to be able to achieve an adequate ratio of mechanical properties and corrosion resistance, in turn how to achieve high mechanical resistance of the material at 1 30 ° C.
  • the process used to manufacture the product consists of the following steps:
  • This steel must contain in percentage by weight the following elements in the amounts described: C 0.06 to 0.1; Mn 1, 00 to 1, 30; Yes 0.35 max. ; P 0.015 max. ; S 0.003 max. ; Mo 0, 1 0 to 0.20; Cr 0.10 to 0.30; V 0.050 to 0.10; Nb 0.020 to 0.035; Ni 0.30 to 0.45; At 0.01 5 to 0.040; Ti 0.020 max; Cu 0.2 max. and N 0.010 max.
  • This steel is then formed into solid bars obtained through continuous curved or vertical casting. Then the drilling of the bar and its subsequent lamination is carried out to its final dimensions.
  • the preferred lamination process must be with retained mandrel.
  • the tube is subjected to heat treatment. During this treatment the tube is first heated in an austenitized oven to a temperature higher than Ac3.
  • the inventor has found that an austenized temperature between 900 and 930 ° C is necessary for the chemical composition described above. This range has been developed to be high enough to achieve a correct dissolution of carbides in the matrix and in turn not too high to avoid excessive grain growth, which then detracts the transition temperature of the pipe.
  • the tube leaves the austenitized furnace, it is immediately subjected to external-internal tempering in a tub where the tempering medium is water. Tempering should be carried out in a tube that allows the tube to rotate during immersion in the water, so that a homogeneous structure can be obtained throughout the entire body of the tube. In turn, an automatic alignment of the tube with respect to the water injection nozzle also allows the objectives set to be fulfilled in a better way.
  • the next step is the tempering treatment of the tube, a process that grants the final microstructure.
  • Said microstructure is what will give the mechanical and corrosion characteristics to the material.
  • a high tempering temperature is effective in increasing the toughness of the material since it relieves a significant amount of residual stresses and puts some constituents into solution.
  • the tempering temperature must be between 630 ° C and 690 ° C.
  • the metal charge is prepared in accordance with the concepts described and melted in an electric arc furnace. During the melting stage of the load up to 1550 ° C, the dephosphorus of the steel is carried out, subsequently de-iced and a new slag is formed to reduce the sulfur content somewhat. Finally it is decarburized to the desired levels and the liquid steel is emptied into the pot.
  • the casting in composition and temperature is ready, it is sent to the continuous casting machine or to the ingot casting to carry out the transformation of the liquid steel into a solid bar of the required diameter.
  • the product obtained at the end of this stage is an ingot, bar or billet with the chemical composition described above.
  • the next step is to reheat the steel billets to the appropriate temperature for drilling and subsequent lamination.
  • the mother tube thus obtained is then adjusted to its final dimensions.
  • the steel tube is subjected to a tempering and tempering heat treatment according to the parameters detailed above.
  • Table 3 presents the different chemical compositions on which the works used to achieve the present invention were based.
  • Table 4 establishes the effect of this composition, with the indicated thermal treatments, on the mechanical properties and the corrosion of the product.
  • the channeler identified with the number 1 has a chemical composition as detailed in Table 3, that is, C, 0.09; Mn, 1, 1 6; Yes, 0.28; P, 0.01; S, 0.0012; Mo, 0, 133; Cr, 0.20; V, 0.061; Nb, 0.025; Ni, 0.35; To the,
  • This same tube has the properties indicated in the subsequent columns for the same number of steel in Table 4, that is, a Thickness of 35 mm, a creep resistance (YS) of 75 Ksi, a breaking strength (UTS ) of 89 Ksi, a ratio between creep resistance and tear strength (YS / UTS) of 0.84, a creep resistance measured at 130 ° C of 69 Ksi, a breaking strength measured at 130 Q C of 82 Ksi, a ratio between creep strength and breakage strength measured at 130 ° C of 0.84, or a crack resistance measured by the CTOD test at -10 "C of 1.37 mm, an absorbed energy measured by the Charpy test at -10 ⁇ C of 440 Joules, a ductile-fragile area of 100%, a hardness of 215 HV10 and a corrosion resistance measured by the HI C test of according to NACE TM0284, with solution A of NACE TM0177 is 1.5% Max for CTR and 5.0% Max for CLR. Table

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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 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 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 comprenda básicamente Fe y composición química específica.

Description

TU BO DE ACERO SIN COSTURA PARA SER UTILIZADO COMO CATALIZADOR Y PROCESO DE OBTENCIÓN 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 resistencia mecánica, alta tenacidad para prevenir el avance de grietas tanto en el metal base como en la zona afectada por el calor y resistente a la corrosión, denominado canaliza- dor 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 u n método para fabricarlo.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la explotación de reservas petroleras en profundidades marinas se utilizan conductores de fluidos llamados canalizadores de configuración catenaria, comúnmente conocidos en el medio petrolero como Steel Catenary 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 compuesto esencialmente por tuberías de conducción, las cuales tienen por función conducir los fluidos desde el lecho marino hasta la superficie del mar. Estas tuberías actualmente son de acero, y están generalmente conectadas entre 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 mari no y superficie del mar) es una curva catenaria.
Un sistema canalizador como el descrito anteriormente está expuesto a los movimientos ondulatorios que producen las olas y las corrientes marinas. La resistencia a la fatiga es por lo 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 afectada por el calor, son las principales características de este 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.
Otro 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 temperatura.
Asimismo, el medio en el que en algunas ocasiones deba funcionar el tubo implica conservar su funcionamiento a temperaturas bajas. Muchos de los yacimientos están localizados en latitudes que implican temperaturas ambientales bajas por lo cual el tu bo 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 soto 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 estas 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 la 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 canali∑adores, se puede hablar por ejemplo del documento EP 1 182268 de MIYATA Yukio y colaboradores, que revela una aleación de acero utilizada para la 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 colabo- 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 princip al 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 ciertos contenidos, detrimento en la tenacidad 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 templabilidad del acero se ve afectada considerablemente y por ende la promo- ción de una estructura acicular gruesa y heterogénea a mitad 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 el 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. Esta afirmación tampoco es cierta, dado que el Mn es un elemento que aumenta la templabilidad 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 contenidos por encima de 1 ,35 % de 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 I IW), con lo cual incrementa el valor del contenido 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 tipo 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 tuberías es a través del proceso de laminación a paso de peregrino. Si bien mediante este proceso se podrían obtener elevados espesores de pared, también es cierto que no se logra obtener una buena calidad en el acabado superficial del 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 p uedan cumplir con los requerimientos de tenacidad a la fractura o resistencia a la propagación de grietas en la zona afectada por el calor, (HAZ por su nombre en inglés "Heat Afected Zone") y de resistencia a la corrosión necesarios para este tipo de aplicaciones ya que sin la cualidad de grueso espesor de pared, la simple composición química y tratamiento térmico no permitirían llegar a las características necesarias para este tipo de producto.
Los antecedentes 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 entendimiento.
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 i nglés "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 requerimientos que debe poseer un canalizaror para conducir fluidos a elevadas presiones, esto es, mayor a 680 atm.
Aún otro objetivo es hacer posible un producto que posea buenos valores de resistencia a elevadas temperaturas.
Aún un cuarto objetivo es proporcionar un tratamiento térmico para someter al tubo de acero sin costura, que permita obtener las propiedades mecánicas y resistencia 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 resistencia 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 tubos de acero que conforman un sistema canalizador submarino.
En otra de sus vertientes, el invento consiste en un método para fabricar este tipo de tubo.
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 q ue se describen: C 0,06 a 0, 13; Mn 1 ,00 a 1 ,30; Si 0,35 máx.; P 0,015 áx.; 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, 01 5 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. El tubo madre así obtenido es luego aj ustado a sus dimensiones finales.
Para cumplir cabalmente con los objetivos planteados en la presen- te invención además de la química ya definida, se determi nó que el espesor de pared de los tubos 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 microestructura 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\ "CM, "D", "E" y "F", puede ser observada en la Tabla 1 .
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 fl uencia y la temperatura de transición (FATT), medida en °C, de diferentes aleaciones. La composición química de las diferentes aleaciones analizadas p uede verse en la Tabla 2.
La figura 3 es la referencia para el mejor entendimiento 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 austenizado 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 tratado térmicamente 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 otras temperaturas de austenizado 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 cantidades predeterminadas, permite la obtención de u na excelente combinación de resistencia, 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 características planteadas anteriormente.
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 constatar luego la relación tensión de fluencia/tenacidad que le correspondía a cada una.
Los resultados de estos 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 Mo 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 detrimento de ambas propiedades evaluadas. Se partió entonces nuevamente del acero A y se le eliminó el V en su composición (Acero C). Si bien mejoró levemente la temperatura de transición mediante esta práctica, la resistencia final del material no alcanzaba el mí nimo requerido.
El siguiente paso fue experimentar con el agregado de Cr. Se reali- zó la adición de Cr tanto al acero A (obteniéndose el acero D), como al acero C (obteniéndose el acero E). Ambos aceros presentaron mejoras tanto en su resistencia como en la temperatura de transición, 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 tres factores importantes que afectan las propiedades del material que forma el canalizador: el contenido de Ti en la aleación, el efecto del tamaño grano austenítico y la temperatura de revenido durante el tratamiento térmico del acero.
El inventor descubrió que el aumento 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 temperatura de transición. 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 aproximadamente 30 ° C no produce un efecto significativo en las propiedades mecánicas del material, en el caso que la aleación no posea Ti. Mientras q ue en una aleación que tiene un contenido de Ti de hasta 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 con 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 , independientemente 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 temperatura de transición 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.
C 0,06 a 0,13
El Carbono es el elemento más económico y de mayor impacto en la resistencia 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 elemento se mantenga por encima a 0,06 % para tuberías de grueso espesor.
Además, el C es el principal elemento que promueve la templabili- dad del material. Si el contenido de este es muy bajo, la templabi- lidad del acero se ve afectada considerablemente y por ende la promoción de una estructura acicular gruesa y heterogénea 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 temperatura de -40°C y superen 0,5 mm hasta una temperatura de
0° C en la 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 M n es un elemento que aumenta la templabilidad 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. 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 al 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 agrietamiento inducido por hidrógeno, o HIC por sus siglas en i nglés, por lo ya descrito 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 material para satisfacer los requerimientos de resistencia.
Por lo tanto, el contenido óptimo de Mn debe estar en el rango 1 ,00 a 1 ,35 y más particularmente debe estar en el rango 1 ,05 a 1 ,30.
Si 0,35 Máx.
El Silicio es necesario como desoxidante en el proceso de fabricación del acero y también es necesario para mejorar la resistencia del material. Este elemento al igual que el manganeso, promueve la segregación de P a límites de grano, por lo cual resulta perjudicial y debe mantenerse lo más bajo posible, preferiblemente por debajo de 0,35 % en peso.
P 0,015 Max.
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 0,01 5% para evitar problemas tanto de tenacidad 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 detrimentan la resistencia a la corrosión del material en presencia de H2S.
Mo 0,1 a 0,2
El molibdeno permite aumentar la temperatura de revenido, previniendo además la segregación de elementos fragilizadores a borde de grano austenítico.
Este elemento además es necesario para mejorar la templabilidad del material, se encontró que el contenido mínimo óptimo debe ser 0, 1 % . Se establece un máximo de 0,2 % dado que por encima de este valor puede verse disminuida la tenacidad tanto en el cuerpo del tubo como en la zona afectada por el calor en la unión soldada. Cr 0,10 a 0,30
El cromo produce endurecimiento por solución sólida e incrementa la templabilidad del material y por ende aumenta la resistencia. El Cr es un elemento 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 asi 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 la tenacidad a la fractura de la soldadura debido a que puede encon- trarse un exceso de carburos o carbonitruros en la matriz. Por lo tanto, el contenido 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 nitruros aumentando así la resistencia del material. Además, estos carburos o nitruros evitan el crecimiento de grano excesivo. Un contenido en exceso de este elemento no trae ventajas adicionales y además podría causar la precipitación de compuestos 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 elemento que mejora la tenacidad del material base y de la soldadura, aunque adiciones excesivas terminan por saturar este efecto. Por lo tanto el rango óptimo para tubería de grueso espesor debe ser 0,30 a 0,45 %, y además se ha encontrado que el contenido de Ni óptimo es de 0,40 % .
Cu 0,2 máx.
Para lograr una buena soldabilidad del material y evitar 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 podría generar inclusiones de al úmina, disminuyendo la tenacidad del material. Por esto, el contenido de Aluminio estará limitado entre 0,015 y 0,040 %.
Ti 0,020 Máx.
El Ti 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 elementos tales como N, el C puede formar compuestos tales como carbonitruros o nitruros de Ti los cuales van en detrimento de la temperatura de transición. Tal como se observa en la Figura 2, se comprobó que para evitar una disminución marcada en la temperatura de transición de la tubería, el contenido de Ti no tiene q ue 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 del 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- nita retenida (constituyente MA) bien dispersa en la matriz.
Con el fin de garantizar una templabilidad adecuada del material y una buena soldabilidad, los elementos descritos deben mantener una relación como se indica a continuación:
0,5 < (Mo + Cr + Ni) < 1 ; (Mo + Cr + V)/5 + (Ni + Cu)/15 < 0, 14.
Se encontró 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 canali∑ador.
Debido a que la mejora de determi nadas propiedades en el acero implica el 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 resistencia a la corrosión en el metal base y buena resistencia al avance de grietas en la zona afectada por el calor (HAZ).
Preferiblemente, 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 1 30 ° C ≥ 77ksi Alargamiento 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 % D ureza < 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 temperatura de 0ΘC) > 0, 50 mm
Ensayo de Corrosión HI C, de acuerdo a NACE TM0284, con solución A: CTR 1 ,5 % Máx. ; CLR 5, 0 % Máx.
Otra vertiente de la presente invención es la de divulgar un tratamiento térmico adecuado para realizar sobre un tubo de grueso espesor con la composición química indicada anteriormente, con el fi n de lograr las propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión requeridas.
El proceso de fabricación y específicamente los parámetros del tratamiento térmico en conju nto 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 1 30 °C.
El proceso utilizado para fabricar el producto consta los siguientes pasos:
Primero se fabrica la aleación con la composición química indicada. Este acero, como fue mencionado anteriormente, debe contener en porcentaje en peso los sig uientes elementos en las cantidades que se describen: C 0,06 a 0, 1 3; Mn 1 ,00 a 1 ,30; Si 0,35 máx. ; P 0,015 máx. ; S 0,003 máx. ; Mo 0, 1 0 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 0,01 5 a 0,040; Ti 0,020 máx; Cu 0,2 máx. y N 0,010 máx.
Además el contenido de estos elementos debe ser tal que se cum- plan las siguientes relaciones:
0,5 < (Mo + Cr + Ni) < 1 ;
(Mo + Cr + V)/5 + (Ni + Cu)/15 ≤ 0, 14.
Este acero es conformado luego en barras sólidas obtenidas a través de colada continua curva o vertical. 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 tratamiento térmico. Durante este tratamiento el tubo primero es calentado en un horno de austenizado hasta una temperatura superior a Ac3. El inventor ha encontrado que para la composición química descrita anteriormente es necesaria una temperatura de austenizado entre 900 y 930 °C. Este rango ha sido desarrollado para ser lo suficientemente alto como para lograr una correcta disol ución de carburos en la matriz y a su vez no demasiado elevado como para evitar un crecimiento de grano excesivo, lo cual luego detrimenta la temperatura de transición de la tubería.
Por otro lado, altas temperaturas de austenizado superiores a 930 °C podrían causar la disolución parcial de los precipitados de Nb (C, N) efectivos en la in hibición del crecimiento excesivo del tamaño de grano y un detrimento en la temperatura de transición de la tubería.
Una vez que el tubo sale del horno de austenizado, es sometido inmediatamente a un temple externo-interno en una tina donde el medio de temple es agua. El temple debe ser realizado en una ti na 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 preferentemente. A su vez, u na alineación automática del tubo con respecto a la boquilla de inyección de agua, también permite cumplir de una manera mejor los objetivos planteados.
El paso siguiente es el tratamiento de revenido del tubo, proceso tal que otorga la microestructura final. Dicha microestructura es la que dará las características mecánicas y de corrosión al material.
Se ha encontrado que este tratamiento térmico en conjunto con la composición química revelada permite obtener una matriz de bainita refinada de bajo contenido de C con pequeñas islas, si aún existen, de constituyente MA bien dispersas, lo cual es ventajoso para lograr las propiedades que req uiere 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 detrimento de la temperatura de transición.
Una alta temperatura de revenido es efectiva para aumentar la tenacidad del material ya que releva una cantidad significativa de es- fuerzos residuales y pone en solución algunos constituyentes.
Por lo tanto, 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 mayoritariamente la presencia de bainita inferior.
Por lo descrito anteriormente y para lograr el balance necesario en las propiedades del acero, la temperatura de revenido debe ser entre 630°C y 690° C.
Es conocido que según la composición química que posea el acero, se deberán determinar los parámetros de tratamiento térmico y fundamentalmente las temperaturas de austenizado y de revenido. Por esto, el inventor encontró una relación que permite determinar la temperatura de revenido óptima, según la composición química del acero. Esta temperatura es establecida según la sig uiente relación: Trev ( ° C) = [- 273 + 1 000/ ( 1 , 1 7 - 0 , 2 C - 0 , 3 M o - 0 , 4 V)] +/- 5
A continuación se describe el mejor método para llevar a cabo la invención.
Se prepara la carga metálica en fu nción de los conceptos descritos y se funde en un horno de arco eléctrico. D urante la etapa de fusión de la carga hasta los 1550°C se lleva a cabo la desfosforación del acero, posteriormente 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 líquido en la olla.
Durante la etapa de vaciado se agrega el aluminio para desoxidar el acero así como las ferroaleaciones en u na cantidad estimada para llegar al 80% de la composición final. Se realiza luego la desulfuración, se aj usta la colada en composición y temperatura 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 fi nalmente culminar el tratamiento con el agregado de CaSi para la flotación de inclusiones.
Una vez lista la colada en composición y temperatura 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 fi nalizar esta etapa es un lingote, barra o tocho con la composición química descrita anteriormente.
El paso siguiente es el recalentamiento de los tochos de acero has- ta la temperatura adecuada para su perforado y posterior laminación. El tubo madre así obtenido es luego ajustado a sus dimensiones finales.
A conti nuación, el tu bo de acero es sometido a un tratamiento tér- mico de temple y revenido de acuerdo a los parámetros detallados anteriormente.
Ejemplos
A continuación se presentan, en forma de tabla, los ejemplos de aplicación de la presente invención.
La tabla 3 presenta las diferentes composiciones químicas en las que se basaron los trabajos utilizados para lograr la presente in- vención . La tabla 4 establece el efecto de esta composición, con los tratamientos 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 , 1 6; 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 u n tratamiento térmico según lo indicado en las columnas "T. Aust." Y "T. Rev." de la Ta- bla 4, es decir, a una Temperatura de Austenizado T. Aust = 900 ° C y a una Temperatura de Revenido T. Rev = 650 °C.
Este mismo tubo posee las propiedades indicadas en las columnas subsiguientes para el mismo número de acero de la Tabla 4, es décir, un Espesor de 35 mm, una resistencia a la fluencia (YS) de 75 Ksi, una resistencia 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 QC 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 -10αC de 440 Joules, un área dúctil-frágil de 100 %, una dureza de 215 HV10 y una resistencia 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 aceros mostrados en Figura 1
Figure imgf000031_0001
Tabla 2. Composición química de aceros mostrados en Figura 2.
Figure imgf000031_0002
Tabla 3. Ejemplos de composición química de la presente invención.
Figure imgf000032_0001
Tabla 4. Ejemplos de balance de propiedades de la presente invención.
Tabla 4. Ejemplos de balance de propiedades de la presente invención .
Figure imgf000033_0001
(*) 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 suficientemente como para que una persona con conocimientos medios en la materia pueda reproducirlo y obtener los resultados que mencionamos en la presente invención. Sin embargo, cualquier persona hábil en el campo de la técnica que compete el presente invento puede ser capaz de hacer 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

REIVINDICACIONESHabiendo descrito suficientemente la invención, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes cláusulas reivindicatorias.
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 la 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;
Tí 0,020 máx.
N 0,010 máx. Cu 0,2 máx. y porque además la composición química cumple con las siguientes relaciones entre 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 anterior, 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 resistencia al avance de grietas medida por la prueba de CTOD a una temperatura de hasta -40 °C- ≥ 0,8 mm en el metal base y un CTOD a una temperatura de 0°C ≥ 0,5 mm en la zona afectada por el calor.
4. 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 1, 2 o 3, caracterizado porque la resistencia a la corrosión medida por la prueba de HIC, de acuerdo a la norma NACE TM0284 con sol ución A es 1 ,5 % máx. para CTR y 5,0 % máx. para CLR.
5. U n 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 cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porq ue 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. U n 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 cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque posee las sig uientes propiedades:
YS T amb > 65 Ksi
Figure imgf000037_0001
UTS τ amb > 77 Ksi UTS 130 °c > 77 Ksi Energía absorbida evaluado a una temperatura de hasta
-10 ° C > 1 00 Joules Dureza < 240 HV10 máximo.
8. 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 cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizad© porque posee las siguientes propiedades:
YS T amb > 65 Ksi
YS 13o °c > 65 Ksi UTS T amb > 77 Ksi
UTS 130 °c > 77 Ksi
YS/UTS ≤ 0, 89
Alargamiento > 20 %
Energía absorbida evaluado a una temperatura de hasta -20 °C > 380 Joules
Shear Área a -10 ° C = 100 %-
Dureza < 220 HV10
9. Un proceso de fabricación de un tubo de acero si n 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 tipo q ue comprende los pasos de 1. Fabricación del acero, 2. Obtención de la pieza cilindrica sólida, 3 Perforación de la pieza, 4 Lami nación de la misma, 5 Tratamiento térmi- co del tubo laminado, caracterizado dicho proceso porq ue en la fabricación del acero se agregan cierta cantidad de elementos y se eliminan otros de manera que la composición final en % en peso q ue se tenga, además del hierro y las impurezas i nevitables, 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 entre los elementos aleantes: 0,5 < (Mo + Cr + Ni) < 1 ; (Mo + Cr + V)/5 + (Ni + Cu)/15 ≤ 0, 14.
10. Un proceso de fabricación de un tubo de acero sin costura tal y como se reclama en la reivi ndicación anterior caracterizado porque dicho tratamiento térmico consta de un austenizado a una tempera- tura de entre 900 y 930 °C, seguido de un temple interno-externo en agua y un tratamiento 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
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